Voltar a: Atividades Laboratoriais – 10.º Ano
🧲 Física · 10.º ano · Atividades Laboratoriais
AL 1.1 │ Movimento num plano inclinado: variação da energia cinética e distância percorrida
🔬 Atividade📖 Teóricas🧪 Laboratoriais🧮 Práticas🏁 Exames e TI
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💡 A pergunta desta atividade
Larga um carrinho numa rampa: ele ganha velocidade. Quanta energia cinética ganha a cada metro que desce? Vais descobri-lo medindo, passo a passo, como num laboratório a sério. Cada quadro explica um passo; carrega em ⛶ Ecrã inteiro para o projetares na aula.
📐 Formulário (só as fórmulas das metas) — clica para abrir
cos θ = cateto adjacentehipotenusa
analógico: u = ½ menor divisão
🎯 No fim deves saber
- calcular o seno e o cosseno (e o ângulo) com a calculadora em graus;
- distinguir medições diretas e indiretas e medir massas, comprimentos e tempos;
- indicar o resultado de uma medição (incerteza de leitura) e de várias (média e incerteza de observação) e calcular o desvio percentual;
- obter velocidades e energias cinéticas com uma célula fotoelétrica;
- construir o gráfico ΔEc(d) e interpretar o declive (força resultante e atrito).
🧠 A física por trás, em 1 minuto
1 · As forças e o seno e o cosseno
O peso P (seta azul-escura) separa-se em Pt e Pn. Arrasta (ou toca em) cada símbolo para o sítio certo.
Pn = m g cos θ = N
✋ Prevê: a reação normal N realiza trabalho no movimento ao longo do plano?
2 · A descer
O que faz o carrinho descer é a componente do peso ao longo do plano. Sem atrito, a aceleração é independente da massa.
✋ Prevê: duplicando a massa do carrinho (sem atrito), a aceleração…
3 · O trabalho
A força resultante realiza trabalho ao longo da distância d: WR = FR d.
WR = FR d = J
✋ Prevê: se o atrito aumentar, o trabalho da resultante…
4 · Teorema da Energia Cinética
Partindo do repouso, ΔEc = WR. A célula mede v = D/Δt num intervalo curto.
v = 2 ΔEcm = m s-1
✋ Prevê: se d duplicar (mesma força resultante), ΔEc…
5 · O gráfico
Com 5 distâncias igualmente espaçadas, os pontos (d; ΔEc) ficam sobre uma reta que passa na origem.
✋ Prevê: a reta passa pela origem porque…
6 · O atrito
Sem atrito o declive é m g sen θ (verde). Com atrito é menor (vermelho): a diferença é Fa.
✋ Prevê: com atrito, o declive medido, comparado com m g sen θ, é…
🎯 O que vamos fazer — fá-lo tu, passo a passo
1 · Larga o carrinho
Vais fazer a experiência tu mesmo, passo a passo. Carrega em Largar: o carrinho desce e a tira preta corta o feixe da célula fotoelétrica. O cronómetro mostra quanto tempo o feixe esteve tapado.
2 · Calcula a velocidade
A tira tem D = 5,0 cm = 0,050 m e o tempo foi Δt = 35,7 ms = 0,0357 s.
v = DΔt
3 · Calcula a energia cinética
O carrinho tem m = 0,500 kg e v = 1,40 m s-1.
Ec = ½ m v²
4 · Prevê o que vais descobrir
Na atividade vais repetir isto para 5 distâncias e fazer o gráfico de ΔEc em função de d.
✋ Prevê: se a distância percorrida d duplicar, a energia cinética ganha…
🧰 O material: monta tu, peça a peça (e fica a saber para que serve)
1 · Coloca a peça (1 de 7)
Precisas de um sítio por onde o carrinho desça. Arrasta (ou toca em) a peça certa para a zona a piscar.
2 · Coloca a peça (2 de 7)
A rampa está no ar! Precisas de algo que levante uma ponta e dê a inclinação.
3 · Coloca a peça (3 de 7)
Agora falta o corpo que vai descer a rampa e do qual queres medir a energia.
4 · Coloca a peça (4 de 7)
Como medir a velocidade do carrinho ao passar num ponto? Precisas de um sensor que «veja» a tira a passar.
5 · Coloca a peça (5 de 7)
A célula só avisa: quem mostra o tempo durante o qual o feixe esteve tapado?
6 · Coloca a peça (6 de 7)
Para a energia cinética precisas da massa m: que instrumento usas?
7 · Coloca a peça (7 de 7)
Falta a largura D da tira preta (para v = D/Δt). Que instrumento mede pequenos comprimentos com precisão?
📐 Seno e cosseno em 40 segundos (para não te perderes nas contas)
1 · Os três lados
Num triângulo retângulo o ângulo θ separa os lados em três: a hipotenusa é a mais comprida (em frente ao ângulo reto); o cateto oposto está em frente a θ; o cateto adjacente toca em θ.
✋ Prevê: qual é o cateto oposto a θ?
2 · O seno
sen θ = cateto opostohipotenusa. No plano inclinado: o oposto é a altura h e a hipotenusa é o comprimento L da rampa.
✋ Prevê: num plano com h = 0,30 m e L = 1,20 m, sen θ vale…
3 · O cosseno
cos θ = cateto adjacentehipotenusa. É o cosseno que dá a componente do peso contra o plano: Pn = m g cos θ.
✋ Prevê: quando θ aumenta, o cosseno…
4 · Na calculadora
1.º põe a calculadora em graus (DEG). Depois: sin ( θ ) ⏎ dá o seno; cos ( θ ) ⏎ dá o cosseno. Para obter o ângulo a partir do seno usa sin⁻¹ (arcsen).
cos() =
sin⁻¹() = °
✋ Prevê: se a calculadora estiver em radianos, sin(30) dá…
📐 Passo 1 — Montar o plano e medir a altura
Mede h e L e calcula sen θ
- Apoia a ponta de cima da rampa no suporte e fixa a ponta de baixo (não pode deslizar).
- Com a fita métrica, mede a altura h na vertical (do tampo da mesa à parte de cima da rampa).
- Mede o comprimento L da rampa.
- Calcula sen θ = hL.
A rampa tem L = 120,0 cm e mediste h = 30,0 cm.
sen θ = hL
Calcula o ângulo θ
Com a calculadora em graus: θ = sen⁻¹(sen θ).
Incerteza de leitura da fita
✋ Prevê: a fita métrica tem divisões de 1 mm. A incerteza de leitura é…
⚖️ Passo 2 — Medir a massa do carrinho e a largura da tira
Converte a massa para o SI
- Pesa o carrinho já com a tira e as massas que vais usar. Lê a balança com o carrinho parado.
- Com o paquímetro, mede a largura D da tira (a dimensão que vai atravessar o feixe). Não aperta demasiado!
- Regista os valores com a incerteza.
A balança marcou 482,6 g.
Converte a largura da tira
O paquímetro leu 4,95 cm.
Incerteza da balança
✋ Prevê: a balança é digital e a menor divisão é 0,1 g. A incerteza de leitura é…
📍 Passo 3 — Marcar a largada e posicionar a célula
Escolhe as 5 distâncias
- Fixa a célula a meio da rampa, perto do fim, e não a mexas mais durante toda a experiência.
- Alinha o feixe com a tira: o carrinho deve cortá-lo bem a meio, sem tocar na célula.
- Faz marcas de largada com fita-cola, a distâncias igualmente espaçadas da célula.
- A distância d é medida sempre do mesmo ponto do carrinho (a tira) à célula.
5 distâncias igualmente espaçadas, de 0,20 a 0,80 m, são 4 intervalos iguais.
espaçamento = dmáx − dmínn.º de intervalos
Onde se mede d?
✋ Prevê: a distância d mede-se…
▶ Passo 4 — Largar o carrinho (como fazer e como NÃO fazer)
Como se larga o carrinho
Larga sempre da mesma maneira.
Trocar de carrinho ou de tira a meio.
✋ Prevê: como deves largar o carrinho?
E se algo correr mal?
✋ Prevê: o carrinho tocou na célula e saltou da rampa. O que fazes?
⏱ Passo 5 — Ler o cronómetro e repetir 3 vezes
Calcula o valor mais provável
- Larga o carrinho da primeira marca e lê o tempo no cronómetro (é o tempo de passagem da tira).
- Repete 3 vezes, sem mexer em nada, e regista os 3 valores.
- Calcula o valor mais provável (média) e a incerteza de observação.
Leste 35,9 ms, 35,6 ms e 35,6 ms.
Δt̄ = Δt1 + Δt2 + Δt33
Calcula a incerteza de observação
u = |Δti − Δt̄|máx (o maior desvio).
Calcula o desvio percentual
ur = uΔt̄ × 100
🧮 Passo 6 — Da leitura do cronómetro à energia cinética
Do tempo à velocidade
- Velocidade: a tira (largura D) demorou Δt̄ a passar ⇒ v = DΔt̄.
- Energia cinética: Ec = ½ m v². Como parte do repouso, ΔEc = Ec.
v = DΔt̄, com D = 0,05000 m e Δt̄ = 35,7 ms.
Da velocidade à energia
ΔEc = ½ m v², com m = 0,5000 kg.
Prevê
✋ Prevê: se Δt for menor (carrinho mais rápido), a velocidade…
📋 Passo 7 — Repetir para 5 (ou mais) distâncias e organizar a tabela
Calcula uma linha da tabela
- Repete os passos 4 a 6 para cada distância (3 largadas em cada).
- Para cada d calcula Δt̄, v e ΔEc e escreve numa tabela.
- Mantém sempre a mesma massa, o mesmo ângulo e a mesma tira: só muda d.
Numa linha, d = 0,50 m e ΔEc = 0,49 J.
ΔEcd
O que esperar nas linhas
✋ Prevê: em todas as linhas, ΔEc/d deve ser…
Quantas distâncias?
📈 Passo 8 — O gráfico de ΔEc em função de d (e o declive)
Calcula o declive
- Eixos: d (m) no eixo horizontal e ΔEc (J) no vertical; escolhe escalas que aproveitem a folha.
- Marca os pontos (ou usa a calculadora gráfica: lista L1 = d, L2 = ΔEc, regressão linear).
- Traça a reta que melhor se ajusta (os pontos ficam dos dois lados da reta).
- Lê o declive: dois pontos da reta (não dos dados!) e a divisão Δ(ΔEc)Δd.
Dois pontos da reta: (0,20; 0,197) e (0,80; 0,769).
declive = ΔEc,2 − ΔEc,1d2 − d1
E a origem?
✋ Prevê: a reta passa pela origem porque…
O que significa o declive
✋ Prevê: o declive representa…
🔍 Passo 9 — O que dizem os resultados
Calcula o atrito
- A reta passa (quase) na origem? Sim ⇒ ΔEc é diretamente proporcional a d.
- O que é o declive? ΔEc = FR d ⇒ declive = FR (a força resultante).
- Compara com o valor teórico sem atrito, m g sen θ = 0,500 × 9,8 × 0,25 = 1,225 N.
- A diferença é a força de atrito: Fa = 1,225 − 0,96 ≈ 0,27 N.
Sem atrito: m g sen θ = 0,500 × 9,8 × 0,250 = 1,225 N. O declive medido foi 0,96 N.
Fa = m g sen θ − FR
Calcula o erro percentual
Erro % = |valor exp. − valor ref.|valor ref. × 100 (ref. = 1,225 N).
Que tipo de erro?
✋ Prevê: todos os pontos ficam abaixo do ideal. A causa é…
⚠️ Erros: de onde vêm e como reduzi-los
Largada irregular
✋ Prevê: uma largada diferente de vez para vez é um erro…
Célula mal alinhada
✋ Prevê: a célula está mal alinhada e todos os tempos saem maiores. É um erro…
Resolução da régua
✋ Prevê: a régua tem divisões de 1 mm (± 0,5 mm). É um erro…
Agora és tu: o laboratório virtual
- Escolhe a altura h, a massa m e a distância d com os cursores.
- Carrega em ▶ Largar e lê o cronómetro (como no passo 5). Faz 3 largadas por distância.
- Muda d (5 valores igualmente espaçados) e vê o gráfico e a tabela a crescer sozinhos.
- Liga ➡ Forças para ver P, Pt, Pn, N e Fa, e ✨ Ideal para desligar o atrito.
- Cumpre as 5 missões 🏅.
Experimenta isto no laboratório
Conclusão da atividade
- A variação da energia cinética é diretamente proporcional à distância percorrida.
- O declive do gráfico ΔEc(d) é a intensidade da força resultante.
- Com atrito, o declive fica abaixo de m g sen θ; a diferença é Fa.
- O Teorema da Energia Cinética verificou-se dentro da incerteza experimental.
Aspetos históricos · Galileu e a «gravidade diluída»
No início do século XVII, Galileu Galilei queria perceber como caem os corpos, mas a queda livre era demasiado rápida para medir. A ideia genial: «diluir» a gravidade, deixando rolar bolas numa calha inclinada, onde tudo acontece mais devagar.
Media o tempo com um relógio de água (pesava a água que escorria) e descobriu que a distância percorrida é proporcional ao quadrado do tempo. Quatrocentos anos depois, repetes a ideia com uma célula fotoelétrica e ligas o movimento à energia.