10 questões de Física, com numeração original preservada.
Respostas conferidas no bloco de Física do gabarito oficial do Vestibular de Verão 2012 da UCS, disponível na pasta pessoal: E C D C E D A E B A. Numeração original preservada. As resoluções explicitam as simplificações, especialmente o volume dos balões na Q10.
Resoluções e análises editoriais: Método TEF.
Q1
Eletromagnetismo — Força magnética — Velocidade de um elétron
Dentro do tubo de imagem de um televisor, a corrente elétrica, numa bobina, aplica sobre um elétron passante um campo magnético de $5\times10^{-4}\ \mathrm T$, de direção perpendicular à direção da velocidade do elétron, o qual recebe uma força magnética de $1\times10^{-14}\ \mathrm N$. Qual o módulo da velocidade desse elétron? Considere o módulo da carga do elétron como $1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm C$.
A)$3{,}34\times10^3\ \mathrm{m/s}$
B)$1{,}60\times10^5\ \mathrm{m/s}$
C)$7{,}60\times10^6\ \mathrm{m/s}$
D)$4{,}33\times10^7\ \mathrm{m/s}$
E)$1{,}25\times10^8\ \mathrm{m/s}$
E
Resolução comentada
O módulo da força magnética sobre uma carga em movimento é:
O sinal negativo da carga determina a orientação da força, mas não altera essa relação entre módulos. A expressão magnética usada não exige calcular a massa ou a energia cinética do elétron.
Alternativa E.
Q2
Termologia — Dissipação — Atrito ao escrever e apagar
O ato de escrever palavras numa folha de papel, usando o grafite de um lápis, e o ato de apagar essas palavras, usando uma borracha, fisicamente envolvem a ideia de trabalho e força de atrito e, consequentemente, de energia na forma de calor. Com base apenas na relação entre o grafite e o papel, e entre a borracha e o papel, pode-se afirmar que
A)escrever absorve calor do ambiente e apagar entrega calor ao ambiente.
B)tanto escrever quanto apagar são processos energeticamente reversíveis.
C)escrever e apagar entregam calor ao ambiente.
D)escrever e apagar absorvem calor do ambiente.
E)o trabalho realizado para escrever envolve força de atrito cinético zero.
C
Resolução comentada
Ao deslizar o lápis ou a borracha sobre o papel, há atrito e deformações nos materiais. Parte do trabalho realizado aumenta sua energia interna e pode depois ser transferida como calor à vizinhança.
No modelo da questão, tanto escrever quanto apagar dissipam energia e entregam calor ao ambiente. Não são processos energeticamente reversíveis.
Apagar a marca não recupera o trabalho gasto para escrevê-la: a borracha, o grafite, o papel e o ambiente sofreram alterações. A força de atrito cinético também não é zero durante o deslizamento considerado.
Alternativa C.
Q3
Mecânica — Lançamento oblíquo — Tempo até a altura máxima
Uma noiva, após a celebração do casamento, tinha de jogar o buquê para as convidadas. Como havia muitas ex- namoradas do noivo, ela fazia questão de que sua melhor amiga o pegasse. Antes de se virar para, de costas, fazer o arremesso do buquê, a noiva, que possuía conhecimento sobre movimento balístico, calculou a que distância aproximada a amiga estava dela: 5,7 m. Então ela jogou o buquê, tomando o cuidado para que a direção de lançamento fizesse um ângulo de 60º com a horizontal. Se o tempo que o buquê levou para atingir a altura máxima foi de 0,7 s, qual o valor aproximado da velocidade dele ao sair da mão da noiva? (Despreze o atrito com o ar. Considere a aceleração da gravidade igual a 10 $\mathrm{m/s^2}$, cos60º = 0,5 e sen60º = 0,87.)
A)1,5 m/s
B)5,5 m/s
C)6,0 m/s
D)8,0 m/s
E)11,0 m/s
D
Resolução comentada
No ponto mais alto, a componente vertical da velocidade é zero. Sem resistência do ar:
$$v_y=v_{0y}-gt$$
$$v_{0y}=gt_{\rm subida}$$
$$v_{0y}=10\cdot0{,}7=7\ \mathrm{m/s}$$
A componente vertical inicial também é:
$$v_{0y}=v_0\sin60^\circ$$
$$v_0=\frac7{0{,}87}$$
$$v_0\approx8{,}0\ \mathrm{m/s}$$
A componente horizontal continua não nula na altura máxima. O alcance aproximado de 5,7 m serve como contexto; o tempo de subida e o ângulo já determinam a rapidez solicitada.
Alternativa D.
Q4
Óptica — Lente gravitacional — Desvio e convergência da luz
Pela teoria da Relatividade Geral de Einstein, quando raios de luz provenientes de um corpo estelar, como estrelas ou galáxias, passam muito próximos de um objeto estelar de grande densidade de massa, esses raios de luz são desviados para um ponto de encontro oposto ao lado em que os raios incidem no objeto. No contexto da ótica, esse objeto de grande densidade de massa estaria fazendo o papel de
A)um espelho plano.
B)um filtro polarizador.
C)uma lente.
D)um espelho côncavo.
E)um espelho convexo.
C
Resolução comentada
A gravidade de uma distribuição de massa pode alterar as trajetórias da luz e produzir efeitos de convergência, ampliação e formação de imagens.
Na analogia pedida, o objeto atua como uma lente: ele desvia os raios que passam por suas proximidades, sem precisar refleti-los como um espelho.
O mecanismo é gravitacional, descrito pela geometria do espaço-tempo na relatividade geral, e não a refração em um material transparente. A comparação com uma lente refere-se ao efeito óptico sobre a trajetória e a formação de imagens.
Alternativa C.
Q5
Eletricidade — Semicondutores — Campo de controle do MOSFET
O transistor MOSFET é um componente muito importante na eletrônica atual, sendo o elemento essencial, por exemplo, na composição dos processadores de computador. Ele é classificado como um transistor de Efeito de Campo, pois, sobre uma parte dele, chamada porta, atua um campo que provoca uma diferença de potencial cujo papel é regular a intensidade da passagem de corrente elétrica entre as duas outras partes do MOSFET, a fonte e o dreno. O campo em questão é o
A)magnético.
B)de frequências.
C)gravitacional.
D)nuclear.
E)elétrico.
E
Resolução comentada
No MOSFET, uma tensão aplicada entre a porta e as regiões de referência estabelece um campo elétrico através da camada isolante. Esse campo altera a distribuição de cargas no semicondutor e pode formar ou modificar um canal condutor.
A corrente principal circula entre fonte e dreno, enquanto a porta controla sua condução por efeito do campo elétrico.
A redação da questão apresenta campo e diferença de potencial em uma ordem simplificada. Eles estão relacionados: é a tensão aplicada que permite estabelecer a configuração de campo que controla o dispositivo.
Alternativa E.
Q6
Física geral — Medidas — Prefixo nano e escala de comprimento
A nanotecnologia é um dos ramos mais promissores para o progresso tecnológico humano. Essa área se baseia na manipulação de estruturas em escala de comprimento, segundo o que é indicado no próprio nome, na ordem de grandeza de
A)$0{,}001\ \mathrm m$.
B)$0{,}0001\ \mathrm m$.
C)$0{,}000001\ \mathrm m$.
D)$0{,}000000001\ \mathrm m$.
E)$0{,}000000000000001\ \mathrm m$.
D
Resolução comentada
O prefixo nano representa um bilionésimo da unidade.
$$1\ \mathrm{nm}=10^{-9}\ \mathrm m$$
Na forma decimal:
$$10^{-9}=0{,}000000001$$
Logo, a ordem de comprimento indicada no nome corresponde a um nanômetro. Estruturas de nanotecnologia podem abranger vários valores nessa escala; a questão solicita o significado do prefixo, não um tamanho universal de dispositivo.
Alternativa D.
Q7
Mecânica — Energia mecânica — Lançamento vertical de uma gota
Uma pessoa caminhava na rua, num dia de chuva, e pisou em uma laje solta, com água acumulada por baixo. A quantidade de água acumulada foi toda espirrada somente na vertical, com sentido para cima, devido ao trabalho da laje sobre cada gota de água. Suponha que dessa quantidade de água apenas uma gota de 1 grama não perdeu, de forma nenhuma, a energia ganha pela pisada da pessoa e, por isso, atingiu 45 cm de altura. Qual a velocidade inicial da gota de água no instante após ter encerrado o trabalho da laje sobre ela? (Considere a aceleração da gravidade como g = 10 $\mathrm{m/s^2}$.)
A)3 m/s
B)5 m/s
C)7 m/s
D)8 m/s
E)9 m/s
A
Resolução comentada
Após terminar o trabalho da laje, a gota sobe sem perda de energia no modelo dado. Na altura máxima, sua energia cinética é zero.
$$\frac12mv_0^2=mgh$$
$$h=45\ \mathrm{cm}=0{,}45\ \mathrm m$$
Cancelando a massa:
$$v_0=\sqrt{2gh}$$
$$v_0=\sqrt{2\cdot10\cdot0{,}45}$$
$$v_0=3\ \mathrm{m/s}$$
A massa da gota não precisa ser convertida para quilogramas, pois se cancela antes da substituição dos valores.
Alternativa A.
Q8
Mecânica — Atrito estático — Toalha em tampa inclinada
Uma família, passando suas férias num camping, resolveu fazer uma macarronada. Após o preparo desse prato, a mãe improvisou uma mesa, usando a caixa de madeira que serviu para transportar parte da bagagem. Sobre a tampa fechada, ela estendeu a toalha e por cima colocou os talheres, pratos, copos e a panela com a macarronada. Aí ela se deu conta de que tinha esquecido o pegador de macarrão dentro da caixa. Tradicional quanto aos costumes, ela não admitia servir macarrão sem o pegador, mas não desejava desfazer a mesa já arrumada. Suponha que ela precise de um ângulo mínimo de 15º, com a horizontal, na abertura da tampa, para conseguir colocar o braço dentro da caixa e alcançar o pegador. Qual deve ser o valor mínimo do coeficiente de atrito estático entre a madeira da tampa e a toalha sobre a qual está a louça para que o desejo da mãe seja satisfeito? (Considere sen15º = 0,26 e cos15º = 0,96.)
A)0,03
B)0,09
C)0,11
D)0,18
E)0,27
E
Resolução comentada
No modelo de inclinação lenta, trata-se o conjunto apoiado como um corpo que não desliza sobre a tampa. A normal é:
$$N=mg\cos\theta$$
No limite de escorregamento, a componente paralela do peso iguala o atrito máximo.
$$mg\sin\theta=\mu_e mg\cos\theta$$
$$\mu_{e,\min}=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}$$
$$\mu_{e,\min}=\frac{0{,}26}{0{,}96}$$
$$\mu_{e,\min}\approx0{,}27$$
A massa se cancela. O exercício pressupõe que não haja deslizamento da louça sobre a toalha nem movimentos bruscos da tampa; ele fornece dados apenas para o contato entre toalha e madeira.
Alternativa E.
Q9
Óptica — Cor dos objetos — Absorção e reflexão seletivas
O camaleão é um animal que possui capacidade mimética: pode trocar a coloração de sua pele para reproduzir a cor da superfície com a qual está em contato. Do ponto de vista do comportamento de ondas eletromagnéticas, a pele do camaleão tem a propriedade de
A)gerar ondas com todas as frequências desejadas pelo animal.
B)mudar suas propriedades de absorção e reflexão das ondas.
C)absorver apenas os comprimentos de onda e refletir apenas as frequências.
D)absorver apenas as frequências, mas refletir os comprimentos de ondas.
E)produzir e emitir ondas com diferentes velocidades no vácuo, mas mesmo comprimento de onda e mesma frequência.
B
Resolução comentada
A cor vista sob iluminação depende de quais componentes da luz incidente são refletidos ou espalhados para o observador e de quais são absorvidos.
Ao mudar suas propriedades ópticas, a pele pode alterar esse espectro refletido. Por isso, a alternativa compatível é a que menciona mudanças nas propriedades de absorção e reflexão.
Uma componente luminosa tem frequência e comprimento de onda relacionados:
$$v=\lambda f$$
Não faz sentido absorver apenas o comprimento de onda e refletir apenas a frequência da mesma componente. Também não é necessário que o animal gere e emita a luz visível observada. A descrição biológica do mimetismo no enunciado é simplificada; o ponto físico pedido é a interação seletiva com a luz.
Alternativa B.
Q10
Mecânica — Hidrostática — Empuxo de balões em altitude
No desenho animado Up–Altas Aventuras, o personagem Carl Fredricksen, um vendedor de balões, tem a ideia de viajar levando consigo a própria casa. Para isso, ele enche uma quantidade grande de balões com um gás e amarra-os à casa, que é erguida no ar. Por um certo tempo, a casa sobe. Mas, de repente, sem que nenhum balão seja solto, a ascensão vertical é interrompida e a casa se desloca, graças ao vento, apenas na horizontal. Por que isso aconteceu?
A)O empuxo do ar sobre os balões foi diminuindo à medida que diminuía a densidade do ar.
B)A pressão atmosférica sobre o teto da casa foi aumentando com a altura.
C)A temperatura baixa, que caracteriza a grande altitude, fez aumentar a pressão interna e o volume dos balões.
D)Mesmo com os balões fechados, o número de moles do gás dentro deles diminuiu com a altura, reduzindo a pressão manométrica sobre a casa.
E)Devido à altitude e ao atrito do ar, a temperatura da casa aumentou e, por isso, diminuíram a pressão e o volume do gás dentro dos balões.
A
Resolução comentada
O empuxo do ar é o peso do ar deslocado pelo conjunto de balões.
$$E=\rho_{\rm ar}gV_{\rm deslocado}$$
No modelo simplificado da alternativa oficial, o volume varia pouco ou atinge um limite. A menor densidade atmosférica em altitude, então, reduz o empuxo até que ele se iguale ao peso do conjunto.
$$E=P$$
Nessa condição idealizada de equilíbrio vertical, o vento pode transportar a casa horizontalmente.
Ressalva: para balões flexíveis, o volume também depende da pressão e da temperatura. Uma expansão pode compensar a queda da densidade externa, de modo que a altitude sozinha não garante redução do empuxo. O gabarito pressupõe volume aproximadamente fixo ou expansão limitada, informação não explicitada pelo desenho animado descrito. As demais opções não oferecem um mecanismo consistente para a situação.