IFSP 2009.1 (Ensino Superior): prova de Física com gabarito e resolução

Q01

Mecânica — Colisões — Quantidade de movimento e energia cinética

Considere uma colisão frontal unidimensional entre um átomo de Hidrogênio (H) que se move com velocidade de módulo V e uma molécula de Hidrogênio (H2), em repouso. Sabe-se que após a colisão a molécula adquire velocidade de módulo V/3. Sendo E1 e E2 as energias cinéticas do sistema antes e depois da colisão, respectivamente, a relação E2/E1 vale

A)1/4.

B)1/3.

C)1/2.

D)2/3.

E)3/4.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q01

B

Resolução

Tomemos como positiva a direção inicial do átomo, de massa $m$. A molécula de massa $2m$ parte do repouso e avança no mesmo sentido após o choque frontal. Conservando a quantidade de movimento, $mV=mv+2mV/3$, de onde $v=V/3$.

$$\frac{E_2}{E_1}=\frac{\tfrac12 m(V/3)^2+\tfrac12(2m)(V/3)^2}{\tfrac12 mV^2}=\frac13$$

A diferença de energia cinética é compatível com uma colisão inelástica.

Alternativa B.

Q02

Mecânica — Gravitação — Marés oceânicas

É sabido que o movimento das águas, devido às marés oceânicas, pode ser aproveitado na geração de energia elétrica de uma forma limpa e auto-sustentável. O movimento de subida e descida das águas pode acionar uma turbina e gerar energia elétrica. Isso ocorre nas chamadas usinas maremotrizes. Em algumas regiões de baías e de estuários do planeta, a diferença entre a maré alta e baixa pode chegar a 15 metros. As marés oceânicas resultam

A)da dilatação térmica sofrida pela água, devido ao seu aquecimento.

B)do movimento oscilatório natural da água do mar.

C)da energia transportada por grandes ondas que surgem periodicamente em alto-mar.

D)da atração gravitacional exercida pela Lua e pelo Sol.

E)de freqüentes atividades sísmicas que ocorrem no relevo marinho devido à acomodação de placas tectônicas.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q02

D

Resolução

A atração gravitacional da Lua varia entre o lado da Terra mais próximo dela e o lado mais afastado. Essa diferença de aceleração produz efeitos de maré. O Sol também gera forças de maré, que se somam ou se contrapõem parcialmente às da Lua conforme a posição dos astros.

Alternativa D.

Q03

Termologia — Termometria — Escala Kelvin

O texto a seguir é base para as questões de números 03 a 05. As fontes renováveis de energia – hidráulica, biomassa, solar, eólica, geotérmica – hoje respondem por aproximadamente 13% da oferta energética mundial. Energia geotérmica é a energia que vem da Terra e existe desde que nosso planeta foi criado. A Terra pode ser dividida em três camadas: crosta, manto e núcleo.

Corte esquemático da Terra com núcleo, manto e crosta.

Abaixo da crosta terrestre, a camada superior do manto é constituída por rocha líquida, o magma, a altas temperaturas. A crosta terrestre flutua nesse magma. Por vezes, o magma quebra a crosta terrestre chegando à superfície, produzindo vulcões, e o magma passa a designar-se lava. A cada 100 metros de profundidade a temperatura aumenta aproximadamente 3 °C e a água contida nos reservatórios subterrâneos atinge altas temperaturas, podendo até mesmo ferver, quando em contato com a rocha quente. A água pode atingir temperaturas próximas a 150 °C. Em alguns locais do planeta, existem tanto vapor e água quente que é possível produzir energia elétrica drenando esse vapor até a superfície e conduzindo-o até uma central elétrica geotérmica, onde tal como numa central elétrica normal, faz girar turbinas e a energia mecânica da turbina é transformada em energia elétrica através de um gerador.

Suponha que num reservatório subterrâneo, a água esteja a uma temperatura de 147 °C. Essa temperatura, expressa com unidades do Sistema Internacional, é lida como

A)420 K.

B)297 °F.

C)147 °C.

D)147 K.

E)126 °F.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q03

A

Resolução

A unidade de temperatura termodinâmica no SI é o kelvin. As escalas Celsius e Kelvin têm intervalos de mesmo tamanho, mas origens diferentes.

$$T=147+273{,}15=420{,}15\text{ K}\approx420\text{ K}$$

Alternativa A.

Q04

Mecânica — Hidrostática — Fração imersa de um corpo flutuante

O texto a seguir é base para as questões de números 03 a 05. As fontes renováveis de energia – hidráulica, biomassa, solar, eólica, geotérmica – hoje respondem por aproximadamente 13% da oferta energética mundial. Energia geotérmica é a energia que vem da Terra e existe desde que nosso planeta foi criado. A Terra pode ser dividida em três camadas: crosta, manto e núcleo.

Corte esquemático da Terra com núcleo, manto e crosta.

Abaixo da crosta terrestre, a camada superior do manto é constituída por rocha líquida, o magma, a altas temperaturas. A crosta terrestre flutua nesse magma. Por vezes, o magma quebra a crosta terrestre chegando à superfície, produzindo vulcões, e o magma passa a designar-se lava. A cada 100 metros de profundidade a temperatura aumenta aproximadamente 3 °C e a água contida nos reservatórios subterrâneos atinge altas temperaturas, podendo até mesmo ferver, quando em contato com a rocha quente. A água pode atingir temperaturas próximas a 150 °C. Em alguns locais do planeta, existem tanto vapor e água quente que é possível produzir energia elétrica drenando esse vapor até a superfície e conduzindo-o até uma central elétrica geotérmica, onde tal como numa central elétrica normal, faz girar turbinas e a energia mecânica da turbina é transformada em energia elétrica através de um gerador.

A crosta terrestre flutua sobre o magma líquido de forma análoga a um bloco de gelo que flutua em água líquida. Considere um bloco de granito flutuando, em equilíbrio, numa porção de magma, e as informações da tabela a seguir. Pode-se afirmar que a porcentagem do bloco de granito imersa nesse magma

Densidades em g/cm³: água líquida 1,0, magma 3,0, gelo 0,9 e granito 2,7.

A)depende da massa do bloco de granito.

B)depende do volume do bloco de granito e do volume de magma.

C)é menor que a porcentagem do bloco emersa do magma.

D)é maior que a porcentagem imersa de um bloco de gelo flutuando em água.

E)é igual à porcentagem imersa de um bloco de gelo flutuando em água.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q04

E

Resolução

Para cada bloco em equilíbrio, o empuxo se iguala ao peso. Pela lei de Arquimedes, $\rho_{\rm fluido}V_{\rm imerso}g=\rho_{\rm bloco}V_{\rm total}g$. Portanto, a fração imersa é $\rho_{\rm bloco}/\rho_{\rm fluido}$. Com os dados da tabela, para o granito no magma a fração é $2{,}7/3{,}0=0{,}9$, e para o gelo na água é $0{,}9/1{,}0=0{,}9$. Nos dois casos, 90% do bloco fica imerso.

Alternativa E.

Q05

Termologia — Gases ideais — Equação de estado com perda de gás

O texto a seguir é base para as questões de números 03 a 05. As fontes renováveis de energia – hidráulica, biomassa, solar, eólica, geotérmica – hoje respondem por aproximadamente 13% da oferta energética mundial. Energia geotérmica é a energia que vem da Terra e existe desde que nosso planeta foi criado. A Terra pode ser dividida em três camadas: crosta, manto e núcleo.

Corte esquemático da Terra com núcleo, manto e crosta.

Abaixo da crosta terrestre, a camada superior do manto é constituída por rocha líquida, o magma, a altas temperaturas. A crosta terrestre flutua nesse magma. Por vezes, o magma quebra a crosta terrestre chegando à superfície, produzindo vulcões, e o magma passa a designar-se lava. A cada 100 metros de profundidade a temperatura aumenta aproximadamente 3 °C e a água contida nos reservatórios subterrâneos atinge altas temperaturas, podendo até mesmo ferver, quando em contato com a rocha quente. A água pode atingir temperaturas próximas a 150 °C. Em alguns locais do planeta, existem tanto vapor e água quente que é possível produzir energia elétrica drenando esse vapor até a superfície e conduzindo-o até uma central elétrica geotérmica, onde tal como numa central elétrica normal, faz girar turbinas e a energia mecânica da turbina é transformada em energia elétrica através de um gerador.

Considere que certa massa de água esteja sob a forma de vapor a 147 °C e a uma pressão de 3 atm. Ao ser transferida de um recipiente para outro com 60% a mais de volume, por descuido do operador, perdeu-se 20% dessa massa para a atmosfera e a nova pressão reduziu-se a 1,5 atm. Considerando que os recipientes tenham paredes isolantes e que o vapor de água se comporte como um gás ideal, a temperatura da massa que restou dentro do novo recipiente vale, em graus Celsius,

A)323.

B)257.

C)147.

D)63.

E)–147.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q05

C

Resolução

Aplicamos $PV=nRT$ separadamente aos estados inicial e final, pois a quantidade de gás muda. Restam $0{,}8n_1$ mol, o volume passa a $1{,}6V_1$ e a pressão cai para $0{,}5P_1$.

$$\frac{T_2}{T_1}=\frac{P_2}{P_1}\frac{V_2}{V_1}\frac{n_1}{n_2}=0{,}5\cdot1{,}6\cdot\frac1{0{,}8}=1$$

As temperaturas absolutas são iguais. A temperatura final, em Celsius, continua sendo 147 °C.

Alternativa C.

Q06

Óptica — Espelhos esféricos — Foco de espelho côncavo

Captar a energia solar e utilizá-la no preparo de alimentos é hoje uma prática que tem encontrado adeptos em muitos lugares do mundo. Não se paga nada por essa energia e ela não polui. Esses fogões solares podem ser construídos de diversas maneiras. Uma delas é utilizando um espelho esférico côncavo, colocando o recipiente com o alimento a ser preparado numa região onde se concentra a radiação refletida pelo espelho. Das opções a seguir, a que mostra corretamente o caminho da luz refletida por um desses espelhos funcionando como um fogão solar é

A)

Raios refletidos que convergem muito perto da superfície.

B)

Raios refletidos em direções diferentes, sem convergir em um mesmo ponto.

C)

Raios representados saindo paralelos do espelho.

D)

Raios incidentes paralelos refletidos para uma região comum diante do espelho.

E)

Raios refletidos cruzando o eixo em pontos diferentes.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q06

D

Resolução

Como o Sol está muito distante, seus raios chegam praticamente paralelos. Ao refletirem no espelho côncavo, os raios próximos do eixo convergem para uma região focal diante da superfície. A figura D representa essa concentração, que permite aquecer o alimento.

Alternativa D.

Q07

Termologia — Calorimetria — Balanço de potência térmica

A geração de energia elétrica em usinas nucleares pode se justificar, de alguma forma, pelo fato de não gerar gases estufa e de não contribuir com o aquecimento global. Por outro lado, gera outras preocupações ambientais, como que destino dar aos rejeitos radiativos e ao calor dissipado por essa forma de geração de energia. Considere uma usina nuclear que, apresentando rendimento de 30%, gere uma potência útil de 1,2 × 10⁹ W, e que a energia não utilizada seja dissipada em forma de calor apenas para uma massa de água que circula com uma vazão de 70 m³/s. Sabendo que o calor específico e a densidade da água valem, respectivamente, 4 × 10³ J/(kg.°C) e 10³ kg/m³, ao passar pela usina essa massa de água sofrerá uma elevação em sua temperatura, em °C, de

A)1.

B)6.

C)10.

D)20.

E)30.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q07

C

Resolução

Com rendimento de 30%, a potência total é $1{,}2\times10^9/0{,}30=4{,}0\times10^9\text{ W}$. A água recebe a diferença, $2{,}8\times10^9\text{ J/s}$. A vazão de $70\text{ m}^3/\text{s}$ equivale a $70\cdot10^3\text{ kg/s}$.

$$\Delta T=\frac{2{,}8\times10^9}{70\times10^3\cdot4\times10^3}\,^{\circ}\text{C}=10\,^{\circ}\text{C}$$

Alternativa C.

Q08

Eletromagnetismo — Indução — Fluxo magnético e lei de Lenz

A produção de energia elétrica em usinas hidrelétricas baseiase no fenômeno da indução eletromagnética. Esse fenômeno ocorre quando uma bobina se encontra mergulhada em um campo magnético. Um gerador transforma energia mecânica devida à queda d’água em energia elétrica por meio do movimento relativo entre o campo magnético e a bobina. A figura a seguir ilustra esse processo. Na figura, uma espira retangular ABCD de área constante está imersa, em repouso, num campo magnético uniforme horizontal criado entre os pólos Norte e Sul de um ímã, perpendicularmente às linhas de indução desse campo. Essa espira pode rodar ao redor de um eixo vertical, no sentido horário ou anti-horário (indicado na figura) ou mover-se, mantendo seu plano sempre perpendicular às linhas de indução, aproximando-se do pólo Norte ou do pólo Sul do ímã. Pode-se afirmar corretamente que surgirá na espira uma corrente induzida no sentido

Espira ABCD entre os polos N e S, com eixo vertical de rotação.

A)ABCD, se a espira girar até 90°, apenas no sentido horário.

B)ABCD, se a espira girar até 90° no sentido horário ou anti-horário.

C)ABCD, se a espira girar até 90°, apenas no sentido antihorário.

D)DCBA se a espira se aproximar do pólo Norte.

E)DCBA se a espira se aproximar do pólo Sul.

Gabarito oficial — IFSP 2009.1 — Ensino Superior — Q08

B

Resolução

Na figura, o fluxo inicial é máximo porque o campo do ímã atravessa a espira perpendicularmente ao seu plano. Uma rotação de até 90° em qualquer sentido reduz a componente normal do campo, conforme $\Phi=BA\cos\theta$. Pela lei de Lenz, a corrente induzida cria um campo que procura manter o fluxo inicial. Pela regra da mão direita e pela orientação dos pontos da figura, a corrente segue ABCD. Transladar a espira num campo uniforme sem mudar sua orientação conserva o fluxo.

Alternativa B.

IFSP 2009.1 — Questões de Física comentadas — Método TEF

Dados da prova