2013 Questão 1: Pressão atmosférica e pressão hidrostática GABARITO: A Resolução Questão 2: Equação fundamental da ondulatória

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1 2013 Questão 1: Pressão atmosférica e pressão hidrostática Para realizar um experimento com uma garrafa PET cheia d'agua, perfurou-se a lateral da garrafa em três posições a diferentes alturas. Com a garrafa tampada, a água não vazou por nenhum dos orifícios, e, com a garrafa destampada, observou-se o escoamento da água conforme ilustrado na figura. Como a pressão atmosférica interfere no escoamento da água, nas situações com a garrafa tampada e destampada, respectivamente? a) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; não muda a velocidade de escoamento, que só depende da pressão da coluna de água. b) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; altera a velocidade de escoamento, que é proporcional à pressão atmosférica na altura do furo. c) Impede a entrada de ar, por ser menor que a pressão interna; altera a velocidade de escoamento, que é proporcional à pressão atmosférica na altura do furo. d) Impede a saída de água, por ser maior que a pressão interna; regula a velocidade de escoamento, que só depende da pressão atmosférica. e) Impede a saída de água, por ser menor que a pressão interna; não muda a velocidade de escoamento, que só depende da pressão da coluna de água. GABARITO: A Com a garrafa tampada não há escoamento de água pelos orifícios, pois nessa situação a força causada pela pressão atmosférica externa é maior do que a força causada pela pressão interna da garrafa. Quando a garrafa está aberta a força da pressão atmosférica atua nos orifícios e na boca da garrafa, anulando seus efeitos, pois uma atua de dentro para fora e a outra atua de fora para dentro. Isso faz com que a pressão atmosférica não influencia na velocidade de escoamento da água pelos orifícios. Quem influencia nessa velocidade é a pressão hidrostática da água no interior da garrafa. Quanto maior a coluna de água, maior será a velocidade de escoamento da água. Por isso o orifício mais baixo apresenta um alcance maior do que os outros orifícios. Questão 2: Equação fundamental da ondulatória Uma manifestação comum das torcidas em estádios de futebol é a ola mexicana. Os espectadores de uma linha, sem sair do lugar e sem se deslocarem lateralmente, ficam de pé e se sentam, sincronizados com os da linha adjacente. O efeito coletivo se propaga pelos espectadores do estádio, formando uma onda progressiva, conforme ilustração.

2 Calcula-se que a velocidade de propagação dessa onda humana é 45 km/h e que cada período de oscilação contém 16 pessoas, que se levantam e sentam organizadamente distanciadas entre si por 80 cm. Disponível em: Acesso em 7 dez (adaptado) Nessa ola mexicana, a frequência da onda, em hertz, é um valor mais próximo de a) 0,3. b) 0,5. c) 1,0. d) 1,9. e) 3,7. GABARITO: C O exercício forneceu a velocidade da onda (v = 45 km/h = 12,5 m/s) e a distância correspondente a cada período, ou seja, o seu comprimento de onda. Como essa distância corresponde a 16 pessoas sentadas e que a distância entre cada uma delas é igual a 80 cm, podemos concluir que o comprimento de onda é igual a 15 espaços, entre as 16 pessoas, de 80 cm cada. λ = λ = cm = 12 m Aplicando a equação fundamental da ondulatória podemos descobrir a frequência da onda. v = λ f 12,5 = 12 f f = 1,04 Hz Com isso podemos concluir que a frequência da onda ola é aproximadamente 1,0 Hz. Questão 3: Interferência de ondas Em viagens de avião, é solicitado aos passageiros o desligamento de todos os aparelhos cujo funcionamento envolva a emissão ou a recepção de ondas eletromagnéticas. O procedimento é utilizado para eliminar fontes de radiação que possam interferir nas comunicações via rádio dos pilotos com a torre de controle. A propriedade das ondas emitidas que justifica o procedimento adotado é o fato de a) terem fases opostas. b) serem ambas audíveis. c) terem intensidades inversas. d) serem de mesma amplitude. e) terem frequências próximas. GABARITO: E A interferência entre ondas é mais intensificada quando as frequências de cada uma das ondas são iguais ou muito próximas uma da outra. Questão 4: Corpo negro Em um experimento, foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termômetro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida, a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente. A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação à da branca, durante todo experimento, foi a) igual no aquecimento e igual no resfriamento

3 b) maior no aquecimento e igual no resfriamento. c) menor no aquecimento e igual no resfriamento. d) maior no aquecimento e menor no resfriamento. e) maior no aquecimento e maior no resfriamento. GABARITO: E A lâmpada incandescente utilizada no exercício produz muito calor. O corpo negro comparado ao corpo branco irá esquentar mais rapidamente, mesmo recebendo a mesma quantidade de calor. Depois durante o resfriamento, a variação de temperatura do corpo negro também será mais rápida, pois ele emite radiação com uma velocidade maior do que o corpo branco. Questão 5: Prensa hidráulica Para oferecer acessibilidade aos portadores de dificuldades de locomoção, é utilizado, em ônibus e automóveis, o elevador hidráulico. Nesse dispositivo é usada uma bomba elétrica, para forçar um fluido a passar de uma tubulação estreita para outra mais larga, e dessa forma acionar um pistão que movimenta a plataforma. Considere um elevador hidráulico cuja área da cabeça do pistão seja cinco vezes maior do que a área da tubulação que sai da bomba. Desprezando o atrito e considerando uma aceleração gravitacional de 10 m/s 2, deseja-se elevar uma pessoa de 65 kg em uma cadeira de rodas de 15 kg sobre a plataforma de 20 kg. Qual deve ser a força exercida pelo motor da bomba sobre o fluido, para que o cadeirante seja elevado com velocidade constante? a) 20 N b) 100 N c) 200 N d) 1000 N e) 5000 N GABARITO: C O elevador hidráulico baseia-se no princípio de Pascal, que afirma que a pressão transmitida por um líquido será sempre constante em qualquer ponto desse líquido. A partir do esquema a seguir, podemos escrever uma relação entre as forças e as áreas de cada um dos pistões, lembrando que a pressão é igual a razão entre a força aplicada e a área onde ela é aplicada. P pistão = P bomba F pistão A pistão = F bomba A bomba Para o cadeirante subir com velocidade constante, a força feita sobre o pistão deve ser igual à força peso do cadeirante, mais a força peso de sua cadeira e mais a força peso do pistão. Sabendo que a área

4 do pistão é 5 vezes maior do que a área da bomba (A pistão = 5 A bomba ), podemos encontrar a força feita pela bomba sobre o fluido. P cadeirante + P cadeira + P pistão 5 A bomba = f A bomba m cadeirante g + m cadeira g + m pistão g = f f = f = 200 N Com isso, podemos concluir que a força exercida pelo motor da bomba sobre o fluido vale 200 N. = f Questão 6: Instrumentos de medida Um eletricista analisa o diagrama de uma instalação elétrica residencial para planejar medições de tensão e corrente em uma cozinha. Nesse ambiente existem uma geladeira (G), uma tomada (T) e uma lâmpada (L), conforme a figura. O eletricista deseja medir a tensão elétrica aplicada à geladeira, a corrente total e a corrente na lâmpada. Para isso, ele dispõe de um voltímetro (V) e dois amperímetros (A). Para realizar essas medidas, o esquema da ligação desses instrumentos está representado em: a) b) c) d) e) GABARITO: E Para medir a tensão elétrica aplicada à geladeira, o eletricista deve conectar o voltímetro paralelamente a ela ou simplesmente ligando-o entre a fase e o neutro. A corrente que passa pela lâmpada pode ser medida conectando um amperímetro em série com ela. A corrente total é medida colocando-se um amperímetro no fio fase ou no fio neutro desde que ele esteja em série com todos os aparelhos, ou seja, na entrada ou na saída do circuito elétrico. Questão 7: Força magnética em um fio

5 Desenvolve-se um dispositivo para abrir automaticamente uma porta no qual um botão, quando acionado, faz com que uma corrente elétrica i = 6 A percorra uma barra condutora de comprimento L = 5 cm, cujo ponto médio está preso a uma mola de constante elástica k = N/cm. O sistema molacondutor está imerso em um campo magnético uniforme perpendicular ao plano. Quando acionado o botão, a barra sairá da posição do equilíbrio a uma velocidade média de 5 m/s e atingirá a catraca em 6 milisegundos, abrindo a porta. A intensidade do campo magnético, para que o dispositivo funcione corretamente, é de a) T. b) T. c) T. d) T. e) T. GABARITO: A Quando acionado o botão uma corrente elétrica passa pela barra que, por estar imersa em um campo magnético perpendicular ao sentido da corrente elétrica, fica sujeita a uma força magnética que está direcionada para a esquerda. O sentido dessa força magnética pode ser obtido através da regra da mão esquerda. Ao deslocar para a esquerda, a barra estica uma mola e, por isso, ela fica sujeita a uma força elástica para a direita. Com isso, podemos concluir que no equilíbrio a força magnética e a força elástica são iguais. F mag = F el B i l = k x O exercício forneceu o valor da intensidade da corrente elétrica (i = 6 A), o comprimento da barra (l = 5 cm = m), a constante elástica da mola (k = N/cm = 5 N/m), a velocidade da barra (v = 5 m/s) e o tempo que ela gasta até atingir a catraca (Δt = 6 ms = s). Com esses dois últimos dados, podemos descobrir a deformação da mola. S = v t x = x = m = m Com os dados fornecidos pelo problema e com a deformação sofrida pela mola, podemos encontrar a intensidade do campo magnético na região substituindo esses valores na primeira relação que encontramos. B i l = k x B = B = B = 0,5 T = T Questão 8: Relação entre grandezas escalar e circular Para serrar os ossos e carnes congeladas, um açougueiro utiliza uma serra de fita que possui três polias e um motor. O equipamento pode ser montado de duas formas diferentes, P e Q. Por questão de segurança, é necessário que a serra possua menor velocidade linear.

6 Por qual montagem o açougueiro deve optar e qual a justificativa desta opção? a) Q, pois as polias 1 e 3 giram com velocidades lineares iguais em pontos periféricos e a que tiver maior raio terá menor frequência. b) Q, pois as polias 1 e 3 giram com frequência iguais e a que tiver maior raio terá menor velocidade linear em um ponto periférico. c) P, pois as polias 2 e 3 giram com frequências diferentes e a que tiver maior raio terá menor velocidade linear em um ponto periférico. d) P, pois as polias 1 e 2 giram com diferentes velocidades lineares em pontos periféricos e a que tiver menor raio terá maior frequência. e) Q, pois as polias 2 e 3 giram com diferentes velocidades lineares em pontos periféricos e a que tiver maior raio terá menor frequência. GABARITO: A Na montagem P as polias 1 e 2 apresentam a mesma velocidade escalar e as polias 2 e 3 apresentam a mesma velocidade angular. Sabendo que a velocidade angular é a razão entre a velocidade escalar e o raio da polia, podemos concluir que a polia 3, que tem maior raio, terá uma velocidade escalar maior do que a polia 2 e, por isso, a serra de fita será mais veloz na montagem P do que na montagem Q. Na montagem Q as polias 1 e 3 apresentam a mesma velocidade escalar e as polias 2 e 3 apresentam a mesma velocidade angular. Como a velocidade angular é a razão entre a velocidade escalar e o raio, podemos concluir que entre as polias 1 e 3, a polia a polia 3 tem uma velocidade angular menor, pois o seu raio é maior do que o raio da polia 1. Como a velocidade angular é diretamente proporcional à frequência, podemos concluir que a frequência da polia 3 é menor do que a frequência da polia 1, pois a polia 3 tem um raio maior do que a polia 1. Questão 9: Troca de calor Aquecedores solares usados em residências têm o objetivo de elevar a temperatura da água até 70 C. No entanto, a temperatura ideal da água para um banho é de 30 C. Por isso, deve-se misturar a água aquecida com a água à temperatura ambiente de um outro reservatório, que se encontra a 25 C. Qual a razão entre a massa de água quente e a massa de água fria na mistura para um banho à temperatura ideal? a) 0,111. b) 0,125. c) 0,357. d) 0,428. e) 0,833. GABARITO: B Nesse exercício serão misturadas água quente e água fria com temperaturas, respectivamente, iguais a θ Q = 70 o C e θ F = 25 o C, para se obter uma mistura com temperatura final igual a 30 o C. A soma do calor da água quente com o calor da água fria será igual a zero, pois o calor cedido pela água quente será recebido pela água fria.

7 Q quente + Q fria = 0 m Q c θ Q + m F c θ F = 0 m Q c θ Q = m F c θ F m Q (30 70) = m F (30 25) 40m Q = 5m F m Q m F = 0,125 m Q m F = 5 40 Questão 10: Força de resistência Em um dia sem vento, ao saltar de um avião, um paraquedista cai verticalmente até atingir a velocidade limite. No instante em que o paraquedas é aberto (instante T A), ocorre a diminuição de sua velocidade de queda. Algum tempo após a abertura do paraquedas, ele passa a ter velocidade de queda constante, que possibilita sua aterrissagem em segurança. Que gráfico representa a força resultante sobre o paraquedista, durante o seu movimento de queda? a) b) c) d) e) GABARITO: B Antes do instante T A a força resultante que atua sobre o paraquedista aponta para baixo e à medida que sua velocidade vai aumentando, a força de resistência que atua sobre ele aumenta também, pois a força de resistência é proporcional à velocidade do corpo, diminuindo a força resultante que atua sobre ele. Após o instante T A, devido à abertura do paraquedas, o paraquedista começa a diminuir sua velocidade porque a força resultante sobre ele aponta para cima. Essa inversão no sentido da força resultante é representada graficamente no eixo negativo da força resultante. Como o seu movimento passa a ser uniforme, a força resultante sobre o paraquedista será nula. Por isso podemos concluir que o gráfico que melhor descreve a força resultante sobre o paraquedista está representado na letra B.

8 Questão 11: Potência elétrica e segunda lei de Ohm O chuveiro elétrico é um dispositivo capaz de transformar energia elétrica em energia térmica, o que possibilita a elevação da temperatura da água. Um chuveiro projetado para funcionar em 110 V pode ser adaptado para funcionar em 220 V, de modo a manter inalterada sua potência. Uma das maneiras de fazer essa adaptação é trocar a resistência do chuveiro por outra, de mesmo material e com o(a) a) dobro do comprimento do fio. b) metade do comprimento do fio. c) metade da área da seção reta do fio. d) quádruplo da área da seção reta do fio. e) quarta parte da área da seção reta do fio. GABARITO: E Para que a sua potência mantenha-se inalterada devemos igual as potência com ele trabalhando em 110 V e 220 V. A equação da potência que temos que utilizar é aquela que envolve tensão e a resistência. P 220 = P 110 U R = U R A l = A 4 l (220) 2 ρ l A ou = (110)2 ρ l A l A = 4 l A A l = A l A partir dessas relações podemos concluir que a resistência do chuveiro, para ele deixar de funcionar a 110 V e poder funcionar em 220 V, mantendo a sua potência inalterada, deve ter a sua área de seção reduzida à quarta parte ou o seu comprimento aumentado em quatro vezes. Questão 12: Força de atrito e terceira lei de Newton Uma pessoa necessita da força de atrito em seus pés para se deslocar sobre uma superfície. Logo, uma pessoa que sobe uma rampa em linha reta será auxiliada pela força de atrito exercida pelo chão em seus pés. Em relação ao movimento dessa pessoa, quais são a direção e o sentido da força de atrito mencionada no texto? a) Perpendicular ao plano e no mesmo sentido do movimento. b) Paralelo ao plano e no sentido contrário ao movimento. c) Paralelo ao plano e no mesmo sentido do movimento. d) Horizontal e no mesmo sentido do movimento. e) Vertical e sentido para cima. GABARITO: C A força de atrito que auxilia o movimento das pessoas atua sempre paralelamente ao chão e no sentido do movimento da pessoa. Isso acontece porque para a pessoa andar ela aplica uma força sobre o chão empurrando ele para trás. Ele, por sua vez, reage através da força de atrito, devido à terceira lei de Newton (ação e reação), empurrando a pessoa para frente fazendo com que ela consiga se movimentar. Questão 13: Instrumentos de medida Medir temperatura é fundamental em muitas aplicações, e apresentar a leitura em mostradores digitais é bastante prático. O seu funcionamento é baseado na correspondência entre valores de temperatura e de diferença de potencial elétrico. Por exemplo, podemos usar o circuito elétrico apresentado, no qual o elemento sensor de temperatura ocupa um dos braços do circuito (R S) e a dependência da resistência com a temperatura é conhecida.

9 Para um valor de temperatura em que R S = 100 Ω, a leitura apresentada pelo voltímetro será de a) + 6,2 V. b) + 1,7 V. c) + 0,3 V. d) 0,3 V. e) 6,2 V. GABARITO: D Como o voltímetro não permite a passagem de corrente elétrica, podemos concluir que a corrente que passa no resistor de 470 Ω é igual a corrente que passa no resistor de 100 Ω e que a corrente que passa no resistor de 470 Ω é igual a corrente que passa no resistor de 120 Ω. A seguir está o circuito mais detalhado com alguns pontos e as correntes para melhor compreendermos a resolução. Primeiramente podemos determinar as intensidades das correntes elétricas i 1 e i 2 através da primeira lei de Ohm. U = R eq i 1 10 = ( ) i 1 i 1 = A = 1 57 A U = R eq i 2 10 = ( ) i 2 i 2 = A = 1 59 A Encontrado o valor das correntes elétricas, podemos encontrar a queda de tensão causada pelos resistores de 470 Ω. Entre os pontos A e B a queda de tensão foi igual a: 1 U AB = R AB i 1 U AB = Com isso, podemos concluir que a tensão no ponto B vale: U AB 8,25 V U AB = V A V B 8,25 = 10 V B V B = 1,75 V Entre os pontos A e C a queda de tensão foi igual a:

10 1 U AC = R AC i 2 U AC = Com isso, podemos concluir que a tensão no ponto C vale: U AC 7,97 V U AC = V A V C 7,97 = 10 V C V C = 2,03 V A leitura do voltímetro será a diferença de potencial entre os pontos B e C, pois sua parte positiva está ligada em B e sua parte negativa está ligada em C. U voltímetro = V B V C U voltímetro = 1,75 2,03 U voltímetro = 0,28 V Com isso podemos concluir que a leitura do voltímetro será aproximadamente 0,3 V. Questão 14: Corrente elétrica e Campo elétrico Um circuito em série é formado por uma pilha, uma lâmpada incandescente e uma chave interruptora. Ao se ligar a chave, a lâmpada acende quase instantaneamente, irradiando calor e luz. Popularmente, associa-se o fenômeno da irradiação de energia a um desgaste da corrente elétrica, ao atravessar o filamento da lâmpada, e à rapidez com que a lâmpada começa a brilhar. Essa explicação está em desacordo com o modelo clássico de corrente. De acordo com o modelo mencionado, o fato de a lâmpada acender quase instantaneamente está relacionado à rapidez com que a) o fluido elétrico se desloca no circuito. b) as cargas negativas móveis atravessam o circuito. c) a bateria libera cargas móveis para o filamento da lâmpada. d) o campo elétrico se estabelece em todos os pontos do circuito. e) as cargas positivas e negativas se chocam no filamento da lâmpada. GABARITO: D Quando acionamos um interruptor ligando uma lâmpada, esta se acende quase instantaneamente, porque um campo elétrico é estabelecido em toda a fiação do circuito. Esse campo elétrico é o responsável pelo surgimento da corrente elétrica e o consequente acendimento da lâmpada. Questão 15: Período e frequência Em um piano, o Dó central e a próxima nota Dó (Dó maior) apresentam sons parecidos, mas não idênticos. É possível utilizar programas computacionais para expressar o formato dessas ondas sonoras em cada uma das situações como apresentado nas figuras, em que estão indicados intervalos de tempo idênticos (T). A razão entre as frequências do Dó central e do Dó maior é de: a) 0,5 b) 2 c) 1 d) 0,25 e) 4 GABARITO: A O conceito de frequência é muito importante para a resolução desse problema. Frequência é o número de repetições de determinada evento em um intervalo de tempo. Olhando os dois gráficos, para o mesmo tempo T, podemos concluir que a onda correspondente ao Dó central repetiu uma vez, ou seja, sua frequência é igual a 1 (f Dó central = 1). Já a onda correspondente ao Dó maior repetiu nesse mesmo

11 intervalo de tempo T duas vezes, ou seja, sua frequência é igual a 2 (f Dó maior = 2). A razão entre essas frequências será igual a: f Dó central f Dó maior = 1 2 = 0,5 Análise: Das 15 questões de Física do ENEM 2013cinco delas abordaram Mecânica (33,3%), cinco Eletricidade (33,3%), três Ondulatória (20,0%), uma Física Moderna (6,7%) e uma Termologia (6,7%). Nas questões de Mecânica uma delas tratava sobre a relação entre grandezas lineares e grandezas angulares, outra tratava da terceira lei de Newton (ação e reação) mostrando o porque uma pessoa consegue caminhar sobre uma superfície com atrito, outra tratou da força resultante sobre uma corpo em queda, considerando a resistência do ar, outra cobrou os conceitos de pressão atmosférica e hidrostática e a outra cobrou os conceitos envolvidos na prensa hidráulica, como o fato de a pressão transmitida em um líquido ser a mesma em todos os pontos desse líquido. Nas questões de Eletricidade uma delas tratava sobre a forma como surge a corrente elétrica em um circuito devido ao aparecimento do campo elétrico, outra cobrava a relação da potência elétrica de um aparelho com sua tensão e sua resistência e a aplicação da segunda lei de Ohm, duas questões cobravam os conceitos de instrumentos de medidas, sendo uma teórica e ou outra calculista e a outra questão cobrava a força magnética que atua sobre um conduto percorrido por uma corrente elétrica e imerso em um campo magnético. Nas questões de Ondulatória uma delas cobrava o conceito de frequência e período de uma onda, na outra cobrava a aplicação da equação fundamental da ondulatória e na outra tratava teoricamente sobre o fenômeno da interferência entre duas ondas. Na questão de Termologia foi cobrado os conceitos de trocas de calor quando são misturadas duas substâncias que atingem o equilíbrio térmico, sendo necessário a utilização da equação fundamental da calorimetria. Na questão de Física Moderna foram cobrados os conceitos de que um corpo negro consegue variar sua temperatura mais rapidamente no resfriamento e no aquecimento do que qualquer outro corpo.