UNESP 2024 (2ª fase) — questão 21 de Física

Enunciado em texto
Devido ao atrito com o ar, insetos voadores podem acumular uma pequena quantidade de carga elétrica positiva em seu corpo enquanto voam. Considere uma abelha que tenha acumulado uma carga elétrica C voando nas proximidades de uma flor, no centro da qual havia sido colocada uma carga elétrica, também positiva, C, em um experimento que investigava a eletrização dos corpos dos insetos. Nesse experimento observou-se que a menor distância a que essa abelha chegava do centro da flor era m, a partir da qual se afastava, voando para longe, sugerindo que existia um campo elétrico mínimo () ao qual as abelhas são sensíveis.
(Figura: uma abelha, com a carga q, à esquerda, e uma flor, com a carga Q no centro, à direita; a distância d entre a abelha e o centro da flor está indicada por uma cota horizontal.)
Adote para a carga elétrica elementar o valor C e, para a constante eletrostática do ar, o valor N · m²/C².
a) Calcule a diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que essa abelha tem em seu corpo, por estar eletrizada com a carga q positiva. Essa diferença deve-se ao fato de a abelha ter perdido elétrons ou ganhado prótons durante seu voo? Justifique sua resposta com base na posição dessas partículas nos átomos, segundo o modelo atômico clássico.
b) Calcule a intensidade da força de repulsão, em N, entre a abelha e a flor, quando elas estão a 20 cm uma da outra. Calcule, também, a intensidade de , em N/C.
(Enunciado e figura: Vestibular Unesp 2024, 2ª fase — Unesp/Vunesp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Estadual Paulista (Unesp) e à Fundação VUNESP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) quantas cargas elementares "sobram" na abelha e se isso vem de elétrons perdidos ou prótons ganhos; (b) a força de Coulomb entre abelha e flor a 20 cm e o campo elétrico que a flor cria ali.
Item (a) — quantização da carga. Toda carga é um múltiplo inteiro da carga elementar: , em que n é o excesso de prótons sobre elétrons:
Item (a) — elétrons ou prótons? A abelha perdeu elétrons. No modelo atômico clássico, os prótons ficam no núcleo, presos pela interação nuclear; os elétrons ficam na eletrosfera, a parte externa do átomo, e são eles que podem ser arrancados pelo atrito com o ar. Em nenhum processo de eletrização (atrito, contato ou indução) um corpo ganha ou perde prótons.
Item (b) — a força de Coulomb. As duas cargas são positivas, por isso a força é de repulsão. Com m, m²:
O produto das cargas é C²:
Item (b) — o campo mínimo. A abelha dá meia-volta a 20 cm do centro da flor, então o campo que ela "sente" ali é . É o campo da carga Q a essa distância:
Conferindo: N. Bate. A banca aceitou também esse caminho para o campo.
⚠️ A armadilha: no item (b), usar a distância em centímetros (, ): a força sai vezes menor. Outro deslize é calcular o campo com a carga da abelha (q) em vez da carga da flor (Q): o campo que atua sobre a abelha é criado pela flor. No item (a), dizer que a abelha "ganhou prótons" perde o ponto, mesmo com a conta certa.
A ideia em uma frase: corpo positivo é corpo que perdeu elétrons; a força entre cargas pontuais é e o campo da flor é .
Resposta: (a) a diferença é ; a abelha perdeu elétrons, que ficam na eletrosfera, enquanto os prótons estão presos no núcleo; (b) N e N/C.
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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