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Unicamp2005 2fase 3dia_parte_001

  1. 1. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555Utilize g = 10m/s2 e π = 3 sempre que necessário naresolução das questões.1O famoso salto duplo twist carpado de Daiane dos San-tos foi analisado durante um dia de treinamento noCentro Olímpico em Curitiba, através de sensores e fil-magens que permitiram reproduzir a trajetória do cen-tro de gravidade de Daiane na direção vertical (emmetros), assim como o tempo de duração do salto.De acordo com o gráfico acima, determine:a) A altura máxima atingida pelo centro de gravidade deDaiane.b) A velocidade média horizontal do salto, sabendo-seque a distância percorrida nessa direção é de 1,3m.c) A velocidade vertical de saída do solo.Resoluçãoa) A altura máxima, lida no gráfico, é de aproximada-mente 1,52m.b) Vm(x)= =c) Desprezando-se o efeito do ar, o movimento verti-cal é uniformemente variado e teremos:Vy2= V0y2+ 2γy ∆sy0 = V0y2+ 2 (–10) 1,52V0y2= 30,4 ⇒Respostas: a) 1,52mb) 1,2m/sc) 5,5m/sV0y≅ 5,5m/sVm(x)≅ 1,2m/s1,3m––––––1,1s∆x–––∆t
  2. 2. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO2No episódio II do filme Guerra nas Estrelas, um perso-nagem mergulha em queda livre, caindo em uma naveque se deslocava horizontalmente a 100 m/s com osmotores desligados. O personagem resgatado chegouà nave com uma velocidade de 6 m/s na vertical. Con-sidere que a massa da nave é de 650 kg, a do per-sonagem resgatado de 80 kg e a do piloto de 70 kg.a) Quais as componentes horizontal e vertical da velo-cidade da nave imediatamente após o resgate?b) Qual foi a variação da energia cinética total nesseresgate?Resoluçãoa) O sistema é isolado e haverá conservação da quan-tidade de movimento nas direções horizontal (x) evertical (y):1) Qf (x) = Qi (x)Mtotal Vx = (M + m2) V0(650 + 70 + 80) Vx = (650 + 70) . 100Vx = (m/s) ⇒2) Qf(y) = Qi(y)Mtotal Vy = m1 V1800 Vy = 80 . 6 ⇒b) ∆Ec = Ecinf– EciniEcinf= (Vx2+ Vy2) = [(90)2 + (0,6)2] (J)Ecini= (m2 + M) +Ecini= 720 . + . 36 (J)Ecini= 3,60 . 106 + 1440 (J)Ecini= 3,60 . 106 + 0,001440 . 106 (J)80––––2(100)2––––––2m1V12–––––––2V02––––2Ecinf≅ 3,24 . 106 J800––––2Mtotal–––––––2Vy = 0,6 m/sVx = 90 m/s72000–––––––800UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  3. 3. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO∆Ecin = – 0,36 . 106 JRespostas: a) Vx = 90m/sVy = 0,6m/sb) –3,6 . 105J∆Ecin = – 3,6 . 105 JEcini≅ 3,60 . 106 JUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  4. 4. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO3Uma das aplicações mais comuns e bem sucedidas dealavancas são os alicates. Esse instrumento permiteamplificar a força aplicada (Fa), seja para cortar (Fc), oupara segurar materiais pela ponta do alicate (Fp).a) Um arame de aço tem uma resistência ao corte de1,3 x 109 N/m2, ou seja, essa é a pressão mínima quedeve ser exercida por uma lâmina para cortá-lo. Se aárea de contato entre o arame e a lâmina de corte doalicate for de 0,1 mm2, qual a força Fc necessária parainiciar o corte?b) Se esse arame estivesse na região de corte do alica-te a uma distância dc = 2 cm do eixo de rotação doalicate, que força Fa deveria ser aplicada para que oarame fosse cortado? (da = 10 cm)Resoluçãoa) Da definição de pressão:p =Fc = p . A = 1,3 . 109 . 0,1 . (10–3)2 (N)b) O somatório dos torques em relação ao eixo derotação deve ser nulo:Fc . dc = Fa . da130 . 2 = Fa . 10Respostas: a) 130Nb) 26NFa = 26NFc = 130NFc–––AUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  5. 5. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO4Num conjunto arco e flecha, a energia potencial elásticaé transformada em energia cinética da flecha durante olançamento. A força da corda sobre a flecha é propor-cional ao deslocamento x, como ilustrado na figura.a) Quando a corda é solta, o deslocamento é x= 0,6 me a força é de 300 N. Qual a energia potencial elás-tica nesse instante?b) Qual será a velocidade da flecha ao abandonar acorda? A massa da flecha é de 50 g. Despreze a re-sistência do ar e a massa da corda.Resoluçãoa) A energia elástica é dada por:Ee = = kx . = FEe = (J) ⇒b) A energia elástica é transformada em energia ciné-tica da flecha.Ec = Ee= Ee50 . 10–3 = 90V2 = 3,6 . 103 = 36 . 102Respostas: a) 90Jb) 60m/sV = 60m/sV2–––2m V2––––––2Ee = 90J300 . 0,6––––––––2x––2x––2kx2––––2UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  6. 6. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO5Em 1885, Michaux lançou o biciclo com uma roda dian-teira diretamente acionada por pedais (Fig. A). Atravésdo emprego da roda dentada, que já tinha sido conce-bida por Leonardo da Vinci, obteve-se melhor aprovei-tamento da força nos pedais (Fig. B). Considere que umciclista consiga pedalar 40 voltas por minuto em ambasas bicicletas.a) Qual a velocidade de translação do biciclo deMichaux para um diâmetro da roda de 1,20 m?b) Qual a velocidade de translação para a bicicletapadrão aro 60 (Fig. B)?Resoluçãoa) V = = = 2π f RV = 2 . 3 . . 0,60 (m/s) ⇒b) 1) fcoroa = fpedal = Hz = Hz2)fcatraca = . (Hz) = Hz5––325–––102––3fcatraca Dcoroa––––––– = –––––––fcoroa Dcatraca2––340–––60V = 2,4m/s40–––602πR––––T∆s–––∆tUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  7. 7. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO3) V = 2π froda . RrodaV = 2 . 3 . . 0,30 (m/s) ⇒Respostas: a) 2,4m/sb) 3,0m/s6Numa antena de rádio, cargas elétricas oscilam sob aação de ondas eletromagnéticas em uma dada freqüên-cia. Imagine que essas oscilações tivessem sua origemem forças mecânicas e não elétricas: cargas elétricasfixas em uma massa presa a uma mola. A amplitude dodeslocamento dessa “antena-mola” seria de 1 mm e amassa de 1 g para um rádio portátil. Considere um sinalde rádio AM de 1000 kHz.a) Qual seria a constante de mola dessa “antena-mo-la”? A freqüência de oscilação é dada por:f =onde k é a constante da mola e m a massa presaà mola.b) Qual seria a força mecânica necessária para deslo-car essa mola de 1 mm?Resoluçãoa) A partir da relação fornecida, temos:1000 . 103 =k = (6 . 1,0 . 106) 2 . 1,0 . 10 –3 (N/m)k = 36 . 109 N/mb) Obtemos a intensidade da força mecânica média Fpor meio da Lei de Hooke:F = kxF = 3,6 . 1010 . 1,0 . 10–3(N)Respostas: a) k = 3,6 . 1010 N/mb) F = 3,6 . 107(N)F = 3,6 . 107(N)k = 3,6 . 1010 N/mk–––––––––––1,0 . 10–31–––6k–––m1––––2πV = 3,0m/s5––3UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  8. 8. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO7Durante uma tempestade de 20 minutos, 10 mm dechuva caíram sobre uma região cuja área total é100 km2.a) Sendo que a densidade da água é de 1,0 g/cm3, quala massa de água que caiu?b) A partir de uma estimativa do volume de uma gotade chuva, calcule o número médio de gotas quecaem em 1 m2 durante 1 s.Resoluçãoa) 1) Cálculo do volume total V de água:V = A . hV = 100 . 1010 . 10 . 10 –1 (cm3)V = 1,0 . 1012 cm32) A massa m de água é dada por:m = d . Vm = 1,0 . 1,0 . 1012 (g)oub) O volume de água precipitado em 1m2 durante 1spode ser obtido por:1200s  10mm1s  hh = mm = . 10–3 mPortanto:V = 1 . 10–3 (m3) = m3Admitindo-se que 20 gotas ocupem um volume de1cm3, vem:20 gotas  1 . 10–6m3n  m3n = .Respostas: a) 1,0 . 109kgb) 167 gotasn ≅ 167 gotas1–––––10–620 . 10–3–––––––––12010–3––––12010–3––––1201––––1201––––1201––––120V = A . hm = 1,0 . 109kgm = 1,0 . 1012gUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  9. 9. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO8Uma sala tem 6 m de largura, 10 m de comprimento e4 m de altura. Deseja-se refrigerar o ar dentro da sala.Considere o calor específico do ar como sendo30 J/ (mol K) e use R= 8 J/ (mol K).a) Considerando o ar dentro da sala como um gás idealà pressão ambiente (P = 105 N/m2), quantos molesde gás existem dentro da sala a 27 °C?b) Qual é a quantidade de calor que o refrigerador deveretirar da massa de ar do item (a) para resfriá-Ia até17 °C?Resoluçãoa) O volume da sala vale:V = 6m . 10m . 4m = 240m3Admitindo-se que o ar da sala obedece à Equação deClapeyron:p . V = n . R . Tn = ⇒ n =b) A quantidade de calor que o refrigerador deve retirardo ambiente, à pressão constante, vale:Q = n . cp . ∆TQ = 1 . 104 . 30 . (27 – 17) (J)Respostas: a) 1 . 104 molsb) 3 . 10 6 JQ = 3 . 10 6 Jn = 1 . 104 mols105 . 240–––––––––––8 . 300p . V––––––R . TUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  10. 10. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO9Um dos telescópios usados por Galileu por volta do anode 1610 era composto de duas lentes convergentes,uma objetiva (lente 1) e uma ocular (lente 2) de distân-cias focais iguais a 133 cm e 9,5 cm, respectivamente.Na observação de objetos celestes, a imagem (I1) for-mada pela objetiva situa-se praticamente no seu planofocal. Na figura (fora de escala), o raio R é provenienteda borda do disco lunar e o eixo óptico passa pelo cen-tro da Lua.a) A Lua tem 1.750 km de raio e fica a aproxima-damente 384.000 km da Terra. Qual é o raio da ima-gem da Lua (I1) formada pela objetiva do telescópiode Galileu?b) Uma segunda imagem (I2) é formada pela ocular apartir daquela formada pela objetiva (a imagem daobjetiva (I1) torna-se objeto (O2) para a ocular). Essasegunda imagem é virtual e situa-se a 20 cm da lenteocular. A que distância a ocular deve ficar da objetivado telescópio para que isso ocorra?Resoluçãoa)Da semelhança entre os triângulos ABO e A’B’O,vem:==RI1≅ 0,61 cm1750––––––––384 000RI1––––133RL––––dLRI1––––f1UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  11. 11. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOOb)1) Aplicando-se a Equação de Gauss, vem:= += ++ ==p2 ≅ 6,4cm2) A distância entre as lentes é dada por:d = p2 + f1d = 6,4 + 133Respostas: a) 0,61cmb) 139,4cmd ≅ 139,4cm29,5–––––1901–––p21–––p21–––9,51–––201––––––(–20)1–––p21–––9,51–––p’21–––p21–––f2UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  12. 12. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO10O efeito fotoelétrico, cuja descrição por Albert Einsteinestá completando 100 anos em 2005 (ano internacionalda Física), consiste na emissão de elétrons por ummetal no qual incide um feixe de luz. No processo,“pacotes” bem definidos de energia luminosa, cha-mados fótons, são absorvidos um a um pelos elétronsdo metal. O valor da energia de cada fóton é dado porEfóton = h f, onde h = 4 . 10–15 eV.s é a chamada cons-tante de Planck e f é a freqüência da luz incidente. Umelétron só é emitido do interior do metal se a energia dofóton absorvido for maior que uma energia mínima.Para os elétrons mais fracamente ligados ao metal,essa energia mínima é chamada função trabalho W evaria de metal para metal (ver a tabela a seguir).Considere c = 300.000 km/s.a) Calcule a energia do fóton (em eV), quando o com-primento de onda da luz incidente for 5 . 10–7 m.b) A luz de 5 . 10–7m é capaz de arrancar elétrons dequais dos metais apresentados na tabela?c) Qual será a energia cinética de elétrons emitidospelo potássio, se o comprimento de onda da luzincidente for 3 . 10–7m? Considere os elétrons maisfracamente ligados do potássio e que a diferençaentre a energia do fóton absorvido e a função tra-balho W é inteiramente convertida em energia ciné-tica.Resoluçãoa) Efóton = hfEfóton = h .Efóton = 4,0 . 10 –15 (eV)Efóton = 4,0 . 10 –15 . 0,6 . 1015(eV)b) A luz de 5 x 10–7m é capaz de arrancar elétrons docésio e do potássio, pois suas funções trabalho Wsão menores que 2,4 eV.c) Ec = Efóton – WpotássioEc = h . – Wpotássioc–––λEfóton = 2,4 eV3,0 . 108–––––––––5,0 . 10–7c–––λW (eV)2,12,32,8metalcésiopotássiosódioUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  13. 13. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOOEc = 4,0 . 10 –15 – 2,3 (eV)Ec = 4,0 – 2,3 (eV)Respostas: a) 2,4eVb) césio e potássioc) 1,7eVEc = 1,7 eV3,0 . 108–––––––––3,0 . 10–7UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  14. 14. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO11O princípio de funcionamento dos detectores de metaisutilizados em verificações de segurança é baseado nalei de indução de Faraday. A força eletromotriz induzidapor um fluxo de campo magnético variável através deuma espira gera uma corrente. Se um pedaço de metalfor colocado nas proximidades da espira, o valor docampo magnético será alterado, modificando a corren-te na espira. Essa variação pode ser detectada e usadapara reconhecer a presença de um corpo metálico nassuas vizinhanças.a) Considere que o campo magnético B atravessaperpendicularmente a espira e varia no tempo se-gundo a figura. Se a espira tem raio de 2 cm, qualé a força eletromotriz induzida?b) A espira é feita de um fio de cobre de 1mm de raioe a resistividade do cobre é ρ = 2 . 10–8 ohm.metro.A resistência de um fio é dada porR = ρ ,onde L é o seu comprimento e A é a área da suaseção reta. Qual é a corrente na espira?Resoluçãoa) A fem induzida (E) pode ser determinada por:E =E =E = – . AE = – . πR2E = – . 3 . (2 . 10–2)2eb) O comprimento L da espira pode ser calculado por:L = 2πRL = 2 . 3 . 2 . 10–2 (m)L = 12 . 10–2mA área da seção transversal do fio de cobre será:|E| = 1,2 . 10–5VE = –1,2 . 10–5V5 . 10–4––––––––5 . 10–2∆B––––––∆t∆B––––––∆t–∆(BA)––––––∆t–∆Φ––––∆tL––AUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  15. 15. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOOA = π r2A = 3 . (1 . 10–3)2A = 3 . 10–6m2Podemos, dessa maneira, calcular a resistência elé-trica (R) da espira:R = ρR = (Ω)Finalmente, podemos calcular a intensidade de cor-rente elétrica na espira por:i =i = (A)Respostas: a) |E| = 1,2 . 10–5Vb) i = 1,5 . 10–2Ai = 1,5 . 10–2A1,2 . 10–5––––––––––8 . 10–4|E|––––RR = 8 . 10–4Ω2 . 10–8 . 12 . 10–2–––––––––––––––––––3 . 10–6L––––AUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  16. 16. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOO12A durabilidade dos alimentos é aumentada por meio detratamentos térmicos, como no caso do leite longavida. Esses processos térmicos matam os microorga-nismos, mas provocam efeitos colaterais indesejáveis.Um dos métodos alternativos é o que utiliza camposelétricos pulsados, provocando a variação de potencialatravés da célula, como ilustrado na figura abaixo. Amembrana da célula de um microorganismo é destruídase uma diferença de potencial de ∆Vm = 1 V é estabe-lecida no interior da membrana, conforme a figura abai-xo.a) Sabendo-se que o diâmetro de uma célula é de1µm, qual é a intensidade do campo elétrico queprecisa ser aplicado para destruir a membrana?b) Qual é o ganho de energia em eV de um elétronque atravessa a célula sob a tensão aplicada?Resoluçãoa) Ao longo do diâmetro da célula, na direção do cam-po elétrico, temos uma ddp dada por:U = ∆Vm + ∆Vm = 2∆Vm = 2 . 1 (V) = 2VE . d = UE = ⇒ E = ⇒b) O trabalho da força elétrica enquanto o elétron atra-vessa a célula ao longo do diâmetro é dado por:τ = q . U ⇒ q = eU = 2VRespostas: a) 2 . 106 V/mb) 2eVτ = 2 eVE = 2 . 10 6V/m2 V–––––––––1 . 10–6mU–––dUUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555
  17. 17. OOOOBBBBJJJJEEEETTTTIIIIVVVVOOOOFísicaA banca examinadora da Unicamp mais uma vez ela-borou uma prova de ótimo nível, com questões clarasque contemplaram os principais tópicos da disciplina. Onível da prova foi adequado para avaliar o domínio queo aluno possui sobre os mais importantes temas da Fí-sica no Ensino Médio. A banca está de parabéns pormais um excelente exame.UUUUNNNNIIIICCCCAAAAMMMMPPPP ---- ((((2222ªªªª FFFFaaaasssseeee)))) JJJJaaaannnneeeeiiiirrrroooo////2222000000005555

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