gabarito 1ª serie volume 2
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE PARENDIZAGEM 1
FORMAS DE ENERGIA ENVOLVIDAS EM MOVIMENTOS DO
COTIDIANO
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1. Cada aluno apresentará sua lista de processos e sistemas em que ele identifica a
transformação da energia, nela pode-se identificar os elementos que alteram
movimentos e produzem as variações de energia.
2. Tabela: chame a atenção para o fato de que é possível estabelecer outras categorias
de classificação. Portanto, as propostas podem ser alteradas, se você entender que
seja conveniente. Há muitas formas de se classificar fontes de energia, o que gera
dificuldades para estabelecer um único conjunto de categorias. As propostas na
atividade dão conta da maior parte das fontes ligadas ao movimento:
Combustíveis industrializados – álcool, gasolina, óleo diesel, querosene etc.
Alimentos – comida industrializada, vegetais, ração etc.
Eletricidade – pilhas ou baterias, rede de distribuição de energia residencial,
geradores de uso industrial, de trens elétricos ou de metrôs, usinas geradoras de
eletricidade etc.
Gravidade – quedas, rampas e descidas, colunas de líquidos, rodas-d’água, usinas
hidrelétricas etc.
Deformações elásticas – molas, elásticos, flexões de metais etc.
Nucleares – geradores de usinas nucleares, de submarinos nucleares etc.
Ventos/eólica – utilizada em equipamentos náuticos, nos veleiros, mas também em
moinhos e em modernas turbinas eólicas etc.
Solar – energia solar direta: painéis fotovoltaicos, coletores ou aquecedores solares.
3. Essa classificação, como dissemos, pode depender tanto das listas apresentadas pelos
alunos quanto de critérios escolhidos. Outro critério que pode ser adotado é, por
exemplo, uma classificação da fonte de energia segundo sua “natureza” (energia
mecânica, térmica, eletromagnética, química etc.). De qualquer maneira, o
importante é deixar claro que não há um critério único de classificação das fontes de
energia, de modo que não são recomendadas memorizações e “decorebas”, mas que
se compreenda o processo.
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4. No item 9. Outras – muitas outras fontes poderão ser mencionadas, como a energia da
tração animal, a energia armazenada na compressão de gases, chamada energia
pneumática, a energia química, ou as chamadas fontes alternativas como geotérmica,
maré-motriz, energia oceânica etc. – a partir delas podem surgir novas categorias que
os alunos identifiquem.
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
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1. Os alunos podem se surpreender com o movimento de vai e vem da lata, que ficará
oscilando até dissipar toda a energia mecânica por meio do atrito. Em seguida ao
lançamento, a lata começa a desacelerar, diminuindo a velocidade até parar, mas
retoma o movimento e retorna à direção de seu lançador, acelerando até alcançá-lo,
quando volta a desacelerar. Assim, a lata vai e volta, diminuindo cada vez mais a
distância percorrida até parar
2. Você deve problematizar essa questão, solicitando aos alunos que identifiquem a
função do elástico e do parafuso e que proponham hipóteses para explicar o
movimento de vai e vem da lata. Evidencie o armazenamento da energia cinética em
energia potencial elástica, observe com eles a função do número de elásticos: com
seu aumento, também se aumenta a constante elástica, permitindo armazenar maior
quantidade de energia.
3. Ao retirar o parafuso, a lata não volta, isso porque sem parafuso não haverá torção no
elástico, não ocorrendo armazenamento da energia potencial elástica.
4. Deve-se evidenciar que a diferença nos movimentos acontece pelas transformações
de energia envolvidas em cada caso. No primeiro caso, por transformação de energia
cinética em potencial elástica e, no segundo, pela transformação de energia cinética
em energia térmica na dissipação por atrito. Deve-se evidenciar que na torção do
elástico armazena-se energia, o que promove a alteração do movimento da lata,
desacelerando-a até parar. A energia armazenada no elástico passa a ser convertida
em energia de movimento, ou cinética, promovendo a aceleração da lata e seu
retorno na direção do lançador. Repete-se o processo até a lata parar.
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5. A síntese proposta deve ser entendida como um exercício de identificação dos
aspectos mais relevantes da Situação de Aprendizagem e dos resultados obtidos. Sua
organização e apresentação devem ser feitas na forma de linguagem escrita. Nela,
deve-se observar se o procedimento está devidamente caracterizado e se os
resultados são apresentados de forma organizada. Verifique se os alunos, ao
realizarem suas sínteses, deixaram de apresentar elementos importantes. Isso ocorre
muitas vezes, uma vez que é comum acreditarem que podem suprimir tudo o que
entendam estar implícito no procedimento realizado, o que muitas vezes não é
correto, pois há muitas formas de realizar uma atividade. Discuta isso com eles.
Leitura e Análise de Texto
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a) O gás armazena energia química que é liberada na queima (ao transformar a energia
química em energia térmica). A energia térmica da chama aquece a panela que
aquece a água, transformando energia térmica da chama em energia térmica da água.
Com o aumento da temperatura, a água começa a movimentar-se por diferença de
densidade e assim transforma parte da energia térmica em energia cinética
(convecção da água).
b) O motor transforma a energia elétrica em energia cinética e parte dela é transformada
em energia térmica pelo aquecimento do motor. A rotação do motor e a das pás do
liquidificador movimenta o ar transformando parte da energia de rotação em energia
sonora (promovida pelo deslocamento do ar), modificando ao longo do tempo a
distribuição da pressão do ar no espaço, o que é identificado por nosso aparelho
auditivo como som.
c) O forno de micro-ondas transforma a energia elétrica (ondas eletromagnéticas
hertzianas) em energia radiante na faixa de micro-ondas (também ondas
eletromagnéticas), depois essa energia é transformada em energia cinética de
oscilação das moléculas de água contida nos alimentos, que em seguida é
transformada em energia térmica, aquecendo todo o alimento.
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Aprendendo a Aprender
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A energia cinética do carro pode ser armazenada e reaproveitada (como ocorre em
diversos sistemas KERS já empregados na Fórmula 1.
Pode-se realizar a transformação e o armazenamento da energia cinética em potencial
elástica, como ocorre em sistemas com compressores de ar, ou em energia cinética de
rotação, como em carrinhos a fricção, ou em energia elétrica por freios eletromagnéticos
armazenando a energia produzida em baterias ou em capacitores. O caminhão com um
sistema de reaproveitamento conseguiria armazenar mais energia, pois tem maior
energia cinética para uma mesma velocidade.
LIÇÃO DE CASA
Página 10
1.
E = m g h.
E = 7(kg). 10 (m/s2) . 1,5 (m).
E = 105 Joules.
2.
Ec = (m v2)/2.
Ec = 850 (kg) . [30 (m/s)]2/2.
Ec = 382 500 Joules.
3.
Ec = (m v2)/2.
Ec = 45 000 (kg) . [5 (m/s)]2/2.
Ec = 562 500 Joules.
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PESQUISA INDIVIDUAL
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A pesquisa deve revelar o processo de fotossíntese (Leitura 6 de Física Térmica do
GREF – “Sol: a fonte da vida”) ou o efeito fotoelétrico que é responsável por
transformar a energia solar em energia elétrica (Leitura 16 de Óptica do GREF –
“Imagem quântica no filme e na TV”) .
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DO COTIDIANO
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1. O bate-estaca funciona levantando uma grande massa que é abandonada de certa
altura e cai batendo numa estaca que vai afundando no solo. Ela serve para fixar as
estacas no solo numa construção.
2. A partir das criações dos alunos, discuta os princípios físicos envolvidos no sistema
bate-estaca, dando ênfase para o conceito de trabalho e de conservação de energia.
Trabalhe a ideia de que neste sistema a energia dissipada por aquecimento da estaca
e pelo barulho é muito pequena quando comparada à energia total envolvida no
processo, concluindo que por este motivo podemos considerá-lo conservativo. O
foco desta parte da Situação de Aprendizagem está no entendimento de que a
conservação da energia mecânica e sua dissipação pelo trabalho de uma força são
ferramentas adequadas no prognóstico de parâmetros de um sistema físico.
3.
a) O motor realiza trabalho levantando a massa de 490 kg até a altura de 5 m,
transformando a energia química do combustível em energia cinética no movimento
do bloco e em energia potencial gravitacional do bloco de ferro que na altura de 5 m
é de 24 500 J. Ao ser abandonada dessa altura, a massa transforma sua energia
potencial em energia cinética e, ao atingir a estaca, transforma parte de sua energia
em movimento da estaca que penetra no solo e parte em energia térmica da estaca e
em som, ao final a estaca para numa nova posição.
b) Quem fornece a energia é o combustível que, através de sua queima, libera a
energia química que é transformada em energia cinética e em energia potencial pelo
trabalho realizado pelo motor do bate-estaca.
c) Energia química é transformada em energia cinética e em energia potencial
gravitacional na subida da massa. Na queda há transformação de energia potencial
gravitacional em energia cinética. Na colisão a energia cinética da massa se
transforma em energia cinética da estaca, em energia térmica e em som. Na
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penetração da estaca no solo a energia cinética é transformada em trabalho da força
que a estaca exerce no solo, sendo finalmente dissipada sob forma de energia
térmica.
d) A partir da queda livre podemos tomar o sistema como conservativo. Trabalhe a
ideia de que neste sistema a energia dissipada por aquecimento da estaca e pelo
barulho é muito pequena quando comparada à energia total envolvida no processo,
concluindo que por este motivo podemos considerá-lo conservativo. O foco desta
parte da Situação de Aprendizagem está no entendimento de que a conservação da
energia mecânica e sua dissipação pelo trabalho de uma força são ferramentas
adequadas no prognóstico de parâmetros de um sistema físico.
e)
E = m g h
E = 490 (kg) 10 (m/s2) 5 (m)
E = 24 500 Joules.
Como o sistema pode ser considerado conservativo a energia cinética ao atingira
estaca também é Ec = 24 500 Joules.
f) Neste sistema a energia dissipada tanto na queda pela resistência do ar quanto na
batida por aquecimento da estaca e no barulho proveniente da batida é muito pequena
se comparada à energia total envolvida no processo, concluindo que por este motivo
podemos considerá-lo como um sistema que conserva a energia mecânica.
g) A força média pode ser calculada pela variação da energia mecânica por meio
do trabalho realizado pela força aplicada na estaca, que afunda 3 cm a cada batida,
resultando num valor médio de 816 666 N.
E = F . S
24 500 (J) = F (N) . 3x10-2 (m)
F = 816.666 N
h) Em cada batida do bate-estaca há transformação de 24 500 Joules, supondo que
a pessoa utilize uma marreta com massa de 10 kg, se ela conseguir imprimir uma
velocidade de 1 m/s, a cada batida seriam transformados 5 Joules. Assim, para
realizar o mesmo trabalho de uma batida do bate-estaca ela precisaria realizar 4 900
batidas com a marreta. Supondo que a cada hora a pessoa consiga realizar 200
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batidas (a média de uma batida a cada 18 segundos), ela precisaria de 24,5 horas de
trabalho, o que numa jornada de 8 horas por dia corresponderia aproximadamente a 3
dias de trabalho.
LIÇÃO DE CASA
Página 15
1.
a) Em = Epi = 450 (kg) . 10 (m/s2) . 80 (m) = 360 000 Joules.
A 60 metros de altura Ep = 450 (kg) . 10 (m/s2) . 60 (m) = 270 000 Joules
Portanto, foram transformados Ep = 360 000 – 270 000 = 90 000 Joules em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
90 000 (J) = 450 (kg) v2/2 ou seja v = 20 m/s (72 km/h).
b) Em = Epi = 450 (kg) . 10 (m/s2) . 80 (m) = 360 000 Joules.
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 360 000 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
360 000 (J) = 450 (kg) v2/2 ou seja v = 40 m/s (144 km/h).
2. Para completar a tabela.
Para a queda de 320 metros:
Em = Epi = 0,001 (kg) . 10 (m/s2) . 320 (m) = 3,2 Joules.
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 3,2 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
3,2 (J) = 0,001 (kg) v2/2 ou seja v = 80 m/s (288 km/h).
Para a queda de 720 metros:
Em = Epi = 0,001 (kg) . 10 (m/s2) . 720 (m) = 7,2 Joules.
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 7,2 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
7,2 (J) = 0,001 (kg) v2/2 ou seja v = 120 m/s (432 km/h).
Para a queda de 8 000 metros:
Em = Epi = 0,001 (kg) . 10 (m/s2) . 8 000 (m) = 80 Joules.
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Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 80 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
80 (J) = 0,001 (kg) v2/2 ou seja v = 400 m/s (1 440 km/h).
Elas não caem com essas velocidades tão altas porque há transformação de energia
em energia térmica pelo trabalho da resistência do ar. Portanto, neste caso não pode
ser considerada conservação da energia mecânica, é preciso determinar a dissipação
de energia mecânica pela transformação em energia térmica.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3
RISCOS DA ALTA VELOCIDADE EM VEÍCULOS
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Uma referência para a tabela é a seguinte:
Velocidade
Distância
percorrida até
reagir
Distância percorrida
freando
Distância total
percorrida
20 km/h (5,5 m/s) 3,3 1,8 5,1
36 km/h (10m/s) 6,0 6,0 12,0
45 km/h (12,5 m/s) 7,5 9,3 16,8
72 km/h (20 m/s) 12,0 24,0 36,0
80 km/h (22,2 m/s) 13,3 29,6 42,9
90 km/h ( 25 m/s) 15,0 37,5 52,5
108,0 km/h (30,0 m/s) 18,0 54,0 72,0
120,0 km/h (33,3 m/s) 20,0 66,5 86,5
144,0 km/h (40,0 m/s) 24,0 96,0 120,0
180,0 km/h (50,0 m/s) 30,0 150,0 180,0
1. Retomando os conceitos estudados no primeiro bimestre, estabelecendo a relação
entre distância, velocidade e tempo, supondo que nesse trecho em que o motorista
reage a velocidade do veículo seja constante, V = d/t. O tempo de reação pode ser
estimado utilizando a segunda coluna da tabela, e neste caso obtemos o valor de 0,6
segundo.
2. O conceito de transformação de energia pelo trabalho da força de atrito resgata o
atrito estudado no primeiro bimestre e deve ser explorado em seu formalismo.
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E F distância c atrito . logo,
mv ( m.g.0,8)distância
2
0 .
2
Assim, determinam-se os valores respectivamente apresentados na terceira
coluna da tabela.
3. Para uma mesma variação de cerca de 25 km/h, a distância necessária para frear é
muito diferente, no primeiro caso aumenta apenas 11,7 metros e no segundo caso
aumenta 33,5 metros.
4. A distância percorrida freando aumenta quatro vezes quando duplicamos a
velocidade, por exemplo, passando de 20 m/s para 40 m/s (o dobro) a distância
aumentou de 24 m para 96 m (quatro vezes), também ao passar de 25 m/s para 50
m/s (dobro), a distância freando passa de 37,5 para 150 (quatro vezes). Isso acontece
porque a energia cinética varia com o quadrado da velocidade e a distância freando é
proporcional à energia que deve ser dissipada.
5. Nesse item, em continuidade ao anterior, permite-se a conclusão de que a distância
percorrida freando aumenta ao quadrado, enquanto a velocidade aumenta
linearmente. Assim, ao dobrar a velocidade, a distância percorrida freando aumenta
quatro vezes; ao triplicar a velocidade, a distância é nove vezes maior.
6. Os dados da revista indicam que o modelo adotado nessa atividade apresenta
resultados muito próximos dos dados reais de equipamentos profissionais de
medidas.
VOCÊ APRENDEU?
Página 20
A regra dos dois segundos é na verdade uma regra que estabelece a distância entre os
dois veículos: a distância percorrida durante dois segundos a uma determinada
velocidade. Essa distância varia linearmente com a velocidade enquanto a distância
necessária para a frenagem varia com o quadrado da velocidade, por isso a regra dos
dois segundos funciona bem em baixas velocidades, mas não é adequada para altas
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velocidades. Determinar o limite de validade dessa regra é importante para a segurança
no trânsito e para isso devemos comparar, para cada velocidade, a distância percorrida
durante dois segundos e a distância total necessária para a frenagem (veja a tabela
presente nessa Situação de Aprendizagem). A regra só é válida enquanto a distância
percorrida durante dois segundo for maior que a distância necessária para frear, com os
valores apresentados para as variáveis relevantes nessa Situação de Aprendizagem.
Você poderá verificar que a regra funciona para a velocidade de 80 km/h, mas já não é
adequada para a velocidade de 90 km/h. O limite pode ser estabelecido igualando-se as
duas equações: D = 2v e D = 0,6v + v2/1,6g, obtendo-se uma velocidade limite de
aproximadamente 22,4 m/s, ou seja, cerca de 81 km/h. Cabe destacar que o limite de
velocidade de 80 km/h foi adotado no Brasil para todas as rodovias durante muitos
anos; hoje os limites são mais flexíveis e dependem do tipo de veículo e das condições
da estrada, mas não ultrapassam 120 km/h.
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 21
Quando a força é variável é necessário empregar o cálculo integral para determinar o
trabalho realizado pela força num determinado deslocamento, o que corresponde a
determinar a área sob a curva que relaciona a força com o deslocamento. Assim, em
casos em que sabemos determinar geometricamente a área sob essa curva podemos
determinar também no ensino médio o trabalho realizado. Por exemplo, a força elástica
é uma força variável que depende linearmente da deformação (elongação da mola),
assim o trabalho realizado pela força elástica pode ser determinado pela área limitada
pela reta que relaciona a força elástica e a deformação (elongação), no gráfico que é
denominado curva característica da mola. Como para a força nula a deformação também
é nula a área sob o gráfico pode ser obtida pela área de um triângulo, já para determinar
o trabalho necessário para passar de uma situação com uma força não nula (diferente de
zero) para outra configuração também não nula, com outra deformação ou elongação,
precisamos determinar a área que corresponde à figura de um trapézio. Dessa forma
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podemos determinar o trabalho realizado sempre que soubermos determinar a área sob o
gráfico que relaciona a força com o deslocamento.
LIÇÃO DE CASA
Página 22
1. A força elástica varia linearmente de zero até F = 1,5 N = 0,5 (N/m) . 3 (m).
Portanto, o trabalho que corresponde à área sob o triângulo pode ser calculado
utilizando a área do triângulo: A = (base. Altura)/2, assim o trabalho realizado é
obtido por A = [3 (m) . 1,5 (N)]/2 = 2,25 Joules. Outra forma de determiná-lo é pela
expressão Eel = k x2/2 = 0,5 (N/m) . (3 m)2/2 = 2,25 Joules
2. O trabalho da força variável corresponde à área sob a curva que pode ser
determinada separando a figura em dois triângulos e um retângulo ou diretamente
pela área do trapézio A = [(base maior + base menor)/2]. altura.
Assim a energia armazenada é E = 92,5 J =[(2,5 + 1,2) (m)/2].50 (N).
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4
A EVOLUÇÃO DAS MÁQUINAS MECÂNICAS
Página 24
1. O item compara o trabalho animal e o trabalho mecânico e, nessa comparação, temos
que a potência equivalente à de um carro 1.0 corresponde a cerca de 56 cavalos. Já
para se equiparar a uma Ferrari seriam necessários cerca de 500 cavalos. A questão
importante a se discutir aqui é que o trabalho mecânico é realizado por máquinas que
conseguem concentrar grande potência em pequenos motores que equipam os
veículos.
2. O item concretiza a inviabilidade de se obter por trabalho animal potências como as
obtidas por trabalho mecânico nas máquinas modernas. Uma máquina de 6 MW
corresponderia a cerca de 8 000 cavalos, e a de 9MW a 12 000 cavalos. Neste
momento, é interessante que se esclareça o motivo de se utilizar o conceito de
potência e não o de energia ao comparar o trabalho realizado por diferentes máquinas
e animais. É importante ressaltar que é preciso comparar o tempo necessário para se
obter a energia, uma vez que mesmo um pequeno motor pode fornecer grande
energia se funcionar por um longo período de tempo, mas, se for preciso que essa
energia seja obtida rapidamente, é necessária uma potência maior, por isso o conceito
adequado é o de potência.
3. Uma máquina de 6 MW que utilizasse 8 000 cavalos e para cada cavalo uma área de
4 m de comprimento por 2 m de largura, um círculo mínimo com cerca de 50 cavalos
teria um raio de 30 metros e um círculo máximo com 230 cavalos teria raio de 146
metros, sendo ao todo cerca de 60 círculos concêntricos e com área de
aproximadamente 67 000 m2.
Já para uma máquina de 9 MW que utilizasse 12 000 cavalos e para cada cavalo uma
área de 4 m de comprimento por 2 m de largura, um círculo mínimo com cerca de 50
cavalos teria um raio de 30 metros e um círculo máximo com 230 cavalos teria raio
de 178 metros, ao todo seriam cerca de 75 círculos concêntricos e com área de
aproximadamente 100 000 m2.
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4.
• Vantagens/ Problemas:
O primeiro grupo discutirá, por um lado, como a ampliação da força humana
pelas máquinas permite a manutenção de aglomerações urbanas, como grandes
cidades, metrópoles etc. Ele pode trazer também questões como a evolução dos
sistemas de produção, fábricas automatizadas, industrialização dos alimentos,
além da questão da dimensão das usinas hidrelétricas, que permitem abastecer
grandes regiões do país com energia elétrica. Por outro lado, discutirá os
impactos ambientais e os problemas urbanos trazidos pela grande produtividade
dessas máquinas e seus desdobramentos. Alguns exemplos são: os problemas
resultantes da construção de grandes centrais hidrelétricas, como o alagamento
de grandes regiões; das aglomerações humanas, como o descarte do lixo; e do
crescimento desorganizado dos centros urbanos, como a captação e o tratamento
de água.
• Conquistas / Problemas:
O segundo grupo discutirá, por um lado, realizações humanas que só são
possíveis pela evolução de máquinas e equipamentos, como a conquista do
espaço (foguetes, estação espacial), dos mares (submarinos nucleares), os
transportes aéreos, as usinas nucleares, a exploração de grandes quantidades de
minérios em gigantescas escavações, a exploração de petróleo em plataformas
submarinas etc. Por outro lado, discutirão a poluição espacial, os restos de
foguetes, pequenas peças que se desprendem e permanecem em órbita, os
satélites artificiais obsoletos etc.; os riscos de acidentes com material radioativo,
como ocorreu em Goiânia, ou com o naufrágio de submarinos nucleares; a
exploração desenfreada dos recursos naturais, como os minérios e o petróleo,
trazendo desmatamento, assoreamento e outros prejuízos ambientais.
• Vantagens / Desvantagens:
O terceiro grupo deve discutir, por um lado, as vantagens da substituição do
trabalho humano pelo trabalho mecânico nos diversos casos, por exemplo, no
uso de robôs para a realização de atividades perigosas ou insalubres. Por outro
lado, discutirá os problemas sociais ligados à substituição do trabalho humano
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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pelo trabalho mecânico, tendo como consequências as ondas de desemprego na
indústria e nos campos.
LIÇÃO DE CASA
Página 29
A redação deve articular partes das letras dessas músicas com as discussões
estabelecidas nos três grupos.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5
AVALIANDO SITUAÇÕES DE EQUILÍBRIO ESTÁTICO
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 31
3. Os diagramas devem ser semelhantes a esses:
Fmão Fel
Dinamômetro Suporte
Fel Peso
Peso do dinamômetro
4. O gráfico deve ser semelhante a esse:
F(N) Curva característica de calibração do dinamômetro
Elongação x (m)
Na curva de calibração a força em função da massa deve ser relacionada com a
elongação da mola. A equação deve corresponder à Lei de Hooke: F = k . x.
5. Resposta pessoal, depende do peso do estojo
6. Resposta pessoal, depende do atrito do caderno com a superfície.
7. O diagrama de forças é imprescindível para a discussão do “peso aparente” que o
objeto passará a ter ao ser imerso na água, que será indicado pelo dinamômetro. O
surgimento da força de empuxo precisa ser evidenciado para se contrapor à ideia de
que os objetos são mais leves dentro da água. O peso do objeto não varia. A
discussão sobre o equilíbrio em fluidos deve ser sistematizada, utilizando análise por
diagramas de forças, leis de Newton, do movimento e a concepção de empuxo. O
estudo do empuxo pode ser explorado a partir do peso do líquido deslocado (no
entanto, o entendimento físico do empuxo necessita do aprofundamento do conceito
de pressão e de seu gradiente num líquido sob ação do campo gravitacional).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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LIÇÃO DE CASA
Página 35
1. O peso do caminhão é a soma das medidas nas balanças, portanto a resposta correta
está presente na alternativa e) 60 000 N.
2.
a) A constante elástica pode ser obtida pela Lei de Hooke, sendo nesse caso
determinado o valor de k = 10 N/m.
b) A massa é de 0,5 kg (correspondente ao peso de 5 N).
c) Pode-se calcular o trabalho pela diferença da energia potencial elástica nas duas
configurações: E = 1,25 J – 0,45 J = 0,8 J.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
O TORQUE EM SITUAÇÕES DE EQUILÍBRIO
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 37
1. A balança permanece em equilíbrio. Trata-se do equilíbrio do torque utilizando
forças iguais a distâncias iguais, produzindo torques cuja resultante é zero.
2. Continua em equilíbrio, em todos os casos. O importante é que o aluno perceba que
em qualquer distância adotada, desde que sejam massas iguais e distâncias iguais,
ocorrerá uma situação de equilíbrio de rotação.
3. A balança pende para o lado em que a distância é maior. Trata-se de situação em que
não há equilíbrio. Como as forças peso são iguais, mas as distâncias são diferentes,
os torques não se anulam e a balança penderá para o lado que tem maior torque,
aquele cuja distância ao centro for maior.
4. A balança pende para o lado em que a massa é maior. Trata-se de situação em que
não há equilíbrio. Como as distâncias são iguais, mas as forças peso são diferentes,
os torques não se anulam e a balança penderá para o lado que tem maior torque,
aquele cuja força peso é maior.
5. A balança fica em equilíbrio, o aumento da massa foi balanceado pela diminuição da
distância, permanecendo em equilíbrio. Trata-se de situação em equilíbrio de rotação,
com forças peso e distâncias cujo torque resultante é nulo. Nelas, os alunos são
direcionados a relacionar a massa com a distância. Essa relação será fundamental
para o entendimento da concepção de momento de uma força a ser explorado no
diagrama de forças.
6. A balança fica em equilíbrio, o produto da massa pela distância de um lado é igual à
soma dos mesmos produtos do outro lado. Assim as massas balanceadas pelas
distâncias em ambos os lados são iguais, permanecendo em equilíbrio.
7. O essencial é a construção dos diagramas de força, com a indicação das distâncias.
Você deverá explorar o conceito de momento de uma força, mostrando que os
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
20
produtos da força por distância são iguais nos dois lados da balança nos casos em que
há equilíbrio, e são diferentes nos casos em que não há equilíbrio.
8. Nesse item o essencial é que os alunos apresentem o conceito de momento de uma
força, explicitando que, em situações de equilíbrio, a soma de todos os momentos em
cada um dos dois lados da balança é igual. O relatório deve ser entendido como um
exercício da habilidade de organizar e apresentar os procedimentos científicos na
forma de linguagem escrita. Neste momento, não deve ser avaliado com o rigor que
um relatório científico deve ter em relação à precisão de medidas, propagação de
erros ou normas. Devemos observar se o objetivo está claro para o aluno, se o
procedimento realizado está devidamente caracterizado com explicações que
possibilitem ao leitor a reprodução do experimento, se os dados são apresentados de
forma organizada e se o aluno consegue determinar uma regra que promova
equilíbrio de rotação na balança de braços. Caso você entenda que não há tempo
suficiente para a elaboração do relatório durante a aula, o aluno poderá realizá-lo
como atividade extraclasse. Nesse caso, estipule o prazo de entrega numa das
próximas aulas, a seu critério, sem prejuízo à atividade.
Aprendendo a Aprender
Página 40
1. Quanto mais distante da dobradiça mais fácil fechar a porta e quanto mais próxima
mais difícil fechar. Quanto maior a força mais fácil fechar a porta. Quanto mais
perpendicular à porta mais fácil, quanto mais paralelo à porta mais difícil.
2. Não, pois nesses casos a força necessária para abri-la ou fechá-la seria maior, o
melhor lugar é próximo à extremidade oposta à dobradiça, onde seria mais fácil abrir
ou fechar a porta.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
21
LIÇÃO DE CASA
Página 42
1. Alternativa b. Nessa situação temos o peso da massa M (PM) aplicado à distância de
0,4 m do apoio e o peso da barra (Pb) aplicado a 0,5 m do apoio. Assim, se PM . 0,4
fosse maior que Pb . 0,5, a barra se desequilibraria e cairia dos apoios. Dessa forma a
resposta que apresenta a maior massa que manteria a barra em equilíbrio corresponde
à alternativa (b) 10 kg.
2. Como no avião há duas rodas traseiras e apenas uma roda dianteira, para que ocorra
equilíbrio de rotação em relação ao CG os momentos de ambos os lados devem ser
iguais. Para isso a igualdade MD . 16 = 2 . MT . 4 deve ser satisfeita, ou seja, MT =
2. MD, o que corresponde à resposta apresentada na alternativa c) MD = 18 e MT =
36.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
22
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7
AMPLIAÇÃO DE FORÇAS: AUMENTANDO O DESLOCAMENTO
NA REALIZAÇÃO DE TRABALHO
Página 44
1. Utilizo uma chave de fenda, que tem um eixo mais grosso na empunhadura e mais
fino na ponta em que fica o parafuso.
2. Se a moto for pequena é possível se a pessoa for muito forte, no entanto,
se a moto for grande não conseguirá sozinha, só com a ajuda da rampa.
3. Sim, pois a rampa diminui a força que é necessária para levar a moto para cima, pois
ela vai subindo devagar, inclinada, aumentando a distância e facilitando levar a moto
para cima. Dessa forma, consegue-se realizar tarefas que antes não seriam possíveis,
amplificando nossa força.
4. Assim a pessoa usa uma força menor, mas tem de aumentar o número de vezes que
puxa as correntes da talha. Para diminuir a força é preciso aumentar o número de
vezes que puxa a corrente.
5. Sim, usando roldanas móveis a força necessária para mover algo diminui . Para
erguer um motor de um carro utilizando uma talha com roldanas móveis, vários
metros de corrente devem ser puxados para que o motor suba apenas alguns
centímetros. Ou seja, a amplificação da força é obtida à custa de uma troca: aplica-se
uma força menor ( do que a que seria necessária sem o uso da talha ) por uma
distância maior.
6. Como a distância do cabo até o apoio é maior que a distância da ponta do alicate até
o apoio, a força aplicada no cabo é menor que a força na ponta, assim fazemos uma
força menor no cabo do que a força que é feita na ponta do alicate.
7. As imagens apresentadas devem ser classificadas nas seguintes categorias:
I – Planos inclinados: figura do elefante; a escada.
II – Alavancas: gangorra; alicate; tesoura; carrinho de mão.
III – Rodas e eixos: chave de fenda e torneira; figura do poço; volante de
direção; maçaneta da porta.
IV – Roldanas: figura do equipamento de ginástica.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
23
Aprendendo a Aprender
Página 46
1. Para aumentar a força aplicada em sua extremidade, como uma alavanca.
2. Para a pessoa realizar uma força menor para girar a chave, como numa chave de
fenda, o percurso executado pela parte mais larga da chave (roda) é maior que o
realizado pelo eixo, assim a força aplicada é menor na parte externa da chave.
3. Para a pessoa realizar uma força menor na empunhadura para girar a chave, o
percurso executado pela parte mais larga da chave (roda) é maior que o realizado
pelo eixo, assim a força aplicada pela pessoa é menor que a força aplicada ao
parafuso, ou seja, amplifica nossa força.
1
SITUAÇÃO DE PARENDIZAGEM 1
FORMAS DE ENERGIA ENVOLVIDAS EM MOVIMENTOS DO
COTIDIANO
Página 3
1. Cada aluno apresentará sua lista de processos e sistemas em que ele identifica a
transformação da energia, nela pode-se identificar os elementos que alteram
movimentos e produzem as variações de energia.
2. Tabela: chame a atenção para o fato de que é possível estabelecer outras categorias
de classificação. Portanto, as propostas podem ser alteradas, se você entender que
seja conveniente. Há muitas formas de se classificar fontes de energia, o que gera
dificuldades para estabelecer um único conjunto de categorias. As propostas na
atividade dão conta da maior parte das fontes ligadas ao movimento:
Combustíveis industrializados – álcool, gasolina, óleo diesel, querosene etc.
Alimentos – comida industrializada, vegetais, ração etc.
Eletricidade – pilhas ou baterias, rede de distribuição de energia residencial,
geradores de uso industrial, de trens elétricos ou de metrôs, usinas geradoras de
eletricidade etc.
Gravidade – quedas, rampas e descidas, colunas de líquidos, rodas-d’água, usinas
hidrelétricas etc.
Deformações elásticas – molas, elásticos, flexões de metais etc.
Nucleares – geradores de usinas nucleares, de submarinos nucleares etc.
Ventos/eólica – utilizada em equipamentos náuticos, nos veleiros, mas também em
moinhos e em modernas turbinas eólicas etc.
Solar – energia solar direta: painéis fotovoltaicos, coletores ou aquecedores solares.
3. Essa classificação, como dissemos, pode depender tanto das listas apresentadas pelos
alunos quanto de critérios escolhidos. Outro critério que pode ser adotado é, por
exemplo, uma classificação da fonte de energia segundo sua “natureza” (energia
mecânica, térmica, eletromagnética, química etc.). De qualquer maneira, o
importante é deixar claro que não há um critério único de classificação das fontes de
energia, de modo que não são recomendadas memorizações e “decorebas”, mas que
se compreenda o processo.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
2
4. No item 9. Outras – muitas outras fontes poderão ser mencionadas, como a energia da
tração animal, a energia armazenada na compressão de gases, chamada energia
pneumática, a energia química, ou as chamadas fontes alternativas como geotérmica,
maré-motriz, energia oceânica etc. – a partir delas podem surgir novas categorias que
os alunos identifiquem.
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 5
1. Os alunos podem se surpreender com o movimento de vai e vem da lata, que ficará
oscilando até dissipar toda a energia mecânica por meio do atrito. Em seguida ao
lançamento, a lata começa a desacelerar, diminuindo a velocidade até parar, mas
retoma o movimento e retorna à direção de seu lançador, acelerando até alcançá-lo,
quando volta a desacelerar. Assim, a lata vai e volta, diminuindo cada vez mais a
distância percorrida até parar
2. Você deve problematizar essa questão, solicitando aos alunos que identifiquem a
função do elástico e do parafuso e que proponham hipóteses para explicar o
movimento de vai e vem da lata. Evidencie o armazenamento da energia cinética em
energia potencial elástica, observe com eles a função do número de elásticos: com
seu aumento, também se aumenta a constante elástica, permitindo armazenar maior
quantidade de energia.
3. Ao retirar o parafuso, a lata não volta, isso porque sem parafuso não haverá torção no
elástico, não ocorrendo armazenamento da energia potencial elástica.
4. Deve-se evidenciar que a diferença nos movimentos acontece pelas transformações
de energia envolvidas em cada caso. No primeiro caso, por transformação de energia
cinética em potencial elástica e, no segundo, pela transformação de energia cinética
em energia térmica na dissipação por atrito. Deve-se evidenciar que na torção do
elástico armazena-se energia, o que promove a alteração do movimento da lata,
desacelerando-a até parar. A energia armazenada no elástico passa a ser convertida
em energia de movimento, ou cinética, promovendo a aceleração da lata e seu
retorno na direção do lançador. Repete-se o processo até a lata parar.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
3
5. A síntese proposta deve ser entendida como um exercício de identificação dos
aspectos mais relevantes da Situação de Aprendizagem e dos resultados obtidos. Sua
organização e apresentação devem ser feitas na forma de linguagem escrita. Nela,
deve-se observar se o procedimento está devidamente caracterizado e se os
resultados são apresentados de forma organizada. Verifique se os alunos, ao
realizarem suas sínteses, deixaram de apresentar elementos importantes. Isso ocorre
muitas vezes, uma vez que é comum acreditarem que podem suprimir tudo o que
entendam estar implícito no procedimento realizado, o que muitas vezes não é
correto, pois há muitas formas de realizar uma atividade. Discuta isso com eles.
Leitura e Análise de Texto
Página 7
a) O gás armazena energia química que é liberada na queima (ao transformar a energia
química em energia térmica). A energia térmica da chama aquece a panela que
aquece a água, transformando energia térmica da chama em energia térmica da água.
Com o aumento da temperatura, a água começa a movimentar-se por diferença de
densidade e assim transforma parte da energia térmica em energia cinética
(convecção da água).
b) O motor transforma a energia elétrica em energia cinética e parte dela é transformada
em energia térmica pelo aquecimento do motor. A rotação do motor e a das pás do
liquidificador movimenta o ar transformando parte da energia de rotação em energia
sonora (promovida pelo deslocamento do ar), modificando ao longo do tempo a
distribuição da pressão do ar no espaço, o que é identificado por nosso aparelho
auditivo como som.
c) O forno de micro-ondas transforma a energia elétrica (ondas eletromagnéticas
hertzianas) em energia radiante na faixa de micro-ondas (também ondas
eletromagnéticas), depois essa energia é transformada em energia cinética de
oscilação das moléculas de água contida nos alimentos, que em seguida é
transformada em energia térmica, aquecendo todo o alimento.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
4
Aprendendo a Aprender
Página 9
A energia cinética do carro pode ser armazenada e reaproveitada (como ocorre em
diversos sistemas KERS já empregados na Fórmula 1.
Pode-se realizar a transformação e o armazenamento da energia cinética em potencial
elástica, como ocorre em sistemas com compressores de ar, ou em energia cinética de
rotação, como em carrinhos a fricção, ou em energia elétrica por freios eletromagnéticos
armazenando a energia produzida em baterias ou em capacitores. O caminhão com um
sistema de reaproveitamento conseguiria armazenar mais energia, pois tem maior
energia cinética para uma mesma velocidade.
LIÇÃO DE CASA
Página 10
1.
E = m g h.
E = 7(kg). 10 (m/s2) . 1,5 (m).
E = 105 Joules.
2.
Ec = (m v2)/2.
Ec = 850 (kg) . [30 (m/s)]2/2.
Ec = 382 500 Joules.
3.
Ec = (m v2)/2.
Ec = 45 000 (kg) . [5 (m/s)]2/2.
Ec = 562 500 Joules.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
5
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 11
A pesquisa deve revelar o processo de fotossíntese (Leitura 6 de Física Térmica do
GREF – “Sol: a fonte da vida”) ou o efeito fotoelétrico que é responsável por
transformar a energia solar em energia elétrica (Leitura 16 de Óptica do GREF –
“Imagem quântica no filme e na TV”) .
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
6
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DO COTIDIANO
Página11
1. O bate-estaca funciona levantando uma grande massa que é abandonada de certa
altura e cai batendo numa estaca que vai afundando no solo. Ela serve para fixar as
estacas no solo numa construção.
2. A partir das criações dos alunos, discuta os princípios físicos envolvidos no sistema
bate-estaca, dando ênfase para o conceito de trabalho e de conservação de energia.
Trabalhe a ideia de que neste sistema a energia dissipada por aquecimento da estaca
e pelo barulho é muito pequena quando comparada à energia total envolvida no
processo, concluindo que por este motivo podemos considerá-lo conservativo. O
foco desta parte da Situação de Aprendizagem está no entendimento de que a
conservação da energia mecânica e sua dissipação pelo trabalho de uma força são
ferramentas adequadas no prognóstico de parâmetros de um sistema físico.
3.
a) O motor realiza trabalho levantando a massa de 490 kg até a altura de 5 m,
transformando a energia química do combustível em energia cinética no movimento
do bloco e em energia potencial gravitacional do bloco de ferro que na altura de 5 m
é de 24 500 J. Ao ser abandonada dessa altura, a massa transforma sua energia
potencial em energia cinética e, ao atingir a estaca, transforma parte de sua energia
em movimento da estaca que penetra no solo e parte em energia térmica da estaca e
em som, ao final a estaca para numa nova posição.
b) Quem fornece a energia é o combustível que, através de sua queima, libera a
energia química que é transformada em energia cinética e em energia potencial pelo
trabalho realizado pelo motor do bate-estaca.
c) Energia química é transformada em energia cinética e em energia potencial
gravitacional na subida da massa. Na queda há transformação de energia potencial
gravitacional em energia cinética. Na colisão a energia cinética da massa se
transforma em energia cinética da estaca, em energia térmica e em som. Na
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
7
penetração da estaca no solo a energia cinética é transformada em trabalho da força
que a estaca exerce no solo, sendo finalmente dissipada sob forma de energia
térmica.
d) A partir da queda livre podemos tomar o sistema como conservativo. Trabalhe a
ideia de que neste sistema a energia dissipada por aquecimento da estaca e pelo
barulho é muito pequena quando comparada à energia total envolvida no processo,
concluindo que por este motivo podemos considerá-lo conservativo. O foco desta
parte da Situação de Aprendizagem está no entendimento de que a conservação da
energia mecânica e sua dissipação pelo trabalho de uma força são ferramentas
adequadas no prognóstico de parâmetros de um sistema físico.
e)
E = m g h
E = 490 (kg) 10 (m/s2) 5 (m)
E = 24 500 Joules.
Como o sistema pode ser considerado conservativo a energia cinética ao atingira
estaca também é Ec = 24 500 Joules.
f) Neste sistema a energia dissipada tanto na queda pela resistência do ar quanto na
batida por aquecimento da estaca e no barulho proveniente da batida é muito pequena
se comparada à energia total envolvida no processo, concluindo que por este motivo
podemos considerá-lo como um sistema que conserva a energia mecânica.
g) A força média pode ser calculada pela variação da energia mecânica por meio
do trabalho realizado pela força aplicada na estaca, que afunda 3 cm a cada batida,
resultando num valor médio de 816 666 N.
E = F . S
24 500 (J) = F (N) . 3x10-2 (m)
F = 816.666 N
h) Em cada batida do bate-estaca há transformação de 24 500 Joules, supondo que
a pessoa utilize uma marreta com massa de 10 kg, se ela conseguir imprimir uma
velocidade de 1 m/s, a cada batida seriam transformados 5 Joules. Assim, para
realizar o mesmo trabalho de uma batida do bate-estaca ela precisaria realizar 4 900
batidas com a marreta. Supondo que a cada hora a pessoa consiga realizar 200
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
8
batidas (a média de uma batida a cada 18 segundos), ela precisaria de 24,5 horas de
trabalho, o que numa jornada de 8 horas por dia corresponderia aproximadamente a 3
dias de trabalho.
LIÇÃO DE CASA
Página 15
1.
a) Em = Epi = 450 (kg) . 10 (m/s2) . 80 (m) = 360 000 Joules.
A 60 metros de altura Ep = 450 (kg) . 10 (m/s2) . 60 (m) = 270 000 Joules
Portanto, foram transformados Ep = 360 000 – 270 000 = 90 000 Joules em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
90 000 (J) = 450 (kg) v2/2 ou seja v = 20 m/s (72 km/h).
b) Em = Epi = 450 (kg) . 10 (m/s2) . 80 (m) = 360 000 Joules.
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 360 000 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
360 000 (J) = 450 (kg) v2/2 ou seja v = 40 m/s (144 km/h).
2. Para completar a tabela.
Para a queda de 320 metros:
Em = Epi = 0,001 (kg) . 10 (m/s2) . 320 (m) = 3,2 Joules.
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 3,2 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
3,2 (J) = 0,001 (kg) v2/2 ou seja v = 80 m/s (288 km/h).
Para a queda de 720 metros:
Em = Epi = 0,001 (kg) . 10 (m/s2) . 720 (m) = 7,2 Joules.
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 7,2 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
7,2 (J) = 0,001 (kg) v2/2 ou seja v = 120 m/s (432 km/h).
Para a queda de 8 000 metros:
Em = Epi = 0,001 (kg) . 10 (m/s2) . 8 000 (m) = 80 Joules.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
9
Ao chegar ao chão Ep = 0, portanto, foram transformados Ep = 80 em energia
cinética, como podemos determinar a velocidade pela expressão Ec = mv2/2, temos
80 (J) = 0,001 (kg) v2/2 ou seja v = 400 m/s (1 440 km/h).
Elas não caem com essas velocidades tão altas porque há transformação de energia
em energia térmica pelo trabalho da resistência do ar. Portanto, neste caso não pode
ser considerada conservação da energia mecânica, é preciso determinar a dissipação
de energia mecânica pela transformação em energia térmica.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
10
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3
RISCOS DA ALTA VELOCIDADE EM VEÍCULOS
Página 17
Uma referência para a tabela é a seguinte:
Velocidade
Distância
percorrida até
reagir
Distância percorrida
freando
Distância total
percorrida
20 km/h (5,5 m/s) 3,3 1,8 5,1
36 km/h (10m/s) 6,0 6,0 12,0
45 km/h (12,5 m/s) 7,5 9,3 16,8
72 km/h (20 m/s) 12,0 24,0 36,0
80 km/h (22,2 m/s) 13,3 29,6 42,9
90 km/h ( 25 m/s) 15,0 37,5 52,5
108,0 km/h (30,0 m/s) 18,0 54,0 72,0
120,0 km/h (33,3 m/s) 20,0 66,5 86,5
144,0 km/h (40,0 m/s) 24,0 96,0 120,0
180,0 km/h (50,0 m/s) 30,0 150,0 180,0
1. Retomando os conceitos estudados no primeiro bimestre, estabelecendo a relação
entre distância, velocidade e tempo, supondo que nesse trecho em que o motorista
reage a velocidade do veículo seja constante, V = d/t. O tempo de reação pode ser
estimado utilizando a segunda coluna da tabela, e neste caso obtemos o valor de 0,6
segundo.
2. O conceito de transformação de energia pelo trabalho da força de atrito resgata o
atrito estudado no primeiro bimestre e deve ser explorado em seu formalismo.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
11
E F distância c atrito . logo,
mv ( m.g.0,8)distância
2
0 .
2
Assim, determinam-se os valores respectivamente apresentados na terceira
coluna da tabela.
3. Para uma mesma variação de cerca de 25 km/h, a distância necessária para frear é
muito diferente, no primeiro caso aumenta apenas 11,7 metros e no segundo caso
aumenta 33,5 metros.
4. A distância percorrida freando aumenta quatro vezes quando duplicamos a
velocidade, por exemplo, passando de 20 m/s para 40 m/s (o dobro) a distância
aumentou de 24 m para 96 m (quatro vezes), também ao passar de 25 m/s para 50
m/s (dobro), a distância freando passa de 37,5 para 150 (quatro vezes). Isso acontece
porque a energia cinética varia com o quadrado da velocidade e a distância freando é
proporcional à energia que deve ser dissipada.
5. Nesse item, em continuidade ao anterior, permite-se a conclusão de que a distância
percorrida freando aumenta ao quadrado, enquanto a velocidade aumenta
linearmente. Assim, ao dobrar a velocidade, a distância percorrida freando aumenta
quatro vezes; ao triplicar a velocidade, a distância é nove vezes maior.
6. Os dados da revista indicam que o modelo adotado nessa atividade apresenta
resultados muito próximos dos dados reais de equipamentos profissionais de
medidas.
VOCÊ APRENDEU?
Página 20
A regra dos dois segundos é na verdade uma regra que estabelece a distância entre os
dois veículos: a distância percorrida durante dois segundos a uma determinada
velocidade. Essa distância varia linearmente com a velocidade enquanto a distância
necessária para a frenagem varia com o quadrado da velocidade, por isso a regra dos
dois segundos funciona bem em baixas velocidades, mas não é adequada para altas
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
12
velocidades. Determinar o limite de validade dessa regra é importante para a segurança
no trânsito e para isso devemos comparar, para cada velocidade, a distância percorrida
durante dois segundos e a distância total necessária para a frenagem (veja a tabela
presente nessa Situação de Aprendizagem). A regra só é válida enquanto a distância
percorrida durante dois segundo for maior que a distância necessária para frear, com os
valores apresentados para as variáveis relevantes nessa Situação de Aprendizagem.
Você poderá verificar que a regra funciona para a velocidade de 80 km/h, mas já não é
adequada para a velocidade de 90 km/h. O limite pode ser estabelecido igualando-se as
duas equações: D = 2v e D = 0,6v + v2/1,6g, obtendo-se uma velocidade limite de
aproximadamente 22,4 m/s, ou seja, cerca de 81 km/h. Cabe destacar que o limite de
velocidade de 80 km/h foi adotado no Brasil para todas as rodovias durante muitos
anos; hoje os limites são mais flexíveis e dependem do tipo de veículo e das condições
da estrada, mas não ultrapassam 120 km/h.
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 21
Quando a força é variável é necessário empregar o cálculo integral para determinar o
trabalho realizado pela força num determinado deslocamento, o que corresponde a
determinar a área sob a curva que relaciona a força com o deslocamento. Assim, em
casos em que sabemos determinar geometricamente a área sob essa curva podemos
determinar também no ensino médio o trabalho realizado. Por exemplo, a força elástica
é uma força variável que depende linearmente da deformação (elongação da mola),
assim o trabalho realizado pela força elástica pode ser determinado pela área limitada
pela reta que relaciona a força elástica e a deformação (elongação), no gráfico que é
denominado curva característica da mola. Como para a força nula a deformação também
é nula a área sob o gráfico pode ser obtida pela área de um triângulo, já para determinar
o trabalho necessário para passar de uma situação com uma força não nula (diferente de
zero) para outra configuração também não nula, com outra deformação ou elongação,
precisamos determinar a área que corresponde à figura de um trapézio. Dessa forma
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
13
podemos determinar o trabalho realizado sempre que soubermos determinar a área sob o
gráfico que relaciona a força com o deslocamento.
LIÇÃO DE CASA
Página 22
1. A força elástica varia linearmente de zero até F = 1,5 N = 0,5 (N/m) . 3 (m).
Portanto, o trabalho que corresponde à área sob o triângulo pode ser calculado
utilizando a área do triângulo: A = (base. Altura)/2, assim o trabalho realizado é
obtido por A = [3 (m) . 1,5 (N)]/2 = 2,25 Joules. Outra forma de determiná-lo é pela
expressão Eel = k x2/2 = 0,5 (N/m) . (3 m)2/2 = 2,25 Joules
2. O trabalho da força variável corresponde à área sob a curva que pode ser
determinada separando a figura em dois triângulos e um retângulo ou diretamente
pela área do trapézio A = [(base maior + base menor)/2]. altura.
Assim a energia armazenada é E = 92,5 J =[(2,5 + 1,2) (m)/2].50 (N).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
14
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4
A EVOLUÇÃO DAS MÁQUINAS MECÂNICAS
Página 24
1. O item compara o trabalho animal e o trabalho mecânico e, nessa comparação, temos
que a potência equivalente à de um carro 1.0 corresponde a cerca de 56 cavalos. Já
para se equiparar a uma Ferrari seriam necessários cerca de 500 cavalos. A questão
importante a se discutir aqui é que o trabalho mecânico é realizado por máquinas que
conseguem concentrar grande potência em pequenos motores que equipam os
veículos.
2. O item concretiza a inviabilidade de se obter por trabalho animal potências como as
obtidas por trabalho mecânico nas máquinas modernas. Uma máquina de 6 MW
corresponderia a cerca de 8 000 cavalos, e a de 9MW a 12 000 cavalos. Neste
momento, é interessante que se esclareça o motivo de se utilizar o conceito de
potência e não o de energia ao comparar o trabalho realizado por diferentes máquinas
e animais. É importante ressaltar que é preciso comparar o tempo necessário para se
obter a energia, uma vez que mesmo um pequeno motor pode fornecer grande
energia se funcionar por um longo período de tempo, mas, se for preciso que essa
energia seja obtida rapidamente, é necessária uma potência maior, por isso o conceito
adequado é o de potência.
3. Uma máquina de 6 MW que utilizasse 8 000 cavalos e para cada cavalo uma área de
4 m de comprimento por 2 m de largura, um círculo mínimo com cerca de 50 cavalos
teria um raio de 30 metros e um círculo máximo com 230 cavalos teria raio de 146
metros, sendo ao todo cerca de 60 círculos concêntricos e com área de
aproximadamente 67 000 m2.
Já para uma máquina de 9 MW que utilizasse 12 000 cavalos e para cada cavalo uma
área de 4 m de comprimento por 2 m de largura, um círculo mínimo com cerca de 50
cavalos teria um raio de 30 metros e um círculo máximo com 230 cavalos teria raio
de 178 metros, ao todo seriam cerca de 75 círculos concêntricos e com área de
aproximadamente 100 000 m2.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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4.
• Vantagens/ Problemas:
O primeiro grupo discutirá, por um lado, como a ampliação da força humana
pelas máquinas permite a manutenção de aglomerações urbanas, como grandes
cidades, metrópoles etc. Ele pode trazer também questões como a evolução dos
sistemas de produção, fábricas automatizadas, industrialização dos alimentos,
além da questão da dimensão das usinas hidrelétricas, que permitem abastecer
grandes regiões do país com energia elétrica. Por outro lado, discutirá os
impactos ambientais e os problemas urbanos trazidos pela grande produtividade
dessas máquinas e seus desdobramentos. Alguns exemplos são: os problemas
resultantes da construção de grandes centrais hidrelétricas, como o alagamento
de grandes regiões; das aglomerações humanas, como o descarte do lixo; e do
crescimento desorganizado dos centros urbanos, como a captação e o tratamento
de água.
• Conquistas / Problemas:
O segundo grupo discutirá, por um lado, realizações humanas que só são
possíveis pela evolução de máquinas e equipamentos, como a conquista do
espaço (foguetes, estação espacial), dos mares (submarinos nucleares), os
transportes aéreos, as usinas nucleares, a exploração de grandes quantidades de
minérios em gigantescas escavações, a exploração de petróleo em plataformas
submarinas etc. Por outro lado, discutirão a poluição espacial, os restos de
foguetes, pequenas peças que se desprendem e permanecem em órbita, os
satélites artificiais obsoletos etc.; os riscos de acidentes com material radioativo,
como ocorreu em Goiânia, ou com o naufrágio de submarinos nucleares; a
exploração desenfreada dos recursos naturais, como os minérios e o petróleo,
trazendo desmatamento, assoreamento e outros prejuízos ambientais.
• Vantagens / Desvantagens:
O terceiro grupo deve discutir, por um lado, as vantagens da substituição do
trabalho humano pelo trabalho mecânico nos diversos casos, por exemplo, no
uso de robôs para a realização de atividades perigosas ou insalubres. Por outro
lado, discutirá os problemas sociais ligados à substituição do trabalho humano
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
16
pelo trabalho mecânico, tendo como consequências as ondas de desemprego na
indústria e nos campos.
LIÇÃO DE CASA
Página 29
A redação deve articular partes das letras dessas músicas com as discussões
estabelecidas nos três grupos.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5
AVALIANDO SITUAÇÕES DE EQUILÍBRIO ESTÁTICO
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 31
3. Os diagramas devem ser semelhantes a esses:
Fmão Fel
Dinamômetro Suporte
Fel Peso
Peso do dinamômetro
4. O gráfico deve ser semelhante a esse:
F(N) Curva característica de calibração do dinamômetro
Elongação x (m)
Na curva de calibração a força em função da massa deve ser relacionada com a
elongação da mola. A equação deve corresponder à Lei de Hooke: F = k . x.
5. Resposta pessoal, depende do peso do estojo
6. Resposta pessoal, depende do atrito do caderno com a superfície.
7. O diagrama de forças é imprescindível para a discussão do “peso aparente” que o
objeto passará a ter ao ser imerso na água, que será indicado pelo dinamômetro. O
surgimento da força de empuxo precisa ser evidenciado para se contrapor à ideia de
que os objetos são mais leves dentro da água. O peso do objeto não varia. A
discussão sobre o equilíbrio em fluidos deve ser sistematizada, utilizando análise por
diagramas de forças, leis de Newton, do movimento e a concepção de empuxo. O
estudo do empuxo pode ser explorado a partir do peso do líquido deslocado (no
entanto, o entendimento físico do empuxo necessita do aprofundamento do conceito
de pressão e de seu gradiente num líquido sob ação do campo gravitacional).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
18
LIÇÃO DE CASA
Página 35
1. O peso do caminhão é a soma das medidas nas balanças, portanto a resposta correta
está presente na alternativa e) 60 000 N.
2.
a) A constante elástica pode ser obtida pela Lei de Hooke, sendo nesse caso
determinado o valor de k = 10 N/m.
b) A massa é de 0,5 kg (correspondente ao peso de 5 N).
c) Pode-se calcular o trabalho pela diferença da energia potencial elástica nas duas
configurações: E = 1,25 J – 0,45 J = 0,8 J.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
O TORQUE EM SITUAÇÕES DE EQUILÍBRIO
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 37
1. A balança permanece em equilíbrio. Trata-se do equilíbrio do torque utilizando
forças iguais a distâncias iguais, produzindo torques cuja resultante é zero.
2. Continua em equilíbrio, em todos os casos. O importante é que o aluno perceba que
em qualquer distância adotada, desde que sejam massas iguais e distâncias iguais,
ocorrerá uma situação de equilíbrio de rotação.
3. A balança pende para o lado em que a distância é maior. Trata-se de situação em que
não há equilíbrio. Como as forças peso são iguais, mas as distâncias são diferentes,
os torques não se anulam e a balança penderá para o lado que tem maior torque,
aquele cuja distância ao centro for maior.
4. A balança pende para o lado em que a massa é maior. Trata-se de situação em que
não há equilíbrio. Como as distâncias são iguais, mas as forças peso são diferentes,
os torques não se anulam e a balança penderá para o lado que tem maior torque,
aquele cuja força peso é maior.
5. A balança fica em equilíbrio, o aumento da massa foi balanceado pela diminuição da
distância, permanecendo em equilíbrio. Trata-se de situação em equilíbrio de rotação,
com forças peso e distâncias cujo torque resultante é nulo. Nelas, os alunos são
direcionados a relacionar a massa com a distância. Essa relação será fundamental
para o entendimento da concepção de momento de uma força a ser explorado no
diagrama de forças.
6. A balança fica em equilíbrio, o produto da massa pela distância de um lado é igual à
soma dos mesmos produtos do outro lado. Assim as massas balanceadas pelas
distâncias em ambos os lados são iguais, permanecendo em equilíbrio.
7. O essencial é a construção dos diagramas de força, com a indicação das distâncias.
Você deverá explorar o conceito de momento de uma força, mostrando que os
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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produtos da força por distância são iguais nos dois lados da balança nos casos em que
há equilíbrio, e são diferentes nos casos em que não há equilíbrio.
8. Nesse item o essencial é que os alunos apresentem o conceito de momento de uma
força, explicitando que, em situações de equilíbrio, a soma de todos os momentos em
cada um dos dois lados da balança é igual. O relatório deve ser entendido como um
exercício da habilidade de organizar e apresentar os procedimentos científicos na
forma de linguagem escrita. Neste momento, não deve ser avaliado com o rigor que
um relatório científico deve ter em relação à precisão de medidas, propagação de
erros ou normas. Devemos observar se o objetivo está claro para o aluno, se o
procedimento realizado está devidamente caracterizado com explicações que
possibilitem ao leitor a reprodução do experimento, se os dados são apresentados de
forma organizada e se o aluno consegue determinar uma regra que promova
equilíbrio de rotação na balança de braços. Caso você entenda que não há tempo
suficiente para a elaboração do relatório durante a aula, o aluno poderá realizá-lo
como atividade extraclasse. Nesse caso, estipule o prazo de entrega numa das
próximas aulas, a seu critério, sem prejuízo à atividade.
Aprendendo a Aprender
Página 40
1. Quanto mais distante da dobradiça mais fácil fechar a porta e quanto mais próxima
mais difícil fechar. Quanto maior a força mais fácil fechar a porta. Quanto mais
perpendicular à porta mais fácil, quanto mais paralelo à porta mais difícil.
2. Não, pois nesses casos a força necessária para abri-la ou fechá-la seria maior, o
melhor lugar é próximo à extremidade oposta à dobradiça, onde seria mais fácil abrir
ou fechar a porta.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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LIÇÃO DE CASA
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1. Alternativa b. Nessa situação temos o peso da massa M (PM) aplicado à distância de
0,4 m do apoio e o peso da barra (Pb) aplicado a 0,5 m do apoio. Assim, se PM . 0,4
fosse maior que Pb . 0,5, a barra se desequilibraria e cairia dos apoios. Dessa forma a
resposta que apresenta a maior massa que manteria a barra em equilíbrio corresponde
à alternativa (b) 10 kg.
2. Como no avião há duas rodas traseiras e apenas uma roda dianteira, para que ocorra
equilíbrio de rotação em relação ao CG os momentos de ambos os lados devem ser
iguais. Para isso a igualdade MD . 16 = 2 . MT . 4 deve ser satisfeita, ou seja, MT =
2. MD, o que corresponde à resposta apresentada na alternativa c) MD = 18 e MT =
36.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7
AMPLIAÇÃO DE FORÇAS: AUMENTANDO O DESLOCAMENTO
NA REALIZAÇÃO DE TRABALHO
Página 44
1. Utilizo uma chave de fenda, que tem um eixo mais grosso na empunhadura e mais
fino na ponta em que fica o parafuso.
2. Se a moto for pequena é possível se a pessoa for muito forte, no entanto,
se a moto for grande não conseguirá sozinha, só com a ajuda da rampa.
3. Sim, pois a rampa diminui a força que é necessária para levar a moto para cima, pois
ela vai subindo devagar, inclinada, aumentando a distância e facilitando levar a moto
para cima. Dessa forma, consegue-se realizar tarefas que antes não seriam possíveis,
amplificando nossa força.
4. Assim a pessoa usa uma força menor, mas tem de aumentar o número de vezes que
puxa as correntes da talha. Para diminuir a força é preciso aumentar o número de
vezes que puxa a corrente.
5. Sim, usando roldanas móveis a força necessária para mover algo diminui . Para
erguer um motor de um carro utilizando uma talha com roldanas móveis, vários
metros de corrente devem ser puxados para que o motor suba apenas alguns
centímetros. Ou seja, a amplificação da força é obtida à custa de uma troca: aplica-se
uma força menor ( do que a que seria necessária sem o uso da talha ) por uma
distância maior.
6. Como a distância do cabo até o apoio é maior que a distância da ponta do alicate até
o apoio, a força aplicada no cabo é menor que a força na ponta, assim fazemos uma
força menor no cabo do que a força que é feita na ponta do alicate.
7. As imagens apresentadas devem ser classificadas nas seguintes categorias:
I – Planos inclinados: figura do elefante; a escada.
II – Alavancas: gangorra; alicate; tesoura; carrinho de mão.
III – Rodas e eixos: chave de fenda e torneira; figura do poço; volante de
direção; maçaneta da porta.
IV – Roldanas: figura do equipamento de ginástica.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 2
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Aprendendo a Aprender
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1. Para aumentar a força aplicada em sua extremidade, como uma alavanca.
2. Para a pessoa realizar uma força menor para girar a chave, como numa chave de
fenda, o percurso executado pela parte mais larga da chave (roda) é maior que o
realizado pelo eixo, assim a força aplicada é menor na parte externa da chave.
3. Para a pessoa realizar uma força menor na empunhadura para girar a chave, o
percurso executado pela parte mais larga da chave (roda) é maior que o realizado
pelo eixo, assim a força aplicada pela pessoa é menor que a força aplicada ao
parafuso, ou seja, amplifica nossa força.
postado por neidefisica @ 18:52
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