2013/1. de resolverr e cada uma em uma. ou mais. está permitido.

Transcrição

1 PROVA DE SELEÇÃO PARA O MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA INGRESSO EM 2013/1 Esta prova contém seis questões, sendo apresentada uma questão por página. O candidato terá de resolverr três, e somente três, das seis questões apresentadas, e cada uma delas terá igual peso na nota final. Cada questão deverá ser resolvida em uma ou mais folhas de papel ofício, rubricadas pelo responsável pela aplicação da prova. Ao final serão entregues apenas as folhas em que as questões foram resolvidas, não havendo mais de uma questão por folha, sendo todas as folhas assinadas. A prova se estenderá das 8h30min às 12h30min do dia 11 de janeiro de A prova será realizada individualmente, sem consulta a qualquer pessoa ou material, exceto o que lhe está sendo fornecido. O uso de calculadoraa está permitido. Na resolução dessa prova o candidato ao curso de mestrado deverá demonstrar seus conhecimentos e o modo comoo os organizaa para a obtenção das respostas.

2 1. Duas esferas homogêneas, de mesmo material, com diâmetros de 5 cm e 10 cm são suspensas for fios finos ao teto do laboratório, de tal forma que quando as duas esferas estão em repouso os seus centros de massa encontram se no mesmo nível, 2,0 m abaixo do teto. A esfera maior é então deslocada da posição de equilíbrio, elevando se o seu centro de massa por H = 10 cm e em seguida solta em repouso. (Veja a figura abaixo.) A duração da colisão entre as duas esferas é cerca de 1 ms e após a colisão a esfera maior atinge a altura máxima h 1 = 7,0 cm (todas as alturas são referidas ao nível inferior dos centros de massa das esferas). Como os movimentos subsequentes das duas esferas em relação ao ar ocorrem com velocidades baixas, são desprezíveis os efeitos de resistência do ar. Considere, também, que as massas dos fios são desprezíveis, frente às massas das esferas, e que eles sejam inextensíveis. A aceleração de queda livre local é igual a 9,8 m/s 2, a massada esfera maior é 1,2 kg e a da esfera menor, 0,15 kg. Discuta as seguintes afirmações, justificando a veracidade ou a falsidade de cada uma delas. a) Desde o momento em que a esfera maior é solta até o momento em que ela colide com a menor, a força tensora no fio aumenta e atinge um valor máximo igual ao módulo do peso da esfera. b) Após o abandono da esfera maior a energia mecânica da esfera maior é conservada até que ela colide com a esfera menor. c) O centro de massa da esfera menor após a colisão se eleva até a altura máxima h 2 = 17 cm. d) A força de impacto na colisão da esfera maior com a menor não pode ter intensidade maior do que o seu peso ou aproximadamente 11,8 N. e) As duas esferas, após a colisão, atingem as respectivas alturas máximas h 1 e h 2 quase que simultaneamente, transcorrido um intervalo de tempo de cerca de 0,7 s desde a colisão. Programa de Pós Graduação em Ensino de Física Telefone: (51) E mail: secmpef@if.ufrgs.br 2

3 2. (Questão adaptada do Provão 2000) Dispõe se de uma bússola, um ímã em forma de barra sem marcação de polaridade, uma pilha e um pedaço de fio condutor flexível. Explique com o auxílio de esquemas gráficos como se poderia, em sala de aula, utilizar esse material para a) determinar a polaridade do ímã. b) representar graficamente o vetor indução magnética B, gerado por esse ímã em três pontos diferentes, próximos ao ímã. c) reproduzir a experiência de Oersted. d) mostrar a configuração das linhas de indução magnética gerado por um condutor retilíneo vertical em planos horizontais, próximos do condutor. Programa de Pós Graduação em Ensino de Física Telefone: (51) E mail: secmpef@if.ufrgs.br 3

4 3. O gráfico representa um ciclo efetuado com uma amostra de gás ideal. A transformação AB é uma isotérmica e a transformação CA é uma adiabática e a temperatura em A é 1200 K. Lembre que R = 0,082 atm.l.k 1.mol 1. a) Estime a temperatura nos pontos B e C. b) Compare a energia interna da amostra nos pontos A, B e C do diagrama PV. c) Para cada transformação identifique se há trabalho sendo realizado sobre o gás ou pelo gás. d) Para cada transformação identifique se há calor sendo absorvido ou cedido pelo gás. e) Estime o trabalho no ciclo. Programa de Pós Graduação em Ensino de Física Telefone: (51) E mail: secmpef@if.ufrgs.br 4

5 4. A figura representa uma balança (dinamômetro) digital que sustenta um recipiente cilíndrico (com paredes laterais verticais) contendo 300 cm 3 de água líquida (densidade: 1g/cm 3 ). A balança indica 5,0 N quando o corpo cilíndrico homogêneo, suspenso por um fio fino a um dinamômetro digital que indica 12,0 N, não toca no líquido. Depois, o corpo cilíndrico é lentamente baixado até que esteja completamente imerso no líquido, sem tocar no fundo do recipiente. Então o dinamômetro que o sustenta acusa 8,0 N e neste processo o nível do liquido dentro do recipiente se eleva. Sabe se que o diâmetro interno do fundo do recipiente cilíndrico é 5,0 cm e que a aceleração de queda livre local vale 9,8 m/s 2. a) Qual é o valor do empuxo que o líquido exerce sobre o corpo cilíndrico? b) É verdade que a balança digital acusa 9,0 N quando o corpo cilíndrico está imerso em água? Justifique a sua resposta. c) Calcule o quanto o nível da água no recipiente se elevou. d) É verdade que a densidade do material que constitui o corpo cilíndrico suspenso ao dinamômetro é 4,0g/cm 3? Justifique a sua resposta. Programa de Pós Graduação em Ensino de Física Telefone: (51) E mail: secmpef@if.ufrgs.br 5

6 5. Após muito observar o Universo próximo e distante, os astrônomos e físicos chegaram à conclusão que a matéria como a conhecemos, formada pelos átomos da tabela periódica, constitui somente 4% do Universo. Ou seja, não sabemos a natureza do que constitui 96% do Universo! O que conhecemos é o que chamamos de matéria normal, feita de prótons, nêutrons e elétrons. O que não conhecemos são a matéria escura, que constitui algo como 23% do Universo, e a energia escura, que constitui cerca de 73%. Sabemos há quase um século que as galáxias se afastam umas das outras. Ou seja, o Universo está em expansão e a velocidade de afastamento é proporcional à distância entre as galáxias. Tal é decorrente da lei de Hubble, que leva o nome do astrônomo, Edwin Hubble, que a formulou em Mas como se movimenta o material dentro de uma galáxia? A partir da observação da radiação eletromagnética emitida por uma galáxia podemos estudar o movimento de seus constituintes (estrelas, gás, poeira) e concluímos que a velocidade orbital das estrelas e do meio interestelar dentro das galáxias é muito maior do que a esperada. A interpretação física deste resultado é que há muito mais matéria no interior das galáxias, mantendo as estrelas e gás em órbita, do que a matéria normal que podemos observar. A energia escura é totalmente diferente da matéria escura. Ela foi descoberta somente a partir de 1998, quando medidas de distâncias de supernovas revelaram que o Universo parece estar em expansão acelerada. Podemos então entender a evolução do Universo como uma competição entre a matéria, normal e escura, e a energia escura. A matéria produz uma força atrativa, que desacelera a expansão do Universo, enquanto que a energia escura produz uma "força repulsiva", que acelera a expansão. Na figura temos uma ilustração das forças que influenciam a expansão do Universo, através de uma analogia, o "Cabo de Guerra". Enquanto a matéria escura retarda a expansão, a energia escura a acelera 1. Fig a 1. a) Disserte sobre as interações fundamentais, o modelo padrão e a interação entre a matéria escura e a normal. b) Considerando a figura Cabo de Guerra Cósmico, o que você pode dizer sobre comportamento da expansão desde o Big Bang até o presente? Qual força está vencendo o cabo de guerra? Seguindo a tendência apontada na figura, com você descreveria Universo futuro no do que diz respeito à expansão, temperatura e distribuição de galáxias? Ilustração da relação entre a matéria escura ( atrativa ), a energia escura ( repulsiva ) e a expansão do Universo. A flecha à esquerda indica os tempos passado, presente e futuro. Fonte: Adaptação da figura original disponível em 1 Texto extraído de: energia escuras.pdf Programa de Pós Graduação em Ensino de Física Telefone: (51) E mail: secmpef@if.ufrgs.br 6

7 6. O espectro de emissão de uma fonte luminosa pode ser analisado usando um CD como rede de difração 2. Para analisar o feixe de luz transmitido através do CD, retira se a sua camada refletora de alumínio, de modo a torná lo transparente, e projeta se o feixe transmitido através do CD em uma tela. Inicialmente ajusta se a posição da fonte e lupa em relação à tela, de modo a obter uma imagem bem nítida. (A figura abaixo mostra esquematicamente a montagem do experimento (à esquerda) e como determinar o comprimento de onda da luz incidente). Lembre que: N λ = dsen(θ ). a) Descreva o que se espera observar projetado na tela quando a luz colimada é branca, justificando a sua resposta. b) Descreva o que se espera observar projetado na tela quando a luz colimada é monocromática, justificando a sua resposta. c) Descreva de que maneira será possível determinar o comprimento de onda da luz transmitida através do CD, dispondo se de trenas para a medida de comprimentos. d) Sabendo que CD contém 625 ranhuras por mm, uniformemente espaçadas, e que determinado LED comercial produz o máximo de primeira ordem em X=2,3 cm quando a distância entre a tela e o CD é D= 5,0cm, determine o comprimento de onda médio da luz emitida por esse LED. 2 Inspirada no artigo de CAVALCANTE, M.; TAVOLARO, C & HAAG, R.. Física na Escola, v.6, n.1, p.75 82, Programa de Pós Graduação em Ensino de Física Telefone: (51) E mail: secmpef@if.ufrgs.br 7