Al1.1. Queda Livre

Física e Química A – Ano 2 Curso Científico - Humanístico de Ciências e Tecnologias Movimentos na Terra e no Espaço: Da Terra à Lua

ESCOLA SECUNDÁRIA DA QUINTA DAS FLORES AL1.1. Queda Livre NOME: __________________________________________________________________________________________________ 11.º Ano Turma B N.º ______

Questão Problema: Dois atletas com massas diferentes, em queda livre, experimentam ou não a mesma aceleração? Questões pré-laboratoriais A queda livre ou queda de um grave é o movimento de um corpo que, partindo do repouso e desprezando a resistência do ar, está sujeito, apenas à interacção gravítica. Aristóteles e Galileu, dois nomes muito importantes na história das ciências, tinham ideias algo diferentes no que respeita a este tipo de movimento: Aristóteles, filósofo grego, baseava as suas ideias sobre o movimento num Universo perfeito. Segundo este filósofo, a Terra estava imóvel no centro do Universo. O Sol e os restantes astros moviam-se em torno da Terra. Em relação ao movimento da queda de graves, Aristóteles estabeleceu que “dois corpos de massas diferentes abandonados ao mesmo tempo e da mesma altura atingem o solo em tempos diferentes – o corpo de maior massa chegaria primeiro ao solo”. A visão de Aristóteles era aceite irrefutavelmente pela Igreja Católica e perdurou cerca de 2000 anos. Galileu foi um físico e astrónomo italiano. Foi o primeiro cientista a dar uma explicação sobre o sistema heliocêntrico, contrariando as ideias de Aristóteles. Galileu estudou a Lei da Queda dos Graves em planos inclinados. Os factos observados no plano inclinado foram extrapolados por Galileu para o movimento da queda de graves (considerou a hipótese de um plano inclinado com o ângulo de 90º). Galileu realizou medições cuidadosas da distância percorrida por um corpo, partindo do repouso. Concluiu que as distâncias percorridas pelo corpo eram directamente proporcionais ao quadrado dos tempos gastos para as percorrer. Chegou a uma conclusão contrária à de Aristóteles. Afirmou que “ o corpo de maior massa e o corpo de menor massa devem cair igualmente, atingindo o solo simultaneamente se forem abandonados da mesma altura”. Certos historiadores, encantados com a fama de Galileu, contam que abandonou vários objectos com massas diferentes do alto da Torre de Pisa e observou que eles atingiram o solo ao mesmo tempo. Após a leitura atenta do texto, responda às seguintes questões: 1. No texto é possível ler: “… as distâncias percorridas pelo corpo eram directamente proporcionais ao quadrado dos tempos...” Explique o significado da afirmação. 2. Prove que, a aceleração gravítica, g , comunicada a um corpo em queda livre é independente da sua massa e aproximadamente constante. (Ajuda: recorde a Lei da Gravitação Universal e a Lei Fundamental da Dinâmica) 3. Quem tinha razão acerca da queda dos graves? Galileu ou Aristóteles? 4. Comente o último parágrafo do texto. 5. Calcule o valor da aceleração gravítica. Dados: M Terra  5,98 10 kg ; G  6,67 10 24

11

N m2 kg 2 ; raioTerra  6378 103 m

6. Como procederia para determinar experimentalmente o valor da aceleração gravítica? Ano Lectivo 2009/2010

Catarina Santos

Física e Química A – Ano 2 Curso Científico - Humanístico de Ciências e Tecnologias Movimentos na Terra e no Espaço: Da Terra à Lua DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE Objectivo Determinar a aceleração da gravidade no local da experiência, utilizando processos e materiais ou equipamentos diferentes. Fundamentos Teóricos Quando um objecto cai livremente, sendo a resistência do ar desprezável, a única força que nele actua é a que resulta da sua interacção com a Terra, isto é, o seu peso; nestas condições a aceleração a que fica sujeito é a aceleração da gravidade.

Processo utilizando o Smart Timer Material e Equipamento necessários     

Suporte universal + acessórios Mola de madeira Célula fotoeléctrica Digitímetro Fios de ligação

    

Balde com areia Réguas de plástico transparente Fita autocolante opaca Caneta de acetato Fita – cola

Procedimento 1. 2. 3. 4.

Cola-se numa régua transparente, a uma certa distância das extremidades, duas fitas adesivas opacas. Mede-se a largura da fita. Marca-se na régua, com caneta de acetato, a localização das duas fitas. Monta-se a célula fotoeléctrica, horizontalmente, no suporte, de modo a que o objecto que se pretende detectar passe pelo meio desta, e bloqueie o feixe infravermelho. 5. Liga-se o fio da célula fotoeléctrica ao canal 1 do Smart Timer e programa-se o aparelho para as opções Time e dentro dessa opção One Gate. Neste modo, One Gate, a contagem é iniciada quando o feixe infravermelho da célula fotoeléctrica é bloqueado uma primeira vez à passagem do objecto, e continuará a contar até que o feixe seja novamente bloqueado. 6. Segura-se na régua que possui as duas faixas pretas numa posição de modo a cair verticalmente através da célula fotoeléctrica, mas com o cuidado de a velocidade inicial ser nula. 7. A régua deverá ser largada num ângulo de 90º em relação à célula fotoeléctrica e de modo a que não rode durante a queda. 8. A régua deverá passar completamente através do feixe infravermelho. 9. Pressiona-se a tecla Start e quando aparece um asterisco no visor larga-se a régua. Regista-se o valor de t. 10. Repete-se a experiência mais duas vezes e registam-se os valores. É necessário muito, rigor para que a barra de plástico utilizada seja abandonada da mesma posição todas as vezes. Para isso, utiliza-se uma mola para minimizar o erro que eventualmente se possa cometer. 11. Remove-se uma das fitas adesivas da régua. 12. Prende-se, por meio de uma mola de madeira, uma das extremidades da régua, num local bem referenciado, que permita partir sempre da mesma situação inicial nas diferentes medições a efectuar. 13. Pressiona-se a tecla Start e quando aparece um asterisco no visor carrega-se na mola para que a régua, em queda livre, passe através da célula fotoeléctrica. 14. Lê-se e regista-se o valor do intervalo de tempo que a fita opaca demora a passar pela célula fotoeléctrica. 15. Repete-se este procedimento mais duas vezes. 16. Volta-se a colocar no seu local a fita adesiva que se removeu. Retira-se a outra fita adesiva. 17. Repete-se o procedimento de 13 a 15. 18. Repete-se todo o procedimento, recorrendo a uma barra de plástico de massa superior. 19. Regista-se o valor de t. 20. Usa-se a primeira régua e repete-se todo o procedimento, largando-a de uma altura diferente da anterior. 21. Regista-se o valor de t.

Ano Lectivo 2009/2010

Catarina Santos

Física e Química A – Ano 2 Curso Científico - Humanístico de Ciências e Tecnologias Movimentos na Terra e no Espaço: Da Terra à Lua

Processo utilizando a célula fotoeléctrica e o digitímetro Material e Equipamento necessários      

Duas células fotoeléctricas com marcador digital de tempo; Duas esferas de diferentes diâmetros (não inferiores a 2,5 cm); Fios de ligação; Balde com areia; Tubo metálico; Suporte (haste metálica) e fita métrica.

Procedimento 1. Procede-se à montagem de acordo com a figura. 2. Efectuam-se as ligações da fotocélula inferior, ao digitímetro, de acordo com o esquema seguinte: I – Medição do tempo de passagem numa célula fotoeléctrica: STOPCLOCK TRIGGER start stop STOP 0-2V MAKE BREAK

Ligar ao vermelho do fototransistor Ligar ao preto do fototransistor

LÂMPADAS 6V

não interessa a polaridade

START - conta só o tempo de passagem da placa RESET – leva ao zero 3. Coloca-se a esfera dentro do tubo, tendo este tapado por baixo e deixa-se cair verticalmente através da célula fotoeléctrica. 4. A esfera deverá passar completamente através do feixe infravermelho. Regista-se o valor de t. 5. Repete-se a experiência mais duas vezes e registam-se os valores. 6. Ligam-se agora as duas fotocélulas, ao digitímetro, de acordo com o esquema seguinte: II – Medição do tempo de passagem entre as duas células fotoeléctricas: STOPCLOCK TRIGGER LÂMPADAS start stop

MAKE

BREAK

Ligar terminal vermelho do 1º fototransistor

STOP

0-2V

6V

não interessa a polaridade (ligar às lâmpadas de cada transístor) Ligar terminal vermelho do 2º fototransistor

Ligar ao terminal preto de cada fototransistor 7. 8. 9. 10.

Repete-se este procedimento, recorrendo a uma esfera de diâmetro superior. Regista-se o valor de t. Usa-se a esfera de menor diâmetro e repete-se todo o procedimento, alterando a distância entre os sensores. Regista-se o valor de t.

Ano Lectivo 2009/2010

Catarina Santos

Física e Química A – Ano 2 Curso Científico - Humanístico de Ciências e Tecnologias Movimentos na Terra e no Espaço: Da Terra à Lua Questões Pós - Laboratoriais 1- Apresente todas as medições/ resultados numa tabela. 2- Determine a aceleração média do movimento de queda da régua e da esfera, para cada caso. A aceleração é a mesma ou depende dos pontos da trajectória escolhida? 3- Compare os valores encontrados para os vários grupos. São semelhantes ou os valores diferem conforme a massa da régua e/ou da esfera utilizadas? 4- Compare o valor médio calculado experimentalmente, por cada um dos processos realizados, com o valor conhecido da aceleração da gravidade e indique o erro percentual associado. 5- Que conclui quanto à exactidão do valor que determinou? Indique fontes de erro experimentais que mais influenciaram a exactidão do resultado obtido. 6- Indique se se trata ou não de uma queda livre. 7- Na realização desta actividade laboratorial, usaram-se duas réguas e duas esferas, do mesmo material mas com massas diferentes. Porquê? 8- Complete as frases: A- Para locais próximos da superfície da Terra, a aceleração da gravidade ____________________________ da massa do corpo. B- Para locais próximos da superfície da Terra, a aceleração da gravidade ____________________________ da altura da queda. 9- De acordo com as respostas dadas anteriormente e com os resultados obtidos responda à questão problema que se encontra no inicio da ficha.

BOM TRABALHO!

Ano Lectivo 2009/2010

Catarina Santos