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UFBA Vestibular de 2004 - PROVAS 2ª FASE - Física

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F sica - QUEST ES de 01 a 06 LEIA CUIDADOSAMENTE O ENUNCIADO DE CADA QUEST O, FORMULE SUAS RESPOSTAS COM OBJETIVIDADE E CORRE O DE LINGUAGEM E, EM SEGUIDA, TRANSCREVA COMPLETAMENTE CADA UMA NA FOLHA DE RESPOSTAS. INSTRU ES: Responda s quest es, com caneta de tinta AZUL ou PRETA, de forma clara e leg vel. Caso utilize letra de imprensa, destaque as iniciais mai sculas. O rascunho deve ser feito no espa o reservado junto das quest es. Na Folha de Respostas, observe a numera o das quest es e utilize APENAS o espa o destinado a cada uma, indicando, de modo completo, as etapas e os c lculos necess rios resolu o da quest o. Ser atribu da pontua o ZERO quest o cuja resposta n o se atenha situa o ou ao tema proposto; esteja escrita a l pis, ainda que parcialmente; apresente texto incompreens vel ou letra ileg vel. Ser ANULADA a prova que n o seja respondida na respectiva Folha de Respostas; esteja assinada fora do local apropriado; possibilite a identifica o do candidato. Quest o 01 (Valor: ta o de ventos mais intensos n o coincide com a de maior fluxo de gua do rio S o Francisco e, assim, gua e vento podem ser recursos complementares na produ o de energia el trica. 20 pontos) Nos anos 2001 e 2002, os brasileiros sofreram com o racionamento de energia el trica, chamado por muitos de apag o. A import ncia da energia el trica na vida do homem foi testada pela sua supress o. Uma ampla discuss o foi realizada na sociedade, envolvendo as formas alternativas de gera o de energia el trica, a partir da energia solar, dos ventos e de res duos org nicos, entre outras, tema que despertou o interesse dos mais variados grupos sociais. Uma dessas formas alternativas a energia e lica, dos ventos, energia limpa e praticamente inesgot vel. Existem usinas e licas , atualmente, em muitos pa ses. No Brasil, v rias dessas usinas j est o em funcionamento. No Nordeste brasileiro, a es- Considerando a import ncia da energia el trica na sociedade contempor nea, descreva as etapas do processo de transforma o de energia em uma usina e lica , destacando o funcionamento do gerador el trico e apresentando a lei f sica associada produ o de energia el trica. RASCUNHO UFBA 2004 - 2 fase - F sica - 2 Quest o 02 RASCUNHO (Valor: 20 pontos) As leis de conserva o da energia e da quantidade de movimento s o gerais e valem para qualquer situa o. Um caso simples o de um decaimento radioativo alfa. Um n cleo pai, em repouso, divide-se, gerando dois fragmentos, um n cleo filho e uma part cula alfa. Os fragmentos adquirem energia cin tica, que denominada energia de desintegra o. Isso ocorre, porque uma parte da massa do n cleo pai se transforma em energia cin tica desses fragmentos, segundo a lei de equival ncia entre massa e energia, proposta por Einstein. Um exemplo do decaimento o de um dos is topos radioativos do Ur nio, que se transforma em T rio, emitindo uma part cula alfa, um n cleo de H lio, ou seja: U232 92 Th228 + 90 He4 2 Na nota o empregada, o n mero inferior refere-se carga nuclear, e o superior, massa aproximada do n cleo respectivo. Sabe-se que o n cleo de Ur nio est em repouso, e a energia de desintegra o Q = 5,40 MeV. Considerando as leis de conserva o e o fato de a mec nica newtoniana permitir, com boa aproxima o, o c lculo das energias cin ticas, determine a energia cin tica da part cula alfa. UFBA 2004 - 2 fase - F sica - 3 Quest o 03 (Valor: RASCUNHO 15 pontos) O fundo do mar completamente escuro. Uma maneira de olhar em volta utilizando-se um aparelho chamado Sonar, que emite um pulso sonoro e ouve o eco refletido em um objeto distante. Considere que um Sonar localizado em um submarino em repouso, no fundo do mar, emite pulsos com freq ncia de 20.000Hz, e que esses pulsos atingem objetos, A e B, retornando ao submarino, 12 s e 16 s, respectivamente, ap s serem emitidos . Os pulsos que retornam de B t m freq ncia suavemente alterada para 19.980 Hz, enquanto os que v m de A mant m a mesma freq ncia inicial. Sabe-se que a velocidade do som, na gua, de 1.500 m/s e que a gua est parada em rela o ao fundo do mar. Nessas condi es, calcule a dist ncia de cada objeto, A e B, ao submarino, no instante em que atingido pelo pulso, e a velocidade de cada um deles, identificando o fen meno f sico associado varia o de freq ncia. UFBA 2004 - 2 fase - F sica - 4 Quest o 04 (Valor: RASCUNHO 15 pontos) Um tabuleiro especial de fliperama consiste em duas c maras, A e B, conforme a figura. Na c mara A, bolinhas de pl stico id nticas, de massa m, levitam sob a a o de um vento ascendente e, por atrito, adquirem carga el trica negativa. As bolinhas s o introduzidas, uma de cada vez, na c mara B. Essa c mara, mantida sob v cuo, um capacitor de placas paralelas horizontais, separadas por uma dist ncia d, sendo a placa superior submetida a um potencial mais alto. O jogo consiste em parar, na c mara B, a bolinha. O jogador disp e de um joystic com tr s bot es: um para zerar o potencial e introduzir uma nova bola, e outros dois, para aumentar ou diminuir a diferen a de potencial entre as placas. Em cada jogada, somente uma bola permanece na c mara B. Um monitor registra os valores da diferen a de potencial que permitiram parar as bolinhas. Uma competi o foi criada para escolher o melhor jogador. O vencedor, depois de parar algumas bolinhas por tentativa e erro, concluiu que sua tarefa foi facilitada, ao perceber que existia a seguinte rela o entre os valores das diferen as de potencial, V, que paravam as bolinhas: V0, V0 V0 , ..., e assim 23 por diante. Considerando que o campo el trico, no interior do capacitor, uniforme, determine a express o para a carga das bolinhas em fun o do seu peso, P, da dist ncia, d, e da diferen a de potencial, V 0, identificando a propriedade da carga que esse jogo evidencia. UFBA 2004 - 2 fase - F sica - 5 Quest o 05 (Valor: 15 pontos) Em uma reuni o cient fica, um pesquisador informa ter obtido, de modo irrefut vel, um resultado experimental que abalar os alicerces da F sica, com repercuss es sobre todas as ci ncias naturais, e mostra a grava o, em v deo, do experimento realizado. O dispositivo experimental apresentado consiste de dois aqu rios iguais, isolados termicamente, postos lado a lado. Entre as faces laterais mais pr ximas dos aqu rios, um tubo, com uma torneira confeccionada com material isolante t rmico, une os dois sistemas. Em cada aqu rio, h um term metro, e um terceiro indica que a temperatura da sala de, 20 C. O aqu rio do lado direito preenchido com gua misturada a um corante amarelo, temperatura de 25 C, e o do lado esquerdo, com gua e corante azul, a 15 C. Um rel gio, posto acima dos aqu rios, marca o passar do tempo. O pesquisador abre a torneira, e os l quidos come am a se misturar. Passado algum tempo, a gua adquire uma cor verde uniforme, e os term metros marcam 20 C. Durante longo tempo, a plat ia v os aqu rios verdes e ouve o tiquetaque mon tono do rel gio. O pesquisador chama a aten o da plat ia para o que vai acontecer. Aos poucos, expontaneamente, o aqu rio da esquerda volta a adquirir a cor amarela, e o da direita, a cor azul. Ao final do experimento, os term metros dos aqu rios passam a indicar novamente os valores iniciais. O pesquisador conclui a sua fala, dizendo que a torneira cont m um diabinho que permite a revers o do processo. Afirma ainda que apresentar comunidade cient fica uma teoria consistente que explicar os fatos mostrados. O resultado apresentado causou celeuma no mundo cient fico, uma vez que suas repercuss es seriam profundas. O pesquisador foi convidado a apresentar o experimento em outras reuni es cient ficas. Nessas palestras, nenhum dado novo foi acrescentado. A comunidade come ou a desconfiar da validade do experimento e, pressionado, o pesquisador declarou que possivelmente havia se enganado, pois n o conseguira, ap s v rias tentativas, reproduzir os resultados do experimento original. Com base nas informa es dessa narrativa, indique a lei f sica que o experimento pretendia violar, as repercuss es que os resultados se verdadeiros poderiam ocasionar e analise o comportamento do pesquisador, do ponto de vista tico. RASCUNHO UFBA 2004 - 2 fase - F sica - 6 Quest o 06 (Valor: RASCUNHO 15 pontos) Um fen meno bastante curioso, associado ao v o dos p ssaros e do avi o, pode ser visualizado atrav s de um experimento simples, no qual se utiliza um carretel de linha para empinar pipa, um prego e um peda o circular de cartolina. O prego colocado no centro da cartolina e inserido no buraco do carretel, conforme a figura. Soprando pelo buraco superior do carretel, verifica-se que o conjunto cartolina-prego n o cai. Considere a massa do conjunto cartolina-prego igual a 10 g, o raio do disco igual a 2 cm e a acelera o da gravidade local, 10 m/s2. A partir dessas informa es, apresente a lei f sica associada a esse fen meno e calcule a diferen a de press o m dia m nima, entre as faces da cartolina, necess ria para impedir que o conjunto caia. UFBA 2004 - 2 fase - F sica - 7 SERVI O P BLICO FEDERAL UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA SERVI O DE SELE O, ORIENTA O E AVALIA O VESTIBULAR 2004 2 FASE GABARITO DE PUBLICA O - F SICA Quest o 01 (Valor: 20 pontos) O ar em movimento possui energia cin tica de transla o que transferida, em parte, para a ventoinha, sob forma de energia cin tica de rota o. O funcionamento do gerador segue a lei de Faraday - Henry - Lenz. A energia recebida pela ventoinha utilizada para fazer girar espiras imersas em um campo magn tico de modo que o fluxo magn tico atrav s da rea delimitada por cada uma das espiras seja vari vel. Nessas condi es, de acordo com a Lei de Faraday, h gera o de for a eletromotriz vari vel ( ), no circuito fechado, dada pela rela o entre a varia o de fluxo magn tico, , e a varia o do tempo, t, ou seja: B , onde o sinal t negativo est associado ao sentido do campo magn tico criado pela corrente induzida (Lei de Lenz). B Quest o 02 (Valor: 20 pontos) De acordo com a lei de conserva o da quantidade de movimento, a soma das quantidades de movimento do T rio p Th e da part cula p nula, uma vez que o tomo de Ur nio estava e m repouso. As part culas se movimentam na mesma dire o e em sentidos opostos, ent o: pTh p 0 :. pTh velocidades. p :. mThvTh m v , onde m e v correspondem s respectivas massas e Considerando-se mTh 228 e m 4, tem-se: 228vTh 4v :. v 57 vTh ( I ) e ainda mTh 57m ( II ) Pela Lei da conserva o da energia, vem: ETh E 5,40MeV, ou seja: 1 mTh v2Th E 5,40 ( III ) 2 Substituindo-se I e II em III, tem-se: 2 v 1 57 m E 5,40 2 57 2 1 E 57 E 5,40 E 5,31 MeV Quest o 03 (Valor: 15 pontos) Em intervalos de tempo tA 12s e tB 16s, as ondas sonoras atingem os objetos A e B e retornam ao submarino, realizando percursos duas vezes maiores do que as dist ncias aos objetos, d A e dB. A velociv som t A v som t B 9.000m e dB 12.000m. A 2 2 altera o da freq ncia da onda refletida n o objeto B indica que ele est em movimento em rela o gua do mar. Esse fen meno denominado efeito Doppler. caracter stico do movimento ondulat rio, existindo para o som e para ondas eletromagn ticas. A express o do efeito Doppler, no caso apresenta do, f f0 vsom / (vsom vfonte), onde vfonte a velocidade do objeto que reflete a onda e os sinais, mais e menos, referem -se s situa es de afastamento e aproxima o, respectivamente. Dessa express o, poss vel inferir que o objeto A est parado em rela o ao submarino e, o B, se afasta com velocidade dada por: dade dessas ondas sonoras vsom vfonte f0 f f vsom 1500m/s. Assim, dA 1,5m/s, onde f a freq ncia aparente e f0 a freq ncia original. Quest o 04 (Valor: 15 pontos) A quest o simula atrav s de um jogo, a fa mosa experi ncia da gota de leo de Robert Millikan, realizada entre 1906 e 1913. Para que uma bolinha se mantenha parada na c mara B necess rio que as for as el trica, orientada para cima, e peso, orientada para baixo, se igualem em m dulo: PF F P qE q V d q Pd V A primeira bolinha tem carga q1 A segunda q2 Pd V0 /2 Pd V0 /3 E assim por diante. A terceira q3 Pd V0 2q1 3q1 O aparecimento de um conjunto discreto de potenciais, do tipo V0 , mostra que a carga el trica tem uma n propriedade essencial: quantizada. Quest o 05 (Valor: 15 pontos) Dois sistemas em contato tendem ao equil brio t rmico. Atingido este estado, estando os dois aqu rios isolados do resto do universo, eles devem permanecer em equil brio t rmico, ou seja, o processo irrevers vel. Os processos irrevers veis se caracterizam pelo aumento da entropia (o que pode ser vist o pela mistura dos corantes). O experimento viola os princ pios da termodin mica. O pesquisador, dada a relev ncia do tema, n o poderia apresentar seus resultados sem garantia de sua reprodutibilidade, o que evidencia falta de compromisso com o rigor cient fico. A ci ncia contempor nea tem um grande poder transformador que deve ser utilizado dentro de r gidos par metros ticos. Quest o 06 (Valor: 15 pontos) Antes que se sopre, o conjunto cartolina-prego deve cair devido a o da gravidade. Entretanto, quando se sopra, a press o do ar em movimento entre o carretel e o disco diminui. De acordo com o Teorema de Bernoulli, a press o em um fluido suposto incompress vel menor nas regi es onde a velocidade maior, e vice-versa. Ent o, a press o do ar na parte superior do disco menor que na parte inferior. Essa diferen a de press o m dia gera uma for a de sustenta o, de m dulo F, de baixo para cima, que equilibra o peso do conjunto, ou seja: F P p A mg mg 10.10 3 kg . 10m/s 2 p A (2 .10 2 ) 2 m2 13 10 N/m 2 4 Obs: Em toda a prova, outras formas de solu o poder o ser aceitas desde que sejam pertinentes.

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