PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 3 (Física) da 2ª fase do IME 2019

Uma partícula carregada efetua um movimento circular na região onde há um campo magnético, conforme mostra a figura. Durante todo o movimento, uma antena situada no ponto mais à esquerda da trajetória acompanha rigorosamente a imagem da partícula refletida em um espelho plano, que se desloca para a esquerda em velocidade constante, conforme mostra a figura. Em função do tempo t e dos dados da questão, determine:
a) as componentes x e y da posição da imagem da partícula em relação à antena;
b) as componentes x e y da velocidade da imagem da partícula; e
c) a velocidade angular da antena, a partir dos resultados obtidos nos itens anteriores.
Considerações:
- no instante t = 0, a partícula está no ponto mais à direita da trajetória;
- no instante t = 0, o espelho parte da posição onde está situada a antena; e
- despreze o efeito gravitacional.
Dados:
- carga da partícula: +Q;
- massa da partícula: m;
- módulo da velocidade do espelho: u;
- módulo da densidade de campo magnético da região: B; e
- raio da trajetória: r.
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Resolução comentada
a) O campo entra no plano (-\hat z) e a carga é positiva. Para a força magnética apontar ao centro quando a partícula está no ponto mais à direita, ela deve girar no sentido anti-horário. De QvB = mv^2/r vem \omega = v/r = QB/m.
Tome a origem no centro da trajetória. A partícula fica em (r\cos\omega t,\ r\,\sen\omega t) e a antena em (-r,0).
O espelho está a uma distância ut à esquerda da antena, no plano x=-r-ut. A imagem tem a mesma ordenada da partícula e abscissa simétrica em relação ao espelho:
Relativa à antena (subtraindo -r):
Resposta: x=-\left[2ut+r+r\cos\left(\tfrac{QB}{m}t\right)\right] e y=r\,\sen\left(\tfrac{QB}{m}t\right).
b) A antena está parada, então a velocidade da imagem é a derivada da posição relativa:
Com \omega=QB/m:
Resposta: v_x=-2u+\dfrac{QBr}{m}\sen\left(\dfrac{QB}{m}t\right) e v_y=\dfrac{QBr}{m}\cos\left(\dfrac{QB}{m}t\right).
c) A antena aponta para a imagem. Sua velocidade angular é a da linha antena–imagem, que é a componente de velocidade perpendicular à linha dividida pela distância:
Seja c=\cos\omega t e s=\sen\omega t. Substituindo x, y, v_x e v_y:
- Numerador: -r\omega c\,[r(1+c)+2ut]-rs(-2u+r\omega s)=r\left[2us-r\omega(1+c)-2ut\,\omega c\right], usando c^2+s^2=1.
- Denominador: [r(1+c)+2ut]^2+r^2s^2=2r^2(1+c)+4utr(1+c)+4u^2t^2.
O sinal positivo indica sentido anti-horário. Com \omega=QB/m:
Resposta: a expressão acima, com c=\cos\frac{QBt}{m}, s=\sen\frac{QBt}{m} e \omega=\frac{QB}{m}.
Assuntos: Cinemática vetorial e composição de movimentos, Movimento circular uniforme e transmissão de movimento, Força magnética.
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Fonte: IME 2ª fase 2019 · Física. Prova oficial ↗