Baixe Solution Exame Unificado de Física - EUF 2011-1 e outras Provas em PDF para Física, somente na Docsity! Solution Exame Unificado de Física — EUF 2011-1 Os animais sentem dores como nós. Por isto sou contra as touradas, Farra do Boi e festividades que maltratam os animais. É insano machucá-los apenas para nossa simples diversão. Marcos Pacheco mar pacQuol.com.br Q1. Considere um corpo de massa M de seção transversal circular de raio R que rola sem desliza- mento sobre um plano que possui um ângulo de inclinação 9 em relação à horizontal, conforme mostra a figura abaixo. O coeficiente de atrito estático entre o corpo e o plano é jte. O mo- mento de inércia do corpo em relação a um eixo passando pelo ponto O é T e a aceleração da gravidade é 9. (a) Desenhe o diagrama de forças para o corpo. Escreva a equação que relaciona a velocidade angular, , de rolamento do corpo e a velocidade de translação, à, que caracteriza um rolamento sem deslizamento. (b) Determine a aceleração %, associada à translação do corpo ao longo do plano inclinado, em termos dos parâmetros que constam no enunciado. (c) Assuma que o corpo inicia o seu movimento a partir do repouso na origem do sistema de coordenadas cartesianas indicado na figura. Calcule a energia mecânica no início e no final do movimento. A energia mecânica do sistema é conservada? (d) Calcule o momento de inércia 7 considerando que o corpo seja (i) um anel e (ii) um disco. Assuma que as massas dos corpos estão uniformemente distribuídas. Suponha agora que o ângulo 6 possa ser variado. A partir de qual 8 cessa o movimento de rolamento puro e o corpo começa a deslizar, nos casos (i) e (ii) acima? Deixe a resposta em termos de [te. Q2. Considere o pêndulo invertido da figura abaixo, composto por uma barra de massa M e mo- mento de inércia Jo em relação ao seu centro de massa, cujas coordenadas são (X,Y). A barra pode girar livremente no plano xy em torno de um eixo de rotação que passa pela posição (xp,Yp), à uma distância / do centro de massa. A aceleração da gravidade é g. (a) Escreva as equações para a energia cinética e potencial do sistema em termos de X, Y e 0. Para os itens (b), (c) e (d) assuma que um agente externo faz o eixo de rotação oscilar hori- zontalmente com frequência angular w, ou seja, tem-se yp(t) = 0 e xp(t) = Acos(wt). (b) Escreva a lagrangiana do sistema em termos da coordenada generalizada 0. (c) Escreva a equação de movimento para a lagrangiana do item (b). (d) Considere que o sistema executa pequenas oscilações (6 pequeno). Mostre que neste caso, o(t) = a cos(wt) + 8 sen(wt) é uma solução para o problema. Determine a e 9. Q6. Coloca-se uma esfera metálica descarregada, de raio R, numa região do espaço inicialmente preenchida por um campo elétrico dado por E; Eo k. Escolha a origem do sistema de coordenadas no centro da esfera. (a) Esboce as linhas do campo elétrico em toda a região do espaço. Justifique o esboço utilizando argumentos físicos. (b) Determine o campo elétrico E (7) em toda a região do espaço. Em particular, encontre os campos para os pontos em que |7| > Re |7| = R e verifique se eles são consistentes com o esboço no item (a). (c) Ache a densidade de carga na esfera. Se a esfera possuir raio igual a 10 cm e Ey = 100 N/C, calcule as cargas acumuladas nos hemisférios norte e sul da esfera. (d) Suponha que a esfera metálica seja substituída por uma esfera dielétrica. Discuta qua- litativamente o que ocorre neste caso e esboce as linhas do campo elétrico em toda a região do espaço. Q7. Considere o arranjo hipotético ilustrado na figura abaixo, em que um fio sólido de raio a estendido ao longo do eixo z conduz uma corrente elétrica 7, uniformemente distribuída sobre a sua seção transversal, que é mantida constante. A pequena lacuna no fio, de largura w < a, forma um capacitor de placas paralelas. A carga no capacitor é zero no instante t = 0. (a) Encontre o vetor campo elétrico na lacuna em função da distância p a partir do eixo z e do tempo t, além dos parâmetros 7,w e a. Despreze os efeitos de borda. (b) Encontre o vetor campo magnético na lacuna em função de p e t e dos parâmetros T,w e a. (c) Calcule a densidade de energia eletromagnética uem € o vetor de Poynting na lacuna, indicando explicitamente a sua direção e o seu sentido. (d) Determine a energia total U.m na lacuna em função do tempo. Compare a taxa de variação de U.m com o tempo e o fluxo de energia por unidade de tempo (fluxo de potência), obtido fazendo-se a integral de superfície do vetor de Poynting. Q8. Considere uma partícula de massa m na presença de um potencial harmônico V (x) = amwZr?, onde w é a frequência angular do oscilador e x é a coordenada da partícula (1-dim). (a) São dadas as funções de onda estacionárias correspondentes ao estado fundamental '/p e ao primeiro estado excitado w: vo ( A ep (-5ea?) , Ba exp (-5ea?) ; onde A e B são constantes de normalização. Calcule 4 e B supondo que as funções de onda sejam reais. (b) Seja Eo a energia do estado fundamental. Sabemos que E, = Eo + hw para o primeiro estado excitado, já que o quantum de energia do oscilador é hw. Usando a equação de Schrôdinger, encontre a energia Ep. (c) Para os estados estacionários, o valor médio da posição (x) é sempre nulo. Construa uma função de onda não estacionária como combinação linear de 1) e 1) com coeficientes reais, tal que o valor médio (x) seja o maior possível. Em outras palavras, considere o estado normalizado v (x) = v1= 82 vo (2) +08 un (a com 0 < 32 < 1 e determine o coeficiente 3 que maximiza o valor de (x). (d) Suponha que a função de onda construída no item anterior descreva o estado do oscilador harmônico no tempo t = 0. Escreva a função de onda do estado para um tempo t > 0 arbitrário, supondo que nenhuma medição foi feita sobre o sistema. Para esse estado, avalie o valor médio da posição (x)(t) em função do tempo. Q9. Seja uma partícula com momento angular | = 1 (a) Na representação onde as matrizes de L2? e L, são diagonais, obtenha a matriz da compo- nente L,. Lembre que a matriz de Ly deve representar um operador hermitiano. Sugeri- mos usar os operadores escada L... (b) Calcule os autovalores de Lx. (c) Encontre o autovetor de L, com o maior autovalor. (d) Suponha agora que você encontrou o maior autovalor numa medição de L,. Calcule as probabilidades de medir respectivamente +h, 0 e —h numa medição posterior de L,. QIO. Um mol de um gás ideal monoatômico se encontra na temperatura T e ocupa um volume V. A energia interna por mol de um gás ideal é dada por u = cvT, onde cy é o calor específico molar, que é considerado constante. Responda as questões abaixo: (a) Considere a situação em que o gás se encontra em contato com um reservatório térmico na temperatura T e sofre uma expansão quase-estática reversível na qual o seu volume passa de V para 2V. Calcule o trabalho realizado pelo gás durante a sua expansão. (b) Ainda com relação ao processo físico descrito no item (a), determine o calor trocado pelo gás com o reservatório térmico. rito (c) Determine as variações de entropia do gás e do reservatório térmico no processo des: no item (a). (d) Considere agora a situação em que o gás está isolado e sofre uma expansão livre na qual o seu volume passa de V para 2V. Determine as variações de entropia do gás e do universo durante o processo de expansão livre. a) Dj ACRAMA Força! Equrção É EMME VELOCIDADE veLocipde dE reamjLAçdão Priy ola U ' a : Us A X « vetocbme dE frasiaçi do R erupção sem DESLIZAR b) ACELERAÇÃO dE TRaiLa Cie x ' n "ua PoRÇA NORMAL Sega fe A ronça de mero É à sofearí CE Mg suo - fa pus MORE Pp tea da Mx 3 nz E: My amo ir Jg tono M4 E q Cubo - Mt to) e) E ué bik mechea MO meio E vo FAL do movimento Eua Eporecar * nad Eis mi EO 2 Jmê + LI à A R PA RAMPA. Ea (1 4) ome Ar veLotOME ma Bale Á (úlijse O corpo É Um Queo T- ue? OD So up - di tre = RÉU quo Mt 2 ABR im Amp > 3 ML eo q hgo 7 Sh4 peru Zito vom fubuio eoueLulho, O AMEL começa À que AL O Diseo mEVOR QuE o fubuio DESLIZAR. .O CM vi ESM mECES- SERIAMEME NO MEIO DA BRA As o) Evencia eménca E OTEXCIAL Em TERMOS ph! Coord: (x, v,8) CA Nba ) E . EXENAR CrÉNCA TOLO = EVELIAS CAMETICA tivgra DO EM Em forro do CM + Emendtr eménes de rornção da bras TE Lufo ey) 4 138" 2 obs. QE TEOREMA DO Eno! preaceto) Tp: To ML MAS poui temo! qe ust Tem > To H Co EvpRGIA PoftuCiat Cow SME RaDO Vfo-5) =? 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