Fisica2010
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O documento fornece dados físicos como velocidade da luz, aceleração da gravidade e constante elétrica. Também fornece o calor específico e calor latente de evaporação da água. Há nove problemas resolvidos envolvendo conceitos como desaceleração uniforme, velocidade angular, força estática, centro de massa, oscilação harmônica, potência e processo isotérmico.
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- 1. FÍSICA Dados: Velocidade da luz no vácuo: 3,0 x 108 m/s Aceleração da gravidade: 10 m/s2 1 = 9,0 × 10 9 Nm2/C2 4πε 0 Calor específico da água: 1,0 cal/goC Calor latente de evaporação da água: 540 cal/g 01. Um motorista dirige um carro com velocidade constante de 80 km/h, em linha reta, quando percebe uma “lombada” eletrônica indicando a velocidade máxima permitida de 40 km/h. O motorista aciona os freios, imprimindo uma desaceleração constante, para obedecer à sinalização e passar pela “lombada” com a velocidade máxima permitida. Observando-se a velocidade do carro em função do tempo, desde o instante em que os freios foram acionados até o instante de passagem pela “lombada”, podemos traçar o gráfico abaixo. Determine a distância percorrida entre o instante t = 0, em que os freios foram acionados, e o instante t = 3,0 s, em que o carro ultrapassa a “lombada”. Dê sua resposta em metros. 80 Velocidade (km/h) 40 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 Tempo (s) Resposta: 50 Justificativa: Entre os instantes 0 e 3 segundos, o motorista desacelera uniformemente o carro, tal que a área sob a reta entre estes instantes deve ser igual ao espaço percorrido desde o instante em que o motorista aciona os freios até chegar à lombada eletrônica. 1 Área = (80 + 40 ) × 3 = 0,05 km = 50 metros 2 3600 02. Uma bicicleta possui duas catracas, uma de raio 6,0 cm, e outra de raio 4,5 cm. Um ciclista move-se com velocidade uniforme de 12 km/h usando a catraca de 6,0 cm. Com o objetivo de aumentar a sua velocidade, o ciclista muda para a catraca de 4,5 cm mantendo a mesma velocidade angular dos pedais. Determine a velocidade final da bicicleta, em km/h.
- 2. catracas coroa Resposta: 16 Justificativa: Considere que Rc = raio da coroa; r = raio da catraca; R = raio da roda. ωc é a velocidade de rotação da coroa; ω é a velocidade de rotação da catraca e ωR é a velocidade de rotação da roda (ωR = ω). Como as velocidades tangenciais da coroa e da catraca são iguais: ⎧ωc R c = ωr R R ⎨ ∴ v = c ωc ; velocidade é inversamen te proporcional ao raio da catraca ⎩ v = ωR r v inicial (RcRωc ) rmaior r 6 = = menor ∴ v final = x12 = 16 km/h v final (RcRωc ) rmenor rmaior 4,5 03. Considere dois blocos empilhados, A e B, de massas mA = 1,0 kg e mB = 2,0 kg. Com a aplicação de uma força horizontal F sobre o bloco A, o conjunto move-se sem ocorrer deslizamento entre os blocos. O coeficiente de atrito estático entre as superfícies dos blocos A e B é igual a 0,60, e não há atrito entre o bloco B e a superfície horizontal. Determine o valor máximo do módulo da força F , em newtons, para que não ocorra deslizamento entre os blocos. F A B
- 3. Resposta: 09 Justificativa: Dos diagramas das forças dos blocos A e B, temos: NB NA f F f mA g mBg ⎧F − f = m A a ⎛ m ⎞ ⎨ ∴ F = f ⎜1 + A ⎟ ⎜ ⎩ f = mB a ⎝ mB ⎟ ⎠ O limiar do deslizamento ocorre quando F = F (max) e f = f max = µe m A g , isto é: ⎛ m ⎞ Fmax = f max ⎜1 + A ⎟ ⎜ ⎝ mB ⎟⎠ ⎛ 1⎞ Fmax = 0,6 x1,0 x10⎜ 1 + ⎟ = 9,0 N ⎜ ⎟ ⎝ 2⎠ 04. Uma chapa metálica de densidade de massa uniforme é cortada de acordo com a forma mostrada na figura. Determine a coordenada do seu centro de massa, ao longo da direção vertical, em centímetros. y (cm) 120 90 60 30 0,0 0,0 30 60 90 120 x (cm)
- 4. Resposta: 50 Justificativa: Considerando que a massa da placa seja igual a 3M e está distribuída uniformemente ao longo da mesma, obtemos para a coordenada yCM do centro de massa: yCM = (2Mx30 + Mx90)/3M = 50 cm 05. Um corpo de massa 1 kg é preso a uma mola e posto a oscilar sobre uma mesa sem atrito, como mostra a figura. Sabendo que, inicialmente, o corpo foi colocado à distância de 20 cm da posição de equilíbrio e, então, solto, determine a velocidade máxima do corpo ao longo do seu movimento, em m/s. Considere que quando o corpo é pendurado pela mola e em equilíbrio, a mola é alongada de 10 cm K 0 20 x (cm) Resposta: 02 Justificativa: A constante elástica da mola é determinada a partir da condição de equilíbrio do corpo suspenso. Temos que força elástica da mola = peso do corpo, ou seja: Ky0 = mg K = mg/y0 = (1 kg x 10 m/s2) / 0,1 m = 100 N/m. No MHS horizontal, a energia mecânica se conserva, sendo igual à energia cinética máxima e à energia potencial máxima. Temos 100 U = KA2/2 = mVmax2/2 = constante Vmax = (K/m)1/2 A = x0,20 = 2 m/s. 1 06. Numa das classes de provas de halterofilismo, conhecida como arranque, o atleta tem que levantar o peso acima da cabeça num ato contínuo. Nos jogos olímpicos de 2008, o atleta que ganhou a medalha de ouro levantou um corpo de 165 kg. Considerando que o intervalo de tempo transcorrido para levantar o corpo até a altura de 2,0 m tenha sido de 1,0 s, qual a potência requerida do atleta, em unidades de 102 W?
- 5. Resposta: 33 Justificativa: O trabalho realizado pelo atleta é igual à variação da energia potencial gravitacional no ato de levantar o corpo do solo até a altura de 2 m, dado por mgh, onde m é a massa do corpo, g é a aceleração da gravidade e h é a altura final em que o corpo é levantado. mgh 165 x10 x 2 P= = = 3300 W = 33 x10 2 W ∆t 1 07. Um operário está fazendo manutenção em uma plataforma marítima de petróleo na profundidade de 50 m, quando uma pequena bolha de ar, de volume Vi, é liberada e sobe até a superfície. O aumento da pressão em função da profundidade está representado no gráfico abaixo. Considerando o gás da bolha como ideal e que a temperatura da água não varia entre a superfície e a profundidade de 50 m, calcule a razão Vf/Vi entre o volume final Vf da bolha e o volume inicial Vi. 5,0 4,0 Pressão (atm) 3,0 2,0 1,0 0,0 10 20 30 40 Profundidade (m) Resposta: 06 Justificativa: Aplicando a equação dos gases ideais no processo isotérmico entre a posição inicial (profundidade de 50 m) e a posição final (superfície do mar), temos: Vf Pi 6,0 Pi Vi = Pf Vf ∴ = = = 6,0 Vi Pf 1 08. Um recipiente cilíndrico de 40 litros está cheio de água. Nessas condições, são necessários 12 segundos para se encher um copo d´água através de um pequeno orifício no fundo do recipiente. Qual o tempo gasto, em segundos, para se encher o mesmo copo d´agua quando temos apenas 10 litros d´água no recipiente? Despreze a pequena variação no nível da água, quando se está enchendo um copo de água.
- 6. Resposta: 24 Justificativa: Com apenas 10 litros de água no recipiente, a altura da coluna de água é ¼ do valor inicial quando ele estava cheio. Como a velocidade da água que passa pelo furo é proporcional à raiz quadrada da altura da coluna de água, ou seja, v = (2gH)1/2, temos que a velocidade é reduzida à metade do seu valor inicial. Portanto, concluímos que a vazão, que é proporcional a essa velocidade, também é reduzida à metade. Em resumo, com 10 litros de água no recipiente é necessário o dobro do tempo, ou seja, 24 segundos, para encher um copo de água. 09. Uma massa m de água, inicialmente a 19 0C, é aquecida durante 10 min numa boca de fogão que emite calor a uma taxa constante. A variação da temperatura da água com o tempo de aquecimento é mostrada na figura abaixo. Determine a porcentagem de água que evaporou durante o processo. 100 T (ºC) 19 0,0 5,0 10 t (min) Resposta: 15 Justificativa: Durante os primeiros 5 min, a massa m de água permanece no estado líquido e recebe uma quantidade de calor Qs = mc∆T, onde c = 1 cal/g oC e ∆T = (100-19) oC = 81 oC. Durante os 5 min restantes, ocorre o processo de evaporação, com a temperatura da água mantendo-se constante a 100 oC. Agora, a quantidade de calor (também igual a Qs) absorvida da fonte térmica é usada para transformar uma massa m´= mc∆T/L de água do estado líquido para o estado gasoso. Portanto, usando L = 540 cal/g, obtemos: m´/m = c∆T/L = 81 / 540 = 0,15. Ou seja, 15% da água é evaporada. 10. Quando uma pessoa se encontra a 0,5 m de uma fonte sonora puntiforme, o nível de intensidade do som emitido é igual a 90 dB. A quantos metros da fonte ela deve permanecer de modo que o som tenha a intensidade reduzida ao nível mais suportável de 70 dB? O nível de intensidade sonora, medido em decibéis (dB), é calculado através da relação: N = 10 log (I/I0), onde I0 é uma unidade padrão de intensidade.
- 7. Resposta: 05 Justificativa: Para uma fonte puntiforme, a intensidade I é proporcional ao inverso do quadrado da distância (R) do ouvinte à fonte. Considere N1 = 10 Log (I1/I0) = 90 e N2 = 10 Log (I2/I0) = 70 I1 = 109 I0 e I2 = 107 I0. Portanto, I1/I2 = (R2/R1)2 = 102 R22 = 100/4 = 25 ou R2 = 5,0 m. 11. Um feixe de luz monocromática incide perpendicularmente numa placa de vidro, transparente e espessa, de índice de refração igual a 1,50. Determine a espessura da placa, em centímetros, sabendo que a luz gasta 1,0 x 10-10 s para atravessá-la. Resposta: 02 Justificativa: c 3,0 x108 A velocidade da luz na placa de vidro é = = 2,0 x108 . A espessura n 1,5 deve ser: L = 2,0 x108 x1,0 x10 −10 = 2,0 x10 −2 m = 2,0 cm. 12. Nos vértices de um triângulo isósceles são fixadas três cargas puntiformes iguais a Q1 = +1,0 x 10-6 C; Q2 = - 2,0 x 10-6 C; e Q3 = +4,0 x 10-6 C. O triângulo tem altura h = 3,0 mm e base D = 6,0 mm. Determine o módulo do campo elétrico no ponto médio M, da base, em unidades de 109 V/m. Q3 h M Q1 Q2 D
- 8. Resposta: 05 Justificativa: O campo no ponto M resulta da superposição dos campos produzidos por cada carga. r r E1 E2 r E3 Os módulos dos campos produzidos pelas cargas são: 1,0 x10 −6 E1 = 9 x10 9 = 1,0 x10 9 V / m ; (3,0 x10 − 3 )2 2,0 x10 −6 E 2 = 9 x10 9 = 2,0 x10 9 V / m ; (3,0 x10 − 3 )2 4,0 x10 −6 E3 = 9 x10 9 = 4,0 x10 9 V / m (3,0 x10 − 3 )2 O campo resultante é dado por E = (E1 + E2 )2 + E3 . Substituindo os valores 2 acima, obtemos E = 5,0 x10 9 V / m . 13. O gráfico mostra a variação da corrente elétrica I, em ampère, num fio em função do tempo t, em segundos. Qual a carga elétrica, em coulomb, que passa por uma seção transversal do condutor nos primeiros 4,0 segundos? 6,0 5,0 CORRENTE I (A) 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 TEMPO t (s)
- 9. Resposta: 10 Justificativa: A carga será dada pela área sob a curva no intervalo de tempo entre 0 e 4,0 s. Portanto: 1 Q= (3,0 x 4,0) + 1,0 x 4,0 = 10 C. 2 14. O circuito abaixo consiste de uma bateria, três resistores iguais e o amperímetro A. Cada resistor do ramo acb do circuito dissipa 1,0 W quando a corrente indicada pelo amperímetro é igual a 0,6 A. Determine a diferença de potencial entre os pontos a e b, em volts. A R a b c R R Resposta: 10 Justificativa: A corrente no ramo ab é o dobro da corrente i no ramo acb. Portanto, a corrente total é 3i = 0,6 e obtemos i = 0,2A Como cada resistor do ramo acb dissipa 1,0 W, temos que Ri2 = R(0,2)2 = 1,0 e, portanto, R = 25 Ω . Então Vab=R(2i) = 25 x(2x0,2) = 10 volts. 15. Quando um feixe de luz de comprimento de onda 4,0 x 10-7 m (Efóton = 3,0 eV) incide sobre a superfície de um metal, os fotoelétrons mais energéticos têm energia cinética igual a 2,0 eV. Suponha que o comprimento de onda dos fótons incidentes seja reduzido à metade. Qual será a energia cinética máxima dos fotoelétrons, em eV?
- 10. Resposta: 05 Justificativa: Com o comprimento de onda reduzido à metade, os fótons incidentes têm energia duas vezes maior, pois Efóton = hf = hc/λ. Da equação de Einstein para o efeito fotoelétrico, a energia cinética máxima dos fotoelétrons emitidos é igual à energia dos fótons incidentes menos a função trabalho do metal. Portanto, temos Kmax, antes = Efóton, antes – φ 2,0 eV = 3,0 eV - φ Kmax, depois = Efóton, depois – φ Kmax, depois = 6,0 eV – φ Das equações acima, obtemos Kmax, depois - 2,0 eV= 3,0 eV Kmax, depois = 5,0 eV 16. Três condutores A, B, e C, longos e paralelos, são fixados como mostra a figura e percorridos pelas correntes IA, IB, IC, que têm os sentidos indicados pelas setas. IA IB IC A B C A força magnética resultante que atua sobre o condutor B está dirigida 0-0) da esquerda para a direita, no plano da figura. 1-1) de baixo para cima, no plano da figura. 2-2) de fora para dentro do plano da figura. 3-3) da direita para a esquerda, no plano da figura. 4-4) de dentro para fora do plano da figura. Resposta: FFFVF Justificativa: Os fios A e B se atraem porque as correntes têm o mesmo sentido. Portanto, A exerce uma força sobre B dirigida para a esquerda. Os fios B e C se repelem porque as correntes IB e IC têm sentidos opostos. Portanto, a força exercida sobre B pelo fio C será dirigida para a esquerda. A resultante será dirigida para a esquerda.