PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 3 (Física) da 2ª fase do IME 2025

Uma lente convergente está posicionada num plano horizontal e possui, presa a seu centro, um pêndulo composto por um fio ideal e uma partícula de massa m. O movimento da partícula provoca uma oscilação na posição de sua imagem gerada pela lente.
Dados:
• distância focal da lente: 30 cm;
• amplitude horizontal do movimento pendular da partícula.: 4 cm;
• amplitude do movimento da imagem da partícula: 12 cm;
• massa da partícula: 1 kg;
• aceleração da gravidade: g = 10\text{ m/s}^2;
• \pi \approx 3.
Observação:
• a amplitude do movimento pendular da partícula é pequena a ponto de podermos aproximar sua trajetória a um segmento de reta.
A partir dos dados acima, determine os valores aproximados para:
a) o comprimento do fio;
b) o período de oscilação do pêndulo;
c) a máxima energia cinética atingida pela partícula.
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Resolução comentada
a) O fio está preso ao centro da lente, então o comprimento do fio L é a distância do objeto à lente: p=L. Como a trajetória é aproximada por um segmento de reta horizontal, p não muda durante a oscilação, e o aumento linear transversal é constante:
Uma lente convergente pode dar dois tipos de imagem ampliada 3 vezes.
-
Imagem real (invertida): q=3p e
\frac1f=\frac1p+\frac1{3p}=\frac{4}{3p}\Rightarrow p=\frac{4f}{3}=40\ \text{cm} -
Imagem virtual (direita): q=-3p e
\frac1f=\frac1p-\frac1{3p}=\frac{2}{3p}\Rightarrow p=\frac{2f}{3}=20\ \text{cm}
Portanto L=40\ \text{cm} (imagem real) ou L=20\ \text{cm} (imagem virtual). A seguir resolvo os dois casos.
L=40\ \text{cm} (imagem real) ou L=20\ \text{cm} (imagem virtual).
b) Para pequenas oscilações, T=2\pi\sqrt{L/g}, com \pi\approx3.
- L=0{,}4\ \text{m}: T=6\sqrt{0{,}04}=6(0{,}2)=1{,}2\ \text{s}.
- L=0{,}2\ \text{m}: T=6\sqrt{0{,}02}\approx6(0{,}14)\approx0{,}85\ \text{s}.
T\approx1{,}2\ \text{s} (para L=40\ \text{cm}) ou T\approx0{,}85\ \text{s} (para L=20\ \text{cm}).
c) O movimento é aproximadamente um MHS de amplitude A=0{,}04\ \text{m} e \omega^2=g/L. A energia cinética máxima ocorre no ponto mais baixo, onde a velocidade é v_{máx}=\omega A:
- L=0{,}4\ \text{m}: E_{c,máx}=\frac12(1)(25)(0{,}04)^2=0{,}02\ \text{J}.
- L=0{,}2\ \text{m}: E_{c,máx}=\frac12(1)(50)(0{,}04)^2=0{,}04\ \text{J}.
Conferindo por energia potencial: a altura ganha é h\approx A^2/(2L)=0{,}002\ \text{m} para L=0{,}4\ \text{m}, e mgh=0{,}02\ \text{J}, o que confere.
E_{c,máx}\approx0{,}02\ \text{J} (para L=40\ \text{cm}) ou 0{,}04\ \text{J} (para L=20\ \text{cm}).
Assuntos: Movimento harmônico simples e pêndulos, Energia mecânica e sua conservação, Lentes esféricas.
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Fonte: IME 2ª fase 2025 · Física. Prova oficial ↗