UNICAMP 2020 (2ª fase) — questão 16 de Física

Enunciado em texto
Julho de 2019 marcou o cinquentenário da chegada do homem à Lua com a missão Apollo 11. As caminhadas dos astronautas em solo lunar, com seus demorados saltos, são imagens emblemáticas dessa aventura humana.
a) A aceleração da gravidade na superfície da Lua é m/s². Calcule o tempo de queda de um corpo solto a partir do repouso de uma altura de 1,8 m com relação à superfície lunar.
b) A espectrometria de massas é uma técnica que pode ser usada na identificação de moléculas da atmosfera e do solo lunar. A figura ao lado mostra a trajetória (no plano do papel) de uma determinada molécula ionizada (carga C) que entra na região de campo magnético do espectrômetro, sombreada na figura, com velocidade de módulo m/s. O campo magnético é uniforme e perpendicular ao plano do papel, dirigido de baixo para cima, e tem módulo T. Como ilustra a figura, na região de campo magnético a trajetória é circular de raio cm, e a força centrípeta é dada pela força magnética de Lorentz, cujo módulo vale . Qual é a massa da molécula?
(Figura: a molécula (, ) chega pela esquerda com velocidade horizontal, para a direita, e entra na região sombreada, onde há o campo , indicado pelo símbolo de vetor saindo do papel. Dentro dela, descreve uma semicircunferência tracejada de raio , que desce pela direita, e sai da região pela esquerda, abaixo do ponto de entrada, movendo-se para a esquerda.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2020, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) quanto tempo um corpo leva para cair 1,8 m na Lua; (b) a massa da molécula, a partir do raio da sua trajetória no campo magnético.
Item (a) — queda livre. O corpo parte do repouso com aceleração constante , então :
(Na Terra, com m/s², a mesma queda levaria só 0,6 s: daí os “saltos demorados”.)
Item (b) — a força magnética faz o papel de resultante centrípeta. A força de Lorentz é sempre perpendicular à velocidade, então só muda a direção do movimento, e a trajetória é circular:
Com cm m:
Conferindo: isso dá cerca de 43 vezes a massa do próton ( kg), valor típico de uma molécula pequena, como o CO₂ (44 u).
⚠️ A armadilha: no item (b), esquecer de converter 36 cm em 0,36 m (a massa sairia cem vezes maior) ou cancelar o errado e escrever . No item (a), usar sem o fator 1/2, o que dá cerca de 1,06 s.
A ideia em uma frase: queda a partir do repouso: ; no espectrômetro, a força magnética é a centrípeta, e o raio da curva revela a massa: .
Resposta: (a) s; (b) kg.
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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