Questões de Concurso Para professor - física

Descargas elétricas no ar seco ocorrem a tensões superiores a 30 kV (rigidez dielétrica). Para um arranjo de dois planos carregados com área de 1 cm² a uma distância de 1 cm e apenas ar entre os planos temos uma capacitância de cerca de C = 9 x 10-14 F. Por sua vez a energia armazenada em capacitores é dada pela expressão U = CV² /2. A energia disponível em uma descarga neste capacitor é de cerca de:

Considere o circuito elétrico abaixo com os resistores R1 a R4 ligados a uma fonte de tensão V. R1 = 40Ω, R3 = 80Ω. R2=R4 = R.

Para que com a chave na “posição A” a corrente que circula pelo circuito seja o dobro da corrente obtida com a chave na “posição B” qual das relações abaixo deve ser satisfeita para R.

Um experimento didático popular consiste em se construir “pilhas de limão” (ou de batata) para ligar diodos emissores de luz (LED). Emprega-se comumente eletrodos de zinco e cobre. Suponha que um circuito com 4 limões em série que tenha voltagem de circuito aberto de 2,0 V consegue acender um LED. Com esse circuito em funcionamento a tensão sobre o LED é medida em 1,5 V com um multímetro com corrente 0,01 A. A resistência interna total e a corrente de curto circuito deste gerador de 4 limões são, respectivamente

A velocidade de deriva de elétrons que participam da corrente elétrica no interior de um condutor é muito mais baixa que a própria velocidade do movimento térmico (velocidade de Fermi da ordem de 10³ m/s) e, evidentemente, muito mais baixa do que a velocidade da luz (da ordem de 10⁸ m/s). A corrente elétrica pode ser relacionada com densidade de elétrons livres do fio, que para o cobre é de 8,5×10²⁸ elétrons por metro cúbico, da área de seção do fio e da carga elementar do elétron, 1,6×10⁻¹⁹C em módulo. Assim, considere um fio de diâmetro de 2,0 mm percorrido por uma corrente de 1,6 A. Considere π = 3. O fluxo em volume/tempo é calculado pelo produto velocidade x área para corrente uniforme que atravessa a seção reta. A velocidade dos portadores de carga estará na escala de:

O consumo energético primário da humanidade (energia extraída das fontes entre elas, por exemplo, petróleo, carvão, gás e fontes renováveis) é estimado hoje estar por volta de 500EJ por ano (E, exa, 1018). Por sua vez a energia solar total irradiada anualmente sobre o planeta terra é de cerca de 4x10⁶ EJ. Em caráter de comparação de escala, se utilizássemos cada uma dessas duas quantidades anuais de energia separadamente (consumo primário da humanidade e solar) para aquecer idealmente toda a água disponível na Terra, de cerca de 1 x 10₉ km³ (considerando que estivesse em estado líquido com calor específico de 4J/gºC, densidade d=1000kg/m³ ), a elevação da temperatura da água seria da ordem de:

O máximo trabalho, e portanto a máxima eficiência, que se consegue extrair de uma máquina térmica é obtido pelo ciclo de Carnot que teria eficiência 100% apenas se o reservatório térmico frio estivesse a 0K (a impossibilidade disso é conhecida como segunda Lei da Termodinâmica). O emprego prático do ciclo de Carnot é inviabilizado de aplicações em virtude das trocas de calor entre a fonte quente e a fonte fria se darem em processos isotérmicos que acabam limitados pelo excessivo tempo que demandariam. A máxima eficiência acessível de uma máquina térmica operando entre os reservatórios de temperatura a 27ºC e 127ºC é

Em meados do século XVIII o conceito de calor especifico e de calor latente não estavam ainda formulados, tarefa que foi resolvida entre 1761 e 1772 com trabalhos dos físicos Joseph Black e Johan Carl Wilcke. Por volta de 1749 predominava a expectativa de que a temperatura de equilíbrio térmico sempre estaria na proporção das massas ou dos volumes das substâncias, sem menção à essa característica intrínseca dos materiais.
“Conforme demonstrou o químico escocês Joseph Black (1728 - 1799) em uma de suas célebres experiências (…) em 1757, ao misturar água a 78ºC com a mesma quantidade de gelo a 0ºC, observou que o gelo se fundiu todo mantendo-se, no entanto, em 0ºC.”
“A crônica do Calor: Calorimetria”, J.M.F. Bassalo, Revista Brasileira do Ensino de Física, Vol. 14 (1), 1992, p. 29.
Em experimentos de calorimetria são comuns desvios sensíveis entre valores observados e calculados com modelos ideais. Considerando o experimento de Black narrado por Bassalo segundo o modelo ideal em que há apenas trocas de calor entre a água, calor específico de 1 cal/gºC, e o gelo, calor latente de fusão de 80 cal/g, assinale a alternativa que representaria a expectativa teórica ideal.

A hidreletricidade ocupa posição central na matriz energética brasileira. A usina de Itaipu em particular é a maior usina hidrelétrica em operação no país e conta com um desnível (em relação às turbinas) para seu nível máximo de cerca de 200 m. A densidade da água é de 1kg/litro, admitindo o caso com o reservatório em sua capacidade máxima e que não houvesse perda de energia na cadeia de transformação da energia potencial da água em energia elétrica e no seu transporte ao local de consumo, a quantidade de litros de água que precisaria atravessar as turbinas da usina para abastecer a energia elétrica consumida por um chuveiro de 7500W operando a 80% de sua potência máxima durante um banho de 10min é de:

James P. Joule em junho de 1849 publicou o trabalho sob o título On the mechanical equivalent of Heat (Sobre o equivalente mecânico do calor), encaminhando de maneira determinante o estabelecimento da Lei da Conservação da Energia em meados do século XIX. Em sua última conclusão após a série de experimentos Joule escreve:
[Conforme demonstrado pelos experimentos contidos neste trabalho:] A quantidade de calor capaz de aumentar a temperatura de uma libra de água [0,45kg] de 1ºF necessita para sua realização uma quantidade de energia mecânica correspondente àquela disponível na queda de uma massa de 772 libras [350kg] a uma distância de um pé [30,5cm].
Adaptado de James Prescott Joule Philosophical Transactions of the Royal Society of London Vol. 140 (1850), pp. 61-82.
Por definição a unidade caloria que foi inventada para medir calor tinha como referência o calor específico da água, c =1 cal/gºC. Ao passo que joule é a unidade derivada para energia na mecânica. A equivalência entre duas quantidades físicas só pode se dar se elas puderem ser convertidas uma na outra. Dados: pontos do gelo e do vapor na escala Farenheit, respectivamente: 32ºF e 212ºF, considere g=10m/s² . A conclusão de Joule leva aproximadamente a:

A “Lei de resfriamento de Newton” consiste de um modelo simples para a dinâmica da temperatura T de um corpo inicialmente a uma temperatura T₀ , que troca calor com o ambiente, a uma temperatura TR < T₀ , em uma taxa proporcional apenas à diferença entre a temperatura do corpo e do meio exterior. A taxa de condução do calor entre o corpo e o meio que depende de características físicas como a superfície de contato entre o corpo e o meio é contabilizada em termos efetivos pela constante positiva k. A equação do modelo está representada na imagem abaixo. No gráfico temos o resultado do experimento conduzido para uma pequena quantidade de glicerina (10 cm³ ) em um tubo de ensaio a uma temperatura inicial T₀ =100ºC sendo a temperatura do ambiente TR = 21ºC. O perfil observado é aproximadamente exponencial. Considerando 1/e = 0,37. O valor da constante k para esse experimento é de aproximadamente:

A variação do volume de bolhas de ar em um meio líquido como o sangue depende da pressão do meio externo sobre as paredes da bolha e está associada a problemas graves de saúde como a embolia pulmonar gasosa, e consiste de um problema muito estudado na literatura médica, biológica e biofísica. Considere que pequenas bolhas de gás ideal são formadas no fundo de um recipiente com uma coluna de água de 20cm. Ao se desprenderem do fundo irão pela ação do empuxo serem trazidas à superfície que está à pressão de 1atm = 105 Pa. Considere a densidade da água de 1000 kg/m³ e g = 10m/s² . A temperatura do fluido ao longo do recipiente é constante. O aumento percentual no volume da bolha será de:

Considere uma barragem plana como a do esquema da Figura. O elemento diferencial da força exercida pelo fuido a uma altura z em relação ao fundo segue a expressão dF = p(z)dA, com dA = Ldz (elemento de área da barragem de largura L). A pressão p(z) é dada pela lei (ou teorema) de Stevin. A partir da integração da força ao longo da coordenada z de z=0 até a altura da coluna d’água, z=h temos a força total exercida pela coluna de água de altura h sobre a barragem. Considere uma barragem de comprimento L=20m, h=20m, e os valores de densidade da água de d=1000kg/ m³ e g=10m/s² . A expressão matemática da força total sobre a barragem devida a coluna d’água e seu valor físico para essa particular barragem são dados por:

Para determinar a velocidade do som em um experimento didático simples foram analisadas as ondas de som estacionárias (harmônicos) produzidas em um tubo cilíndrico aberto de 20cm geradas a partir de um tapa dado em uma de suas extremidades. Durante a produção do som um dos lados do tubo fica fechado pela mão. O espectro sonoro foi captado através de um microfone introduzido dentro do tubo e ligado a um software de análise das intensidades de cada frequência, sendo obtido o espectro sonoro da figura. Considere a velocidade de propagação da onda de som utilizando as medidas do primeiro e o terceiro harmônico apenas, o valor médio delas é de aproximadamente:

No diagrama abaixo temos o desenho em escala de um automóvel. As linhas cinzas indicam a posição das molas dianteiras e traseiras bem como do centro de massa do automóvel (posicionado na intersecção entre as duas faixas cinzas correspondentes). Em virtude do motor ser um dos componentes de maior massa em carros de tração dianteira o centro de massa em geral fica mais próximo da frente (onde ele é disposto) do que da traseira. Admita que as molas tanto traseiras quanto dianteiras tenham mesmo comprimento e que o carro é regulado para estar no nível (prumo) com a mesma compressão sobre todas elas. Sobre as constantes elástica das molas dianteiras, k_D, e traseiras, k_T , assinale a alternativa correta.

Com a tecnologia dos dispositivos eletrônicos móveis o desenvolvimento de experimentos caseiros de baixo custo com razoável precisão se mostra como um interessante paradigma de ensino. Abaixo um experimento simples com um tablet dentro de uma sacola (disposto paralelamente ao chão para reduzir os efeitos de corpo extenso), configurando um pêndulo simples. A distância do dispositivo ao ponto de fixação é de cerca de 40cm. Os dados de leitura do acelerômetro do dispositivo foi realizado por meio de um aplicativo. A janela de dados de pouco mais de 8s considerada faz com que os efeitos de dissipação por atrito sejam menos significativa. Com o ajuste por mínimos quadrados se obteve a função a=0,85sen(4,9t). Considerando o modelo de pêndulo simples ideal esse experimento permite calcular o valor para a aceleração da gravidade como sendo aproximadamente:

Em laboratórios é muito comum o emprego de centrífugas para acelerar o processo de decantação de particulados suspensos em solução ou de separação de líquidos em misturas. Para um experimento didático prende-se ao eixo de uma centrífuga de eixo R = 10cm através de um pino posicionado muito próximo a uma das arestas de um quadrado de acrílico uniforme de lado a=3cm e massa de 100g. Se o atrito entre o corpo e o pino que o fxa ao eixo rotor é desprezível, considerando π=3, e que a inclinação do corpo seja de θ = 45° com a centrífuga em operação, a respeito da frequência de rotação da centrífuga e a dependência do resultado com as dimensões do corpo, assinale a alternativa correta.:

Como se sabe da vida prática um parafuso ou uma rosca quando oxidado podem concentrar forças resistivas bastante altas. Considere a situação em que uma pessoa ira utilizar o seu peso subindo sobre uma chave de boca no ponto indicado por X no desenho abaixo

Suponha que a chave tem dimensões A=15cm, B=30cm, C=6cm, a pessoa tem massa de 70kg. O diâmetro da rosca do parafuso, onde se aplica a força efetiva de resistência nos sulcos, é de 1cm a força efetiva é perpendicular ao eixo de rotação do parafuso. Com a chave paralela ao chão (90º com a vertical) ocorre a iminência do destravamento do parafuso. Considere g = 10m/s² , e se, necessário, √409 ≈ 20 e √73 ≈ 8,5. Assinale a alternativa correta

Dois corredores A e B seguem padrões cíclicos no perfil de velocidades registrado no gráfico abaixo durante uma competição. Admitindo que estes ciclos de velocidade se repitam indefinidamente até que acabe a corrida Taquaral Trail Run de 12km no município de Cáceres/MT, o número aproximado de meios ciclos e o tempo em que a prova será completada por cada corredor será:

O problema da Braquistócrona (do grego brakhisto - o mais curto, e chronos - tempo) foi proposto como desafio por Johann Bernoulli à comunidade científica em 1696 que podemos enunciar como: “Entre os muitos (infinitos) caminhos (trajetórias) possíveis entre dois pontos A e B (não verticalmente alinhados) as alturas distintas em um sistema de um corpo em um campo gravitacional uniforme inicialmente parado, qual deles terá o menor tempo de percurso?” Esse famoso problema de mecânica e cálculo das variações motivou um vídeo-demonstração popularizado nas redes sociais feito por Michael Stevens em seu canal de ciência que hoje conta com mais de 12 milhões de inscritos e mais de 1bilhão de visualizações. Desconsiderando eventuais desvios devido a forças resistivas assinale a alternativa correta:

Abaixo temos o arranjo de um experimento de baixo custo desenvolvido para estudo do modelo de queda livre e do erro estatístico gaussiano em medidas de tempo. A esfera metálica está presa a um eletroímã e então passa durante a queda livre por dois sensores posicionados em S₁ e S₂ que consistem de fotodiodos cujo sinal é controlado por uma placa Arduíno programada para calcular o tempo gasto pela esfera durante o deslocamento entre os sensores. Se d = 2,45cm e considerando g=10m/s² , para que o tempo médio obtido no equipamento nas muitas realizações do experimento seja de 200ms, a distância entre os sensores deve ser aproximadamente: