a prova de Física da FUVEST 2ª fase - 2001 O Anglo Resolve A Prova de Física da Segunda Fase da Fuvest É trabalho pioneiro. Prestação de serviços com tradição e confiabilidade. Construtivo, procura colaborar com as Bancas Examinadoras em sua tarefa árdua de não cometer injustiças. Didático, mais do que um simples gabarito, auxilia o estudante em seu processo de aprendizagem. A segunda fase da Fuvest consegue, de forma prática, propor conjuntos distintos de provas adequadas às carreiras. Assim, por exemplo, o candidato a Engenharia da Escola Politécnica USP faz, na segunda fase, provas de Língua Portuguesa (40 pontos), Matemática (40 pontos), Física (40 pontos) e Química (40 pontos). Já aquele que pretende ingressar na Faculdade de Direito USP fará somente três provas: Língua Portuguesa (80 pontos), História (40 pontos) e Geografia (40 pontos). Por sua vez, o candidato a Medicina terá provas de Língua Portuguesa (40 pontos), Biologia (40 pontos), Física (40 pontos) e Química (40 pontos). Com esse critério, embora o conjunto de provas varie de uma carreira para outra, o total de pontos possível não excede a 160, que será somado à pontuação obtida pelos candidatos na primeira fase, para efeito de classificação final. Vale lembrar que a prova de Língua Portuguesa é obrigatória a todas as carreiras. Física ATENÇÃO VERIFIQUE SE ESTÃO IMPRESSOS EIXOS DE GRÁFICOS OU ESQUEMAS NAS FOLHAS DE RESPOSTAS DAS QUESTÕES 1, 3, 4, 5 e 6. Se notar a falta de uma delas, peça ao fiscal de sua sala a substituição da folha. • A correção de uma questão será restrita somente ao que estiver apresentado no espaço correspondente, na folha de resposta, à direita da questão. É indispensável indicar a resolução das questões, não sendo suficiente apenas escrever as respostas. • Há espaço para rascunho, tanto no início quanto no final deste caderno. Quando necessário, adote: aceleração da gravidade na Terra = g = 10m/s2 massa específica (densidade) da água = 1.000kg/m3 velocidade da luz no vácuo = c = 3,0 × 108 m/s QUESTÃO 01 O sistema GPS (Global Positioning System) permite localizar um receptor especial, em qualquer lugar da Terra, por meio de sinais emitidos por satélites. Numa situação particular, dois satélites, A e B, estão alinhados sobre uma reta que tangencia a superfície da Terra no ponto O e encontram-se à mesma distância de O. O protótipo de um novo avião, com um receptor R, encontra-se em algum lugar dessa reta e seu piloto deseja localizar sua própria posição. O A B Os intervalos de tempo entre a emissão dos sinais pelos satélites A e B e sua recepção por R são, respectivamente, ∆tA = 68,5 × 10–3 s e ∆tB = 64,8 × 10–3 s. Desprezando possíveis efeitos atmosféricos e considerando a velocidade de propagação dos sinais como igual à velocidade c da luz no vácuo, determine: a) A distância D, em km, entre cada satélite e o ponto O. b) A distância X, em km, entre o receptor R, no avião, e o ponto O. c) A posição do avião, identificada pela letra R, localizando-a no esquema da folha de resposta. RESOLUÇÃO: a) Calculando-se a distância entre os satélites e o avião: km ∆sA = c ⋅ ∆tA = 3 ⋅ 105 ⋅ 68,5 ⋅ 10 –3s = 20 550 km s ∆sB = c ⋅ ∆tB = 3 ⋅ 105 km ⋅ 64,8 ⋅ 10 –3s = 19 440 km s D= 20 550 + 19 440 ⇒ D = 19 995 km 2 b) x = 20 550 – 19 995 ⇒ x = 555 km c) em direção a em direção a R 0 A B 555 km Escala 0 500 km Observação: Caso fossem considerados os algarismos significativos, as respostas seriam: a) 2,0 ⋅ 104 km b) 5,6 ⋅ 102 km FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 3 QUESTÃO 02 Um ciclista, em estrada plana, mantém velocidade constante V0 = 5,0 m/s (18 km/h). Ciclista e bicicleta têm massa total M = 90 kg. Em determinado momento, t = t0, o ciclista pára de pedalar e a velocidade V da bicicleta passa a diminuir com o tempo, conforme o gráfico ao lado. V (m/s) 5 4 3 2 1 Assim, determine: t tO 4 8 12 16 20 24 28 (s) a) A aceleração A, em m/s2, da bicicleta, logo após o ciclista deixar de pedalar. b) A força de resistência horizontal total FR, em newtons, sobre o ciclista e sua bicicleta, devida principalmente ao atrito dos pneus e à resistência do ar, quando a velocidade é V0. c) A energia E, em kJ, que o ciclista “queimaria”, pedalando durante meia hora, à velocidade V0. Suponha que a eficiência do organismo do ciclista (definida como a razão entre o trabalho realizado para pedalar e a energia metabolizada por seu organismo) seja de 22,5%. RESOLUÇÃO: Considerando-se a trajetória retilínea: a) A aceleração (A) do ciclista logo após ele deixar de pedalar pode ser obtida pelo gráfico. A= ∆v 4, 5 – 5 = ∆t 2 ∴ A = – 0,25 m/s2 b) A força de resistência horizontal total FR, logo após o ciclista parar de pedalar, coincide com a resultante das forças atuantes. Aplicando-se o Princípio Fundamental da Dinâmica: FR = m|A| = 90 ⋅ |– 0,25| ∴ FR = 22,5 N c) Durante o intervalo de tempo (1/2 h = 1800 s) no qual a velocidade é constante, temos: 1) ∆s = v ⋅ ∆t = 5 ⋅ 1800 = 9000 m 2) A resultante é nula (Princípio da Inércia). Assim, |τF| = |τF | = FR ⋅ ∆s = 22,5 ⋅ 9000 R ∴ τF = 202,5 kJ Do enunciado, a eficiência (η) do organismo do ciclista é: η= τF E ⇒E= τF η = 202, 5 22, 5 ⋅ 10 – 2 ∴ E = 900 kJ QUESTÃO 03 Um objeto A, de massa M = 4,0kg, é largado da janela de um edifício, de uma altura H0 = 45m. Procurando diminuir o impacto de A com o chão, um objeto B, de mesma massa, é lançado um pouco depois, a partir do chão, verticalmente, com a velocidade inicial V0B. Os dois objetos colidem, a uma altura de 25m, com velocidades tais que |VA| = |VB|. Com o impacto, grudam-se, ambos, um no outro, formando um só corpo AB, de massa 2M, que cai atingindo o chão. a) Determine, a energia mecânica Q, em J, dissipada na colisão. b) Determine a energia cinética Ec, em J, imediatamente antes de AB atingir o chão. c) Construa, no sistema de coordenadas da folha de resposta, o gráfico dos módulos das velocidades em função do tempo para A, B e AB, considerando que V0B = 30m/s. Identifique, respectivamente, com as letras A, B e AB, os gráficos correspondentes. (Se necessário, considere 4 FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES A 45m B 5 ≈ 2, 2 ) Na solução, vamos considerar desprezível a resistência do ar e chamar de C o ponto de encontro entre os corpos. Portanto, de acordo com o enunciado: BC = 25 m e AC = 45 – 25 = 20 m a) Durante a colisão, a quantidade de movimento é constante. MAVA + MBVB = (MA + MB) V’ De acordo com o enunciado, VB = – VA e MA = MB. MAVA + MA (– VA) = (MA + MA) V’ ∴ V’ = 0 Durante o movimento de queda livre do corpo A, o sistema é conservativo; portanto a velocidade VA com que o corpo A atinge o ponto C vale: VA = 2 g ( AC) = 20 m/s. A energia mecânica dissipada na colisão vale: 1 1 Q = |εc – εc’ | = | M A VA 2 + MB VB2 – 0| 2 2 Efetuando-se as devidas substituições numéricas: Q = 1600 J b) Imediatamente após a colisão, a velocidade dos corpos é nula (V’ = 0). Logo o conjunto AB executa uma queda livre (sistema conservativo) de uma altura BC = 25 m. 0 0 → → εmc = εmsolo ⇒ εcc + εpc = εcsolo + εpsolo εcc = 2Mg (BC) ∴ εcc = 2000 J RESOLUÇÃO: c) Para a construção do gráfico, observe que: 1º) todos os trechos são retilíneos, pois |a| = g = cte. 2º) gráfico A: • V0A = 0 • VA = 20 m /s • aA = VA 20 – 0 ⇒ 10 = ∴ t A = 2 s t A t A 3º) gráfico B: • V0B = 30 m/s • VB = 20 m /s • aB = VB 20 – 30 ⇒ – 10 = ∴ t B = 1s t B t B • como o corpo B gasta 1s para atingir o ponto C, enquanto o corpo A gasta 2s para atingir o mesmo ponto, concluímos que B é lançado 1 s depois de A (t0B = 1 s). 4º) gráfico AB: • V0AB = V’ = 0 • Vsolo = • a AB = 2 g ( AC) = 500 = 10 5 ∴ Vsolo = 22 m / s Vsolo – V ' 22 – 0 ⇒ 10 = ∴ t AB = 2, 2 s t AB t AB V(m/s) V0 = 30 B Vsolo ≈ 22 m/s B 20 AB 10 V0A = 0 A 1 2 V0AB = V’ = 0 3 4 5 t(s) tsolo ≈ 4,2 s FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 5 QUESTÃO 04 Dispõe-se de uma lâmpada decorativa especial L, cuja curva característica, fornecida pelo manual do fabricante, é apresentada abaixo. Deseja-se ligar essa lâmpada, em série com uma resistência R = 2,0 Ω, a uma fonte de tensão V0 , como no circuito abaixo. Por precaução, a potência dissipada na lâmpada deve ser igual à potência dissipada no resistor. I (A) V0 3,0 R 2,5 2,0 L 1,5 1,0 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 V (V) Para as condições acima, a) Represente a curva característica I × V do resistor, na folha de resposta, na própria reprodução do gráfico fornecido pelo fabricante, identificando-a com a letra R. b) Determine, utilizando o gráfico, a corrente I, em ampères, para que a potência dissipada na lâmpada e no resistor sejam iguais. c) Determine a tensão V0 , em volts, que a fonte deve fornecer. d) Determine a potência P, em watts, que a lâmpada dissipará nessas condições. RESOLUÇÃO: a) A equação do resistor em questão é dada por U = 2 ⋅ i, e a correspondente curva característica está mostrada abaixo. curva característica do resistor I(A) 3,0 A 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 V(V) b) Estando os elementos em série, eles são percorridos pela mesma corrente, e, como devem dissipar a mesma potência, o ponto A é o único compatível com a operação do circuito. Logo, i = 2,5 A. c) V0 = VR + VL Do gráfico, VR = VL = 5 V. Logo, V0 = 10 V. d) = U ⋅ i ⇒ = 5 ⋅ 2,5 ∴ = 12,5 W QUESTÃO 05 Um ventilador de teto, com eixo vertical, é constituído por três pás iguais e rígidas, encaixadas em um rotor de raio R = 0,10m, formando ângulos de 120° entre si. Cada pá tem massa M = 0,20kg e comprimento L = 0,50m. No centro de uma das pás foi fixado um prego P, com massa mp = 0,020kg, que desequilibra o ventilador, principalmente quando este se movimenta. Suponha, então, o ventilador girando com uma velocidade de 60 rotações por minuto e determine: 6 FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES P 0,50 m 120° rotor a) A intensidade da força radial horizontal F, em newtons, exercida pelo prego sobre o rotor. b) A massa M0 , em kg, de um pequeno contrapeso que deve ser colocado em um ponto D0 , sobre a borda do rotor, para que a resultante das forças horizontais, agindo sobre o rotor, seja nula. c) A posição do ponto D0 , localizando-a no esquema da folha de respostas. (Se necessário, utilize π ≈ 3) RESOLUÇÃO: 60 a) O prego gira em torno do eixo com velocidade angular ω = 2 π f = 2 ⋅ 3 ⋅ = 6 rad / s e raio igual 60 a 0,25 + 0,10 = 0,35 m. A intensidade da força pedida é igual à intensidade da componente centrípeta da resultante agente no prego: F = RC = mP ω2r = 0,020 ⋅ 62 ⋅ 0,35 ∴ F = 0,25 N 0,50 : 2 0,35 m 0,10 m b) Para que as forças horizontais agentes no rotor se equilibrem: r mP ω2r = M0ω2R ⇒ M0 = m P R Logo M0 = 0,020 0, 35 ∴ M0 = 0,070 kg 0, 10 c) Para que duas forças se equilibrem, devem ser colineares. Assim, o ponto DO, o centro de rotação e a posição do prego devem estar alinhados. P C D0 QUESTÃO 06 Uma pequena esfera de material sólido e transparente é utilizada para produzir, a partir de um pulso de luz laser, vários outros pulsos. A esfera, de raio r = 2,2cm, é espelhada, exceto em uma pequena região (ponto A). Um pulso de luz, de pequena duração, emitido pelo laser, segue a trajetória R0 , incidindo em A com ângulo de incidência de 70°. Nesse ponto, o pulso é, em parte, refletido, prosseguindo numa trajetória R1, e, em parte, refratado, prosseguindo numa trajetória R2 que penetra na esfera com um ângulo de 45° com a normal. Após reflexões sucessivas dentro da esfera, o pulso atinge a região A, sendo em parte, novamente refletido e refratado. E assim sucessivamente. Gera-se, então, uma série de pulsos de luz, com intensidades decrescentes, que saem da esfera por A, na mesma trajetória R1 . Considere sen 70° = 0,94; sen 45° = 0,70. Nessas condições, R1 R0 Laser A R2 r a) Represente, na figura da folha de respostas, toda a trajetória do pulso de luz dentro da esfera. b) Determine, em m/s, o valor V da velocidade de propagação da luz no interior da esfera. c) Determine, em segundos, a separação (temporal) t, entre dois pulsos sucessivos na trajetória R1. O índice de refração de um material é igual à razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz nesse material. FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 7 RESOLUÇÃO: a) R1 R0 70° 70° A 45° 45° R2 N 45° 45° 45° 45° N x 45° 45° N b) De acordo com a Lei de Snell: sen i n = esfera sen r n ar n sen 70º = esfera sen 45º 1 0, 94 = n esfera ∴ n esfera = 1, 34 0, 70 Dessa forma, a velocidade da luz monocromática no interior da esfera é: v esfera = c n esfera = 3 ⋅ 108 = 2, 2 ⋅ 108 m / s 1, 34 c) A separação temporal ∆t entre dois pulsos sucessivos na trajetória R1 é o intervalo decorrido entre a saída do raio que sofre reflexão em A, proveniente da direção R0, e a do raio que sofre refração ao passar do interior da esfera para o ar. Como o raio da esfera é 2,2 cm, ou seja, 2,2 ⋅ 10–2 m, o comprimento da trajetória (d) percorrida pela luz, no interior da esfera é: R0 A x x x x d=4⋅x d = 4 ⋅ 2 ⋅ 2, 2 ⋅ 10 −2 m Dessa forma, o intervalo de tempo é: ∆t = QUESTÃO 07 8 d v esfera = 4 ⋅ 2 ⋅ 2, 2 ⋅ 10 –2 = 4 2 ⋅ 10 –10 s 2, 2 ⋅ 108 Um motor de combustão interna, semelhante a um motor de caminhão, aciona um gerador que fornece 25 kW de energia elétrica a uma fábrica. O sistema motor-gerador é resfriado por fluxo de água, permanentemente renovada, que é fornecida ao motor a 25ºC e evaporada, a 100ºC, para a atmosfera. Observe as características do motor na tabela. Supondo que o sistema só dissipe calor pela água que aquece e evapora, determine: FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES Consumo de combustível 15 litros/hora Energia liberada por um litro de combustível 36 × 106 J Calor de vaporização da água 2,2 × 106 J/kg Calor específico da água 4000 J/(kg⋅ ºC) a) A potência P, em kW, fornecida à água, de forma a manter a temperatura do sistema constante. b) A vazão V de água, em kg/s, a ser fornecida ao sistema para manter sua temperatura constante. c) A eficiência R do sistema, definida como a razão entre a potência elétrica produzida e a potência total obtida a partir do combustível. RESOLUÇÃO: a) A potência fornecida pelo combustível é: = 15 L ⋅ 36 ⋅ 106 J ∴ = 150 kW 3600 s L A potência fornecida à água corresponde à potência dissipada d e, sendo G a potência do gerador: d = – G ∴ d = 150 – 25 = 125 kW b) A potência relativa ao aquecimento e à vaporização da água é: d = m c ∆θ + mL m = (c ∆θ + L) ∆t ∆t d = V (c ∆θ + L), sendo V a vazão em massa. Então: 125 ⋅ 103 = V (4 ⋅ 103 ⋅ 75 + 2,2 ⋅ 106) V = 5 ⋅ 10 –2 kg/s c) R = QUESTÃO 08 G 25 ⇒ R= ∴ R = 16, 7 % 150 Um compartimento cilíndrico, isolado termicamente, é utilizado para o transporte entre um navio e uma estação submarina. Tem altura H0 = 2,0m e área da base S0 = 3,0m2. Dentro do compartimento, o ar está inicialmente à pressão atmosférica (Patm) e a 27ºC, comportando-se como gás ideal. Por acidente, o suporte da base inferior do compartimento não foi travado e a base passa a funcionar como um pistão, subindo dentro do cilindro à medida que o compartimento desce lentamente dentro d’água, sem que ocorra troca de calor entre a água, o ar e as paredes do compartimento. Considere a densidade da água do mar igual à densidade da água. Despreze a massa da base. Quando a base inferior estiver a 40m de profundidade, determine: P(105Pa) 8 B C D 7 40 m 6 5 H 4 3 2 1 A V(m3) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 a) A pressão P do ar, em Pa, dentro do compartimento. b) A altura H, em m, do compartimento, que permanece não inundado. c) A temperatura T do ar, em ºC, no compartimento. Curvas P × V para uma massa de ar que, à Patm e 27ºC, ocupa 1 m3: (A) isobárica, (B) isotérmica, (C) sem troca de calor, (D) volume constante. Patm = 105 Pa; 1 Pa = 1 N/m2 FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 9 RESOLUÇÃO: a) Estando o “pistão” em equilíbrio e desprezando-se seu peso, tem-se: * patm pgás = ptotal ∴ pgás = patm + d ⋅ g ⋅ h pgás = 1 ⋅ 105 + 103 ⋅ 10 ⋅ 40 pgás ∴ pgás = 5 ⋅ 105 Pa ptotal b) Tratando-se de uma compressão adiabática (sem troca de calor), pode-se obter o novo volume do gás no interior do cilindro, a partir do gráfico C. Entretanto, o gráfico fornecido refere-se ao volume inicial de 1m3. Nesse caso, para pressão correspondente a 5 ⋅ 105 Pa, o volume final é 0,3m3. Como o volume inicial do gás corresponde a V0 = S ⋅ h0 = 3 ⋅ 2 = 6 m3, o correspondente volume final deve ser: Vf = 0,3 ⋅ 6 = 1,8 m3 Sendo Vf = S ⋅ hf ⇒ 1,8 = 3 ⋅ hf ∴ hf = 0,6 m c) Admitindo-se o gás como ideal, tem-se: p0 ⋅ V0 p ⋅ Vf = f T0 Tf Substituindo-se os correspondentes valores numéricos: 1 ⋅ 105 ⋅ 6 5 ⋅ 105 ⋅ 1, 8 = 300 Tf ∴ Tf = 450 K QUESTÃO 09 Duas pequenas esferas, com cargas positivas e iguais a Q, encontram-se fixas sobre um plano, separadas por uma distância 2a. Sobre esse mesmo plano, no ponto P, a uma distância 2a de cada uma das esferas, é abandonada uma partícula com massa m e carga q negativa. Desconsidere o campo gravitacional e efeitos não eletrostáticos. Determine, em função de Q, K, q, m e a, a) A diferença de potencial eletrostático V = V0 – VP, entre os pontos O e P. b) A velocidade v com que a partícula passa por O. c) A distância máxima Dmax , que a partícula consegue afastar-se de P. Se essa distância for muito grande, escreva Dmax = infinito. q 2a Q A força F entre duas cargas Q1 e Q2 é dada por F = K Q1 ⋅ Q2/r2 onde r é a distância entre as cargas. O potencial V criado por uma carga Q, em um ponto P, a uma distância r da carga, é dado por: V = K Q/r. V0 = 2 ⋅ kQ a ∴ V0 – Vp = b) VP = k⋅Q a V= 2 k Q |q | ma k⋅Q a τFelet = τR q ⋅ (VP – V0) = → a) ε0c – εPc 0 RESOLUÇÃO: Q 1 ∴ q – k = m V 2 a 2 Como q 0, temos: V2 = 2 10 k Q |q | ma FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES ∴ P 2a a O a Q c) A resultante das forças atuantes sobre q, nos diversos pontos, pode ser representada na figura que segue. P FELET 2a x Q FELET = 0 Q O a DMÁX FELET P’ Assim, o corpo executa movimento acelerado de P até O; retardado, de O a P’; acelerado, de P’ a O; retardado de O a P; e assim sucessivamente. 2 2 Logo: Dmáx = 2 x = 2 ⋅ (2a) – a ∴ Dmáx = 2 a 3 QUESTÃO 10 Um próton de massa M ≅ 1,6 × 10 – 27 kg, com carga elétrica Q = 1,6 × 10–19 C, é lançado em A, com velocidade V0 , em uma região onde atua um campo magnético uniforme B, na direção x. A velocidade V0 , que forma um ângulo θ com o eixo x, tem componentes V0x = 4,0 × 106 m/s e V0y = 3,0 × 106 m/s. O próton descreve um movimento em forma de hélice, voltando a cruzar o eixo x, em P, com a mesma velocidade inicial, a uma distância L0 = 12 m do ponto A. Desconsiderando a ação do campo gravitacional e utilizando π 3, determine: y A θ B V0 P x L0 a) O intervalo de tempo ∆t, em s, que o próton leva para ir de A a P. b) O raio R, em m, do cilindro que contém a trajetória em hélice do próton. c) A intensidade do campo magnético B, em tesla, que provoca esse movimento. Uma partícula com carga Q, que se move em um campo B, com velocidade V, fica sujeita a uma força de intensidade F = Q × Vn × B, normal ao plano formado por B e Vn, sendo Vn a componente da velocidade V normal a B. RESOLUÇÃO: → a) Na direção x, paralela a B , o movimento é retilíneo e uniforme. Logo: vx = L0 ∆t 12 ∆t 4 ⋅ 106 = ∴ ∆t = 3 ⋅ 10– 6 s b) No plano perpendicular à figura, contendo o eixo y, temos um M.C.U. de período T = 3 ⋅ 10– 6 s e velocidade escalar vy = 3 ⋅ 106 m/s. vy = 2πR T ∴ 3 ⋅ 106 = 2πR 3 ⋅ 10 – 6 R = 1,5 m c) O raio da trajetória em questão é dado por: R= m vy |q | ⋅ B 1, 5 = 1, 6 ⋅ 10 – 27 ⋅ 3 ⋅ 106 1, 6 ⋅ 10 – 19 ⋅ B ∴ B = 2 ⋅ 10– 2 T FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 11 Comentário Prova de boa qualidade, com questões conceituais que não exigiram a utilização de formulário excessivo. Além disso, deve-se ressaltar a adequação do tempo disponível para a resolução. FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 13 Incidência ASSUNTO Cinemática Trabalho e Energia Eletrodinâmica Dinâmica Óptica Eletrostática Eletromagnetismo Termofísica Nº DE QUESTÕES 1 2 3 4 5 FUVEST/2001 – 2ª FASE ANGLO VESTIBULARES 15