Fio de resistência desprezível Bateria ideal. Amperímetro ideal. Voltímetro ideal. Lâmpada

Transcrição

1 1 Na figura mostrada abaixo têm-se duas baterias comuns de automóvel, B 1 e B 2, com forças eletromotrizes 12 V e 6 V, respectivamente, associadas em série. A lâmpada L conectada aos terminais da associação tem especificações 20V- 40W. O voltímetro V e o amperímetro A são supostamente ideais. As resistências internas das baterias são desprezíveis. tabela ELEMENTO Fio de resistência desprezível Bateria ideal SÍMBOLO Amperímetro ideal Voltímetro ideal A V Lâmpada A) Usando os símbolos indicados na tabela, faça o esquema do circuito elétrico correspondente, indicando as baterias, a lâmpada e os medidores. B) Qual é a leitura do voltímetro V e do amperímetro A? E qual é a potência dissipada pela lâmpada L nesse circuito elétrico?

2 2 Brincando com resistores, um estudante monta o bonequinho esquematizado. Enquanto uma das mãos do boneco toca o pólo positivo de uma pilha de 1,5 V, os pés mantêm contato com uma placa metálica condutora onde o outro pólo da pilha está encostado. Como conseqüência, a lâmpada se acende. Se a lâmpada e os três resistores utilizados têm resistências iguais e de valor 2,0 Ω, qual a potência elétrica dissipada pela lâmpada em funcionamento?

3 3 A figura abaixo foi obtida a partir de uma fotografia de uma câmara de bolhas (aparato que permite obter o rastro do movimento de uma partícula que a atravessa) e mostra os rastros de três partículas: um próton, um elétron e um neutrino (que é eletricament e neutro). Os rastros dessas partículas estão indicados, não necessariamente nessa ordem, pelos números 1, 2 e 3. Há um campo magnético uniforme que permeia toda a região mostrada e que é perpendicular ao plano da figura. Considere que o movimento das partículas representadas ocorra no plano da figura e que o módulo da velocidade seja o mesmo para todas as partículas carregadas. A força magnética é a única força que é dinamicamente relevante na situação descrita. Dado que a força centrípeta que atua so bre as partículas carregadas é a força magnética, tem - se, então: m v 2 /r = q v B sen, em que m representa a massa da partícula; v, o módulo de sua velocidade; r, seu raio de giro; q, o valor absoluto de sua carga elétrica; B, a intensidade do campo magnético que atua sobre ela;, o menor ângulo entre as direções da velocidade e do campo magnético. Essa relação possibilit a obter -se uma expressão para o raio de giro da partícula. Com base nas informações fornecidas, na expressão obtida para o raio de giro da partícula e nos seus conhecimentos sobre força magnética, A) associe cada um dos rastros à partícula que o produziu. Justifique. B) indique se o campo magnético está entrando no plano da figura ou dele saindo. Justifique. A) 1 elétron (menor massa, menor raio). 2 neutrino (sem carga, sem desvio). 3 próton (maior massa, maior raio). B) Saindo (regra do produto vetorial).

4 4 Pardal deseja obter energia elétrica a partir de uma linha de alta tensão que passa próximo de sua casa. Ele faz uma bobina e fixa-a no solo, abaixo do fio de alta tensão, para obter uma força eletromotriz induzida nos terminais da bobina. Dessa forma, ele pode ligar um aparelho elétrico qualquer nesses terminais. Sabendo que, nesse trecho, o fio de alta tensão é retilíneo, horizontal, está disposto na direção leste-oeste e por ele passa uma corrente elétrica alternada, A) descreva a forma e a direção das linhas de indução do campo magnético gerado pela corrente que circula no fio. B) explique, com base em leis físicas, por que o procedimento de Pardal para obter energia elétrica pode funcionar. C) determine qual deve ser a posição do eixo da bobina, em relação à direção do fio, para que Pardal obtenha a máxima força eletromotriz induzida. Justifique. A) Ao redor do fio (lei de Àmpere). B) Porque induz uma corrente induzida na bobina, de acordo com a lei de Faraday. C) Perpendicular ao fio para ter uma maior variação de fluxo magnético.

5 5 Um aluno dispõe de três lâmpadas e uma fonte de tensão para montar um circuito no qual as lâmpadas funcionem de acordo com as especificações do fabricante. As características dos elementos do circuito e os símbolos a eles atribuídos são: - lâmpada 1: 100V, 40W e símbolo (figura 1) - lâmpada 2: 100V, 40W e símbolo (figura 2) - lâmpada 3: 200V, 40W e símbolo (figura 3) - fonte de tensão: 200V, considerada ideal, e símbolo (figura 4). Indique, por meio de um desenho, como o aluno deve montar o circuito e calcule, nesse caso, a potência total que as três lâmpadas consumirão.

6 6 USINAS EÓLICAS: ENERGIA ELÉTRICA E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Uma das formas de se obter energia elétrica de maneira renovável é por meio das usinas eólicas. Em geral associam-se à usina eólica poucos argumentos desfavoráveis do ponto de vista da degradação do meio ambiente. Entre eles temos a poluição visual e a morte de pássaros que porventura possam passar pela região. No Rio Grande do Sul, está o Parque Eólico de Osório, o maior projeto de energia eólica da América Latina, composto por 75 aerogeradores - um aerogerador é um gerador elétrico integrado ao eixo de um cata-vento cuja missão é converter a energia mecânica dos ventos em energia elétrica. Cada torre mede 98 metros de altura e tem 810 toneladas. A) Admitindo que as torres sejam cônicas e tenham sido construídas em concreto cuja densidade é de 1800 kg/m 3, calcule o volume ocupado por uma dessas torres. B) De forma a avaliar o consumo de energia elétrica em uma residência, vamos analisar as respostas de uma família, composta por 4 pessoas, a uma pesquisa sobre seu consumo. Esta família relata alguns equipamentos elétricos de sua residência e seus tempos de uso ao longo de um mês. Dentre as informações explicitadas, percebe-se o uso do chuveiro elétrico de potência 2200 W, todos os dias, pelos 4 integrantes da família, com banho de 15 minutos cada um. O computador é o campeão em termos de uso. Há dois computadores de 90 W cada um, que são usados, em média, durante 5 horas cada um deles. O refrigerador que possui 110 W de potência, aciona seu motor durante 10 horas por dia. A residência possui uma tensão elétrica (d.d.p.) de 110 V, com exceção do chuveiro que tem tensão elétrica de 220 V. Qual equipamento relatado nesta pesquisa corresponde ao grande vilão no consumo de energia elétrica? Justifique preenchendo toda a tabela na folha de respostas, explicitando o cálculo do gasto de energia de cada um dos três equipamentos durante um mês de 30 dias em kwh. Em seguida, calcule o valor adequado da corrente elétrica máxima que pode passar pelo disjuntor instalado para proteger essa residência. Considere que, além das potências dos equipamentos já citados, ocorra um aumento de 590 W em função da iluminação e demais equipamentos elétricos. Vale lembrar que watt-hora (Wh) é a unidade normalmente utilizada para o consumo de energia elétrica, em que a potência é dada em W e o tempo em hora (h). C) Suponhamos que a média do consumo das famílias pesquisadas seja de 150 kwh por mês. Um aerogerador de usina eólica com 200 kw de potência útil, em funcionamento durante 24 horas por dia, é capaz de abastecer quantas famílias com consumo similar?

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8 8 O circuito elétrico do enfeite de uma árvore de natal é constituído de 60 lâmpadas idênticas (cada uma com 6V de tensão de resistência de 30 ohms) e uma fonte de tensão de 6V com potência de 18 watts que liga um conjunto de lâmpadas de cada vez, para produzir o efeito pisca-pisca. Considerando-se que as lâmpadas e a fonte funcionam de acordo com as especificações fornecidas, calcule: A) a corrente que circula através de cada lâmpada quando acesa. B) O número máximo de lâmpadas que podem ser acesas simultaneamente. A) U = R.i 6 = 30.i i = 0,2 A B) P = iu 18 = i.6 i = 3 A i (cada) = 0,2 A i = i (cada).n n = 15 lâmpadas

9 9 Um aquecedor elétrico usa um resistor de 20Ω ligado a uma diferença de potencial de 1OOV para aquecer a água. A) Calcule a potência consumida pelo aquecedor quando ligado. B) Um banho que use 20 litros de água está dentro dos limites recomendados para evitar o desperdício. Se uma pessoa usa esta quantidade de água a 40 C para seu banho, e se a temperatura da água antes de ser aquecida é de 20 C, durante quanto tempo o aquecedor deverá ficar ligado? Considere 1 cal = 4,2 J e o calor específico da água = 1 cal/g. o C. C) Num país como o Brasil, a superfície da Terra recebe cerca de 500 W/m 2 de radiação solar por aproximadamente 10 horas diárias. Usando placas captadoras de radiação solar com uma área total de 2 m 2, quantos litros de água poderiam ser aquecidos de 20 C a 40 C diariamente, usando apenas energia solar? Suponha que as placas tenham eficiência de 100%. A) P = V I, I = V/R P = V 2 /R P = /20 = 500 W B) P = E / t 500 = ,2.20 / t t = 3360 s = 56 minutos C) Em 2 m 2 são coletados 1000 W. 10 horas = J = m.4,2.20 m = 428,5 littros

10 10 Uma vaca está perto de uma árvore que é atingida por um raio. Durante um curto intervalo de tempo, acumula-se na base da árvore uma carga de 1 C. (Dados: K = N.m 2.C -2 e 1 C = 10-6 C) A) Se você estivesse embaixo de uma árvore, durante uma tempestade na qual se observa a ocorrência de um número muito grande de raios, estaria protegido contra a ação desses raios? Justifique sua resposta. E, em caso negativo, cite uma forma de se proteger dos raios explicando os motivos. B) Determinar a diferença de potencial (ddp) entre as regiões das patas traseiras e das patas dianteiras do animal. C) Admitindo-se que o animal tolere, no máximo, uma ddp de 300V, qual deve ser a mínima distância das patas dianteiras até a árvore.

11 O espectrômetro de massa é um instrumento usado na determinaçãode massas atômicas e também na separação de isótopos deum mesmo elemento químico. A figura mostra esquematicamente umtipo de espectrômetro. A fonte produz íons que emergem dela comcarga +e e são acelerados por um campo elétrico não indicado na figura. As fendas F 1 e F 2 servem para colimar o feixe de íons, isto é, para queprossigam apenas íons que se movem em uma determinada direção. Os íons que passam pela fenda F 2 invadem o seletor de velocidade, queé uma região onde existem um campo elétrico e um campo magnético,ambos uniformes e constantes, perpendiculares entre si e perpendicularesao feixe de íons. Só prosseguem na mesma trajetória retilíneaos íons que têm determinada velocidade v. Os íons que atravessam afenda F 3 entram em movimento circular e uniforme de raio R. Considerando E = 4, N/C, B = 2, T e R = 2, m e sendoe = 1, C, determine a massa do íon. 11