Ciências Físico-Químicas 10º ano

Ficha de trabalho laboratorial

“Plano inclinado e queda e ressalto de uma bola”.

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1. A montagem laboratorial da figura foi usada para estudar

a relação entre a energia cinética adquirida por um bloco,

de 276,70 g, e a distância percorrida sobre uma rampa,

partindo do repouso. A massa do bloco foi medida numa

balança digital. Com as medições efetuadas construiu-se o

gráfico ao lado, quando a base do bloco foi forrada com

um material A e com um material B.

1.1. Indique as medições diretas que são realizadas neste

procedimento.

1.2. Apresente a medida da massa do bloco, atendendo à

incerteza do instrumento de medida, na unidade SI.

1.3. Qual das opções completa corretamente a frase seguinte?

Quando a base do bloco está forrada com material …… é maior

a energia dissipada, sendo, em módulo, …… o trabalho realizado

pela força de atrito que atua sobre o bloco.

(A) A … maior (B) B … menor (C) B … maior (D) A … menor

1.4. Considere a situação em que a base do bloco está revestida com o material A.

1.4.1. Indique, justificando a partir do gráfico, em que situação o cronómetro medirá um tempo maior: quando o bloco

percorre 0,80 m ou percorre 1,30 m.

1.4.2. Para medir a energia cinética do bloco após percorrer 1,30 m, largou-se o bloco de uma mesma posição na rampa e

registou-se o valor medido no cronómetro digital. Repetiu-se o procedimento mais duas vezes e construi-se a seguinte

tabela de registos:

∆𝑡 / ms 17,37 17,56 17,81

a) Na unidade SI, a medida do tempo que a tira bloqueia a luz da célula fotoelétrica é:

(A) 17,58 ± 0,01 (C) (17,58 ± 0,21) × 10−3

(B) (17,58 ± 0,02) × 10−3 (D) (17,58 ± 0,23) × 10−3

b) Determine a largura da tira de cartolina, exprimindo o resultado em centímetros. Apresente todas as etapas de

resolução.

2. Quando um corpo desliza ao longo de um plano inclinado, ocorre, geralmente, dissipação de parte da energia mecânica do

sistema corpo + Terra. Numa aula laboratorial de Física,

pretendia-se investigar se a energia dissipada e a

intensidade da resultante das forças de atrito que atuam

num corpo que desliza ao longo de um plano inclinado

dependem da distância percorrida pelo corpo e dos

materiais das superfícies em contacto. Na Figura, está

representada uma montagem semelhante à utilizada nessa

aula laboratorial. Nos ensaios efetuados, foi utilizado um

paralelepípedo de madeira cujas faces laterais, de igual área, se encontravam revestidas por materiais diferentes. Em cada

conjunto de ensaios, o paralelepípedo, deslizando sobre a calha sempre apoiado numa mesma face, foi abandonado em

diversas posições, percorrendo assim distâncias diferentes até passar pela célula fotoelétrica. O cronómetro digital ligado à

célula fotoelétrica permitiu medir o intervalo de tempo que a tira de cartolina fixada no paralelepípedo demorava a passar

em frente dessa célula. No tratamento e na interpretação dos resultados experimentais obtidos, considerou-se desprezável a

resistência do ar (2016, 1ª fase).

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2.1. Para medir a largura, Δx, da tira de cartolina utilizou-se uma régua com uma escala cuja menor divisão é 1 mm. Qual é a

incerteza associada à escala dessa régua?

2.2. Num dos ensaios realizados, o paralelepípedo, de massa 90,48 g, foi abandonado numa determinada posição sobre a calha,

tendo percorrido 0,870 m até a tira de cartolina passar em frente da célula fotoelétrica. Nesse deslocamento, a altura a que

o paralelepípedo se encontrava em relação a um mesmo nível de referência diminuiu 0,420 m. No ensaio realizado, a tira

de cartolina, de largura Δx = 1,50 cm, demorou 1,08x10-2 s a passar em frente da célula fotoelétrica. Calcule a intensidade

da resultante das forças de atrito que atuaram no paralelepípedo, naquele ensaio. Admita que essa resultante se manteve

constante. Apresente todas as etapas de resolução.

2.3. Em qual dos esquemas seguintes está representado

um diagrama das forças que atuam no paralelepípedo

quando este, depois de abandonado, desliza sobre a

calha?

2.4. Num dos conjuntos de ensaios realizados, o

paralelepípedo deslizou sobre a calha apoiado numa

face revestida por um material X e, noutro conjunto

de ensaios, deslizou sobre a calha apoiado numa face

revestida por um material Y. Os resultados obtidos

permitiram representar graficamente, num mesmo

sistema de eixos, a energia dissipada, Ed, em função

da distância percorrida, d, para cada um dos

conjuntos de ensaios realizados. A partir dos gráficos

obtidos foi possível concluir que a intensidade da resultante das forças de atrito que atuaram no paralelepípedo foi maior

quando este deslizou apoiado na face revestida pelo material X. Qual das opções seguintes poderá representar os esboços

dos gráficos obtidos?

3. Numa aula largou-se um carrinho de uma posição da rampa e mediu-se a velocidade com que chegou a outra posição.

Sobre o carrinho usou-se um pino, de 9,40 mm de largura, e com um sensor ligado a um cronómetro

mediu-se o tempo de passagem. Repetindo para mais quatro distâncias, elaborou-se, de seguida, o

gráfico da energia cinética em função da distância percorrida.

3.1. Para uma certa distância percorrida, em três ensaios realizados nas mesmas condições, os alunos

mediram os intervalos de tempo de obstrução do feixe da fotocélula registados na tabela seguinte.

3.1.1. Apresenta o valor mais provável para o tempo de obstrução da fotocélula afetado da

incerteza relativa. Apresenta todas as etapas de resolução.

3.1.2. Obtém o resultado da medição da velocidade.

3.2. Apresentaram-se na tabela valores obtidos para a distância percorrida pelo carrinho, de

massa 502,8 g, e para as velocidades correspondentes. O carrinho foi largado sem

velocidade inicial.

3.2.1. Acrescenta uma coluna com a energia cinética.

3.2.2. Elabora o gráfico da ΔEc em função da distância percorrida.

Ensaio Δt / ms

1 19,0

2 18,9

3 18,7

Distância percorrida

(±0,0005) m

v / ms-1

0,890 0,876

0,800 0,825

0,700 0,768

0,600 0,709

0,500 0,645

0,400 0,576

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3.3. Um grupo de alunos realizou a experiência com uma rampa mais inclinada. Qual das figuras seguintes representa

corretamente o gráfico da ΔEc em função da distância percorrida, contendo os resultados da inclinação inicial (com pontos)

e, desta outra inclinação.

3.4. Um outro grupo de alunos realizou a experiência colocando uma sobrecarga sobre o carrinho. Em qual das figuras se

encontra corretamente esboçado o gráfico inicial (com pontos) e com a sobrecarga?

4. Deixaram-se cair bolas que, ao colidir com o solo, ressaltaram várias vezes. É desprezável a resistência do ar. A figura

mostra uma bola em três posições durante uma queda: a bola parte do repouso na posição A, que está a uma altura h do solo,

atingindo o solo na posição C.

4.1. Qual das seguintes expressões indica o módulo da velocidade da bola na posição B?

(A) √1

3𝑔ℎ

(B) √2

3𝑔ℎ

(C) √4

3𝑔ℎ

(D) √2𝑔ℎ

4.2. Qual é a variação de energia mecânica do sistema bola + Terra entre as posições A e B?

4.3. Relativamente ao movimento entre A e C, qual das afirmações é verdadeira?

(A) A energia cinética da bola, em cada posição, é diretamente proporcional ao módulo da sua

velocidade.

(B) Sobre a bola atua uma força cujo trabalho não depende do tipo de trajetória entre as posições inicial e final.

(C) A variação da energia potencial do sistema bola + Terra é positiva.

(D) O trabalho da força gravítica que atua sobre a bola é igual à variação de energia potencial gravítica do sistema bola +

Terra.

5. Deixaram-se cair da mesma altura, e sobre o mesmo piso, duas bolas diferentes, A e B. Com uma fita métrica mediram-se as

respetivas alturas de primeiro ressalto, realizando-se três ensaios para cada bola. Os valores obtidos apresentam-se na tabela

seguinte.

Altura de ressalto / cm

A 62,20 62,30 62,40

B 65,40 64,50 65,10

5.1. Apresente o resultado da medição da altura de ressalto obtido para a bola B e avalie a precisão das medidas. Apresente

todas as etapas de resolução.

5.2. Compare, justificando, a elasticidade das bolas.

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6. Um sensor de posição registou as sucessivas alturas de uma bola, que foi abandonada de uma altura de 90 cm e ressaltou várias vezes, obtendo-se o gráfico seguinte.

6.1. Sendo m a massa da bola, selecione a expressão que permite

calcular o trabalho realizado pelo peso da bola no deslocamento

entre a posição em que é abandonada e a posição da altura máxima

no primeiro ressalto.

(A) W = 10m (0,90 – 0,63)

(B) W = −10m (0,90 − 0,63)

(C) W = 10m (0,90 + 0,63)

(D) W = −10m (0,90 + 0,63)

6.2. Justifique por que razão a altura de ressalto é inferior à altura de queda.

6.3. Determine a percentagem de energia dissipada na primeira colisão com o solo. Apresente todas as etapas de resolução.

6.4. Supondo que a percentagem de energia dissipada seja a mesma em todas as colisões com o solo, qual deverá ser o valor de

x representado no gráfico?

(A) 36 (B) 19 (C) 46 (D) 44

7. Uma bola é abandonada de uma altura, h, em relação ao solo. Na figura, desenhada à escala, estão representadas a altura máxima em relação ao solo atingida pela bola após o primeiro ressalto, hA

(4,2 cm com uma régua), e a altura máxima em relação ao solo atingida pela bola após o segundo ressalto, hB (2,6 cm medidos na régua). Considera desprezável a força de resistência do ar, e admite que a bola pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

7.1. Considera a escala representada na figura e admite que a percentagem de energia dissipada é a mesma em cada ressalto. Determina a altura, h, da qual a bola foi abandonada. Apresenta todas as etapas de resolução.

7.2. Explica porque é que a altura máxima atingida pela bola após cada ressalto é sucessivamente menor.

8. Numa aula laboratorial, estudou-se o movimento vertical de queda e de ressalto de diversas bolas, em

condições em que a resistência do ar pode ser considerada desprezável. Na atividade realizada, utilizou-

se um sensor de posição ligado a um sistema de aquisição automática de dados. Em cada ensaio

realizado, abandonou-se uma das bolas de uma posição situada sob o sensor, como representado na

Figura 1 (que não está à escala). Considere o solo como nível de referência da energia potencial gravítica.

A Figura 2 apresenta o gráfico da distância de uma das bolas ao sensor, em função do tempo, obtido num

dos ensaios realizados (2018, 2ª fase).

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8.1. Qual foi a distância percorrida pela bola desde a posição em que foi abandonada, sob o sensor, até colidir pela primeira vez

com o solo?

(A) 1,10 m (B) 0,20 m (C) 1,30 m (D) 0,34 m

8.2. No segundo ressalto, em que instante a energia potencial gravítica do sistema bola + Terra é máxima?

8.3. No terceiro ressalto, a bola terá atingido uma altura máxima de 0,37 m. Qual terá sido o módulo da velocidade com que a

bola abandonou o solo, nesse ressalto?

(A) 2,7 m s-1 (B) 1,9 m s-1 (C) 1,4 m s-1 (D) 3,8 m s-1

8.4. Explique, com base em considerações energéticas, porque é que a altura máxima atingida pela bola nos sucessivos ressaltos

é cada vez menor. Apresente, num texto estruturado e com linguagem científica adequada, a explicação solicitada.

Soluções rápidas

1. Massa do bloco (balança digital, intervalo de tempo (cronómetro), largura da tira e distância percorrida no plano; m =

(276,70 ± 0,01) x10-3 kg; C; quando a distância percorrida é 0,80m, o valor da energia cinética é menor pelo que a velocidade

será, também, menor. Assim, quanto menor for a velocidade do bloco, maior será o tempo que ele demora a bloquear a luz

da célula fotoelétrica e, por isso, o tempo medido no cronómetro será maior; D; 1,8 cm.

2. 0,5mm; 0,34N; B; A

3. Δt = 18,9ms ± 1,1%; 0,497 ms-1; (0,193J; 0,171J; 0,148J; 0,126J; 0,105J; 0,083J); …; A; A.

4. C; 0J; B

5. h = (65,00±0,50)cm e, como o desvio percentual é muito baixo (0,77%) existe grande precisão; Como a altura do ressalto é

menor em A e, sabendo que quanto maior for a altura do ressalto maior será a elasticidade, conclui-se que B apresenta maior

elasticidade.

6. A; Como a resistência do ar é nula, existe conservação de Em na queda da bola. Na colisão com o solo há perda de energia

mecânica devido à dissipação de energia e, por isso, a Em com que a bola inicia o ressalto é menor do que quando chega ao

solo. No movimento de subida volta a haver conservação de Em, pelo que na altura máxima Em = Ep = mgh que será menor

do que a inicial; 30%; D.

7. 1,36m; Enquanto a bola está no ar não existem FNC, pelo que a Em se conserva na descida (até ao embate). A Em com que a

bola sai do ressalto é a mesma com que chega à altura máxima. No entanto, no embate com o solo existe uma percentagem

de energia que é dissipada pelo que a Em antes do embate é menor que depois. Então se, após cada ressalto, a Em com que

se inicia a subida é sucessivamente menor, então a altura atingida também o será.

8. A; 1,68s; A; ver pergunta 7.