PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 22 do IME 2025

Na figura, é apresentado um canhão oscilando preso ao teto por duas molas e disparando continuamente elétrons numa região sujeita a um campo magnético constante.
Dados:
• constante elástica de cada mola: k;
• amplitude de oscilação do canhão / par de molas: A;
• direção de oscilação do canhão / par de molas: y;
• vetor campo magnético: (\breve{}B,0,0);
• velocidade relativa de disparo dos elétrons em relação ao canhão: (\breve{}v,0,0);
• massa do elétron: m;
• massa do canhão: M;
• carga do elétron: \breve{}e.
Observações:
• o canhão oscila no plano xy;
• a velocidade inicial de um elétron disparado é obtida ao se somarem vetorialmente os efeitos da oscilação e do canhão parado;
• despreze o efeito gravitacional no movimento dos elétrons;
• m << M;
• despreze as interações elétricas entre os elétrons.
Nas condições acima, a maior coordenada z que algum elétron pode alcançar é:
- A\dfrac{mA\sqrt{2k\dfrac{A^2}{M}+v^2}}{eB}
- B\dfrac{m\sqrt{k\dfrac{A^2}{M}+v^2}}{eB}
- C\dfrac{mA\sqrt{2\dfrac{k}{M}}}{eB}
- D\dfrac{mA\sqrt{\dfrac{k}{M}}}{eB}
- E\dfrac{2mA\sqrt{2\dfrac{k}{M}}}{eB}
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Resolução comentada
O campo magnético aponta na direção x, a mesma do disparo. A componente da velocidade do elétron paralela a B não sofre força magnética. Só a componente perpendicular, no plano yz, faz o elétron girar em círculo, e o raio desse círculo é r=\dfrac{mv_\perp}{eB}.
-
A velocidade inicial do elétron é a soma da velocidade de disparo, v na direção x, com a velocidade do canhão, que está na direção y. Logo v_\perp = v_y, a velocidade do canhão no instante do disparo.
-
O canhão oscila em MHS com duas molas em paralelo, de constante efetiva 2k e massa M. A frequência angular é \omega=\sqrt{\dfrac{2k}{M}}.
-
A velocidade máxima do canhão é v_{y,\max}=\omega A = A\sqrt{\dfrac{2k}{M}}.
-
O elétron descreve uma hélice em torno de uma reta paralela a x. Com velocidade inicial na direção y, a trajetória circular no plano yz passa pelo ponto de disparo e tem centro deslocado em z por r. Assim, a maior coordenada z atingida é o diâmetro da circunferência, 2r, se o disparo for feito com a velocidade máxima.
Porém, o enunciado pede a maior coordenada z medida a partir da origem do disparo. Se o círculo parte de z=0 com velocidade em y, o centro fica em z=\pm r e a coordenada z máxima vale 2r, ou seja:
O sinal da carga e o sentido de B definem o sinal de z, e o enunciado indica o sentido positivo de z como o que o elétron alcança.
Alternativa E.
Pegadinha: A alternativa A engana por somar v ao módulo da velocidade, mas só a componente perpendicular a B determina o raio; a C engana por dar o raio em vez do diâmetro.
Por que as outras alternativas estão erradas
- AInclui v (componente paralela a B) no raio, mas ela não gera força magnética.
- BTambém usa v no raio e esquece o fator A na velocidade, misturando as componentes.
- CUsa o raio r em vez do diâmetro 2r como deslocamento máximo em z.
- DUsa só uma mola (\omega=\sqrt{k/M}) e o raio em vez do diâmetro.
Assuntos: Força magnética, Movimento harmônico simples e pêndulos.
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Fonte: IME 2025 · Prova objetiva. Prova oficial ↗