QUESTÃO 01

QUESTÃO 01
A figura mostra, esquematicamente, uma experiência realizada num laboratório. Nessa experiência,
uma bolinha, que tem carga positiva, atravessa uma região onde existe um campo magnético,
mantendo uma altura constante. Esse campo é constante, uniforme, perpendicular ao plano da página e
dirigido para dentro desta, como representado, na figura, pelo símbolo___.
-3
-2
A massa da bolinha é de 1,0 x 10 kg, a sua carga é de 2,0 x 10 C e o módulo do campo magnético é de
3,0 T.
1. DESENHE, na figura, a direção e o sentido da velocidade que a bolinha deve ter para manter uma
altura constante.
JUSTIFIQUE sua resposta.
Solução: Como o campo magnético é constante, a força magnética também é, então a bolinha segue em
MRU. Que ela se mantém na mesma altura é uma decorrência desse fato. O seu peso é equilibrado pela
força magnética que ela sente. Como o peso aponta para baixo, a força magnética deverá apontar para
cima, o que pode ser visualizado com a regra da mão direita. Dedos da mão direita apontam no sentido
do campo magnético. Como a carga na bolinha é positiva, o vetor força magnética aponta para cima. A
soma das forças que atua na bolinha é zero, por isso sua velocidade é constante. O vetor velocidade tem
direção horizontal e sentido para a direita.
2. CALCULE o módulo da velocidade que a bolinha deve ter para manter uma altura constante.
Solução: Bem, sabemos que as forças que agem na bolinha são o seu peso e a força magnética.
Sabemos também que estas forças são iguais. Vamos igualar então as respectivas equações e ver se
encontramos algo que nos leve à velocidade da bolinha.
Para a força magnética temos:
F⋅= sen(θ)vqB
onde θ, é o ângulo entre a força e a velocidade da partícula. A força aponta para cima e a velocidade
para a direita, então este ângulo é 90º e o seno de 90º é 1,0.
Para a equação da força peso da bolinha temos:
P⋅= mg
Igualando as equações temos:
QUESTÃO 02
Rigidez dielétrica de um meio isolante é o valor máximo do campo elétrico a que o meio pode ser
submetido, sem se tornar um condutor. Durante tempestades, um tipo comum de descarga elétrica
acontece quando cargas negativas se concentram na parte mais baixa de uma nuvem, induzindo cargas
positivas na região do solo abaixo dessa nuvem. A quantidade de carga na nuvem vai aumentando até
que a rigidez dielétrica do ar é alcançada. Nesse momento, ocorre descarga elétrica. Considere que o
campo elétrico entre a nuvem e o solo é uniforme. Para a solução desta questão, utilize estes dados,
que são típicos de descargas elétricas na atmosfera:
Com base nessas informações,
1. DETERMINE a diferença de potencial elétrico estabelecida entre a nuvem e o solo ao se iniciar a
descarga.
Solução: O enunciado sugere, através da informação de campo elétrico uniforme, que se deve
relacionar as grandezas Campo elétrico (E), diferença de potencial (ddp) e distância (d) entre nuvem e
solo. Estas informações são relacionadas na relação conhecida V=dE. Usar esta relação inicialmente será
uma decorrência da sua experiência com o assunto, por isso não se assuste se você ainda não a possui.
Vestibular tem todo ano e durante todo o ano tem tempo suficiente pra você adquirir esta experiência.
A diferença de potencial entre a nuvem e o solo então, será de 15 bilhões de volts! O que deve ser
verdade na natureza. Repare que não é um problema difícil do ponto de vista matemático. O maior erro
cometido pelos alunos nessa questão se remonta ao fato de errarem nas unidades. Muitos fazem a
conta com a distância dada em km, o que é incoerente.
2. CALCULE a quantidade de carga elétrica que é transferida, da nuvem para o solo, na descarga.
Solução: Apenas a maturidade com as teorias físicas vão determinar se o estudante acerta ou não esta
questão. Ela pede que se calcule a carga elétrica que é transferida da nuvem para os solo. Isto seria
impossível se não se considerar a região entre a nuvem e o solo como sendo um capacitor, o que não é
nenhum absurdo. Ao contrário, trata-se de uma aproximação coerente. A energia potencial para um
capacitor plano é dada por E = 1/2QV onde Q é a carga em uma das placas. Do capacitor, nesse caso, a
nuvem por exemplo. Para relacionarmos estas grandezas com as grandezas que o enunciado traz, ainda
precisamos determinar a potência da descarga que é dada por P=E/t, onde “t” é o tempo que demora a
descarga elétrica. Isolando “Q”, da primeira equação, temos:
Esta é uma baita quantidade de carga elétrica. Suficiente para provocar todo estrago que uma grande
raio faz.
3. Recomenda-se que, para se protegerem de descargas elétricas durante uma tempestade, motoristas
e passageiros devem permanecer no interior do veículo. EXPLIQUE por que essa recomendação é
pertinente.
Solução: Dentro de um veículo, o campo elétrico é nulo. A sua penetrabilidade é insignificante. Se um
raio cai sobre um carro, as cargas negativas se espalham pela superfície do veículo e se repelem
mutuamente, como tem de ser, pois cargas de mesmo sinal se repelem. Isto impede as cargas de
penetrarem dentro do veículo. O veículo funciona mais ou menos como uma gaiola de faraday.
QUESTÃO 03
Na iluminação de várias rodovias, utilizam-se lâmpadas de vapor de sódio, que emitem luz amarela ao
se produzir uma descarga elétrica nesse vapor. Quando passa através de um prisma, um feixe da luz
emitida por essas lâmpadas produz um espectro em um anteparo, como representado nesta figura:
O espectro obtido dessa forma apresenta apenas uma linha amarela.
1) EXPLIQUE por que, no espectro da lâmpada de vapor de sódio, não aparecem todas as cores, mas
apenas a amarela.
Se, no entanto, se passar um feixe de luz branca pelo vapor de sódio e examinar-se o espectro da luz
resultante com um prisma, observam-se todas as cores, exceto, exatamente, a amarela.
Solução: Quando os átomos de Sódio recebem a descarga elétrica eles estão em um mesmo nível de
energia. Quando eles recebem esta energia proveniente da descarga, um fóton de Liz é liberado. Estes
fótons estão todos a uma mesma freqüência, pois estão todos num mesmo estado de energia. A energia
do fóton é dada pela equação fh⋅=ΔE, onde f é a freqüência desses fótons de Liz que é a mesma. Como h
é uma constante, a constante de Plank, então não há motivo para serem emitidos fótons em todas as
freqüências, como aconteceria num caso comum de dispersão de luz branca em um prisma.
2) EXPLIQUE por que a luz branca, após atravessar o vapor de sódio, produz um espectro com todas as
cores, exceto a amarela.
Solução: A luz branca é composta por todas as freqüência, inclusive a freqüência do Sódio (luz amarela).
Nesse caso, quando a luz passa, os átomos de sódio absorvem a luz proveniente dessa freqüência. As
outras cores, passam naturalmente e esbarram no anteparo.
QUESTÃO 26
O eletroscópio é um aparelho utilizado para detectar cargas elétricas. Ele é constituído de uma placa
metálica, que é ligada a duas lâminas metálicas finas por uma haste condutora elétrica. As duas lâminas
podem se movimentar, afastando-se ou aproximando-se uma da outra.
A Figura I mostra um eletroscópio eletricamente descarregado e a Figura II, o mesmo eletroscópio
carregado.
1. EXPLIQUE por que as lâminas de um eletroscópio se separam quando ele está carregado.
Solução: Entenda direito como funciona o eletroscópio, se não você não vai saber formular uma
resposta coerente. Veja que na figura I, as lâminas estão juntas, como é o natural, o sistema está neutro.
No outro caso (figura II), as lâminas se separam indicando que cargas elétricas passaram pela haste
condutora fazendo com que as lâminas se repelissem. Claro que isto acontece com qualquer tipo de
cargas, sejam positivas ou negativas, o fato é que estas cargas se separam e se repelem, pois estão
próximas umas das outras nas lâminas que são bem finas, permitindo um deslocamento bem fácil.
2. Considerando um eletroscópio inicialmente descarregado, EXPLIQUE:
A) por que as lâminas se afastam quando luz branca incide sobre a placa.
Solução: O fenômeno é denominado efeito fotoelétrico e foi estudado dentre outros personalidades da
física pelo maior de todos os físicos na minha opinião. Seu nome: Albert Einstein, inclusive, este trabalho
foi o que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física. Curiosidades a parte, vamos ao que interessa: Elétrons
das últimas camadas do metal, são arrancados pela luz na faixa de altas freqüências, como no caso da
violeta e da frequência invisível, ultra-violeta. Pois nestas faixas a luz possui energia suficiente para
ionizar os átomos, ou seja: despoja-los de seus elétrons, mas apenas nas últimas camadas que são
menos energéticas. O que acontece é que ao sair elétrons de uma das placas em maior quantidade que
na outra, uma delas ou as duas ficam eletrizadas positivamente e se atraem.
B) por que as lâminas não se movem quando luz monocromática vermelha incide sobre a placa.
Solução: A luz vermelha é de baixa frequência, ela não possui energia suficiente para ionizar os átomos
e não consegue arranca-los das últimas camadas eletrônicas.
QUESTÃO 15
A luz emitida por uma lâmpada de gás hidrogênio é aparentemente branca, quando vista a olho nu. Ao
passar por um prisma, um feixe dessa luz divide-se em quatro feixes de cores distintas: violeta, anil, azul
e vermelho. Projetando-se esses feixes em um anteparo, eles ficam espaçados como ilustrado na Figura
I.
1. EXPLIQUE por que, ao passar pelo prisma, o feixe de luz branca se divide em feixes de cores
diferentes. Solução: O prisma dispersa a luz branca. Se fosse luz
branca como a do sol por exemplo, todas as sete cores do espectro seriam observadas, mas como não é
luz totalmente branca, como o próprio problema firma, o prisma somente dispersa nestas cores
mencionadas. Levamos ainda em consideração que o índice de refração no prisma é diferente para as
diferentes frequência, pois cada cor possui um frequência diferente.
Considere, agora, a Figura II, que ilustra esquematicamente alguns níveis de energia do átomo de
hidrogênio. As setas mostram transições possíveis para esse átomo.
2. RELACIONE as informações contidas na Figura II com as cores da luz emitida pela lâmpada de gás
hidrogênio mostradas na Figura I. JUSTIFIQUE sua resposta.
Solução: A chave do problema está na palavra transição ou transição de fase. Nesta situação, um átomo
emite energia que é dada pela separação entre os vários níveis. A energia do fóton é proporcional à sua
frequência e, portanto, inversamente proporcional ao seu comprimento de onda a equação deste
fenômeno é η⋅=hE. Onde h é a constante de Planck e a letra grega (ni) é a frequência do fóton. Então,
entendemos que quanto maior for a diferença entre os vários níveis, menor será o comprimento de
onda da luz emitida. Desta forma, nas transições 6 para 5; 5 para 2; 4 para 2; 3 para 2 serão emitidos
fótons de maior frequência para fótons de menor frequência que serão correspondentes às cores
violeta, anil, azul e vermelho.
QUESTÃO 28
A figura mostra um elétron que entra em uma região onde duas forças atuam sobre ele: uma deve-se à
presença de um campo magnético; a outra resulta de interações do elétron com outras partículas e atua
como uma força de atrito.
Nessa situação, o elétron descreve a trajetória plana e em espiral representada na figura.
Despreze o peso do elétron.
1. REPRESENTE e IDENTIFIQUE, nessa figura, as forças que atuam sobre o elétron no ponto S.
2. DETERMINE a direção e o sentido do campo magnético existente na região sombreada. EXPLIQUE seu
raciocínio.
Solução: Simplesmente fazendo o uso correto da regra do “tapa”, o campo magnético é identificado
como penetrando no plano da tela. Como o elétron possui carga negativa, a força magnética que atua
nele é dada pelas costas da mão. O polegar aponta no sentido de sua velocidade (tangente à
trajetória,no sentido contrário à força de atrito). O sentido do campo então, será dado pelo sentido da
ponta dos outros dedos da mão direita.
Solução: No ponto s, atuam a força de atrito que aponta no sentido contrário ao movimento e a forma
magnética que é a força centrípeta que aponta para o centro de uma suposta circunferência.
QUESTÃO 30
A figura mostra um tipo de "gato", prática ilegal e extremamente perigosa usada para roubar energia
elétrica.
Esse "gato" consiste em algumas espiras de fio colocadas próximas a uma linha de corrente elétrica
alternada de alta voltagem. Nas extremidades do fio que forma as espiras, podem ser ligadas, por
exemplo, lâmpadas, que se acendem.
EXPLIQUE o princípio físico de funcionamento desse "gato".
Solução: A lei de Oersted diz que campos corrente elétrica gera campo magnético. Mas isto não
justificaria aparecer uma corrente elétrica na espira, haveria nela somente um campo magnético
contínuo. O fato se deve então à corrente elétrica alternada nos fios de alta tensão. Esta corrente gera
um campo magnético variável. Este campo variável por sua vez gera uma variação no fluxo magnético
nas espiras e uma força eletromotriz é induzida nelas. A força eletromotriz induzida produz uma
corrente elétrica que pode fazer acender lâmpadas ligadas ao fio da espira. Não pode esquece de falar
na corrente alternada e nem de falar no fluxo que gera força eletromotriz induzida. Esta questão é fácil,
mas requer bastante conhecimento do assunto.
QUESTÃO 18
Na figura, vê-se um circuito formado por dois resistores, R1 e R2 , de 5,0Ω cada um, um capacitor de 1,0 X
-5
10 F e uma bateria de 12V; um amperímetro está ligado em série com o capacitor. Nessa situação, o
capacitor está totalmente carregado. Com base nessas informações,
1. DETERMINE a leitura do amperímetro.
Solução: Olha a pegadinha! Cuidado galera, o capacitor está carregado e, portanto não passa corrente
por ele, então o amperímetro marca zero. Nenhuma carga passa. Só com isso você já ganho um terço
dos pontos da questão.
2. CALCULE a carga elétrica armazenada no capacitor.
Solução: Agora você tem que se lembrar que a carga elétrica armazenada no capacitor é dada por Q=CV.
Onde Q é a carga, C é a capacitância deste capacitor que é dada e V é a diferença de potencial apenas
nas placas do capacitor, que nós não temos mas podemos calcular através da lei de Ohm, pois ela é
exatamente igual à ddp na resistência R 1, pois é por lá que a corrente passa, antes de chegar à
resistência R2. Observe a equação: . Usando novamente a lei de Ohm, para o circuito todo, encontramos
a corrente e substituímos na equação. iRVcapacitor⋅=1=totalV
Segura a onda aí que eu não sei como fazer esta não. Depois eu aprendo e continuo. Não duvido nada
que tenha informação faltando ou coisa assim, pois mu8itas figuras não estão perfeitas, inclusive esta.
3. EXPLIQUE o que acontecerá com a energia armazenada no capacitor, se a bateria for desconectada
do circuito.
Solução: A energia armazenada no capacitor em forma de cargas elétricas será dissipada em calor no
circuito R1. As cargas voltam, pois não existe mais ddp que a bateria fornece.