PROVA DE FÍSICA 2 o TRIMESTRE DE 2012 PROF. VIRGÍLIO NOME N o 9 o ANO Olá, caro(a) aluno(a). Segue abaixo uma série de exercícios que têm, como base, o que foi trabalhado em sala de aula durante todo o ano. Tais exercícios compõem sua avaliação trimestral, referente a 60% de sua nota final. Para que você consiga nota máxima, os exercícios devem estar respondidos corretamente. Além disso, também será avaliada a organização das respostas, bem como o capricho nos desenhos. Procure sempre fazer o desenho ilustrativo da questão, quando esta já não o tiver, mesmo que o exercício não peça. Isso o(a) ajudará na interpretação e também poderá ter efeito na correção. Todas as questões devem ser respondidas a tinta e não será permitido o uso de calculadoras. Faça a avaliação com calma e atenção, mas tome cuidado com o tempo. As questões onde deve-se assinalar alguma alternativa não precisam de justificativa. Para tentar te ajudar: 1. A medida da frequência fundamental (1 o harmônico) de uma corda vibrante ou de um tubo sonoro aberto é dada pela equação: f = v / 2.L. 2. A medida da frequência fundamental (1 o harmônico) de um tubo sonoro fechado é dada pela equação: f = v / 4.L. 3. Efeito Doppler: f o f F V V s s V V o F 01. (0,5) Um brinquedo muito divertido é o telefone de latas. Ele é feito com duas latas abertas e um barbante que tem suas extremidades presas às bases das latas. Para utilizá-lo, é necessário que uma pessoa fale na boca de uma das latas e uma outra pessoa ponha seu ouvido na boca da outra lata, mantendo os fios esticados. Como no caso do telefone comum, também existe um comprimento de onda máximo em que o telefone de latas transmite bem a onda sonora. Sabendo que para um certo telefone de latas o comprimento de onda máximo é 0,5 m e que a velocidade do som no ar é igual a 340 m/s, calcule a frequência mínima das ondas sonoras que são bem transmitidas pelo telefone. 1
02. (0,5) Observa-se, na figura a seguir, uma corda fixa em suas extremidades na qual foi estabelecida uma onda estacionária. Qualquer ponto da corda, com exceção dos nós, efetua 10 oscilações por segundo. Qual a velocidade das ondas que deram origem à onda estacionária? 03. (0,5) Para que um objeto possa ser visível em um microscópio qualquer, o comprimento de onda da radiação incidente deve ser pelo menos comparável ao tamanho do objeto. Na física quântica, o princípio da dualidade onda-partícula, introduzido por Louis de Broglie, propõe que partículas de matéria, como os elétrons, podem comportar-se como ondas de maneira similar à luz. Um exemplo de aplicação desse princípio é o que ocorre no microscópio eletrônico, em que um feixe de elétrons é produzido para iluminar a amostra. O comprimento de onda dos elétrons do feixe é muito menor que o da luz; com isso, consegue-se obter ampliações mil vezes maiores do que as de um microscópio óptico. Suponha que, para visualizar o vírus H 1 N 1 em um microscópio eletrônico, um feixe de elétrons tenha sido ajustado para fornecer elétrons que se propagam com comprimento de onda igual ao diâmetro do vírus (supondo forma esférica). Se a velocidade de propagação da onda do feixe for de 10 4 m/s e a frequência for de 10 11 Hz, determine o diâmetro do vírus H 1 N 1. 04. (1,0) Uma onda transversal de frequência 1 Hz se desloca em uma corda, conforme diagrama a seguir. Qual seu comprimento de onda e sua velocidade de deslocamento? 2
NOME N o 9 o ANO 05. (0,5) Um dos modelos usados na caracterização dos sons ouvidos pelo ser humano baseia-se na hipótese de que ele funciona como um tubo ressonante. Neste caso, os sons externos produzem uma variação de pressão do ar no interior do canal auditivo, fazendo a membrana (tímpano) vibrar. Esse modelo pressupõe que o sistema funciona de forma equivalente à propagação de ondas sonoras em tubos com uma das extremidades fechadas pelo tímpano. As frequências que apresentam ressonância com o canal auditivo têm sua intensidade reforçada, enquanto outras podem ter sua intensidade atenuada. Considere que, no caso de ressonância, ocorra um nó sobre o tímpano e ocorra um ventre da onda na saída do canal auditivo, de comprimento L igual a 0,034 m. Assumindo que a velocidade do som no ar (v) é igual a 340 m/s, determine a frequência do primeiro harmônico (frequência fundamental, n = 1) que se formaria no canal, ou seja, a frequência mais baixa que seria reforçada por uma ressonância no canal auditivo. 06. (1,5) Na geração da voz humana, a garganta e a cavidade oral agem como um tubo, com uma extremidade aproximadamente fechada na base da laringe, onde estão as cordas vocais, e uma extremidade aberta na boca. Nessas condições, sons são emitidos com maior intensidade nas frequências e comprimentos de ondas para as quais há um nó na extremidade fechada e um ventre na extremidade aberta. As frequências geradas são chamadas harmônicos ou modos normais de vibração. Em um adulto, este tubo do trato vocal tem aproximadamente 0,17m. A voz normal de um adulto ocorre em frequências situadas aproximadamente entre o primeiro e o terceiro harmônicos. Considerando que a velocidade do som no ar é 340 m/s, quais os valores aproximados, em hertz, das frequências dos três primeiros harmônicos da voz normal de um adulto? 3
07. O efeito Doppler é uma modificação na frequência detectada por um observador, causada pelo movimento da fonte e/ou do próprio observador. Quando um observador se aproxima, com velocidade constante, de uma fonte de ondas sonora em repouso, esse observador, devido ao seu movimento, será atingido por um número maior de frentes de ondas do que se permanecesse em repouso. Considere um carro trafegando em uma estrada retilínea com velocidade constante de módulo 20 m/s. O carro se aproxima de uma ambulância em repouso à beira da estrada. A sirene da ambulância está ligada e opera com ondas sonoras de comprimento de onda de = 0,5m. A velocidade de propagação do som no local é v = 340m/s. a) (0,5) Calcule a frequência do som emitido pela sirene da ambulância. b) (0,5) Calcule a frequência detectada pelo motorista do carro em movimento. 08. (0,5) Na Copa do Mundo de 2010, a Fifa determinou que nenhum atleta poderia participar sem ter feito uma minuciosa avaliação cardiológica prévia. Um dos testes a ser realizado, no exame ergométrico, era o eletrocardiograma. Nele é feito o registro da variação dos potenciais elétricos gerados pela atividade do coração. Considere a figura que representa parte do eletrocardiograma de um determinado atleta. Sabendo que o pico máximo representa a fase final da diástole, qual a frequência cardíaca desse atleta, em batimentos por minuto? 4
NOME N o 9 o ANO 09. O nível sonoro S é medido em decibéis (db) de acordo com a expressão S = (10 db) log (I/I 0 ), onde I é a intensidade da onda sonora e I 0 = 10-12 W/m 2 é a intensidade de referência padrão correspondente ao limiar da audição do ouvido humano. Numa certa construção, o uso de proteção auditiva é indicado para trabalhadores expostos durante um dia de trabalho a um nível igual ou superior a 85 db. O gráfico a seguir mostra o nível sonoro em função da distância a uma britadeira em funcionamento na obra. a) (0,5) A que distância mínima da britadeira os trabalhadores podem permanecer sem proteção auditiva? b) (0,5) A frequência predominante do som emitido pela britadeira é de 100 Hz. Sabendo-se que a velocidade do som no ar é de 340 m/s, qual é o comprimento de onda para essa frequência? c) (0,5) A intensidade da onda sonora emitida pela britadeira a uma distância d é igual a 10 5 w/m 2. Determine d. (3,0) TESTES: 01 02 03 04 05 06 A B C D E 5
01. Em dias de tempestade, podemos observar no céu vários relâmpagos seguidos de trovões. Em algumas situações, estes chegam a proporcionar um espetáculo à parte. É CORRETOafirmar que vemos primeiro o relâmpago e só depois escutamos o seu trovão porque: a) o som se propaga mais rápido que a luz. b) a luz se propaga mais rápido que o som. c) a luz é uma onda mecânica. d) o som é uma onda eletromagnética. e) a velocidade do som depende da posição do observador. 02. O efeito Doppler recebe esse nome em homenagem ao físico austríaco Johann Christian Doppler que o propôs em 1842. As primeiras medidas experimentais do efeito foram realizadas por BuysBallot, na Holanda, usando uma locomotiva que puxava um vagão aberto com vários trompetistas que tocavam uma nota bem definida. Considere uma locomotiva com um único trompetista movendo-se sobre um trilho horizontal da direita para a esquerda com velocidade constante. O trompetista toca uma nota com frequência única f. No instante desenhado na figura, cada um dos três observadores detecta uma frequência em sua posição. Nesse instante, a locomotiva passa justamente pela frente do observador D 2. Analise as afirmações abaixo sobre os resultados da experiência. I. O som percebido pelo detector D 1 é mais agudo que o som emitido e escutado pelo trompetista. II. A frequência medida pelo detector D 1 é menor que f. III. As frequências detectadas por D 1 e D 2 são iguais e maiores que f, respectivamente. IV. A frequência detectada por D 2 é maior que a detectada por D 3. Assinale a alternativa que apresenta as afirmativas corretas. a) Apenas I e IV. b) Apenas II. c) Apenas II e IV. d) Apenas III. 6
NOME N o 9 o ANO 03. O radar é um dos dispositivos mais usados para coibir o excesso de velocidade nas vias de trânsito. O seu princípio de funcionamento é baseado no efeito Doppler das ondas eletromagnéticas refletidas pelo carro em movimento. Considere que a velocidade medida por um radar foi V m = 20 m/s para um carro que se aproximava do aparelho. Para se obterv m o radar mede a diferença de frequências Δf, dada por Δf = f f 0 = ± V m c f 0, sendo f a frequência da onda refletida pelo carro, f 0 = 2,4 x10 10 Hz a frequência da onda emitida pelo radar e c = 3,0 x10 8 m/s a velocidade da onda eletromagnética. O sinal (+ ou -) deve ser escolhido dependendo do sentido do movimento do carro com relação ao radar, sendo que, quando o carro se aproxima, a frequência da onda refletida é maior que a emitida. Pode-se afirmar que a diferença de frequência Δf medida pelo radar foi igual a a) 1600 Hz. b) 80 Hz. c) 80 Hz. d) 1600 Hz. 04. A figura representa uma configuração de ondas estacionárias numa corda. A extremidade A está presa a um oscilador que vibra com pequena amplitude. A extremidade B é fixa e a tração na corda é constante. Na situação da figura, onde aparecem três ventres (V) e quatro nós (N), a frequência do oscilador é 360Hz. Aumentando-se gradativamente a frequência do oscilador, observa-se que essa configuração se desfaz até aparecer, em seguida, uma nova configuração de ondas estacionárias, formada por a) quatro nós e quatro ventres, quando a frequência atingir 400Hz. b) quatro nós e cinco ventres, quando a frequência atingir 440Hz. c) cinco nós e quatro ventres, quando a frequência atingir 480Hz. d) cinco nós e cinco ventres, quando a frequência atingir 540Hz. e) seis nós e oito ventres, quando a frequência atingir 720Hz. 05. Os termos a seguir estão relacionados às ondas sonoras. I. Volume se refere à intensidade da sensação auditiva produzida por um som e depende da intensidade e da frequência da onda. II. Altura se refere a uma qualidade da onda que depende somente da sua frequência: quanto menor a frequência maior a altura. III. Timbre é uma característica que depende da frequência e da intensidade dos tons harmônicos que se superpõem para formar a onda sonora. Está correto o que se afirma em a) I e II, apenas. b) II, apenas. c) III, apenas. d) I e III, apenas. 7
06. (DESAFIO) Todos os métodos de diagnose médica que usam ondas ultrassônicas se baseiam na reflexão do ultrassom nas interfaces (superfícies de separação entre dois meios) ou no efeito Doppler produzido pelos movimentos dentro do corpo. A informação diagnóstica sobre a profundidade das estruturas no corpo pode ser obtida enviando um pulso de ultrassom através do corpo e medindo-se o intervalo de tempo entre o instante de emissão do pulso e o de recepção do eco. Uma das aplicações do efeito Doppler é examinar o movimento das paredes do coração, principalmente dos fetos. Para isso, ondas ultrassônicas de comprimentos de onda de 0,3 mm são emitidas na direção do movimento da parede cardíaca. Como boa aproximação, a velocidade do ultrassom no corpo humano vale 1500 m/s. Se em um exame Doppler a velocidade de movimento de uma parede cardíaca for de 7,5 cm/s, qual será a variação da frequência observada devido ao efeito Doppler? a) 30 MHz b) 40 MHz c) 50 MHz d) 60 MHz Boa Prova e... Aquele Abraço!! Virgílio 8