EXERCÍCIOS RESOLVIDOS DE FÍSICA

Questões - Termometria

Escalas Termométricas

(1) Um turista brasileiro sente-se mal durante uma viagem à Nova Iorque. Ao ser examinado em um hospital local a enfermeira lhe diz que sua temperatura no momento era 105°, mas que ele deveria ficar tranquilo, pois já havia baixado 4°. Após o susto, o turista percebeu que sua temperatura havia sido medida em uma escala Fahrenheit. Qual era a sua temperatura anteriormente e qual sua temperatura atual?

Anterior: 105°+4°=109°F

Atual: 105°F

(2) Um astrônomo analisa um buraco negro no espaço. Após muitos estudos ele chegou a conclusão que este corpo celeste tinha temperatura de 10K. Qual a temperatura do buraco negro em escala Celsius?

(3) Um estudante de física criou uma escala (°X), comparada com a escala Celsius ele obteve o seguinte gráfico:

a. Qual a equação de conversão entre as duas escalas?

b. Qual a temperatura do corpo humano (37°C) nesta escala?

a.

b. 

Questões - Calorimetria

Calor

(4) Para derreter uma barra de um material w de 1kg é necessário aquecê-lo até a temperatura de 1000°C. Sendo a temperatura do ambiente no momento analisado 20°C e o calor específico de w=4,3J/kg.°C, qual a quantidade de calor necessária para derreter a barra?

(5) Um bloco de ferro de 10cm³ é resfriado de 300°C para 0°C. Quantas calorias o bloco perde para o ambiente?

Dados: densidade do ferro=7,85g/cm³ e calor específico do ferro=0,11cal/g.°C

O primeiro passo é descobrir a massa do bloco, sabendo sua densidade e seu volume (é importante prestar bastante atenção nas unidades de cada grandeza).

Conhecendo a massa, podemos calcular a quantidade de calor do corpo:

Como Q<0, a transferência de calor acontece no sentido do bloco para o meio ambiente (libera calor).

(6) Qual a quantidade de calor absorvida para que 1L d'água congelado e à -20°C vaporize e chegue a temperatura de 130°C.

Dados:

Calor latente de fusão da água: L=80cal/g

Calor latente de vaporização da água: L=540cal/g

Calor específico do gelo: c=0,5cal/g.°C

Calor específico da água: c=1cal/g.°C

Calor específico da água: c=0,48cal/g.°C

Densidade da água: d:1g/cm³

1L=1dm³=1000cm³

m=d.V

m=1000g

Trocas de calor

(7) Um bloco de uma material desconhecido e de massa 1kg encontra-se à temperatura de 80°C, ao ser encostado em outro bloco do mesmo material, de massa 500g e que está em temperatura ambiente (20°C). Qual a temperatura que os dois alcançam em contato? Considere que os blocos estejam em um calorímetro.

(8) Em uma cozinha, uma chaleira com 1L de água ferve. Para que ela pare, são adicionados 500mL de água à 10°C. Qual a temperatura do equilíbrio do sistema?

Qualquer quantidade de água que esteja fervendo encontra-se à temperatura de 100°C, se a temperatura for superior a esta, não haverá água líquida, apenas vapor.

Questões - Fundamentos de Óptica

Luz - Comportamento e Princípios:

9. A distância média entre a Terra e o Sol é de 150.000 km. Quanto tempo a luz demora para chegar à Terra? (Considerando c = 300.000 km/s).

O primeiro passo é entender o deslocamento da luz. Como c é uma velocidade constante, o movimento deve ser uniforme, ou seja:

Com isto, basta substituir os valores dados no exercício:

Ainda podemos expressar este tempo em minutos:

Portanto, a luz demora aproximadamente 8 minutos e 20 segundos para viajar do Sol até a Terra.

10. Quando as missões espaciais chegaram à Lua foram deixados espelhos em sua superfície para que pudessem ser feitos experimentos com eles. Suponhamos que, usando um destes espelhos, você deseje descobrir a distância entre a Terra e a Lua. É usado, então, um feixe de laser que é captado após 2,54 segundos. Desconsiderando os movimentos da Terra e da Lua, e usando c = 300.000 km/s, qual a distância entre o nosso planeta e o seu satélite natural?

Como no exercício anterior, a luz descreve um movimento uniforme, logo:

O tempo necessário para que o laser atinja os receptores é equivalente à viagem de ida e volta da luz, logo, precisamos usar a metade deste tempo, ou seja, 1,27 segundos:

11. Ano-luz é a medida de distância usada em astronomia que se refere ao espaço percorrido pela luz durante um ano terrestre. Considerando c = 300.000 km/s e 1 ano = 365,25 dias, quantos quilômetros equivale a um ano-luz?

Precisamos converter a unidade de tempo para segundos e, para isso, precisamos saber que:

1 minuto = 60 segundos

1 hora = 60 minutos = 3600 segundos

1 dia = 24 horas = 1440 minutos = 86400 segundos

1 ano = 8766 horas = 525960 minutos = 31557600 segundos

Sombra e Penúmbra

12. Uma pessoa de 1,9 m de altura está em pé ao lado de um prédio. A sombra do prédio projetada pela luz solar é de 90 m enquanto a da pessoa é de 9 m. Qual a altura do prédio?

Começamos o problema pensando nos raios solares, uma vez que devem incidir paralelamente entre si. A pessoa, a sombra e o raio de luz formam um triângulo retângulo assim como o triângulo formado pelo prédio, sombra e raio de luz; os ângulos formados devem ser os mesmos. Assim podemos escrever uma semelhança de triângulos:

Podemos isolar a altura do prédio e calculá-la em função dos dados conhecidos:

13. Uma lâmpada é usada para iluminar uma sala de 3 m de altura entre o chão e o teto. A uma altura de 1 m do chão está uma mesa quadrada com cada lado medindo 40 cm. Supondo que a lâmpada seja uma fonte puntual localizada exatamente ao centro da mesa, qual a área da sombra da mesa?

Nesta situação podemos analisar a distância entre o centro da mesa e uma das extremidades. Ficamos com a diferença entre a mesa e o teto igual a 2 m e a largura média da mesa igual a 20 cm. Assim, encontraremos o valor de x e com isto as dimensões da sombra.

Usando semelhança de triângulos:

Sabemos que esta é a metade da dimensão da sombra, logo, a dimensão total projetada é de 0,6 m, de onde podemos calcular a área da sombra:

Câmara escura de orifício

14. Um objeto de 20 cm de tamanho é colocado a uma distância de 4 m de uma câmara com uma orifício cuja dimensão entre a entrada e o anteparo é de 50 cm. Qual o tamanho do objeto projetado no anteparo? Ele estará invertido?

Primeiramente devemos interpretar os dados do problema. A distância entre o objeto e a entrada da câmara é p, a distância entre a entrada e o anteparo é p' e o tamanho do objeto é o. Assim, basta aplicar a fórmula da câmara escura:

Isolando o tamanho da imagem, i:

Basta aplicar os valores, lembrando de utilizar a mesma unidade para todas as grandezas!

Questões - Ondas

Velocidade de Propagação

15. O gráfico abaixo representa uma onda que se propaga com velocidade igual a 300m/s.

Determine:

a) a amplitude da onda;

A Amplitude da onda é dada pela distância da origem até a crista da onda, ou seja:

b) o comprimento de onda;

O comprimento de onda é dado pela distância entre duas cristas ou entre 3 nodos, ou seja:

Como a figura mostra a medida de três "meios-comprimento de onda", podemos calculá-lo:

c) a frequência;

Sabendo a velocidade de propagação e o comprimento de onda, podemos calcular a frequência através da equação:

Substituindo os valores na equação:

d) o período.

Como o período é igual ao inverso da frequência:

Refração das ondas

16. Uma agulha vibratória produz ondas com velocidade de propagação igual a 160m/s e comprimento de onda de 1mm, chegando em uma diferença de profundidade com um ângulo formado de 45° e sendo refratado. Após a mudança de profundidades o ângulo refratado passa a ser de 30°. Qual é a nova velocidade de progação da onda?

E o comprimento das ondas refratadas?

Utilizando a Lei de Snell:

Utilizando a relação com velocidades de propagação, chegamos a equação:

A velocidade da onda refratada será 113,1m/s.

Para calcular o comprimento de onda refratada, utilizamos a Lei de Snell, utilizando a relação com comprimentos de onda:

O comprimento da onda refratada será 0,7mm.

Repare que o resultado aparece em milímetros pois as unidades não foram convertidas para o SI no início da resolução.

Funcionamento do olho

Olho humano

O olho humano é um sistema óptico complexo, formado por vários meios transparentes além de um sistema fisiológico com inúmeros componentes.

Todo o conjunto que compõe a visão humana é chamado globo ocular.

A luz incide na córnea e converge até a retina, formando as imagens.

Para esta formação de imagem acontecem vários fenômenos fisiológicos, no entento, para o estudo da óptica podemos considerar o olho como uma lente convergente, com distância focal variável. Sendo representado:

Tal representação é chamada olho reduzido, e traz a representação das distâncias entre a córnea e a lente e entre a lente e a retina, sendo a última a distância da imagem produzida em relação a lente (p').

Luz e as demais ondas eletromagnéticas

INTRODUÇÃO

É importante tomarmos consciência de como estamos imersos em ondas eletromagnéticas. Iniciando pelos Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos através de ondas eletromagnéticas.

Além de outras, recebemos também: a radiação eletromagnética emitida, por átomos de hidrogênio neutro que povoam o espaço interestelar da nossa galáxia; as emissões na faixa de radiofrequências dos "quasares" (objetos ópticos que se encontram a enormes distâncias de nós, muito além de nossa galáxia, e que produzem enorme quantidade de energia); pulsos intensos de radiação dos "pulsares" (estrelas pequenas cuja densidade média é em torno de 10 trilhões de vezes a densidade média do Sol).

Essas radiações são tão importantes que deram origem a uma nova ciência, a Radioastronomia, que se preocupa em captar e analisar essas informações obtidas do espaço através de ondas.

Há ainda as fontes terrestres de radiação eletromagnética: as estações de rádio e de TV, o sistema de telecomunicações à base de microondas, lâmpadas artificiais, corpos aquecidos e muitas outras.

A primeira previsão da existência de ondas eletromagnéticas foi feita, em 1864, pelo físico escocês, James Clerk Maxwell . Ele conseguiu provar teoricamente que uma perturbação eletromagnética devia se propagar no vácuo com uma velocidade igual à da luz.

E a primeira verificação experimental foi feita por Henrich Hertz, em 1887. Hertz produziu ondas eletromagnéticas por meio de circuitos oscilantes e, depois, detectou-se por meio de outros circuitos sintonizados na mesma frequência. Seu trabalho foi homenageado posteriormente colocando-se o nome "Hertz" para unidade de frequência.

LEIS DE MAXWELL

Maxwell estabeleceu algumas leis básicas de eletromagnetismo, baseado nas já conhecidas anteriormente, como a Lei de Coulomb, a Lei de Ampère, a Lei de Faraday, etc.

Na realidade , Maxwell reuniu os conhecimentos existentes e descobriu as correlações que havia em alguns fenômenos, dando origem à teoria de que eletricidade, magnetismo e óptica são de fato manifestações diferentes do mesmo fenômeno físico.

O físico inglês Michael Faraday já havia afirmado que era possível produzir um campo a partir de um campo magnético variável.

Imagine um imã e um anel:

Considere o imã perpendicular ao plano do anel. Movendo-se ou o imã ou o anel, aparecerá uma corrente no anel, causado por um campo elétrico criado devido à variação do fluxo magnético no anel.

Maxwell verificou que o contrário também era possível. Um campo elétrico variável podia gerar um campo magnético.

Imagine duas placas paralelas sendo carregadas progressivamente:

Ao crescerem as cargas das placas, o campo elétrico aumenta, produzindo uma campo magnético (devido a variação do campo elétrico).

Embora Maxwell tenha estabelecido quatro equações para descrever os fenômenos eletromagnéticos analisados, podemos ter uma noção de sua teoria baseados em duas conclusões:

• Um campo elétrico variável no tempo produz um campo magnético.
• Um campo magnético variável no tempo produz um campo elétrico.

A GERAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

Imagine uma antena de uma estação de rádio:

Na extremidade da antena existe um fio ligado pelo seu centro a uma fonte alternada (que inverte o sentido a intervalos de tempo determinados). Num certo instante, teremos a corrente num sentido e, depois de alguns instantes, a corrente no outro sentido.

A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética depende do meio em que ela se propaga.

Maxwell mostrou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética, no vácuo, é dada pela expressão:

onde  é a permissividade elétrica do vácuo e  é a permeabilidade magnética do vácuo.

Aplicando os valores de  e de  na expressão acima, encontra-se a velocidade:

ou

(valor exato)

que é igual a velocidade da luz. Nisso Maxwell se baseou para afirmar que a luz também é uma onda eletromagnética.

Podemos resumir as características das ondas eletromagnéticas no seguinte:

• São formadas por campos elétricos e campos magnéticos variáveis.
• O campo elétrico é perpendicular ao campo magnético.
• São ondas transversais (os campos são perpendiculares à direção de propagação).
• Propagam-se no vácuo com a velocidade "c" .
• Podem propagar-se num meio material com velocidade menor que a obtida no vácuo.

Com isto, o campo elétrico ao redor do fio em um certo instante estará apontando num sentido e, depois, no sentido contrário.

Esse campo elétrico variável (E) irá gerar um campo magnético (B) , que será também variável. Por sua vez, esse campo magnético irá gerar um campo elétrico. E assim por diante .... Cada campo varia e gera outro campo que, por ser variável, gera outro campo: e está criada a perturbação eletromagnética que se propaga através do espaço, constituída pelos dois campos em recíprocas induções.

Note que o campo elétrico é perpendicular à direção de propagação e o campo magnético também, o que comprova que a onda eletromagnética é uma onda transversal.

Além disso, o campo elétrico é perpendicular ao campo magnético, o que podemos verificar facilmente: quando um fio é percorrido por cargas em movimento, o campo elétrico num ponto próximo ao fio pertence ao plano do fio, enquanto o campo magnético está saindo ou entrando neste plano.

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

A palavra espectro (do latim "spectrum", que significa fantasma ou aparição) foi usada por Isaac Newton, no século XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu quando numa experiência a luz do Sol atravessou um prisma de vidro em sua trajetória.

Atualmente chama-se espectro eletromagnético à faixa de frequências e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas.

As ondas eletromagnéticas no vácuo têm a mesma velocidade , modificando a frequência de acordo com espécie e, consequentemente, o comprimento de onda.

** As escalas de frequência e comprimento de onda são logarítmicas.

Fisicamente, não há intervalos no espectro. Podemos ter ondas de qualquer frequências que são idênticas na sua natureza, diferenciando no modo como podemos captá-las.

Observe que algumas frequências de TV podem coincidir com a frequência de FM. Isso permite algumas vezes captar uma rádio FM na televisão ou captar um canal de TV num aparelho de rádio FM.

CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS RADIAÇÕES
Ondas de Rádio

"Ondas de rádio" é a denominação dada às ondas desde frequências muito pequenas, até 1012 Hz , acima da qual estão os raios infravermelhos.

As ondas de rádio são geradas por osciladores eletrônicos instalados geralmente em um lugar alto, para atingir uma maior região. Logo o nome "ondas de rádio" inclui as microondas, as ondas de TV, as ondas curtas, as ondas longas e as próprias bandas de AM e FM.

Ondas de rádio propriamente ditas

As ondas de rádio propriamente ditas, que vão de 104 Hz a 107 Hz , têm comprimento de onda grande, o que permite que elas sejam refletidas pelas camadas ionizadas da atmosfera superior (ionosfera).

Estas ondas, além disso, têm a capacidade de contornar obstáculos como árvores, edifícios, de modo que é relativamente fácil captá-las num aparelho rádio-receptor.

Ondas de TV

As emissões de TV são feitas a partir de 5x107 Hz (50 MHz) . É costume classificar as ondas de TV em bandas de frequência (faixa de frequência), que são:

• VHF : very high frequency (54 MHz à 216 MHZ è canal 2 à 13)
• UHF : ultra-high frequency (470 MHz à 890 MHz è canal 14 à 83)
• SHF : super-high frequency
• EHF : extremely high frequency
• VHFI : veri high frequency indeed

As ondas de TV não são refletidas pela ionosfera, de modo que para estas ondas serem captadas a distâncias superiores a 75 Km é necessário o uso de estações repetidoras.

Microondas

Microondas correspondem à faixa de mais alta frequência produzida por osciladores eletrônicos. Frequências mais altas que as microondas só as produzidas por oscilações moleculares e atômicas.

As microondas são muito utilizadas em telecomunicações. As ligações de telefone e programas de TV recebidos "via satélite" de outros países são feitas com o emprego de microondas.

As microondas também podem ser utilizadas para funcionamento de um radar. Uma fonte emite uma radiação que atinge um objeto e volta para o ponto onde a onda foi emitida. De acordo com a direção em que a radiação volta pode ser descoberta a localização do objeto que refletiu a onda.

Luz visível

Note que nosso olho só tem condições de perceber frequências que vão de 4,3x1014 Hz a 7x1014 , faixa indicada pelo espectro como luz visível.

Nosso olho percebe a frequência de 4,3x1014 como a cor vermelha. Frequências abaixo desta não são visíveis e são chamados de raios infravermelhos , que têm algumas aplicações práticas.

A frequência de 7x1014 é vista pelo olho como cor violeta. Frequências acima desta também não são visíveis e recebem o nome de raios ultravioleta. Têm também algumas aplicações.

A faixa correspondente à luz visível pode ser subdividida de acordo com o espectro a seguir.

Raios X

Os raios X foram descobertos, em 1895, pelo físico alemão Wilhelm Röntgen. Os raios X têm frequência alta e possuem muita energia. São capazes de atravessar muitas substâncias embora sejam detidos por outras, principalmente pelo chumbo.

Esses raios são produzidos sempre que um feixe de elétrons dotados de energia incidem sobre um obstáculo material. A energia cinética do feixe incidente é parcialmente transformada em energia eletromagnética, dando origem aos raios X.

Os raios X são capazes de impressionar uma chapa fotográfica e são muito utilizados em radiografias, já que conseguem atravessar a pele e os músculos da pessoa, mas são retidos pelos ossos.

Os raios X são também bastante utilizados no tratamento de doenças como o câncer. Têm ainda outras aplicações: na pesquisa da estrutura da matéria, em Química, em Mineralogia e outros ramos.

Raios Gama

As ondas eletromagnéticas com frequência acima da dos raios X recebe o nome de raios gama (g ).

Os raios g são produzidos por desintegração natural ou artificial de elementos radioativos.

Um material radioativo pode emitir raios g durante muito tempo, até atingir uma forma mais estável.

Raios g de alta energia podem ser observados também nos raios cósmicos que atingem a alta atmosfera terrestre em grande quantidade por segundo.

Os raios g podem causar graves danos às células, de modo que os cientistas que trabalham em laboratório de radiação devem desenvolver métodos especiais de detecção e proteção contra doses excessivas desses raios.