PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 23 do IME 2021

Uma partícula de massa m e carga q positiva é lançada obliquamente com velocidade v_0 e ângulo \alpha com a horizontal, conforme a figura. Em certo instante t_1, antes de alcançar a altura máxima de sua trajetória, quando está a uma distância horizontal x_1 do ponto de lançamento, a partícula é submetida a um campo magnético de intensidade B, na direção vertical. Considerando g a aceleração da gravidade local, a menor intensidade B do campo magnético para que a partícula atinja o solo na posição (x_1, 0) é:
- A\dfrac{2\pi m}{q\left(\dfrac{2v_0\sen(\alpha)}{g}-t_1\right)}
- B\dfrac{\pi m}{q\left(\dfrac{2v_0\sen(\alpha)}{g}-t_1\right)}
- C\dfrac{2\pi m}{q\left(\dfrac{v_0\sen(\alpha)}{g}-t_1\right)}
- D\dfrac{4\pi m}{q\left(\dfrac{2v_0\sen(\alpha)}{g}-t_1\right)}
- E\dfrac{\pi m}{q\left(\dfrac{v_0\sen(\alpha)}{2g}-t_1\right)}
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Resolução comentada
O campo é vertical, então a força magnética só age na componente horizontal da velocidade. A componente vertical continua em queda livre, sem ser afetada pelo campo.
No instante t_1 a partícula está em x_1, com velocidade horizontal v_x=v_0\cos\alpha. A partir daí, a projeção horizontal do movimento é uma circunferência de período T=\dfrac{2\pi m}{qB}, percorrida com velocidade horizontal constante v_0\cos\alpha.
A partícula deve cair em (x_1,0), isto é, na mesma posição horizontal de t_1. Isso só acontece se, no tempo restante de voo, ela der um número inteiro de voltas na circunferência horizontal.
- Tempo total de voo (a vertical não muda): t_{voo}=\dfrac{2v_0\sen\alpha}{g}.
- Tempo com o campo ligado: \Delta t=\dfrac{2v_0\sen\alpha}{g}-t_1.
- Condição: \Delta t=nT=n\dfrac{2\pi m}{qB}, com n=1,2,3,\dots
- Então B=\dfrac{2\pi m\,n}{q\,\Delta t}.
A menor intensidade corresponde a n=1:
Alternativa A.
Pegadinha: A alternativa B engana ao usar meia volta; a partícula só retorna à mesma posição horizontal x_1 após volta completa.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Busa meio período, o que levaria a partícula ao lado oposto da circunferência, e não de volta a x_1.
- Cusa o tempo de subida v_0\sen\alpha/g em vez do tempo total de voo.
- Dusa duas voltas (n=2), o que dá um B maior, não o menor.
- Eusa meio período e um tempo de voo incorreto.
Assuntos: força magnética, movimento circular, lançamento oblíquo.
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Fonte: IME 2021 · Prova objetiva. Prova oficial ↗