Física - Profº Carlos Alberto

FÍSICA
Dados:
Aceleração da gravidade: 10 m/s
3
2
3
Densidade da água: 10 kg/m
01. Considere a massa de uma molécula de água igual a 3 ´ 10-26 kg. Seja 10N, a
3
ordem de grandeza do número de moléculas de água em 6 m de água. Qual o
valor de N?
Resposta: 29
Justificativa:
3
3
26
3
Em 1 m de água existem 10 kg/3 ´ 10- kg moléculas. Em 6 m de água
3
26
29
existem 6 ´ (10 kg/3 ´ 10- kg) moléculas = 2 ´ 10 moléculas. Assim, N =
29.
02. Um barco passa sob uma ponte no momento em que um carro atravessa a
ponte, como mostrado na figura a seguir. O barco e o carro se movem com
velocidades constantes, de módulos vB = 30 km/h e vC = 40 km/h,
respectivamente, ambas medidas em relação ao solo. Calcule a distância entre
eles, em km, decorridos 6,0 minutos após o cruzamento. Suponha que ambos
continuaram nas mesmas trajetórias depois do cruzamento.
Resposta: 05
Justificativa:
O módulo da velocidade relativa é
A distância entre os móveis será Dx
= vR t = 5,0 km .
03. Uma partícula executa um movimento ao longo do eixo x. O gráfico a seguir
apresenta a sua velocidade em função do tempo. Quando t = 0, a posição da
partícula é x = 57 m. Calcule a posição da partícula, em metros, no instante
t = 15 s.
v (m/s)
+ 5,0
0
5,0
10
15
t (s)
-5,0
Resposta: 32
Justificativa:
No intervalo de tempo de t = 0 até t = 10 s, a partícula sai da posição inicial e
retorna à posição inicial. Assim, o deslocamento da partícula até t = 15 s, é
Dx = -5 ´ 5 = -25 m . Logo a posição final da partícula é x = 57 – 25 = 32 m.
04. Um bloco homogêneo de densidade 4 ´ 102 kg/m3 encontra-se completamente
submerso em água (ver figura). Nessa situação, a força de tensão no fio vale
6 N. Qual o volume total do bloco em litros?
g
fio
água
Resposta: 01
Justificativa:
Com o bloco em equilíbrio, tem-se P + T = E, onde P, T e E denotam as forças
peso do bloco, de tensão no fio e de empuxo. Temos que P = Mg = rVg = 4 ´
3
10 V, onde r e V denotam a densidade e o volume do bloco. Temos ainda
4
que E = raVsubg = 10 V, onde ra e Vsub = V denotam a densidade da água e o
3
3
volume submerso do bloco. Substituindo T = 6 N, obtemos V = 10 - m = 1 L.
05. Uma bombinha de São João encontra-se em repouso sobre uma superfície
horizontal sem atrito. A bombinha explode, partindo-se em dois pedaços que se
deslocam horizontalmente na mesma direção e em sentidos opostos. Considere
a bombinha como uma partícula material. Se, o módulo da velocidade do
pedaço de 4 gramas imediatamente após a explosão é de 9 m/s, qual o
módulo da velocidade, em m/s, do pedaço de 6 gramas neste instante?
Resposta: 06
Justificativa:
Nesse problema, há a conservação da quantidade de movimento (momento
linear) total das partículas. Escrevemos, então, que Pi = Pf e, portanto, 0 = 4 ´
9 + 6 ´ v, de modo que |v| = 6 m/s.
06. Um projétil com massa m = 0,10 kg é lançado com velocidade inicial de módulo
v1 = 20 m/s, como mostra a figura. Quando ele alcança a altura máxima de
h = 8,0 m, a sua velocidade tem módulo v2 = 10 m/s. Calcule o módulo do
trabalho, em Joules, realizado pela força de atrito entre o projétil e o ar, desde
o momento do lançamento até quando ele alcança a altura máxima.
v1
Resposta: 07
Justificativa:
1 2
1
mv2 = 20 J. A energia final é Ef =
mv2 + mgh =
1
2
2
13 J. O módulo do trabalho realizado pela força de atrito é dado pela diferença
E0 – Ef = 7 J.
A energia inicial é E0 =
07. Um cientista descobre que um planeta localizado fora do Sistema Solar é
orbitado por dois satélites, Alfa e Beta. O cientista mede os raios das órbitas
circulares dos dois satélites e o período de Alfa ao redor do planeta,
construindo a tabela a seguir. Desconsidere as forças gravitacionais entre os
satélites. O cientista conclui que o período de Beta, em horas, vale:
Alfa
Beta
Raio da órbita
5
10 km
5
4 ´ 10 km
Período
6h
?
Resposta: 48
Justificativa:
3
2
A terceira lei de Kepler indica que R /T é constante, onde R e T denotam o
raio da órbita e o período de um satélite ao redor de um planeta. Usando os
5
3
2
5
3 2
dados da tabela do enunciado, obtemos (10 km) /(6 h) = (4 × 10 km) /T ,
donde T = 48 h.
08. Um estudante gostaria de medir a massa de um objeto, mas não dispõe de
nenhum tipo de balança. Ele então improvisa um sistema de medição. Pendura
em um extremo de uma haste rígida e fina o objeto de massa desconhecida,
mD, e, no outro extremo, um objeto de massa conhecida, mC = 1,0 kg. O
estudante equilibra a haste na posição horizontal em um ponto de apoio e mede
as distâncias, dC = 40 cm e dD = 8,0 cm, entre o ponto de apoio e as
extremidades respectivas, como mostra a figura. Desprezando a massa da
haste e dos fios, calcule a massa desconhecida mD, em kg.
dD
dC
mC
mD
Resposta: 05
Justificativa:
A soma dos torques das forças peso em relação ao ponto de apoio deve ser
nula. Ou seja, PCdC – PDdD = 0. Logo, PD = PCdC/dD = 50 N e portanto mD = 5
kg.
09. Um estudante quer aquecer um litro de água, inicialmente a 20 oC. Considere
que uma fonte de calor transmite calor para a água a uma taxa Tx constante, e
despreze as perdas de calor pela água nesse processo. Considere, ainda, que
o calor específico da água é igual a 4200 J/(kg×K). Se após 21 segundos a
o
água atinge a temperatura de 30 C, qual o valor de Tx, em kW?
Resposta: 02
Justificativa:
Em 21 segundos, a fonte transmite para a água, a uma taxa constante, uma
quantidade de calor igual a (1 kg)[4200 J/(kg×K)](10 K) = 42 kJ. A taxa Tx é
igual, então, a 42 kJ/ (21 s) = 2 kW.
10. Um gás passa por um processo termodinâmico cíclico, constituído por dois
subprocessos, A e B. No subprocesso A, 3,0 J de calor são cedidos pelo gás
ao ambiente, e 5,0 J de trabalho são realizados pelo gás. O diagrama pressão
versus volume a seguir representa apenas o subprocesso B. Determine o
módulo do calor trocado pelo gás com o ambiente, em J, no subprocesso B.
p (Pa)
1,5
Subprocesso B
0,5
0
2,0
4,0
3
V (m )
Resposta: 06
Justificativa:
Como o processo é cíclico, então, a variação de energia interna do gás é nula:
DE = DEA + DEB = 0. Pela 1ª lei da Termodinâmica, escrevemos DE = (QA WA) + (QB - W B). O gráfico nos mostra que W B = -(1,5 + 0,5)2/2 = -2 J. Assim,
inserindo as informações do enunciado, obtemos DE = (-3 - 5) + (QB + 2) = 0,
donde |QB| = 6 J.
11. Uma pequena pedra atinge a superfície de um lago, de águas paradas,
provocando a geração de ondas circulares e concêntricas. Uma crista da onda
leva Dt = 2,0 s para chegar à lateral de um barco ancorado a uma distância de
30 m do ponto onde a pedra atingiu o lago (ver figura). Sabendo-se que a
distância entre duas cristas consecutivas é d = 20 cm, calcule a frequência das
ondas, em Hertz.
barco
30 m
Resposta: 75
Justificativa:
l = v / f . Logo,
f = v / l . A velocidade de propagação é
v = 30 / 2 = 15m / s . Portanto,
f = 75 Hz.
12. A figura a seguir mostra um trecho de um circuito. Calcule a corrente elétrica i
no ramo indicado na figura, em Ampères.
20 A
30 A
10 A
i
3,0 A
30 A
10 A
Resposta: 37
Justificativa:
Utilizando a conservação da carga tem-se que a soma das correntes que
chegam numa região deve ser igual à soma das correntes que saem. Ou seja,
10 + 20 + 30 +10 = i + 3 + 30. E, portanto, i = 37 A.
13. A figura a seguir mostra um circuito elétrico com uma bateria e várias
resistências. Calcule a diferença de potencial (em módulo), entre os pontos a e
b indicados na figura, em Volts.
R1 = 6,0 W
+
_
a
e = 24 V
R2 = 3,0 W
R3 = 6,0 W
b
R4 = 4,0 W
R5 = 2,0 W
Resposta: 12
Justificativa:
A corrente fornecida pela bateria é i = 24/12 = 2 A. Logo, o módulo da ddp
entre a e b é Vab = e - R1i = 12 V.
14. Um feixe é constituído por dois tipos de partículas, A e B, se movendo em linha
reta com a mesma velocidade de módulo 1000 km/s. As partículas possuem
27
19
27
massas e cargas dadas por MA = 9 ´ 10- kg, QA = 3 ´ 10- C, MB = 4 ´ 10-19
kg e QB = 2 ´ 10 C. O feixe ingressa numa região (parte cinzenta da figura)
em que há um campo magnético uniforme, de módulo 5 T e direção
perpendicular à velocidade inicial do feixe. O feixe, então, se divide em duas
partes, cada uma contendo apenas um tipo de partícula. Despreze a interação
entre as partículas, as forças dissipativas e os efeitos gravitacionais. Determine
a distância L, em milímetros, mostrada na figura.
feixe
L
Resposta: 04
Justificativa:
Se o campo magnético é perpendicular à velocidade inicial, então, para cada
2
tipo de partícula, a 2ª lei de Newton leva a Mv /R = QvB, ou seja, R = Mv/(QB).
A distância L é dada por L = 2(RA – RB). Logo, L = (2v/B)(MA/QA – MB/QB).
Substituindo os valores numéricos, obtemos L = 0,004 m = 4 mm.
15. Um raio de luz monocromática, com comprimento de onda l, se propagando no
meio 1, incide em uma interface plana entre o meio 1 e o meio 2, ambos
transparentes e lineares. Os índices de refração dos meios 1 e 2 são n1 e n2,
respectivamente, com n1 > n2. Considerando estas informações, podemos
afirmar que:
0-0) a parte da luz refletida tem a mesma frequência da luz do raio original.
1-1) a parte da luz que passa ao meio 2 tem uma frequência diferente da luz
do raio original.
2-2) a parte da luz refletida tem o mesmo comprimento de onda l.
3-3) a parte da luz que passa ao meio 2 tem o mesmo comprimento de onda l.
4-4) dependendo do ângulo de incidência do raio, pode acontecer que não haja
passagem de luz para o meio 2.
Resposta: VFVFV
Justificativa:
Como os meios são lineares, não há mudança da frequência da luz. Assim, (11) é verdadeira e (2-2) é falsa. O comprimento de onda é l = v / f . Então, (22) é verdadeira e (3-3) é falsa. A (4-4) é verdadeira, pois pode haver reflexão
interna total no meio 1.
16. Sobre o efeito fotoelétrico, podemos afirmar que:
0-0) segundo a Física Clássica, fotoelétrons poderiam ser emitidos a partir do
cátodo metálico iluminado por fontes luminosas incidentes de qualquer
frequência.
1-1) segundo a Física Clássica, quanto menor a potência da fonte luminosa
incidindo sobre o cátodo metálico, maior o intervalo de tempo para a
ejeção do primeiro fotoelétron.
2-2) segundo a Física Quântica, existe uma frequência da luz incidente abaixo
da qual nenhum fotoelétron pode ser ejetado.
3-3) segundo a Física Quântica, a energia cinética do fotoelétron depende da
intensidade mas não da frequência da luz incidente.
4-4) Albert Einstein explicou o efeito fotoelétrico postulando que elétrons
oscilando em superfícies metálicas têm energia total múltipla de uma
quantidade mínima (“quantum” de energia).
Resposta: VVVFF
Justificativa:
A alternativa 0-0 é verdadeira, pois a Física Clássica não prevê a existência
de uma frequência de corte, abaixo da qual o efeito fotoelétrico deixaria de
ocorrer.
A alternativa 1-1 é verdadeira, pois, segundo a Física Clássica, deve existir
um intervalo de tempo para o elétron acumular energia da fonte luminosa até
ser ejetado. Quanto mais potente a fonte, menor este intervalo de tempo.
A alternativa 2-2 é verdadeira, pois define a chamada frequência de corte do
material, segundo a Física Quântica.
A alternativa 3-3 é falsa, pois, segundo a Física Quântica, a energia cinética
do fotoelétron depende da frequência da fonte luminosa.
A alternativa 4-4 é falsa, pois o seu enunciado diz respeito ao postulado
elaborado por Max Planck para explicar o espectro de radiação do corpo
negro. O postulado que Albert Einstein aplicou para explicar o efeito
fotoelétrico enuncia que a radiação eletromagnética é constituída por pacotes
(“quanta”) de energia proporcionais às suas frequências.