2010 – Teste Intermédio – 11ºAno – fevereiro
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- Prova Escrita de Física e Química A – Versão 1
- Prova: Teste Intermédio – 11ºAno – 2010
- Duração do Teste: 90 minutos | 11.02.2010
1. Leia o seguinte texto.
Um dos principais argumentos usados para desvalorizar a energia fotovoltaica é que ela nunca será suficiente para satisfazer as necessidades humanas.
Se fizermos alguns cálculos, concluiremos que a radiação que nos chega do Sol tem uma intensidade, ao nível da órbita da Terra, de 1367 W m–2, a chamada constante solar. Mas, se descermos à superfície da Terra, há dia e há noite, há atmosfera, há nuvens e os raios solares vão variando a sua inclinação ao longo do dia, situação que é diferente de região para região.
Portugal situa-se numa posição muito favorável: é o país da Europa continental com maior intensidade média de radiação solar – 1500 kW h m–2 ano–1. Tomando este valor e uma eficiência de conversão de 15%, possível com a tecnologia actual, chegamos a uma área necessária de cerca de 200 km2 – aproximadamente 20 m2 por pessoa.
Pondo as coisas desta forma, seria até concebível cobrir toda a nossa necessidade de energia eléctrica com painéis solares fotovoltaicos! No entanto, a viabilidade da penetração da energia fotovoltaica, em larga escala, no mercado da energia, depende da evolução das tecnologias e da produção em massa, que permitam reduzir o seu preço.
A. Vallera, Energia Solar Fotovoltaica, Gazeta de Física, 1-2, 2006 (adaptado)
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
- De acordo com o texto, em particular com o parágrafo 4, a energia solar é aproveitada para produzir energia elétrica.
- Produção de energia elétrica …………. 8 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
1.2. Seleccione a única opção que permite calcular correctamente a intensidade média da radiação solar, em Portugal, expressa em W m–2.
- Opção (C)
⇒ Intensidade média da radiação solar em Portugal:
- Er = 1500 kW h m-2
⇒ 1 kW h = 103 x 3600 J = 3,6 x 106 J
⇒ 1 ano = 365 x 24 x 3600 s
- Opção (C)…………. 8 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
1.3. A intensidade da radiação solar ao nível da órbita da Terra é de 1367 W m–2, a chamada constante solar.
Indique como varia a intensidade da radiação solar até à superfície da Terra, referindo dois factores, dos apresentados no texto, que justificam essa variação.
⇒ A intensidade da radiação solar, desde o nível da órbita da Terra até à superfície, diminui devido a diversos fatores, como, por exemplo, a existência da atmosfera e a presença de nuvens.
- A resposta deve abordar os seguintes tópicos:
⇒ A intensidade da radiação solar diminui do nível da órbita até à superfície da Terra.
⇒ Refere dois dos factores que justificam essa variação (existência de noite, existência de atmosfera, existência de nuvens e variação da inclinação dos raios solares ao longo de um dia).
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:
1.4. Os colectores solares permitem aproveitar a radiação solar para aquecer um fluido que circula no interior de tubos metálicos.
Para uma maior eficiência, esses tubos estão em contacto com uma placa colectora, como representado na Figura 1.
Apresente a razão pela qual a placa colectora é, normalmente, metálica e a razão pela qual é de cor negra.
*O conteúdo deste item já não faz parte dos atuais referenciais programáticos da disciplina.
⇒ A placa coletora é, normalmente, metálica pois os metais são bons condutores térmicos (apresentam elevada condutividade térmica) e é de cor negra de modo a aumentar a eficiência de absorção da radiação solar incidente.
- A resposta deve abordar os seguintes tópicos:
⇒ A placa colectora é metálica porque os metais são, em geral, bons condutores térmicos.
⇒ A placa colectora é negra para permitir uma absorção significativa da radiação solar incidente.
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:
- 10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)
1.5. Um fabricante de componentes de colectores solares testou dois materiais diferentes – cobre e aço inoxidável.
Forneceu a mesma quantidade de energia a uma placa de cobre e a uma placa de aço inoxidável, de igual massa e de espessura idêntica, colocadas sobre suportes isoladores.
Verificou que a placa de cobre sofreu uma elevação de temperatura superior à da placa de aço.
Seleccione a única opção que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correcta.
Esse teste permitiu concluir que a _______ do cobre é _______ à do aço.
(A) condutividade térmica … superior
(B) condutividade térmica … inferior
(C) capacidade térmica mássica … inferior
(D) capacidade térmica mássica … superior
- Opção (C)
⇒ A expressão que relaciona a quantidade de energia fornecida a cada uma das placas e o respetivo aumento de temperatura é E= m c ΔT.
⇒ Dado que as placas têm a mesma massa e que lhes é fornecida a mesma quantidade de energia, então:
- ccobre ΔTcobre = caço ΔTaço
⇒ e como ΔTcobre > ΔTaço, conclui-se que ccobre < caço
- Opção (C)…………. 8 pontos
2. Nas aulas laboratoriais de Física é comum usar planos inclinados no estudo de transferências e transformações de energia em sistemas mecânicos.
Na Figura 2 encontra-se representada uma calha, inclinada, na qual estão marcados dois pontos, A e B, que distam 1,65 m.
Junto ao ponto B foi colocada uma célula fotoeléctrica, ligada a um sistema de aquisição de dados, de modo a medir a velocidade com que um carrinho passa nesse ponto.
Admita que um carrinho, de massa 500 g, foi largado do ponto A da calha, tendo passado no ponto B com uma velocidade de módulo 0,980 m s–1.
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
2.1. Seleccione a única opção que permite obter uma afirmação correcta.
No trajecto AB considerado, o trabalho realizado pelo peso do carrinho é…
(A) positivo e a energia potencial gravítica do sistema carrinho + Terra aumenta.
(B) positivo e a energia potencial gravítica do sistema carrinho + Terra diminui.
(C) negativo e a energia potencial gravítica do sistema carrinho + Terra aumenta.
(D) negativo e a energia potencial gravítica do sistema carrinho + Terra diminui.
- Opção (B)
⇒ O peso é uma força conservativa, cujo trabalho é simétrico da variação de energia potencial gravítica do sistema carrinho + Terra:
- WPA→B = – ΔEPA→B
- Ep = m g h
⇒ A energia potencial gravítica em B é inferior à energia potencial gravítica em A, pois hB é inferior a, logo, a variação de energia potencial gravítica é negativa e, consequentemente, o trabalho realizado pelo peso do carrinho é positivo.
- Opção (B)…………. 8 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
2.2. Calcule a intensidade da resultante das forças que actuam no carrinho durante o percurso AB.
Apresente todas as etapas de resolução.
- m = 500 g = 0,500 kg;
- vA = 0 m s-1
- vB = 0,980 m s-1
- d = 1,65 m
⇒ Para determinar a intensidade da resultante das forças, Fr, que atuam sobre o carrinho de A a B recorre-se ao Teorema da Energia Cinética:
- WFrA→B = – ΔEcA→B ⇔ Fr d =EcB – EcA
⇒ Como a velocidade do carrinho em A é nula, EcA, é nula, logo
Fr d = EcB ⇔
⇔ Fr d = ½ m vB2 ⇔
⇔ Fr x 1,65 = ½ x 0,500 x 0,9802 ⇔
⇔ Fr = 1,46 x 10-1 N
⇒ A intensidade da resultante das forças que atuam sobre o carrinho, no percurso AB, é igual a 1,46 x 10-1 N.
- A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:
⇒ Determina o trabalho que seria realizado pela resultante das forças que actuam no carrinho no percurso considerado (W = 2,401 x 10–1 J).
⇒ Determina a intensidade da resultante das forças que actuam no carrinho no percurso considerado (F = 1,46 x 10–1 N).
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:
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
2.3. Seleccione a única opção que permite obter uma afirmação correcta.
No ponto B, o valor da velocidade medido experimentalmente foi inferior ao valor calculado aplicando a lei da conservação da energia mecânica, pelo que, entre os pontos A e B, terá havido…
(A) diminuição da energia cinética do carrinho.
(B) diminuição da energia mecânica do sistema carrinho + Terra.
(C) conservação da energia cinética do carrinho.
(D) conservação da energia mecânica do sistema carrinho + Terra.
- Opção (B)
⇒ Aplicando a lei da conservação da energia mecânica:
- EmA = EmB
⇒ A energia mecânica é, em cada instante:
- Em = Ec + Ep
⇒ Como o valor da velocidade experimental é inferior ao calculado por aplicação da lei da conservação da energia mecânica, o valor experimental da energia cinética do carrinho, ao passar em B, também o é, pelo que a energia mecânica em B é inferior à energia mecânica em A.
- Opção (B)…………. 8 pontos
3. Para estudar a relação entre a velocidade de lançamento horizontal de um projéctil e o seu alcance, um grupo de alunos montou, sobre um suporte adequado, uma calha polida, que terminava num troço horizontal, situado a uma altura de 2,05 m em relação ao solo, tal como esquematizado na Figura 3 (a figura não se encontra à escala).
3.1. Os alunos abandonaram uma esfera, de massa m, no ponto A e verificaram que ela atingia o solo no ponto C.
Mediram, então, a distância entre os pontos O e C, em três ensaios consecutivos, tendo obtido os valores que se encontram registados na Tabela 1.
Determine o valor da velocidade da esfera à saída da calha (ponto B), considerando o referencial bidimensional representado na Figura 3.
Recorra exclusivamente às equações y (t ) e x (t) que traduzem o movimento da esfera.
Apresente todas as etapas de resolução.
*O conteúdo deste item já não faz parte dos atuais referenciais programáticos da disciplina.
- y0 = yB = 2,05 m;
- g = 10 m s-2
⇒ Como a resistência do ar é desprezável, a aceleração do movimento é constante e igual à aceleração gravítica.
⇒ De acordo com o referencial definido, as equações que traduzem o movimento do projétil, lançado horizontalmente, são:
⇒ Para determinar o módulo da velocidade de lançamento do projétil tem de se determinar o valor mais provável do alcance x (distância OC).
⇒ O módulo da velocidade de lançamento do projétil na posição B é igual a 1,8 m s-1
- A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:
⇒ Escreve, de acordo com o referencial representado, a equação y = 2,05 – 5,0 t2.
⇒ Calcula o tempo de voo da esfera (t = 0,640 s).
⇒ Considerando o valor mais provável do alcance (1,17 m), calcula, recorrendo à equação x (t), o valor da velocidade da esfera à saída da calha (v = 1,8 m s–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:
3.2. Seguidamente, os alunos repetiram o procedimento anterior, mas abandonando a esfera de diferentes pontos da calha. Obtiveram o conjunto de valores de alcance e de velocidade de lançamento registados na Tabela 2.
Com base nos valores constantes na tabela anterior e utilizando a calculadora gráfica, os alunos traçaram o gráfico do alcance em função da velocidade de lançamento.
Escreva a equação da recta obtida pelos alunos que melhor se ajusta ao conjunto de pontos experimentais.
*O conteúdo deste item já não faz parte dos atuais referenciais programáticos da disciplina.
⇒ Como a altura da posição B em relação à origem do referencial é constante, o tempo de voo não se altera.
⇒ Assim, recorrendo à calculadora gráfica, a equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto de pontos experimentais é:
- y = 0,674 x – 0,059
⇒ Dado que y representa o alcance, x, e que está representado por x, a equação que traduz a função x = f (v0) é:
- x = 0,674 v0 – 0,059 (SI)
- x = 0,764 v ou y = 0,674 x – 0,059 …………. 8 pontos
- 10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
3.3. Considere que uma esfera, de massa m1, abandonada no ponto A, passa em B com uma velocidade de módulo v1.
Seleccione a única opção que permite obter uma afirmação correcta.
Se for desprezável a resistência do ar e o atrito entre as esferas e a calha, uma esfera de massa 2m1, abandonada no ponto A, passará em B com uma velocidade de módulo…
(A) v1
(B) 2 v1
(C) 1/2 v1
(D) 4 v1
- Opção (A)
⇒ Como a velocidade em A é nula, então, ΔEc = ½ mvB2 e, dado que as forças dissipativas são desprezáveis, há conservação de energia mecânica entre A e B,
- ΔEc + ΔEp = 0 ⇔ ½ m vB2 + m g hB = m g hA ⇔ vB2 = 2 g (hA – hB)
⇒ A velocidade de passagem na posição B é independente da massa do carrinho, depende apenas da variação de altura, que é a mesma para ambos os carrinhos.
⇒ Assim, conclui-se que ambos os carrinhos passam em B com a mesma velocidade, v1
- Opção (A)…………. 8 pontos
4. Os satélites artificiais da Terra podem ter órbitas praticamente circulares ou órbitas elípticas, consoante a aplicação a que se destinam.
- 11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)
4.1. A Figura 4 representa um satélite, em órbita à volta da Terra, com movimento circular uniforme.
Copie a Figura 4 para a sua folha de respostas.
Trace os vectores que representam a velocidade do satélite e a força que o mantém em órbita à volta da Terra.
⇒ A força que mantém o satélite em movimento é a força gravítica, F, exercida pela Terra, radial e centrípeta, e a velocidade, v, é, em cada instante, tangente à trajetória e normal a F.
Nota – O vector velocidade pode ser representado com o sentido contrário ao indicado.
- 11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)
4.2. O telescópio espacial Hubble descreve órbitas praticamente circulares, de raio 7,0 x 106 m, levando cerca de 5,76 x 103 s a completar uma volta em torno da Terra.
Seleccione a única opção que permite calcular, em m s–1, o módulo da velocidade desse satélite.
- T = 5,76 x 103 s;
- r = 7,0 x 106 m
⇒ O módulo da velocidade do satélite, em movimento circular uniforme, é:
- Opção (D)…………. 8 pontos
- 11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)
4.3. Seleccione a única opção que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correcta.
Se a distância de um satélite ao centro da Terra _________ , a intensidade da força que a Terra exerce sobre ele _________ .
(A) se reduzisse a metade … quadruplicaria
(B) duplicasse … quadruplicaria
(C) duplicasse … duplicaria
(D) se reduzisse a metade … duplicaria
- Opção (A)
⇒ Assim, caso se aumente r, a intensidade da força gravítica diminui
- Opção (A)…………. 8 pontos
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 3 (Ondas eletromagnéticas)
4.4. O primeiro satélite artificial da Terra, o Sputnik 1, enviava sinais electromagnéticos, de frequências 20 MHz e 40 MHz, que foram detectados por radioamadores de diversos países.
Seleccione a única opção que permite obter uma afirmação correcta.
No vácuo, esses dois sinais teriam…
(A) o mesmo comprimento de onda e a mesma velocidade de propagação.
(B) comprimentos de onda diferentes e a mesma velocidade de propagação.
(C) o mesmo comprimento de onda e velocidades de propagação diferentes.
(D) comprimentos de onda e velocidades de propagação diferentes.
- Opção (B)
- f1 = 20 MHz;
- f2 = 40 MHz
⇒ Como ambos os sinais eletromagnéticos se propagam no vácuo, apresentam o mesmo valor de velocidade.
⇒ Como a relação entre o comprimento de onda e a frequência é λ = v/f , conclui-se que os sinais apresentam comprimentos de onda diferentes, pois o valor de v é o mesmo e os valores de f são diferentes.
- Opção (B)…………. 8 pontos
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 3 (Ondas eletromagnéticas)
5. Quando um feixe luminoso incide na superfície de separação de dois meios transparentes, ocorrem, entre outros, fenómenos de reflexão e de refracção.
A Figura 5 representa um feixe luminoso, muito fino, que incide na superfície de separação de dois meios, I e II.
Seleccione a única opção que identifica correctamente os meios I e II, tendo em conta os valores de índice de refracção, n, listados na Tabela 3.
(A) I – óleo ; II – água.
(B) I – óleo ; II – ar.
(C) I – ar ; II – vidro.
(D) I – ar ; II – óleo.
- Opção (D)
⇒ α1 = 30º
⇒ α2 = 23º
Recorrendo à Lei de Snell-Descartes para a refração, determina-se a relação entre os índices de refração de ambos os meios.
⇒ Desta relação e de acordo com os valores de n listados na tabela, conclui-se que o meio I é o ar e o meio II é o óleo.
- Opção (D)…………. 8 pontos
6. Deve-se a M. Faraday a descoberta da indução electromagnética, que permite a produção de corrente eléctrica em muitos dispositivos.
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 2 (Eletromagnetismo)
6.1. Algumas bicicletas dispõem de faróis cujas lâmpadas estão ligadas a um dínamo, semelhante ao representado na Figura 6.
Quando a roda da bicicleta está em movimento, o eixo do dínamo gira, provocando a rotação do íman, e a lâmpada acende. Porém, quando a roda está parada, a lâmpada não acende.
Explique, com base na lei de Faraday, o aparecimento de uma corrente eléctrica no circuito apenas quando a roda está em movimento.
⇒ Para que a lâmpada acenda é necessário que o circuito seja percorrido por corrente elétrica.
⇒ Mas para o aparecimento de corrente elétrica é necessária uma força eletromotriz.
⇒ Assim, quando a roda se movimenta, o eixo do dínamo gira (a extremidade do eixo está encostada à roda) e o íman, fixo ao eixo deste, entra em rotação, o que provoca uma variação de fluxo magnético na bobina que o rodeia.
⇒ Esta variação de fluxo magnético na bobina é responsável pelo aparecimento de uma força eletromotriz induzida que gera a corrente elétrica que alimenta a lâmpada.
- A resposta deve abordar os seguintes tópicos:
⇒ Quando a roda está em movimento, o íman gira, provocando uma variação de fluxo magnético na bobina.
⇒ Havendo variação de fluxo magnético na bobina, induz-se uma força electromotriz no circuito.
⇒ Esta força electromotriz é responsável pelo aparecimento de corrente eléctrica no circuito.
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:
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 2 (Eletromagnetismo)
6.2. O gráfico da Figura 7 representa o fluxo magnético que atravessa uma espira metálica, em função do tempo.
Seleccione a única opção que apresenta a resposta correcta.
Em qual dos intervalos de tempo seguintes o módulo da força electromotriz induzida na espira é maior?
(A) [0; t1]
(B) [t2; t3]
(C) [t4; t5]
(D) [t6; t7]
- Opção (B)
⇒ O módulo da força eletromotriz induzida é
- Para o intervalo [t2 ; t3] o valor de |ΔΦm| é maior do que no intervalo [t4 ; t5]. Como estes intervalos de tempo são iguais, conclui-se que o módulo da força eletromotriz, |ε|, é maior no intervalo de tempo [t2 ; t3].
⇒ Opção (A) → Da análise do gráfico representado na figura 7, verifica-se que |ε| = 0 no intervalo [0; t1], pois fm constante, logo, ΔΦm = 0.
⇒ Opção (D) → Da análise do gráfico representado na figura 7, verifica-se que |ε| = 0 no intervalo [t6; t7], pois fm constante, logo, ΔΦm = 0.
- Opção (B)…………. 8 pontos
- 11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 1 (Sinais e ondas)
6.3. O gráfico da Figura 8 representa um sinal eléctrico, recebido num osciloscópio, em que a base de tempo foi regulada para 5 ms/div e o amplificador vertical para 5 V/div.
Escreva a expressão que traduz a relação entre a diferença de potencial, U, e o tempo, t , para esse sinal, sabendo que essa expressão é da forma U = Umáx. sin (ω t ), em que Umáx. é a amplitude do sinal.
Apresente todas as etapas de resolução.
⇒ Base de tempo = 5 ms/div; amplificador vertical = 5 V/div.
- U = Umáx. sin (ωt)
- Umáx. = n.º div x 5 V/div
⇒ da análise do gráfico da figura 8 tem-se que o n.º div = 2
- Umáx. = 2 x 5 = 10 V
Para calcular o valor de w, tem de se determinar o período, T, da oscilação, pois
Da análise do gráfico, verifica-se que, para n.º div = 10, Δt = 2,5 T.
Mas,
- Δt = n.º div x 5 ms/div = 10 x 5 = 50 ms
Finalmente, a expressão que traduz a relação entre a diferença de potencial e o tempo, substituindo Umáx e ω pelos respetivos valores, é:
- U = 10 sin (π x 102 t) (SI)
- A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:
⇒ Calcula a frequência angular do sinal (ω = 3,14 x 102 rad s–1 ou ω = π x 102 rad s–1).
⇒ Estabelece U = 10 sin (3,14 x 102 t ) ou U = 10 sin (π x 102 t ).
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:
FIM
