Prof. Ricardo Bastos Método TEF-MED
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UFPI PSIU · Específica 2008 — Questões de Física comentadas — Método TEF

Universidade Federal do Piauí

PSIU · Específica · Física · questões 11–20

Q11
Física Moderna — Experimentos e história da Física

Na Física, a experimentação tem um papel fundamental. O norte-americano Robert P. Crease, filósofo e historiador da ciência, afirma:

“Um experimento, ao contrário de uma pintura ou escultura, é dinâmico. Parece mais uma performance dramática, sendo algo que as pessoas planejam, preparam e observam, no intuito de produzir algo pelo qual têm um interesse específico. Como saber a circunferência da Terra sem passar uma fita métrica ao redor da linha do Equador? Como saber que a Terra gira sem voar para o espaço sideral e observar, ou como saber o que há no interior do átomo? Preparando cuidadosamente um evento em laboratório – às vezes com objetos tão simples quanto prismas e pêndulos –, podemos fazer com que respostas para essas perguntas apareçam diante dos nossos olhos. A forma emerge do caos – e não magicamente, como um mágico puxando um coelho da cartola, mas em decorrência de eventos orquestrados por nós mesmos. Fazemos os mistérios do mundo falarem.”

(CREASE, R. P. Os dez mais belos experimentos científicos. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Ed., 2006. p. 12-13)

Quanto aos experimentos científicos, analise as afirmativas que seguem e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

Item com ressalva editorial. Consulte a resolução; ele não entra no seu desempenho.

1. Aristarco, século III a.C., foi talvez o primeiro a sugerir que a Terra gira em torno de seu eixo, mas, somente no século XIX, Léon Foucault demonstrou o movimento de rotação da Terra.
2. O chamado experimentum crucis de Newton demonstrou, ainda no século XVI, como os corpos massivos são atraídos para o centro da Terra.
3. O inglês Henry Cavendish determinou a densidade da Terra, com uma engenhosa balança de torção, no final do século XVIII.
4. O experimento da fenda dupla de Young possibilitou a mudança do entendimento da luz como partícula para o da luz como onda.

Sequência da revisão

V – F – V – V
Resolução comentada

O pêndulo de Foucault evidencia a rotação terrestre; a hipótese antiga é apresentada no item com a ressalva “talvez”. O experimentum crucis de Newton tratava da composição da luz, no século XVII, não de queda dos corpos no XVI. Cavendish determinou a densidade média terrestre com sua balança de torção em 1798. A interferência de Young favoreceu a descrição ondulatória da luz. O terceiro item é verdadeiro, embora o gabarito da fonte o marque como falso; o registro original de Cavendish confirma o tema e a data.

Conferência histórica: trabalho original de Cavendish (1798), arquivo da Royal Society.

Sequência correta: V – F – V – V

Q12
Mecânica — Energia de uma queda de água

A queda d’água mais alta do mundo, Angel Falls, fica no Parque Nacional de Canaima, na Venezuela, e tem, aproximadamente, 808 m de queda livre. Considere que: a água encontra-se a uma velocidade constante de 8 m/s imediatamente antes de cair; o calor específico da água é $1{,}0\,\mathrm{cal\,g^{-1}\,{}^\circ C^{-1}}$; a aceleração da gravidade é constante e igual a $10\,\mathrm{m/s^2}$ e $1\,\mathrm{cal}\cong4{,}2\,\mathrm{J}$. Nessas condições, analise as afirmativas que seguem e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. Se toda a energia mecânica da água fosse convertida em calor e absorvida integralmente pela água, resultaria em um aumento de, aproximadamente, $2\,{}^\circ\mathrm{C}$ na sua temperatura.
2. O trabalho da força peso sobre a água que cai é positivo.
3. A energia cinética de 100 g de água, antes da queda, é maior que 10 J.
4. Parte da energia mecânica da água, na queda, é convertida em energia sonora.

Sequência da revisão

V – V – F – V
Resolução comentada

Por unidade de massa, a energia disponível é:

\[E/m=gh+v_0^2/2\] \[E/m=8112\,\mathrm{J/kg}\]

A conversão integral em energia térmica daria:

\[\Delta T=8112/4200\approx1{,}93\,{}^{\circ}\mathrm C\]

O peso realiza trabalho positivo. Antes da queda, cem gramas têm apenas 3,2 J de energia cinética. Na queda real também há emissão sonora. A terceira afirmação é a única falsa.

Sequência correta: V – V – F – V

Q13
Mecânica — Dois veículos diante de um radar

Dois veículos trafegam por uma avenida cujo limite máximo de velocidade é 70 km/h. Quando estão a 150 m de um radar fixo, um dos veículos está a 90 km/h e seu condutor aplica uma desaceleração de 1,5 m/s$^{2}$; o condutor do outro veículo, que está a 50 km/h com uma aceleração também de 1,5 m/s$^{2}$, continua no mesmo ritmo. Analise as afirmativas que seguem e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. Os dois veículos são multados pelo radar fixo.
2. O veículo cujo condutor desacelerou passa primeiro pelo radar.
3. Ambos os veículos passam pelo radar com a velocidade de 60 km/h.
4. O veículo cujo condutor manteve sua aceleração é multado pelo radar fixo.

Sequência da revisão

F – F – F – V
Resolução comentada

Converta as velocidades iniciais para metros por segundo. Use a mesma distância com acelerações de sinais contrários:

\[v_{f1}^2=25^2-2(1{,}5)(150)\] \[v_{f1}\approx47{,}6\,\mathrm{km/h}\] \[v_{f2}^2=(50/3{,}6)^2+2(1{,}5)(150)\] \[v_{f2}\approx91{,}3\,\mathrm{km/h}\]

Os tempos são aproximadamente 7,85 s e 7,64 s, respectivamente. Só o segundo ultrapassa o limite, chegando primeiro. Apenas a quarta afirmação é verdadeira.

Sequência correta: F – F – F – V

Q14
Termologia — Dilatação microscópica e capacidade térmica

Observe, atentamente, as duas seguintes afirmações: a) a dilatação de um corpo, em toda a sua dimensão, é caracterizada pelo coeficiente de dilatação do material que constitui o corpo; b) o calor específico de uma substância é a quantidade específica de calor por cada grama de massa dessa substância, para aumentar sua temperatura de um grau. São conhecimentos de Física que possuem muitas aplicações no dia-a-dia de qualquer pessoa. Com relação a esses assuntos, analise as afirmativas abaixo e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. Existe uma relação entre o coeficiente de dilatação de uma substância e o calor específico dessa mesma substância.
2. O coeficiente de dilatação linear, superficial ou volumétrico de uma substância fornece a variação fracional por grau Celsius, da respectiva dilatação dessa substância.
3. Quando um corpo é aquecido, suas moléculas agitam-se vigorosamente. A dilatação térmica é uma conseqüência do módulo da força de repulsão, na aproximação entre as moléculas, crescer mais acentuadamente com a distância, do que o módulo da força de atração no afastamento dessas moléculas.
4. A grande quantidade de energia necessária para a água variar sua temperatura é um fator fundamental para a estabilidade climática de algumas regiões da Terra.

Sequência da revisão

F – V – V – V
Resolução comentada

As definições fornecidas não estabelecem uma relação universal direta entre calor específico e coeficiente de dilatação. Os coeficientes representam variações fracionais por grau. A assimetria do potencial intermolecular permite aumento da separação média ao elevar a agitação, explicando a dilatação usual. A elevada capacidade térmica das massas de água modera oscilações climáticas. Nesse sentido, a primeira afirmação é falsa. Relações entre essas propriedades podem existir em modelos específicos de materiais.

Sequência correta: F – V – V – V

Q15
Termologia — Máquinas térmicas e segunda lei

As máquinas a vapor começaram a ser utilizadas, com algum sucesso, no século XVII, apesar de sua história ter começado com Heron, cerca de 100 d. C. Desde então, várias máquinas a vapor de diferentes modelos se destacaram pela produtividade e diversidade de uso. O estudo das máquinas térmicas chamou a atenção dos físicos para uma série de transformações que nunca ocorrem, embora não violem a lei da conservação da energia. Essas “proibições” deram origem à segunda Lei da Termodinâmica. Com relação a este assunto, analise as afirmativas abaixo e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. Para a construção de uma máquina térmica, é sempre necessário haver duas fontes térmicas em temperaturas diferentes, de modo que uma parte do calor retirado da fonte quente é rejeitado para a fonte fria.
2. Para uma máquina térmica que opera em ciclos, é possível converter integralmente calor em trabalho mecânico.
3. Há modelos de usinas termoelétricas nas quais o movimento das turbinas a vapor é obtido através do vapor de água à altíssima pressão. Pode-se dizer que tais máquinas são máquinas térmicas, pelo fato de transformarem parte da energia interna de um gás em energia de movimento das turbinas.
4. A Segunda Lei da Termodinâmica é também chamada lei da entropia, conceito introduzido para medir a desordem de um sistema físico.

Sequência da revisão

V – F – V – V
Resolução comentada

Uma máquina térmica cíclica precisa rejeitar calor e não converte integralmente em trabalho o calor recebido de uma única fonte:

\[W=Q_q-Q_f\]

Turbinas a vapor integram máquinas que convertem parte da energia térmica em trabalho. A entropia é associada à segunda lei; “desordem” é uma descrição introdutória, não sua definição geral. Apenas a segunda afirmação é falsa.

Sequência correta: V – F – V – V

Q16
Ondulatória — Parâmetros de ondas e osciladores

Os físicos, ao estudarem a natureza, encontram oscilações numa grande variedade de fenômenos, tais como, oscilações microscópicas - dos elétrons, em condutores percorridos por correntes alternadas, na estrutura cristalina de materiais etc; macroscópicas - desde sistemas simples como pêndulos, sistemas massa-mola até nas grandes estruturas de prédios, pontes e estádios de futebol, etc. Ainda são os movimentos oscilantes que dão origem às ondas em geral, tanto eletromagnéticas, como sonoras, etc. Os físicos conseguiram, a partir de uma descrição das ondas mais simples, elaborar ferramentas matemáticas que tornaram possível a construção de modelos teóricos para a formalização do estudo de qualquer onda periódica.

Analise as afirmativas abaixo e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. A amplitude ($A$) e o comprimento de onda ($\lambda$) de oscilação de uma onda progressiva numa corda, descrita pela equação $y(x,t)=10\,\mathrm{Sen}\left[\pi(0{,}01x-2{,}00t)\right]$, com $x$ e $y$ em centímetros e $t$ em segundos, é de $A=10\,\mathrm{cm}$ e $\lambda=200\,\mathrm{cm}$.
2. O período de oscilação de um pêndulo simples com 2 m de comprimento, que executa pequenas oscilações num local de grande altitude da superfície terrestre onde $g=9{,}5\,\mathrm{m/s^2}$, é de 2,4 s. Despreze a influência do ar e considere $\pi=3$.
3. Uma onda sonora no ar pode ser entendida como a propagação de uma sucessão de rarefações e compressões desse ar, isto é, variações harmônicas na pressão desse meio. Sendo assim, uma onda sonora harmônica unidimensional, dada por $P(x,t)=P_0\,\mathrm{Sen}\left[2\pi\left(\dfrac{15x}{17\pi}-\dfrac{300t}{\pi}\right)\right]$, tem o número de ondas igual a $k=\dfrac{30}{17}\,\mathrm{m^{-1}}$ e o período de oscilação de $T=\dfrac{\pi}{300}\,\mathrm{s}$. Considere a amplitude de pressão do meio $P_0=1{,}05\,\mathrm{atm}$, $\lambda$ em metros e $t$ em segundo.
4. Uma mola fixa, em uma de suas extremidades, é pendurada num suporte de laboratório. Na extremidade livre da mola, é colocado um corpo de 300 g que provoca uma deformação na mola de 5 cm. Retirado de sua posição de equilíbrio, o corpo oscila na vertical. O período de oscilação natural do corpo é de 1 minuto. Considere $g=10\,\mathrm{m/s^2}$.

Sequência da revisão

V – F – V – F
Resolução comentada

Na onda da corda, a amplitude é 10 cm e o número de onda é 0,01 pi por centímetro:

\[\lambda=2\pi/k=200\,\mathrm{cm}\]

Para o pêndulo, com pi igual a três:

\[T=6\sqrt{2/9{,}5}\approx2{,}75\,\mathrm{s}\]

O terceiro item resulta da comparação dos coeficientes de x e t com o número de onda e a frequência angular. Para a mola:

\[k=mg/\Delta x=60\,\mathrm{N/m}\] \[T=2\pi\sqrt{0{,}300/60}\approx0{,}44\,\mathrm{s}\]

Não é um minuto. A primeira e a terceira afirmações são verdadeiras.

Sequência correta: V – F – V – F

Q17
Óptica — Vergência de lentes justapostas

O poder de uma lente está associado à alteração que ela é capaz de provocar nas dimensões aparentes de um objeto. O desvio que a lente produz nos raios de luz provenientes de um objeto é tanto maior quanto menor for sua distância focal. Assim, define-se a vergência de uma lente como $V=\dfrac{1}{f}$. Num dado sistema óptico, são justapostas três lentes delgadas: $L_1$, $L_2$ e $L_3$, com vergências iguais a $V_{L_1}=+6\,\mathrm{di}$, $V_{L_2}=-4\,\mathrm{di}$ e $V_{L_3}=-1\,\mathrm{di}$, respectivamente.

Analise as afirmativas abaixo e assinale V para as verdadeiras ou F, para as falsas.

1. O comportamento óptico do sistema resultante da justaposição de lentes é divergente, com vergência igual a $+1\,\mathrm{di}$ e distância focal igual a $-1\,\mathrm{m}$.
2. O comportamento óptico do sistema resultante da justaposição de lentes é convergente, com vergência igual a $+1\,\mathrm{di}$ e distância focal igual a $+1\,\mathrm{m}$.
3. Um feixe de luz branca, ao incidir paralelamente ao eixo principal, no sistema resultante da justaposição, sofrerá dispersão e cada cor experimenta um desvio diferente.
4. A associação de lentes não é comumente usada nos equipamentos ópticos modernos com grande grau de sofisticação, pois podem resultar em aberrações cromáticas.

Sequência da revisão

F – V – V – F
Resolução comentada

Para lentes delgadas justapostas:

\[V=V_1+V_2+V_3\] \[V=6-4-1=1\,\mathrm{di}\] \[f=1/V=1\,\mathrm m\]

O sistema é convergente. Na descrição usual dos materiais, cores sofrem desvios diferentes por dispersão. Associações de lentes são empregadas justamente também para corrigir aberrações. A segunda e a terceira afirmações são verdadeiras.

Sequência correta: F – V – V – F

Q18
Eletricidade — Próton entre planos carregados

Considere o diagrama abaixo em que dois planos condutores paralelos e infinitos, separados pela distância d=10cm, têm densidades superficiais de cargas iguais (-σ e +σ). A diferença de potencial entre os planos é igual a 500V. Um próton é liberado a partir do repouso próximo ao plano de densidade superficial de carga positiva.

Analise as afirmativas e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

Figura da questão 18 — Próton entre planos carregados
1. A intensidade do campo elétrico entre os planos vale 5,00kV/m.
2. O plano de densidade superficial de carga positiva possui maior potencial elétrico do que o plano de densidade superficial de carga negativa.
3. O trabalho realizado pela força elétrica, quando o próton se desloca do plano de densidade superficial de carga positiva para o plano de densidade superficial de carga negativa, vale 500eV.
4. A energia cinética do próton, ao atingir o plano de densidade superficial de carga negativa, é igual a 500eV.

Sequência da revisão

V – V – V – V
Resolução comentada

O campo uniforme tem módulo:

\[E=\Delta V/d\] \[E=500/0{,}10=5000\,\mathrm{V/m}\]

O plano positivo tem maior potencial. Um próton que parte do repouso ganha a energia perdida pelo sistema elétrico:

\[W=q\Delta V=500\,\mathrm{eV}\] \[K_f=500\,\mathrm{eV}\]

As quatro afirmações são verdadeiras.

Sequência correta: V – V – V – V

Q19
Eletromagnetismo — Lenz e transformadores

Segundo a lei de Faraday, se o fluxo de um campo magnético através da superfície limitada por um circuito varia com o tempo, aparece nesse circuito uma força eletromotriz (fem) induzida, definida matematicamente por $\mathrm{fem}=-\dfrac{d\phi_B}{dt}$, no qual o sinal negativo expressa o conteúdo da lei de Lenz. A respeito dessas leis, analise as afirmativas e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. Qualquer corrente induzida, segundo a lei de Lenz, tem um sentido tal que o campo magnético que ela gera se opõe à variação do fluxo magnético que a produziu.
2. A lei de Lenz não está relacionada ao princípio de conservação da energia.
3. O funcionamento de um transformador se baseia na lei de Faraday. Isso significa que o fluxo magnético deve ser variável, ou seja, o transformador só funciona com correntes que variam com o tempo.
4. O transformador é um instrumento que permite aumentar ou diminuir o valor de uma tensão até o valor desejado pela escolha apropriada dos números de espiras $N_1$ e $N_2$ nos enrolamentos primário e secundário.

Sequência da revisão

V – F – V – V
Resolução comentada

A corrente induzida se opõe à variação do fluxo que a produz. Essa oposição é compatível com a conservação da energia, tornando falsa a segunda afirmação. Transformadores usam fluxo variável e, no modelo ideal, satisfazem:

\[V_2/V_1=N_2/N_1\]

A escolha da razão de espiras eleva ou reduz a tensão.

Sequência correta: V – F – V – V

Q20
Física Moderna — Meia-vida e energia de decaimento

A respeito de conceitos de Física Nuclear, analise as afirmativas e assinale V, para as verdadeiras, ou F, para as falsas.

1. A meia-vida (t$_{1/2}$) de um radioisótopo está relacionada à constante de decaimento (ou constante de desintegração).
2. A radiação gama, de origem eletromagnética, pode ser desviada por campos elétricos ou magnéticos.
3. Uma amostra de material radiativo emite partículas beta( β ), o qual, após 40 horas, fica reduzido a 1/16 de seu valor inicial. Em razão disso, pode-se afirmar que sua meia-vida é igual a 10 horas.
4. Em um processo de desintegração α , a massa do núcleo pai é menor que a soma das massas do núcleo filho e da partícula α .

Sequência da revisão

V – F – V – F
Resolução comentada

A meia-vida se relaciona à constante de decaimento:

\[t_{1/2}=\ln2/\lambda\]

Restar um dezesseis avos corresponde a quatro meias-vidas:

\[t_{1/2}=40/4=10\,\mathrm h\]

A radiação gama não sofre o desvio de cargas elétricas. No decaimento alfa espontâneo, a massa inicial excede a soma das massas de repouso dos produtos, liberando energia. A primeira e a terceira afirmações são verdadeiras.

Sequência correta: V – F – V – F

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