ACAFE 2023 (Inverno) — questão 29 de Física

Enunciado em texto
Os seres vivos estão sob influência de vários campos físicos como gravitacionais e geomagnéticos, desde o começo de sua existência, por conta disto, são sensíveis a eles e podem detectar campos magnéticos estáticos por meio de estruturas especializadas ou órgãos, ou podem ser afetados por variações temporais desses campos magnéticos (Belova & Acosta-Avalos, 2015).
[Figura 1: eixos x e y cruzando-se no centro de uma região toda preenchida por símbolos “×” (campo magnético entrando no plano da página; no canto superior esquerdo, com o símbolo ⊗). A carga q está sobre o eixo horizontal, à direita da origem, no ponto O, com o vetor velocidade apontando para cima.]
FIGURA 1
Considere uma partícula com massa kg positivamente carregada, com carga elétrica de módulo 5 μC, sendo lançada, conforme mostra a Figura 1. No instante t = 0, o lançamento ocorre no ponto O com velocidade 72 km/h em uma direção perpendicular a um vetor campo magnético , de módulo 80 T, orientado conforme a Figura 1. Baseado nos conceitos de magnetismo e eletromagnetismo, a velocidade média entre os instantes t = 0 e t = 4,5 s é aproximadamente:
A) 3,4 m/s
B) 4,8 m/s
C) 5,5 m/s
D) 6,2 m/s
(Enunciado e figura: Vestibular de Medicina ACAFE — Inverno 2023, Física — ACAFE.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Associação Catarinense das Fundações Educacionais (ACAFE).
Resolução comentada
O que a questão pede: a velocidade média (deslocamento dividido pelo tempo) da partícula entre 0 e 4,5 s, sabendo que ela faz movimento circular uniforme no campo.
Passo 1 — o tipo de movimento. A velocidade é perpendicular a , então a força magnética, , é sempre perpendicular à velocidade: ela só curva a trajetória, sem mudar o módulo da velocidade. A partícula faz MCU (desprezando o peso, como a questão pretende). Velocidade em m/s: 72 km/h = 20 m/s.
Passo 2 — o raio. A força magnética faz o papel de resultante centrípeta:
Passo 3 — o período. Uma volta tem comprimento , percorrida com velocidade v:
Então 4,5 s são de volta.
Passo 4 — o deslocamento. Depois de 3/4 de volta, a partícula está num ponto do círculo a 270° (ou, pelo outro lado, 90°) da posição inicial. O deslocamento é a corda que liga os dois pontos, hipotenusa de um triângulo retângulo com dois raios como catetos:
Passo 5 — a velocidade média:
Conferindo o sentido (não muda a resposta): pela regra da mão direita, com a carga positiva subindo e entrando na página, a força aponta para a esquerda; o centro da circunferência fica 20 m à esquerda de O, e a partícula gira no sentido anti-horário.
⚠️ A armadilha: confundir velocidade média com o módulo da velocidade no MCU. A partícula anda o tempo todo a 20 m/s, mas a velocidade média usa o deslocamento (a corda de 28 m), não o caminho percorrido (o arco de 90 m). Outro escorregão é usar o arco de 3/4 de volta como deslocamento.
A ideia em uma frase: no campo magnético a carga gira com R = mv/(qB) e T = 2πm/(qB); a velocidade média é a corda entre o ponto inicial e o final dividida pelo tempo.
Resposta: alternativa D (≈ 6,2 m/s).
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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