física - Coseac

F í s i c a -
G a b a r i t o
G r u p o s
I
e
K
1a Questão: (2,0 pontos)
Para que um balão de borracha, cheio de gás, flutue no ar é necessário que seu peso total seja menor que
o do ar por ele deslocado. Assim, é comum encher-se um balão de borracha com gás mais leve que o ar, por
exemplo, hélio. Desse modo, garante-se que o balão poderá subir.
–3
–3
3
Considere um balão de borracha cuja massa é 3,8 x 10 kg, quando vazio, e cujo volume é 6,1 x 10 m ,
quando cheio.
Dados:
massa específica do ar = 1,3 kg/m 3
massa específica do hélio = 0,18 kg/m 3
aceleração da gravidade = 10 m/s 2
a) Determine a força que o ar exerce sobre o balão cheio de gás.
b) Calcule a massa de hélio necessária para encher o balão.
c) Determine a força exercida sobre o balão para impedi-lo de subir, quando estiver cheio de hélio.
Cálculos e respostas:
-3
a) E = ρ ar × Vbalão × g = 1,3 × 6,1 × 10
-3
× 10
-2
E = 79 × 10 = 7,9 × 10 N
b) ρ He =
m He
Vbalão
⇒ m He = ρ He × Vbalão
⇒
m He = 0,18 × 6,1 × 10 −3 ;
-3
mHe = 1,1 x 10 kg;
E
c)
PHe
F
Pbalão
F = – PHe – Pbalão + E
F = – ρHe Vbalão g – mbalão g + E
-3
-3
-3
F = - 0,18 × 6,1 × 10 × 10 – 3,8 × 10 × 10 + 79 × 10
-3
-3
-3
F = - 11 × 10 – 38 × 10 + 79 × 10
-3
-2
F = 30 × 10 N = 3,0 × 10 N
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2a Questão: (2,0 pontos)
3
A figura representa a vista aérea do movimento de um carro de 1,0 x 10 kg, realizando uma curva de raio
80 m, com velocidade escalar constante. A força de atrito lateral entre os pneus e a pista, indicada porF na figura, é a
resultante das forças que atuam no carro.
3
Sabendo que o valor máximo do módulo de F é 5,0 x 10 N:
a) Determine a velocidade máxima que o carro deve desenvolver para fazer a curva sem derrapar.
b) Esboce, na figura a seguir, a trajetória do carro, no caso de o motorista ultrapassar a velocidade máxima
determinada no item a.
Cálculos e respostas:
a) Famáx = força centrípeta = força resultante =
2
v máx
=
Fa
máx
m
vmáx = 20 m/s
×r
=
5,0 × 10 3 × 80
1,0 × 10 3
= 400
2
mv máx
r
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3a Questão: (2,0 pontos)
A figura representa um trilho articulado no ponto B, de modo que o trecho AB é horizontal e o BC,
o
inclinado de 30 em relação ao primeiro. No ponto A, está fixada uma das extremidades de uma mola de constante
2
–1
–2
elástica k = 2,5 x 10 N/m, comprimida de 1,0 x 10 m por um fio amarrado a um corpo de 4,0 x 10 kg. Este
corpo encontra-se em repouso e encostado à outra extremidade da mola.
Dado:
sen 30o = 0,50
O fio é cortado, liberando a mola, e o corpo atinge o ponto B com uma velocidade de 2,0 m/s.
2
Considere a aceleração da gravidade g = 10 m/s e determine:
a) O valor da energia dissipada no trecho AB.
b) A distância máxima percorrida pelo corpo no trecho BC, sabendo que nesse percurso o atrito é desprezível.
c) A altura máxima, em relação à horizontal, que o corpo atingiria, se fosse eliminado o atrito no trecho AB.
Cálculos e respostas:
a) EMA − E MB =
τF
at
b)
=
τF
at
∴
1
1
kx 2 − mv 2 =
2
2
at
∴
1
1
× 2,5 × 10 2 × 10 −2 − × 4,0 × 10 − 2 × 4,0 =
2
2
( 250 − 16 ) × 10 −2
= 117 × 10 −2 ≈ 1,2 J
2
1
mv 2 = mgh
2
∴
h=
v2
∴ h = 2,0 × 10 −1 m
2 g
∗
o
sen 30 =
C
d
h
B
τF
o
30
h
2,0 × 10 −1
∴ d=
= 4 ,0 × 10 −1 m
o
d
sen 30
τFat
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Cálculos e respostas:
c)
1 2
kx = m g h
2
1
2,5 × 10 2 × 10 −2 = 4,0 × 10 −2 × 10 × h
2
2,5
2,5
= 0,4 h ∴ h =
= 3,1 m
2
0,8
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K
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4a Questão: (2,0 pontos)
7
Raios são descargas elétricas produzidas quando há uma diferença de potencial da ordem de 2,5 x 10 V
5
entre dois pontos da atmosfera. Nessas circunstâncias, estima-se que a intensidade da corrente seja 2,0 x 10 A e
–3
que o intervalo de tempo em que ocorre a descarga seja 1,0 x 10 s.
Considere que na produção de um raio, conforme as condições acima, a energia liberada no processo
possa ser armazenada.
Dados:
1,0 cal = 4,2 J
calor específico da água = 1,0 cal/g oC
a) Calcule, em kWh, a energia total liberada durante a produção do raio.
b) Determine o número n de casas que podem ser abastecidas durante um mês com a energia do raio, sabendo
2
que o consumo mensal de energia elétrica, em cada casa, é 3,5 x 10 kWh.
o
c) Suponha que 30% da energia do raio seja utilizada para se elevar, em 10 C, a temperatura da água contida
em um reservatório que abastece as n casas. Na hipótese de não haver perda de energia para o meio exterior
e de a capacidade térmica do reservatório ser desprezível, calcule a massa de água nesse reservatório.
Cálculos e respostas:
7
5
a) E = P ∆t = V i ∆t = 2,5 × 10 × 2 × 10 ×
10 −3
6
≅ 1,4 × 10 Wh
3600
∴ E ≅ 1,4 × 103 kWh
b) número de casas =
1,4 × 10 3 kWh
3,5 × 10 2 kWh
7
-3
9
30/
5,0 × 10 9
15 × 10 9
×
=
cal
10 0/
4,2
42
para ∆T = 10o C
∴ m=
5
E = V i ∆t = 2,5 × 10 × 2 × 10 × 10 = 5,0 × 10 J =
c) energia total em calorias:
E’ = 30% E =
=4
⇒
E'
15 × 10 9
=
c ∆T 42 × 1× 10
Q = E’ = m c ∆T
≅
0,36 × 10 8 g = 0,36 × 10 5 kg = 3,6 × 10 kg
4
5,0 × 10 9
cal
4,2
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5a Questão: (2,0 pontos)
Um lago artificial, de profundidade h = 80 cm, contém um líquido (mistura de água com produtos
químicos transparentes). Para embelezá-lo, colocou-se no fundo uma fonte puntiforme de luz monocromática (F)
conforme ilustra a figura.
Um observador nota que a luz emerge, formando um grande círculo sobre a superfície do líquido.
Utilizando a tabela trigonométrica ao lado e considerando que
os índices de refração do ar e do líquido são, respectivamente, 1,0 e
2 , determine:
Ângulo
o
0
o
30
o
45
Dado:
velocidade da luz no ar = 3,0 x 108 m/s
o
60
a) A velocidade de propagação da luz no líquido.
b) O diâmetro do maior círculo que poderá ser formado sobre a superfície do líquido.
Cálculos e respostas:
a) v =
c
3,0 × 10 8
=
n
2
∴ v ≅ 2,1 × 10 8 m / s
R
b)
i
90o
n1
n2
h
i
F
n1 sen i = n2 sen r
r = 90o ∴
sen i =
n2
n1
∴ i = 45o
sen r = 1
=
1
2
=
R
∴ R = h tg i = 80 × tg 45 o = 80
h
2
d = 2R = 160 cm = 1,6 × 10 cm = 1,6 m
tg i =
2
2
sen
0
12
cos
1,0
tg
0
3 2
3 3
2 2
2 2
1,0
3 2
12
3
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