Parte 3 Ciências da Natureza e suas Tecnologias
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Questões comentadas ENEM 2013 – Parte 3 Ciências da Natureza e suas Tecnologias Caro estudante, Trazemos para você a terceira parte da prova do Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM) do ano de 2013, do grupo “Ciências da Natureza e suas Tecnologias”. Acompanhe nossos comentários e resoluções! Bom aprendizado! QUESTÃO 19 Para realizar um experimento com uma garrafa PET cheia de água, perfurou-se a lateral da garrafa em três posições a diferentes alturas. Com a garrafa tampada, a água não vazou por nenhum dos orifícios, e, com a garrafa destampada, observou-se o escoamento da água, conforme ilustrado na figura. Como a pressão atmosférica interfere no escoamento da água, nas situações com a garrafa tampada e destampada, respectivamente? (A) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; não muda a velocidade de escoamento, que só depende da pressão da coluna de água. (B) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; altera a velocidade de escoamento, que é proporcional à pressão atmosférica na altura do furo. (C) Impede a entrada de ar, por ser menor que a pressão interna; altera a velocidade de escoamento, que é proporcional à pressão atmosférica na altura do furo. (D) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; regula a velocidade de escoamento, que só depende da pressão atmosférica. (E) Impede a entrada de ar, por ser menor que a pressão interna; não muda a velocidade de escoamento, que só depende da pressão da coluna de água. Comentários A pressão atmosférica atua em todas as direções sobre as superfícies dos objetos e corpos líquidos e sólidos em geral. É uma pressão exercida pelo peso do ar. Analisando as duas situações dadas, temos: 1) Garrafa fechada: A pressão atmosférica impede a saída da água, pois atua sobre toda a superfície firme das paredes da garrafa e também nos orifícios, que são pequenos. Como a garrafa está fechada, não há como mais ar entrar na parte de cima, para que a pressão atmosférica atue de cima para baixo sobre a superfície alta do líquido. Em outras palavras, a pressão atmosférica da coluna de ar nos orifícios é maior que a pressão exercida pela coluna de água. A pressão atmosférica foi mensurada a primeira vez por Torricelli, em seu famoso experimento com a coluna de mercúrio, na qual 760mm desse metal líquido (de densidade 13,6g/mL) consegue equilibrar toda a coluna de ar da atmosfera, em um local no nível do mar. Para que uma coluna de água (densidade 1,0g/lL), consiga superar a pressão atmosférica, a “garrafa” (cheia de água) deveria ter um mínimo de 10,33m de altura; e, mesmo assim, chegando novamente a essa altura de coluna de água, o escoamento seria interrompido pela pressão do ar. 2) Garrafa aberta: Como a superfície alta do líquido tem contato com a coluna de ar atmosférico, a pressão atmosférica atua, não somente nos orifícios, mas também no alto do líquido. Portanto, o efeito da pressão atmosférica fica anulado, pois atua não só nos orifícios, impedindo a descida do líquido por gravidade, mas também atua no alto do líquido, favorecendo o fluxo. Anulado o efeito da pressão atmosférica, é a pressão da coluna de água que passa a atuar, forçando o líquido a descer pelos orifícios. A velocidade de escoamento é diferente, pois cada orifício está sofrendo valores de pressão da água, que dependem de sua altura em relação à superfície livre do líquido, no alto. Grau de dificuldade – Difícil. A forma como a pressão atmosférica atua em diversos fenômenos do cotidiano não é de fácil compreensão. Mesmo a existência do peso e da pressão exercida pelo ar demoraram para ser descobertos, há alguns séculos, apesar do valor dessa pressão ser muito grande. Como estamos “acostumados” com o ar, o senso comum costuma considerar o seu peso com valor insignificante. Além disso, essa pressão não atua apenas de cima para baixo, mas em todas as direções. Resposta (A) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; não muda a velocidade de escoamento, que só depende da pressão da coluna de água. QUESTÃO 20 Uma pessoa necessita da força de atrito em seus pés para se deslocar sobre uma superfície. Logo, uma pessoa que sobe uma rampa em linha reta será auxiliada pela força de atrito exercida pelo chão em seus pés. Em relação ao movimento dessa pessoa, quais são a direção e o sentido da força de atrito mencionada no texto? (A) Perpendicular ao plano e no mesmo sentido do movimento. (B) Paralelo ao plano e no sentido contrário ao movimento. (C) Paralelo ao plano e no mesmo sentido do movimento. (D) Horizontal e no mesmo sentido do movimento. (E) Vertical e sentido para cima. Comentários De acordo com a lei de Ação e Reação (3ª Lei de Newton), uma força aplicada em um corpo corresponde ao aparecimento de outra força igual, na mesma direção, mas de sentido contrário. Em outras palavras, uma pessoa que anda, está, na verdade, “empurrando” o chão para trás, enquanto o chão “empurra” a pessoa de volta, para frente. Se não houvesse a força de atrito, os pés deslizariam pelo chão, sem conseguir empurrálo, e a pessoa permaneceria no mesmo lugar, semelhante ao que acontece sobre o gelo. Assim, a direção da força de atrito é tangente à região de contato entre os pés e o chão; ou seja, paralela ao plano de apoio. O sentido da força de atrito aplicada pela pessoa é para trás, contrário ao movimento; mas o sentido da força de atrito aplicada pelo chão nos pés é para frente, impulsionando a pessoa. Grau de dificuldade – Médio. São duas forças de atrito que atuam nesse fenômeno. O estudante pode, facilmente, marcar a opção B, ao invés de C, caso confunda a força de atrito aplicada pela pessoa contra o chão com a força de atrito que o chão exerce sobre os pés da pessoa que anda. A pessoa exerce uma força sobre o chão para trás, mas a força de atrito a que a questão se refere é aquela que impulsiona a pessoa para frente. Resposta (C) Paralelo ao plano e no mesmo sentido do movimento. QUESTÃO 21 Para oferecer acessibilidade aos portadores de dificuldade de locomoção, é utilizado, em ônibus e automóveis, o elevador hidráulico. Nesse dispositivo é usada uma bomba elétrica, para forçar um fluido a passar de uma tubulação estreita para outra mais larga, e dessa forma acionar um pistão que movimenta a plataforma. Considere um elevador hidráulico cuja área da cabeça do pistão seja cinco vezes maior do que a área da tubulação que sai da bomba. Desprezando o atrito e considerando uma aceleração gravitacional de 10m/s 2, deseja-se elevar uma pessoa de 65kg em uma cadeira de rodas de 15kg sobre a plataforma de 20kg. Qual deve ser a força exercida pelo motor da bomba sobre o fluido, para que o cadeirante seja elevado com velocidade constante? (A) 20N (B) 100N (C) 200N (D) 1000N (E) 5000N Comentários Essa questão é muito interessante e apresenta a aplicação de um princípio da hidráulica (princípio de Pascal), segundo o qual, em um sistema de dois pistões ligados por um único fluido, uma força menor pode equilibrar uma força maior, quando elas são aplicadas sobre áreas diferentes e proporcionais a essas forças. Assim, o sistema funciona como um “macaco” hidráulico ou elevador hidráulico, permitindo ampliar a força utilizada. Esquema de um macaco hidráulico ou elevador hidráulico As forças F1 e F2 se equilibram. Aumentando a força F1, o plano sob o peso F2 eleva-se; semelhante ao que acontece em um sistema de roldanas ou de alavanca. Disponível (acesso 22.8.2014): http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydraulic_Force.png Para calcular o valor do módulo do peso (P) do conjunto a ser suspenso, devemos somar as massas da plataforma, da cadeira de rodas e da pessoa, multiplicando depois pela aceleração da gravidade (g): P mpessoa mcad mplat g P 65 15 2010 1.000 N. A questão informa que a área da cabeça do pistão (onde está a pessoa a ser suspensa) é cinco vezes maior do que a área da tubulação que sai da bomba (onde será feita a força para suspender a pessoa); ou seja, a força exercida pela bomba será cinco vezes menor que o peso do conjunto; e, mesmo assim, será capaz de suspender todo esse peso. Ou seja, 1000N poderão ser suspensos por apenas 200N. Obs.: Vale lembrar que a distância de deslocamento que o pistão da bomba deverá fazer será cinco vezes maior que a distância de deslocamento do pistão onde está a plataforma do elevador. Sempre nas máquinas simples, como roldanas, planos inclinados e alavancas, a força aplicada é distribuída ao longo de uma distância maior, diminuindo o esforço. Grau de dificuldade – Médio. O estudante que entende o princípio das máquinas simples, como roldanas, elevadores hidráulicos, alavancas e planos inclinados pode acertar a questão, com certa facilidade e sem muitos cálculos. No entanto, não pode se esquecer de multiplicar o valor total da massa pela aceleração da gravidade (10m/s 2) para obter o peso (newtons), pois corre o risco de marcar a opção A, considerando o resultado em massa (100kg / 5 = 20kg) como se fosse de força. Resposta (C) 200N QUESTÃO 22 Em um experimento foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi (A) igual no aquecimento e igual no resfriamento. (B) maior no aquecimento e igual no resfriamento. (C) menor no aquecimento e igual no resfriamento. (D) maior no aquecimento e menor no resfriamento. (E) maior no aquecimento e maior no resfriamento. Comentários A questão fala sobre taxa de aquecimento e de resfriamento de duas garrafas PET iguais, pintadas de cores diferentes (branco e preto). Sabemos que, de maneira geral, os corpos escuros têm mais facilidade de absorver calor que os corpos claros, desde que o material também seja o mesmo. Assim, é certo que a garrafa pintada de preto absorverá mais calor por segundo que a garrafa pintada de branco, embora ambas estejam à mesma distância da lâmpada incandescente, que é a fonte desse calor irradiado. Após o desligamento da lâmpada, haverá o fenômeno inverso, com perda de calor por parte das garrafas, que tenderão a equilibrar novamente suas temperaturas com o ambiente. Sempre o material que melhor absorve energia radiante, apresentando aquecimento mais rápido, é também o que melhor emite essa energia radiante, resfriando também mais rapidamente. Grau de dificuldade – Médio. O estudante pode facilmente ser levado a marcar a opção D, ao invés da opção E, considerando que um corpo escuro, como esquenta mais, demore mais tempo para resfriar. De acordo com o senso comum, o que está mais quente, esfria mais lentamente, o que é verdade; mas a questão não fala de temperatura, mas de taxa de aquecimento e de resfriamento. A capacidade térmica de um material qualquer está relacionada com a velocidade com que ele se aquece, o que corresponde à mesma velocidade com que resfria. Resposta (E) maior no aquecimento e maior no resfriamento. QUESTÃO 23 Aquecedores solares usados em residências têm o objetivo de elevar a temperatura da água até 70°C. No entanto, a temperatura ideal da água para um banho é de 30°C. Por isso, deve-se misturar a água aquecida com a água à temperatura ambiente de um outro reservatório, que se encontra a 25°C. Qual a razão entre a massa de água quente e a massa de água fria na mistura para um banho à temperatura ideal? (A) 0,111. (B) 0,125. (C) 0,357. (D) 0,428. (E) 0,833. Comentários A proporção da mistura da água das duas torneiras (água quente e água fria) se dará, de forma que a temperatura da mistura seja a ideal. Assim, a água que está a 25ºC deverá subir para 30ºC (variação de 5ºC); enquanto a água pré-aquecida a 70ºC deverá ser resfriada até 30ºC (variação de 40ºC). 1) Usando a lógica: As variações a que devem ser submetidas cada porção de água são inversamente proporcionais às suas massas; ou seja, a água que está mais distante da temperatura ideal será usada em menor proporção, enquanto a água que está mais próxima da temperatura ideal será usada em maior proporção. Ora, uma variação de 40ºC é 8 vezes maior que uma variação de apenas 5ºC. Assim, usaremos 1/8 da massa de água quente em relação à massa de água em temperatura ambiente. Assim: 1 / 8 = 0,125 2) Usando fórmulas: Como o sistema é termicamente isolado, a quantidade de calor trocada entre as porções de água quente (1) e à temperatura ambiente (2) tem somatório igual a zero: ∑Q = 0 ⇒ Q1 + Q2 = 0 ⇒ (m cΔθ)1 + (m cΔθ)2 = 0 m1c (30 – 70) + m2c (30 – 25) = 0 ⇒ –40.m1+ 5.m2 = 0 ⇒ m2 = 8m1 m1 = m2 / 8 = 0,125 Grau de dificuldade – Médio. Nem sempre o estudante consegue transformar o entendimento sobre a questão (que parece ser simples, de fácil entendimento prático e empírico) em raciocínio lógico ou raciocínio matemático, que possibilite a ele encontrar um caminho para a resposta. Resposta (B) 0,125. QUESTÃO 24 O chuveiro elétrico é um dispositivo capaz de transformar energia elétrica em energia térmica, o que possibilita a elevação da temperatura da água. Um chuveiro projetado para funcionar em 110V pode ser adaptado para funcionar em 220V, de modo a manter inalterada sua potência. Uma das maneiras de fazer essa adaptação é trocar a resistência do chuveiro por outra, de mesmo material e com o(a) (A) dobro do comprimento do fio. (B) metade do comprimento do fio. (C) metade da área da seção reta do fio. (D) quádruplo da área da seção reta do fio. (E) quarta parte da área da seção reta do fio. Comentários Questões sobre potência de chuveiros são bastante comuns no ENEM, como é o caso desta, que compara a variação da resistência para uma adaptação da tensão de um chuveiro, de 110 para 220 volts. Como a questão pede que a adaptação mantenha a mesma potência do chuveiro, primeiramente temos que igualar as fórmulas das potências inicial e final do chuveiro. P = U2/R (potência é igual ao quadrado da tensão dividida pela resistência) P220 = P110 U2220 / R220 = U2110 / R110 (220 / 110)2 = R220 / R110 22 = R220 / R110 2202 / R220 = 1102 / R110 4 = R220 / R110 Percebemos, no cálculo acima, que o chuveiro adaptado deverá ter uma resistência 4 vezes maior que a resistência anterior. O valor da resistência depende, segundo a Lei de Ohm, de três fatores: da resistividade específica do material utilizado (p), da área de seção do fio resistor (A) e do comprimento do fio resistor (L), segundo a equação: R = p. L / A Assim, quanto maior o comprimento do resistor, maior a resistência; mas, se a largura do fio resistor aumenta, a resistência diminui. No caso da resistividade, não haverá variações para essa questão, pois foi mencionado que o material do resistor é o mesmo, antes e depois da adaptação. Assim, temos duas possibilidades de resposta: 1) quadruplicar o comprimento do fio resistor; ou, 2) usar outro fio resistor do mesmo material, mas com área de seção quatro vezes menor que o original. Mas, das opções dadas, apenas a letra E apresenta uma condição válida. Grau de dificuldade – Difícil. Para encontrar a resposta correta, o estudante deve aplicar fórmulas que não foram fornecidas pela questão; usar raciocínio lógico para igualar as equações de potência de antes e depois da adaptação; e interpretar a equação de resistência para analisar as possibilidades de variar área de seção e comprimento do fio. Resposta (E) quarta parte da área da seção reta do fio. QUESTÃO 25 Um circuito em série é formado por uma pilha, uma lâmpada incandescente e uma chave interruptora. Ao se ligar a chave, a lâmpada acende quase instantaneamente, irradiando calor e luz. Popularmente, associa-se o fenômeno da irradiação de energia a um desgaste da corrente elétrica, ao atravessar o filamento da lâmpada, e à rapidez com que a lâmpada começa a brilhar. Essa explicação está em desacordo com o modelo clássico de corrente. De acordo com o modelo mencionado, o fato de a lâmpada acender quase instantaneamente está relacionado à rapidez com que (A) o fluido elétrico se desloca no circuito. (B) as cargas negativas móveis atravessam o circuito. (C) a bateria libera cargas móveis para o filamento da lâmpada. (D) o campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito. (E) as cargas positivas e negativas se chocam no filamento da lâmpada. Comentários Essa é uma questão conceitual, o que raramente acontece nas provas do ENEM, principalmente sobre eletricidade. O que acontece, quando se fecha o circuito, acionando a chave interruptora, é que surge um campo elétrico instantâneo em todos os pontos, ao longo do circuito, e as cargas começam a se movimentar ao mesmo tempo, formando a corrente elétrica. No entanto, o estudante precisa estar bem informado da teoria física que explica o fenômeno da corrente elétrica, pois o senso comum trata a eletricidade das mais variadas formas, com conceitos quase sempre errôneos, como o citado no enunciado da questão. Grau de dificuldade – Médio. Todas as alternativas de A até D apresentam afirmativas aparentemente corretas sobre o fenômeno da corrente elétrica, embora apenas uma (D) explique sobre a rapidez de acendimento da lâmpada, de acordo com a teoria clássica da Física. É fácil confundir-se e marcar alguma opção falsa. O estudante precisa distinguir qual delas que, além de apresentar o conceito científico correto, explica sobre a rapidez de acendimento da lâmpada. Resposta (D) o campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito. QUESTÃO 26 A Lei da Gravitação Universal, de Isaac Newton, estabelece a intensidade da força de atração entre duas massas. Ela é representada pela expressão: FG m1m2 d2 onde m1 e m2 correspondem às massas dos corpos, d à distância entre eles, G à constante universal da gravitação e F à força que um corpo exerce sobre o outro. O esquema representa as trajetórias circulares de cinco satélites, de mesma massa, orbitando a Terra. Qual gráfico expressa as intensidades das forças que a Terra exerce sobre cada satélite em função do tempo? (A) (B) (D) (E) (C) Comentários A questão apresenta cinco satélites de mesma massa, se deslocando em órbitas circulares em torno da Terra. Ora, se as órbitas são circulares, não há variação das distâncias de cada satélite em relação à Terra. Se não há variação da distância nem da massa, a força de atração exercida do planeta a cada satélite também permanece constante, não variando com o tempo (eixo X). Ou seja, todas as cinco curvas do gráfico devem se apresentar na horizontal, como aparecem nas opções A e B. Mas percebe-se que a distância influencia muito no fenômeno, uma vez que seu quadrado é inversamente proporcional à força de atração gravitacional. Assim, um satélite “X”, que está a uma distância do planeta equivalente ao dobro da distância de outro satélite “Y”, apresentará força gravitacional quatro vezes menor que “Y”. Outro satélite “Z”, que estiver no triplo da distância de “Y” em relação à Terra, apresentará força gravitacional nove vezes menor. Assim, o gráfico correto é o apresentado na opção B, em que os satélites mais próximos à Terra têm maiores valores de força de atração, enquanto os mais distantes têm forças de atração bem menores. Observe, ainda, que o desenho da questão apresenta as órbitas com distanciamentos equivalentes entre si. Mas, no gráfico B, os valores das forças de atração sofrem um afastamento maior para cada satélite. Grau de dificuldade – Médio. O raciocínio exigido pela questão é simples, porém a interpretação de vários gráficos para a escolha de um deles pode levar a alguma dúvida por parte do estudante. Resposta (B) QUESTÃO 27 Medir temperatura é fundamental em muitas aplicações, e apresentar a leitura em mostradores digitais é bastante prático. O seu funcionamento é baseado na correspondência entre valores de temperatura e de diferença de potencial elétrico. Por exemplo, podemos usar o circuito elétrico apresentado, no qual o elemento sensor de temperatura ocupa um dos braços do circuito (RS ) e a dependência da resistência com a temperatura é conhecida. Para um valor de temperatura em que RS 100Ω, a leitura apresentada pelo voltímetro será de (A) +6,2V. (B) +1,7V. (C) +0,3V. (D) –0,3V. (E) –6,2V. Comentários Para calcular a tensão apresentada no voltímetro, devemos, primeiramente, calcular a tensão em todos os pontos possíveis no seu entorno, desconsiderando a presença do próprio voltímetro. Sem o voltímetro, teremos dois caminhos para a corrente elétrica, um à esquerda (i1, seta vermelha) e outro para a direita (i2, seta azul). A B D C Para calcular a corrente em i1 e em i2, temos que usar a equação U = Ri (tensão é igual à resistência multiplicada pela corrente); ou, invertendo-a, i = U/R (corrente é igual à tensão dividida pela resistência). Temos, ainda, que somar as resistências de cada lado. Cálculo da corrente que passa em i1: i1 = 10 / (470+100) i1 = 1/57 A Cálculo da corrente que passa em i2: i2 = 10 / (470+120) i2 = 1/59 A Como a tensão, no ponto “A”, é 10volts e, no ponto, “C” a tensão é zero, podemos calcular a tensão nos pontos B e D, para depois deduzir a tensão do voltímetro: Cálculo da tensão no ponto B: VB - VC = 100.(1/57) = 100/57 ≅ 1,75V (1) Cálculo da tensão no ponto D: VD - VC = 120.(1/59) = 120/59 ≅ 2,03V (2) Para deduzir a tensão do voltímetro, devemos subtrair as tensões calculadas acima, o que dá um resultado de 0,28V, aproximadamente 0,3V. No entanto, a instalação correta de um voltímetro acontece com o pólo positivo ligado onde há maior voltagem e o pólo negativo onde tem menor voltagem, para que o resultado se apresente com valor algébrico positivo. No entanto, no desenho apresentado na questão, o voltímetro foi instalado ao contrário, com o pólo positivo à esquerda e o negativo à direita. Assim, subtraindo (1) e (2) obtemos VB - VD que é a leitura do voltímetro: VB - VD = 1,75 - 2,03 = -0,28V ≅ -0,3V Grau de dificuldade – Muito difícil. A questão é bastante complexa, exigindo várias etapas de raciocínio e de cálculos, além de apresentar a instalação invertida do voltímetro. Resposta (D) –0,3V.
