2008 – 1ª Fase – Prova Escrita de Física e Química A
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- Prova Escrita de Física e Química A – versão 1
- Prova 715: 1.ª Fase – 2008
Corrosão é a palavra geralmente utilizada para designar a deterioração de metais através de um processo electroquímico, o que significa que, à medida que o metal se degrada, perde electrões, convertendo-se numa espécie química diferente.
O exemplo mais familiar de corrosão é, sem dúvida, o processo de formação de ferrugem sobre o ferro. Embora as reacções envolvidas neste processo sejam bastante complexas, pensa-se que as etapas fundamentais sejam a perda de electrões pelo ferro, Fe, que assim se converte na espécie solúvel Fe2+ (aq), e o ganho desses electrões pelo oxigénio atmosférico, O2 . A formação de ferrugem é favorecida pela existência de um meio ácido, o que pode ser facultado pela água da chuva, naturalmente ácida devido à dissolução do CO2 atmosférico.
No entanto, quando a água da chuva se encontra poluída com ácidos fortes, muito corrosivos, como o ácido sulfúrico, H2SO4 (aq), e o ácido nítrico, HNO3 (aq), resultantes essencialmente das emissões para a atmosfera (e posteriores reacções) de dióxido de enxofre, SO2, e de óxidos de azoto, NOx, o seu teor em iões H+ é muitíssimo mais elevado. Este teor, sendo, em muitos casos, cerca de 100 vezes superior ao que ocorre habitualmente, favorece ainda mais a reacção de corrosão do ferro.
A corrosão metálica não se limita, evidentemente, ao ferro, existindo muitos outros metais que sofrem processos análogos de deterioração. A chuva ácida favorece muito a corrosão dos metais, constituindo, assim, um tipo de poluição de efeitos altamente adversos.
Raymond Chang, Química, 8.a ed., McGraw-Hill, 2005 (adaptado)
- 11ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 2 (Reações de oxidação redução)
1.1. Com base na informação apresentada no texto, indique a espécie redutora envolvida na reação de corrosão do ferro.
- O redutor é o ferro (Fe)
⇒ A espécie redutora é aquela que perde electrões (Fe → Fe2+ (aq)), oxidando-se ao reduzir a outra espécie – que ganha os electrões.
⇒ Com base no texto, a substância que perde electrões é o ferro metálico.
- Ferro ou (Fe)…………. 5 pontos
- 11ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 1 (Reações ácido-base)
1.2. Com base na informação apresentada no texto, seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte.
Quando o CO2 atmosférico se dissolve na água da chuva, à temperatura de 25 oC, …
(A) … forma-se um ácido fraco, o ácido carbónico, H2CO3 (aq), que confere à água da chuva um pH de cerca de 5,6.
(B) … forma-se um ácido forte, o ácido carbónico, H2CO3 (aq), que confere à água da chuva um pH inferior a 5,6.
(C) …formam-se ácidos de força a diferente, como o ácido carbónico, H2CO3 (aq), e o ácido sulfúrico, H2SO4 (aq), que conferem à água da chuva um pH de cerca de 5,6.
(D) … formam-se apenas ácidos fortes, como o ácido sulfúrico, H2SO4 (aq), e o ácido nítrico, HNO3 (aq), que conferem à água da chuva um pH muito inferior a 5,6.
- Opção (A)
⇒ O CO2 reage com a água de acordo com a equação química CO2 (g) + H2O (l) → H2CO3 (aq).
⇒ O ácido carbónico (H2CO3 (aq)) é um ácido fraco e o pH da água da chuva originada será próximo de 5,6.
- Opção (A)…………. 5 pontos
- 11ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 1 (Reações ácido-base)
1.3. Considere uma amostra A de água da chuva, que apresenta um valor de pH igual a 5,6, à temperatura de 25 oC.
Seleccione a alternativa que corresponde ao valor correcto de pH de uma amostra B de água da chuva, poluída, cuja concentração em iões H+ é 100 vezes maior do que a que existe na amostra A, à mesma temperatura.
(A) 2,0
(B) 2,6
(C) 3,6
(D) 7,6
- Opção (C)
⇒ Por definição de pH, temos [H+] = 10‐pH.
⇒ Substituindo e calculando, vem [H+] = 10‐5,6 = 2,51 × 10‐6 mol/dm3, para a amostra A.
⇒ Se na amostra B a concentração é 100 vezes maior, à mesma temperatura, temos [H+] = 100 × 2,51 × 10‐6 mol/dm3 = 2,51 × 10‐4 mol/dm3, para a amostra B.
⇒ O valor de pH da água da amostra B é pois: pH = ‐ log(2,51 × 10‐4) = 3,6
- Opção (C)…………. 5 pontos
- 11ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 1 (Aspetos quantitativos das reações químicas)
1.4. Além do ferro, também outros metais sofrem processos de corrosão.
Quando exposto a uma atmosfera húmida, o cobre sofre corrosão, formando um depósito de carbonato básico de cobre, Cu2(OH)2CO3 (M = 221,13 g mol–1), uma substância de cor esverdeada. A reacção que ocorre pode ser traduzida pela seguinte equação química:
2 Cu (s) + H2O (l) + O2 (g) + CO2 (g) → Cu2(OH)2CO3 (s)
Um tacho de cobre, de massa igual a 360,0 g, foi deixado ao ar, numa cozinha, durante um intervalo de tempo considerável. Ao fim desse intervalo de tempo, verificou-se a formação de um depósito de carbonato básico de cobre em toda a superfície metálica.
O depósito foi removido, seco e pesado, tendo-se determinado o valor de 12,7 g.
Calcule a percentagem, em massa, de cobre que sofreu corrosão. Apresente todas as etapas de resolução.
a que corresponde a massa m = n x M = 0,1149 x 63,55 = 7,29 g
Tendo em conta a massa do tacho de cobre, a percentagem daquela massa é:
ou
⇒ Proporção em massa
Tendo em conta a massa do tacho de cobre, a percentagem daquela massa é
A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas, para ser considerada correcta:
⇒Calcula a quantidade de Cu2(OH)2CO3 formada (n = 0,05743 mol).
⇒ A partir da estequiometria da reacção (2 mol Cu : 1 mol Cu2(OH)2CO3), determina a quantidade de cobre que reagiu (n = 0,1149 mol).
⇒ Calcula a massa correspondente (m = 7,30 g) e expressa o resultado em percentagem (m/m) (2,03%).
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
2. O dióxido de enxofre, SO2, conhecido por ser um gás poluente, tem uma faceta mais simpática e, certamente, menos conhecida: é usado na indústria alimentar, sob a designação de E220, como conservante de frutos e de vegetais, uma vez que preserva a cor natural destes.
2.1. O dióxido de enxofre é um composto cujas unidades estruturais são constituídas por átomos de enxofre, S, e de oxigénio, O.
Relativamente a estes átomos e tendo em conta a posição relativa dos respectivos elementos na Tabela Periódica, seleccione a afirmação correcta.
(A) O conjunto de números quânticos (2, 1, 0, 1⁄2) pode caracterizar um dos electrões de valência de qualquer dos átomos, no estado de energia mínima.
(B) Os electrões de valência de ambos os átomos, no estado de energia mínima, distribuem-se pelo mesmo número de orbitais.
(C) Os electrões de valência de qualquer dos átomos, no estado de energia mínima, distribuem-se por orbitais com l = 1 e com l = 2.
(D) As configurações electrónicas de ambos os átomos, no estado de energia mínima, diferem no número de electrões de valência.
*O conteúdo deste item já não faz parte dos atuais referenciais programáticos da disciplina.
- Opção (B)
⇒ As configurações electrónicas do oxigénio e do enxofre são: 8O ⇒1s2 2s2 2p4 e 16S ⇒ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
⇒ Os electrões de valência são os do último nível (respectivamente 2s2 2p4 e 3s2 3p4), os quais, por estes átomos pertencerem ao mesmo grupo, estão distribuídos pelo mesmo número de orbitais.
⇒ Os electrões de valência de ambos os átomos têm os seguintes números quânticos: Oxigénio: n = 2, l = 0 (orbital s) l = 1 (orbital p); enxofre: n = 3, l = 0 e l = 1.
- Opção (B)…………. 5 pontos
2.2. O dióxido de enxofre, SO2, e o oxigénio, O2, são duas substâncias com propriedades químicas diferentes, sendo ambas gasosas nas condições ambientais de pressão e temperatura.
- 10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 2 (Gases e dispersões)
2.2.1. O gráfico da figura traduz o modo como varia o volume, V, de uma amostra de um gás ideal com a quantidade de substância, n, a pressão e temperatura constantes.
Com base no gráfico, e admitindo que SO2 e O2 se comportam como gases ideais, seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte.
Em duas amostras gasosas, uma de SO2 e outra de O2, nas mesmas condições de pressão e temperatura, se os gases tiverem…
(A) … volumes iguais, têm massas iguais.
(B) … volumes iguais, têm a mesma densidade.
(C) … o mesmo número de moléculas, têm volumes iguais.
(D) … o mesmo número de moléculas, têm a mesma densidade.
- Opção (C)
Iguais volumes de gases têm, nas mesmas condições de temperatura e pressão, igual número de moléculas.
⇒ (A) e (B) estão incorrectas pois se os gases tiverem volumes iguais observa‐se pelo gráfico que terão a mesma quantidade de substância, e não a mesma massa ou a mesma densidade, pois estas grandezas dependem das suas massas molares.
⇒ (D) está incorrecta pois se os gases tiverem o mesmo número de moléculas terão volumes iguais, e não a mesma densidade, pois esta grandeza depende, como foi referido anteriormente, da massa molar.
- Opção (C)…………. 5 pontos
- 10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 2 (Gases e dispersões)
2.2.2. Calcule o número de moléculas de SO2 (g) que existem numa amostra de 50,0 cm3 desse gás, em condições normais de pressão e temperatura (PTN).
Apresente todas as etapas de resolução.
⇒Para se calcular o número de moléculas de dióxido de enxofre, tem que se calcular em primeiro lugar a quantidade de substância presente nos 50,0 cm3 = 0,0500 dm3 desse gás.
⇒O volume molar (volume de 1 mol de gás), nas condições normais de pressão e temperatura, é 22,4 dm3. Portanto, os 50,0 cm3 têm:
- 0,0500 / 22,4 = 2,232 x 10-3 mol
⇒O correspondente número de moléculas obtém‐se multiplicando a quantidade de substância pelo número de Avogadro:
- 2,232 x 10-3 x 6,02 x 1023 = 1,34 x 1021
A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas, para ser considerada correcta:
⇒Calcula a quantidade de SO2 (g) que existe na amostra de 50,0 cm3 (n = 2,232 × 10–3 mol).
⇒Calcula o número de moléculas de SO2 (g) que existem na amostra (1,34 × 1021 moléculas).
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
2.3. O dióxido de enxofre reage com o oxigénio, de acordo com a seguinte equação química:
2 SO2 (g) + O2 (g) ⇋ 2 SO3 (g) Kc = 208,3 (à temperatura T)
- 11ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 2 (Equilíbrio químico)
2.3.1. Considere que, à temperatura T, foram introduzidas, num recipiente, com 1,0 L de capacidade, 0.8 mol de SO2 (g), 0.8 mol de O2 (g) e mol de SO3 (g).
Seleccione a alternativa que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), respectivamente, de modo a tomar verdadeira a afirmação seguinte.
Nas condições referidas, o quociente da reacção, Qc, é igual a __(a)__, o que permite concluir que o sistema se irá deslocar no sentido __(b)__, até se atingir um estado de equilíbrio.
(A) … 13.2 … inverso …
(B) … 0.0076 … inverso
(C) … 0.0076 … directo …
(D) … 13.2 … directa …
- Opção (D)
⇒ Para se determinar o quociente de reacção tem que se determinar em primeiro lugar as concentrações de todas as espécies.
⇒ Como o volume do recipiente é de 1,0 dm3 = 1,0 L, as concentrações são:
- [SO2] = [O2] = 0,8 mol/dm3 e [SO3] = 2,6 mol/dm3.
⇒ O quociente de reacção, Qc, vale:
⇒Como o valor do quociente de reacção é inferior ao valor da constante de equilíbrio (Kc = 208,3), o sistema irá deslocar‐se no sentido directo, até que o valor de Qc iguale o valor da constante de equilíbrio.
- Opção (D)…………. 5 pontos
- 11ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 2 (Equilíbrio químico)
2.3.2. A figura 2 representa o modo como varia a percentagem de trióxido de enxofre, SO3 (g), formado, em equilíbrio, em função da temperatura, à pressão constante de 1 atm.
Com base na variação observada no gráfico, justifique a seguinte afirmação.
A reacção é exotérmica no sentido directo.
⇒ Observa-se pelo gráfico que a percentagem de SO3 (g) formado (produto da reacção) diminui à medida que a temperatura aumenta.
⇒ Então a reacção, com o aumento de temperatura, é desfavorecida no sentido directo.
⇒ De acordo com o Princípio de Le Châtelier, um sistema em equilíbrio reage de modo a contrariar a perturbação a que é sujeito.
⇒ Assim, para contrariar o aumento da temperatura do sistema, o sistema reage facilitando a reacção que diminui a temperatura do sistema, ou seja, a reacção inversa.
⇒ A reacção é exotérmica no sentido directo e endotérmica no sentido inverso.
A resposta deve contemplar os seguintes elementos:
⇒O gráfico mostra que a percentagem de SO3 (g) formado diminui à medida que a temperatura aumenta, o que significa que um aumento de temperatura favorece a reacção inversa.
⇒De acordo com o Princípio de Le Châtelier, o aumento de temperatura favorece a reacção endotérmica concluindo-se, assim, que a reacção é exotérmica no sentido directo.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
3. Quando se estudam muitos dos movimentos que ocorrem perto da superfície terrestre, considera-se desprezável a resistência do ar.
É o que acontece, por exemplo, no caso das torres de queda livre existentes em alguns parques de diversão.
Noutros casos, contudo, a resistência do ar não só não é desprezável, como tem uma importância fundamental no movimento.3.1. A figura representa uma torre de queda livre que dispõe de um elevador, E, onde os passageiros se sentam, firmemente amarrados. O elevador, inicialmente em repouso, cai livremente a partir da posição A, situada a uma altura h em relação ao solo, até à posição B. Quando atinge a posição B, passa também a ser actuado por uma força de travagem constante, chegando ao solo com velocidade nula. Considere desprezáveis a resistência do ar e todos os atritos entre a posição A e o solo.
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
3.1.1. Seleccione a alternativa que compara correctamente o valor da energia potencial gravítica do sistema elevador / passageiros + Terra na posição B, EpB, com o valor da energia potencial gravítica desse sistema na posição A, EpA.
(A) EpB = 1/3 EpA
(B) EpB = 3 EpA
(C) EpB = 3/2 EpA
(D) EpB = 2/3 EpA
- Opção (A)
⇒ Para um mesmo corpo, nas condições da figura, a energia potencial gravítica é directamente proporcional à altura h, Ep = m g h.
⇒ Diminuindo a altura h para 1/3, diminui igualmente a energia potencial para 1/3.
⇒ EpA = m g hA = m g h ⇒ EpB = m g hB = m g h/3
- Opção (A)…………. 5 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
3.1.2. Seleccione o gráfico que traduz a relação entre a energia mecânica, Em, e a altura em relação ao solo, h, do conjunto elevador / passageiros, durante o seu movimento de queda entre as posições A e B.
- Opção (D)
⇒ Considerando desprezáveis a resistência do ar e todos os atritos entre a posição A e a posição B, a energia mecânica conserva-se, sendo constante entre estes dois pontos.
- Opção (D)…………. 5 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
3.1.3. Seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte.
O trabalho realizado pela força gravítica que actua no conjunto elevador / passageiros, durante o seu movimento de queda entre as posições A e B, é…
(A) … negativo e igual à variação da energia potencial gravítica do sistema elevador / passageiros + Terra.
(B) … positivo e igual à variação da energia potencial gravítica do sistema elevador / passageiros + Terra.
(C) … negativo e simétrico da variação da energia potencial gravítica do sistema elevador / passageiros + Terra.
(D) … positivo e simétrico da variação da energia potencial gravítica do sistema elevador / passageiros + Terra.
- Opção (D)
⇒Por definição, o trabalho realizado pela força gravítica (que é uma força conservativa) é simétrico da variação da energia potencial.
⇒Na descida, o trabalho realizado pela força gravítica é positivo, pois a força gravítica aponta para onde se dá o deslocamento, e a variação da energia potencial é negativa, porque a altura diminuiu.
ou
⇒O trabalho realizado pela força gravítica, Fg, durante a queda do sistema é positivo, pois tem o sentido do movimento, o descendente, e é simétrico da variação da energia potencial gravítica, que é negativa, dado que EpB < EpA.
- Opção (D)…………. 5 pontos
- 11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)
3.1.4. O elevador foi dimensionado de modo a atingir a posição B com velocidade de módulo igual a 30,3 m s–1.
Calcule a distância a que o ponto B se encontra do solo, sabendo que o módulo da aceleração do elevador, entre essas posições, é igual a 20 m s–2.
Considere o referencial de eixo vertical, com origem no solo, representado na figura, e recorra exclusivamente às equações que traduzem o movimento, y(t) e v(t).
Apresente todas as etapas de resolução.
As equações que traduzem a altura y e a velocidade v, em função do tempo t, são:
⇒ y (t) = y0 + voyt + ½ ay t2
⇒ v (t) = voyt + ay t
Atendendo ao referencial considerado e aos dados indicados no enunciado:
⇒ v0y = – 30,3 m/s (aponta para baixo, no sentido negativo)
⇒ ay = 20,0 m/s (aponta para cima, pois a força de travagem aponta também nesse sentido)
⇒ quando se atinge o solo, v = 0 m/s.
Substituindo estes valores na lei da velocidade pode obter‐se o tempo decorrido entre a posição B e o solo:
⇒ 0 = -30,3 + 20 t ⇔ t = 1,52 s
Quando se atinge o solo, y = 0 m, a lei do movimento permite calcular a distância pretendida, que corresponde à altura inicial y0:
⇒ 0 = y0 – 30,3 x 1,53 + ½ x 20 x 1,522 ⇔ y0 = 23 m
- A distância a que o ponto B se encontra do solo é 23 m.
- A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas, para ser considerada correta:
⇒ De acordo com o referencial apresentado, considera sinais algébricos correctos para vB (–30,3 m s–1) e para a (20 m s–2).
⇒ Utilizando a equação v(t) e identificando o valor da velocidade inicial, v0, com o valor da velocidade na posição B, vB , calcula o tempo de travagem do elevador (t = 1,52 s).
⇒ Utilizando a equação y (t), calcula a distância a que o ponto B se encontra do solo (23 m).
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
- 11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)
3.2. Um exemplo de movimento em que a resistência do ar não é desprezável é o movimento de queda de um pára-quedista.
O gráfico da figura 4 representa o módulo da velocidade de um pára-quedista, em queda vertical, em função do tempo.
Considere que o movimento se inicia no instante t = 0 s e que o pára-quedas é aberto no instante t2.
Classifique como verdadeira (V) ou falsa (F) cada uma das afirmações seguintes.
(A) No intervalo de tempo [0, t1] s, o módulo da aceleração do pára-quedista é constante.
(B) No intervalo de tempo [t1, t2] s, a resultante das forças que actuam no pára-quedista é nula.
(C) No intervalo de tempo [t2, t3] s, o módulo da aceleração do pára-quedista é igual a 10 m s–2.
(D) No intervalo de tempo [0, t1] s, a intensidade da resistência do ar aumenta, desde zero até um valor igual ao do peso do conjunto pára-quedista / pára-quedas.
(E) No intervalo de tempo [t2, t3] s, a resultante das forças que actuam no conjunto pára-quedista / pára-quedas tem sentido contrário ao do movimento do pára-quedista.
(F) No intervalo de tempo [t1, t2] s, a energia cinética do conjunto pára-quedista/pára-quedas mantém-se constante.
(G) No intervalo de tempo [0, t1] s, há conservação da energia mecânica do sistema pára-quedista / pára-quedas + Terra.
(H) No intervalo de tempo [t3, t4] s, o pára-quedista encontra-se parado.
- Verdadeiras : (B), (D), (E), (F)…………. 10 pontos
- Falsas : (A), (C), (G), (H)
porque nesse intervalo de tempo a intensidade da resistência do ar aumenta à medida que a velocidade aumenta, pelo que a aceleração vai diminuindo, até se anular no instante t1.
⇒ (C), falsa.
O módulo da aceleração poderá ser igual a esse valor apenas nos instantes iniciais, em que a resistência do ar ainda não é significativa e o movimento é, aproximadamente, de queda livre.
⇒ (G), falsa.
Nesse intervalo de tempo, como actua a força de resistência do ar, que é uma força não conservativa, não vai haver conservação da energia mecânica do sistema.
⇒ (H), falsa.
O pára‐quedista está a cair com velocidade constante.
- Verdadeiras : (B), (D), (E), (F)…………. 10 pontos
- Falsas : (A), (C), (G), (H)
4. As radiações electromagnéticas têm actualmente uma vasta gama de aplicações tecnológicas, que incluem sistemas de aquecimento, produção de energia eléctrica e telecomunicações.
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
4.1. Seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte. Um painel fotovoltaico é um dispositivo que tem por objectivo produzir…
(A) … energia eléctrica a partir de radiação electromagnética.
(B) … calor a partir de energia eléctrica.
(C) … radiação electromagnética a partir de energia eléctrica.
(D) … calor a partir de radiação electromagnética.
- Opção (A)
⇒Um painel fotovoltaico é um dispositivo que tem por objectivo produzir energia eléctrica a partir de radiação electromagnética.
- Opção (A)…………. 5 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
4.2. A figura 5 representa duas garrafas de vidro, iguais, pintadas com o mesmo tipo de tinta, mas de cor diferente: a garrafa A foi pintada com tinta branca, enquanto a garrafa B foi pintada com tinta preta.
As garrafas foram fechadas com uma rolha atravessada por um termómetro e colocadas ao Sol, numa posição semelhante, durante um mesmo intervalo de tempo.
Indique, justificando, em qual das garrafas se terá observado uma maior variação de temperatura, durante o referido intervalo de tempo.
⇒ A maior variação de temperatura verifica-se no interior da garrafa pintada de preto, pois as superfícies negras absorvem melhor a radiação solar do que as brancas.
⇒ As superfícies brancas refletem uma parte significativa da radiação solar na banda do visível, enquanto as negras absorvem praticamente toda a radiação desta banda.
⇒ Ocorre uma maior variação de temperatura na garrafa B.
⇒ As superfícies negras absorvem melhor a radiação solar do que as superfícies brancas.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
4.3. O desenvolvimento das fibras ópticas, na segunda metade do século XX, revolucionou a tecnologia de transmissão de informação.
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 3 (Ondas eletromagnéticas)
4.3.1. Uma fibra óptica é constituída por um filamento de vidro ou de um material polimérico (núcleo), coberto por um revestimento de índice de refracção diferente.
A luz incide numa extremidade da fibra, segundo um ângulo adequado, e é guiada ao longo desta, quase sem atenuação, até à outra extremidade.
Escreva um texto no qual faça referência aos seguintes tópicos:
• uma das propriedades do material do núcleo da fibra óptica, que permite que a luz seja guiada no seu interior, quase sem atenuação;
• o fenómeno em que se baseia a propagação da luz no interior da fibra óptica; as condições em que esse fenómeno ocorre.
⇒ Numa fibra óptica, a luz que incide numa extremidade é guiada ao longo da fibra, praticamente sem atenuação até à outra extremidade.
⇒ Tal deve‐se ao facto do núcleo da fibra ser feito de um material com elevada transparência, o que permite à luz atravessá‐lo sem ser absorvida, e com um índice de refracção elevado (mais elevado do que o revestimento), o que permite a ocorrência de reflexões totais na superfície núcleo revestimento.
⇒ É a ocorrência da reflexão total da luz que permite à luz atravessar a fibra sem escapar através do revestimento. Este fenómeno ocorre apenas quando o índice de refracção do núcleo é superior ao índice de refracção do revestimento.
⇒ Quando isso se verifica, existe um ângulo de incidência, denominado ângulo crítico, a partir do qual não ocorre refracção através da superfície de separação dos meios e a luz é totalmente reflectida.
- A resposta deve contemplar os seguintes tópicos:
⇒ O material do núcleo da fibra óptica deve apresentar elevada transparência (ou baixa capacidade de absorção da luz) ou o material do núcleo da fibra óptica deve apresentar elevado índice de refracção.
⇒ A luz propaga-se no interior da fibra óptica porque ocorre reflexão total.
⇒ O fenómeno da reflexão total ocorre quando o índice de refracção do núcleo é superior ao do revestimento e quando o ângulo segundo o qual a luz incide na superfície de separação núcleo-revestimento é superior ao ângulo crítico.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 3 (Ondas eletromagnéticas)
Tendo em conta a situação descrita, seleccione a alternativa correcta.
(A) O ângulo de incidência é de 30º.
(B) O ângulo de incidência é de 55º.
(C) O ângulo de refracção é de 60º.
(D) O ângulo de refracção é de 35º.
- Opção (D)
⇒ O ângulo de incidência é definido pela direção do feixe incidente com a normal à superfície de separação dos dois meios.
⇒ O meio incidente é o ar, logo o ângulo de incidência é igual a
- 90º – 30º = 60º
⇒ O ângulo de refração é definido pela direção de propagação do feixe refratado e pela normal.
⇒ O feixe refratado propaga-se no vidro, então, o ângulo de refração é igual a
- 90º – 55º = 35º
- Opção (D)…………. 5 pontos
5. O conhecimento de propriedades físicas, como a capacidade térmica mássica e a condutividade térmica, é fundamental quando se analisam situações que envolvem transferências de energia sob a forma de calor.
Numa fábrica, pretende-se escolher um material adequado ao fabrico de um recipiente que, quando colocado sobre uma chama, permita aquecer, rapidamente, um líquido nele contido.
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
5.1. Tendo em conta a situação descrita, seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte.
Para fabricar esse recipiente, deve escolher-se um material que tenha…(A) … elevada capacidade térmica mássica e elevada condutividade térmica.
(B) … elevada capacidade térmica mássica e baixa condutividade térmica.
(C) … baixa capacidade térmica mássica e elevada condutividade térmica.
(D) … baixa capacidade térmica mássica e baixa condutividade térmica.
- Opção (C)
⇒ O material deverá ter baixa capacidade térmica mássica, para que não seja necessário fornecer-lhe muita energia para aumentar a sua temperatura, e elevada condutividade térmica, para que a transferência de energia para o líquido nele contido ocorra com a maior rapidez.
ou
⇒ Como se pretende aquecer rapidamente o líquido contido no recipiente, então o material adequado ao seu fabrico deve ter uma elevada condutividade térmica, k, e baixa capacidade térmica mássica, c, pois Q = m c ΔT.
⇒ Repare-se que para um dado valor de ΔT, quanto menor for c, menor será a quantidade de energia a fornecer, Q, e quanto maior for k, menor será o intervalo de tempo, Δt.
- Opção (C)…………. 5 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
5.2. Para escolher o material a utilizar, realizaram-se diversos ensaios, usando blocos de diversos materiais, de massa 1,30 kg, e uma fonte de aquecimento que fornecia, a cada um desses blocos, 2,50 × 103 J em cada minuto.
O gráfico da figura 7 representa o modo como variou a temperatura de um desses blocos, em função do tempo de aquecimento.
Calcule a capacidade térmica mássica do material constituinte desse bloco.
Apresente todas as etapas de resolução.
⇒ O gráfico mostra que a temperatura varia linearmente com o tempo.
⇒ Observa‐se que por cada dois minutos de aquecimento a temperatura aumenta de 10,0 °C.
⇒ Se são fornecidos 2,50 x 103 J em cada minuto, em 2,0 minutos são fornecidos 2,50 x 103 x 2,0 = 5,00 x 103 J.
⇒ A energia transferida como calor para o bloco é dada pela equação E = mcΔT
⇒ A capacidade térmica c, calcula‐se da seguinte forma:
A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas, para ser considerada correcta:
⇒Considera valores coerentes de variação de temperatura e de energia fornecida ao bloco (referidos a um mesmo intervalo de tempo).
⇒Calcula o valor da capacidade térmica mássica do material constituinte do bloco (c = 3,8 × 102 J kg–1 ºC–1).
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
6. A determinação experimental de algumas propriedades físicas permite identificar substâncias e avaliar o seu grau de pureza.
Com o objectivo de identificar a substância constituinte de um cubo maciço e homogéneo, um grupo de alunos fez:
• três medições da massa, m, do cubo, usando uma balança digital;
• três medições do comprimento, l, da aresta do cubo, usando uma craveira.
Os alunos registaram numa tabela (tabela 1) os valores de massa medidos com a balança.
A partir das três medições do comprimento da aresta do cubo, os alunos concluíram que o valor mais provável desse comprimento l = 1,40 cm.
- 10ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 1 (Massa e tamanho dos átomos)
- A.l. – Medições
6.1. Seleccione a alternativa que corresponde ao valor mais provável da massa do cubo.
(A) 21,39 g
(B) 21,40 g
(C) 21,41 g
(D) 21,42 g
- Opção (C)
- Opção (C)…………. 5 pontos
- 10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 2 (Gases e dispersões)
6.2. Identifique, com base nos resultados experimentais obtidos pelos alunos, qual das substâncias indicadas na tabela 2, é provável que seja a que constitui o cubo.
Apresente todas as etapas de resolução.
⇒ Para identificar o material é necessário determinar a sua densidade.
⇒ A densidade é o quociente entre a massa do material e o volume que ele ocupa.
- V = aresta3 = 1,403 = 2,744 cm3,
- ρ = m/M = 21,41/2,744 = 7,80 g cm–3.
⇒ Observando a tabela, pode concluir-se que se trata de um cubo de ferro, pois é esse o material que tem o valor de densidade mais próximo do valor determinado.
A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas, para ser considerada correcta:
⇒ Calcula o valor do volume do cubo (V = 2,744 cm3).
⇒ Usando o valor mais provável da massa do cubo, calcula o valor da densidade do material constituinte do cubo (ρ = 7,80 g cm–3).
Nota: aceita-se que o examinando utilize, como valor da massa do cubo, qualquer um dos valores apresentado como alternativa no item 6.1.
⇒ Identifica a substância constituinte do cubo (ferro).
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
- 10ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 1 (Massa e tamanho dos átomos)
- A.l. – Medições
6.3. Tendo em conta a experiência realizada pelos alunos, seleccione a alternativa que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), respectivamente, de modo a tornar verdadeira a afirmação seguinte.
Os alunos fizeram uma determinação ___(a)__ da massa do cubo e uma determinação __(b)___ do seu volume.
(A) … directa … directa …
(B) … directa … indirecta …
(C) … indirecta … directa …
(D) … indirecta … indirecta …
- Opção (B)
⇒ Os alunos fizeram uma determinação directa da massa do cubo, usando a balança digital, e uma determinação indirecta do seu volume, usando uma medida determinada directamente (o comprimento da aresta) e recorrendo a uma equação matemática.
- Opção (B)…………. 5 pontos
FIM
