Baixe Solution Exame Unificado de Física - EUF 2011-2 e outras Provas em PDF para Física, somente na Docsity! Solution Exame Unificado de Física — EUF 2011-2 São necessários milhares de acertos para um projeto dar certo, mas basta uma falha para ele dar errado. Marcos Pacheco mar pacQuol.com.br Q1. Uma bala de massa m é disparada com velocidade v contra um disco homogêneo de ma: Me raio R, inicialmente parado, que se encontra deitado sobre uma superfície horizontal lisa sem atrito. Suponha que a bala atinja o disco como indicado na figura e fique retida na superfície do disco. Considere que o centro de massa do sistema (disco + bala) após coincide com o centro do disco. Dado: IS, = IMR?. (a) Qual é a velocidade do centro do disco após a colisão? (b) Qual é a velocidade angular do sistema (disco + bala) após a colisão? (c) Qual é a variação de energia do sistema devido à colisão? Q2. Uma partícula de massa m sob a ação da gravidade q constante está vinculada a se mover no interior da superfície de um cone invertido cuja geratriz forma um ângulo « com o eixo do cone. O vértice do cone está na origem e seu eixo ao longo da direção vertical. O atrito pode ser desprezado. (a) Determine a energia cinética e a energia potencial da partícula. Sugestão: utilize coordenadas esféricas. (b) Escreva a lagrangiana do sistema e obtenha as equações do movimento. (c) Há grandezas físicas conservadas no movimento dessa partícula? Se há, diga quais são as grandezas, argumentando sobre como chegou à conclusão de que são conservadas. (d) A partir da definição da hamiltoniana, obtenha sua forma explícita em termos das coordenadas e momentos generalizados, e compare-a com a energia mecânica da partícula. (e) Mostre que a partícula em questão pode executar pequenas oscilações radiais em torno de um raio de equilíbrio r, e determine sua frequência. Compare o valor obtido com a frequência de revolução no movimento circular. Q6. QT. Em uma fábrica de chocolate em pó, utiliza-se tubulações com ar comprimido para mover o chocolate em pó entre diferentes setores. Entretanto, com o atrito, o chocolate acaba ficando eletricamente carregado, de tal forma que temos uma densidade volumétrica uniforme de cargas positivas p dentro da tubulação de raio R. Suponha que os tubos são condutores e encontram-se aterrados, e que a constante dielétrica do ar não é alterada pelo chocolate em pó. (a) Calcule o campo elétrico dentro e fora da tubulação, considerando que esta é um cilindro muito longo. (b) Calcule o potencial elétrico dentro e fora da tubulação. Tome V = Q na parede do tubo. (c) Esboce o gráfico do campo elétrico e do potencial em função da distância ao eixo da tubulação. (d) Se o campo elétrico for maior que um certo valor E,, podemos ter o rompimento da rigidez dielétrica do ar, resultando numa faísca elétrica. Como o chocolate em pó é muito inflamável, uma faísca no interior da tubulação poderia causar uma explosão. Determine qual condição a tubulação deve satisfazer para evitar este risco. Um plasma pode ser pensado como um gás clássico (não relativístico) de íons positivos e elétrons. Estamos interessados inicialmente na interação de uma onda eletromagnética com os elétrons livres deste plasma, já que têm massa muito menor do que os íons positivos. (a) Para uma onda eletromagnética harmônica transversal, seu campo elétrico E pode ser expresso na forma: Mostre que nas operações envolvendo V. este operador pode ser substituído por ik, cas derivadas temporais & por —iw. Reescreva as equações de Maxwell usando estes fatos. Considere que a onda harmônica se propaga na direção z e suponha que o número médio de elétrons por unidade de volume do plasma é n. (b) Mostre que a densidade de corrente induzida pelo campo elétrico da onda é 2 + ne a J=i—E, mw onde e e m são, respectivamente, a carga e a massa do elétron, e w é a frequência da onda. Justifique cuidadosamente suas hipóteses. c) Partindo das equações de Maxwell, obtenha a relação de dispersão w(k) para a Partindo di: ões de M: Il, obtenh: lação de di ã (k) propagação da onda. (d) O plasma admite a propagação de ondas com quaisquer frequências? Justifique sua resposta. Qs. Q9. Seja a função de onda de uma partícula em uma dimensão, dada por Y(a,t). A densidade de probabilidade p(x,t) é definida como p(z,t) = Tx, )Y(x,t). O valor de p(x,t) pode mudar no tempo devido ao fluxo de probabilidade saindo ou entrando na região, que se pode expressar como uma equação de continuidade, dp dj d+ dr onde j(x,t) é a densidade de corrente de probabilidade. (a) Dada a equação de Schrôdinger, op [-h2 9? o — E ã+ V(a) ih, º 2m Ox? T, . * . =" escreva a derivada temporal de p(x,t) em termos de W, W e suas derivadas espaciais. (b) Obtenha a forma explícita de j(a,t). d(x) dt” valor esperado do momento, (p). Dica: use integração por partes e assuma que as (c) Ache a equação relacionando a derivada do valor esperado da posição, com o . oW o . . 1 funções Y e sua derivada, ——, vão ao infinito mais rápido do que —. a da Seja o seguinte hamiltoniano representativo de um sistema físico: H = huw(ala + 1/2). Os autoestados deste hamiltoniano são denominados |n), são não-degenerados e satisfazem Nin) = nn), onde n é um número inteiro e N=áâl. (a) Assuma que os operadores à e à! obedecem à relação de comutação [â,ã!] =1. Mostre que os estados â|n) e ât|n) são autoestados de N, usando as relações de comutação. a , m . Determine os autovalores correspondentes a estes estados, n' e n , respectivamente. (b) Dado que todos os estados |n) são não degenerados, determine a constante de proporcionalidade entre os estados â|n) e os estados |n') encontrados no item (a). Dica: lembre que todos os estados são normalizados. Assuma que o valor esperado do hamiltoniano em qualquer de seus autoestados seja positivo, (H) >0,e que â/0)=0. O que se pode concluir sobre o número de estados |n): ele é finito ou infinito? (c) Assuma agora que os operadores à e à! obedecem à relação de anticomutação fáa) = ààl + àlã=1. Mostre que os estados âln) e â'|n) são autoestados de N, usando as relações de anticomutação, e determine os autovalores n' e q! correspondentes a estes estados. Dado que todos os estados |n) são não degenerados, determine a constante de proporcionalidade entre os estados â|n) e esses estados In'). Dica: Lembre que todos os estados são normalizados. (d) Assumindo, como no item (c), que os operadores à e à! obedecem à relação de anticomutação, que o valor esperado do hamiltoniano em qualquer de seus autoestados seja positivo, (H)>0, e que â/0) = 0, isto implica que o número de estados |n) é finito. Quais são estes únicos estados |n) não nulos neste caso? Q10. A lei de Stefan-Boltzmann diz que a densidade de energia total do campo eletromagnético dentro de uma cavidade em equilíbrio térmico é dada por uT)=aT!, onde a é uma constante. (a) Podemos derivar a lei de Stefan-Boltzmann usando argumentos termodinâmicos. Sabendo que, em equilíbrio termodinâmico, a densidade de energia da radiação independe do material que forma as paredes, podemos concluir que qualquer variável extensiva da radiação em uma cavidade deverá ser proporcional ao volume da cavidade e depender apenas da temperatura. Em particular, a energia interna e a entropia da radiação serão U=u(T)V e S=s(T)V, respectivamente. Podemos usar o eletromagnetismo c são de radiação nas paredes da cavidade. Ela tem a forma de P = 40, Usando termodinâmica, demonstre a lei de Stefan-Boltzmann. (b) Agora obtenha esse resultado usando física estatística, assumindo que a radiação eletromagnética é um gás de fótons. co para calcular a pre: as informações e a primeira lei da i Calcule a função de partição, Z, e mostre que o número médio de fótons com energia e;é 1 onde 83= —. keT ii. Obtenha a lei de Stefan-Boltzmann. Você pode usar que o número total de fótons por unidade de volume e frequência entre [w,w + dw] é dado por 2 wédw do = Rn , g(w)do re onde « é uma constante e €, = hw é a energia de um fóton. A A add tod o np ama mb x Vs A piu muf o DO sudo 906 jo Rod py 1a 7- O (4 +39 +") o são das op + RR Ad O dm id tab pm js A pbna nim) +) pé sb + nina co tu E a 50 A e 2 À Aoibb a trama + À Mud q= es (a + pé Pnad) om EuER DIA ciméricA 2 bia Pommerat prenda, ma M God asa a ! po movi me nto b) LagatmGiava E Equações E a pp galho 4h nmd)— mm ne p a ) ) % lena E Quação EM o: a) A Sr ER IA E ma fp oa of ) dl .2 2. ma | aro À (204 ha) pg tod a E Es d po o nPame - + Equação em po A(dE): Pt “apl de Al ma and Alá de PV dL- O a» X $o é RR a Es) 4 medio) -0 = dr ay d+ mê À pm Em consta TE VIMENTO e) Grp dE 2H) CONSERVADO) MO Mo , VIMOJ NO ITEM AMÉRIOR quE em OU SEJA, E coLSERvADA MO MOVIE » ' brmdEZA Fisica E esa ? | O moMEMO pubulm PA PrercucA Em Relação À prRIGEM (uérnce do cont) É Le may por) Red sm PERPEM DlcuLHd E) (atm q0 = 1) Mas nr = Pe = É N sui o) QE aka PD Lo mpn = om nfb nº atual) = maboma cl A comoreME Ls do ver L E (ver FIGURA ) . 2 Lj Lome = mr À sina Mas EST varor de L3 E EXATAMEME A core mê É nim q ENcoThêMO) COMO covsTuçE do MovimENTO. 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