Ficha nº4 : Exames e TI (2014 – 2018)

 


Ficha nº4

Exercícios de exames e testes intermédios (2014 – 2018)

11ºanoFísica  – Domínio 1 – Subdomínio 3 (Forças e movimentos)


 

1. (2014 – 1ªFNa Figura 3, está representado um carrossel. Quando o carrossel está em movimento, cada um dos cavalinhos move-se com movimento circular uniforme.

1.1. Se um cavalinho efetuar quatro rotações por minuto, o módulo da sua velocidade angular será

Resolução

  • Opção (A)

Um cavalinho efetua quatro rotações em 60 s:

ou

Cálculo da velocidade angular:

Critérios

  • Opção (A) …………. 5 pontos

1.2. Quando o carrossel está em movimento, os cavalinhos A e B descrevem circunferências de raios diferentes.

Conclua, justificando, qual dos cavalinhos, A ou B, tem maior aceleração.

Resolução

Ambos os cavalinhos dão uma volta completa no mesmo tempo e, por isso, têm a mesma velocidade angular (ωA = ωB = ω).

O raio da circunferência descrita pelo cavalinho A é maior do que o raio da circunferência descrita por B (rA > rB), logo, o cavalinho A terá maior aceleração

ou

Ambos os cavalinhos dão uma volta completa no mesmo tempo, ou seja, têm o mesmo período (TA = TB = T).

O raio da circunferência descrita pelo cavalinho A é maior do que o raio da circunferência descrita por B (rA > rB), portanto, o cavalinho A terá maior aceleração

Critérios

  • Tópicos de referência:

A) Os cavalinhos A e B movem-se com velocidades angulares iguais.

ou

  • Os períodos dos movimentos dos cavalinhos A e B são iguais.

B) Sendo [, para o movimento circular uniforme,  ac = w2 r ( ou ac = (2π/T)2 r, a aceleração será tanto maior quanto maior for o raio da circunferência descrita.

C) Sendo o raio da circunferência descrita pelo cavalinho A maior do que o raio da circunferência descrita pelo cavalinho B, conclui-se que a aceleração do cavalinho A é maior do que a aceleração do cavalinho B.

2. (2014 – 2ªF)  A Figura 1 representa um plano inclinado, no topo do qual se abandonou uma bola. A bola desce o plano com aceleração constante.

Considere que a bola pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Na tabela seguinte, estão registados os tempos, t, que a bola demorou a percorrer distâncias, d, sucessivamente maiores, sobre esse plano, assim como os quadrados desses tempos, t2.

Calcule o módulo da aceleração da bola, no movimento considerado, a partir da equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto dos valores de d e de t2 registados na tabela.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

 

A equação da reta que melhor se ajusta aos pontos (t2; d) é a equação de regressão linear do gráfico de dispersão:

  • d = 0,1738 t2 + 8 × 10–4

No modelo teórico, como a bola é abandonada no topo do plano inclinado, a equação do movimento é

  • d = ½ a t2

Na expressão determinada 8 × 10–4 é aproximadamente zero, e esse valor resulta modelo do matemático do tratamento usado com os dados.

Comparando-a com a expressão obtida pela regressão linear tem-se

  • 0,1738 = a
  • a = 2 × 0,1738 = 0,3476 m s–2 = 0,348 m s–2

Critérios

  • Etapas de resolução:

A) Determinação, para t2 em função de d, da equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto dos valores registados na tabela (t2 = 5,754 d – 4 × 10-3 (SI) ou y = 5,754 x – 4 × 10-3 (SI))

ou

  • Determinação, para d em função de t2, da equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto dos valores registados na tabela ( d = 0,1738 t2 + 8 × 10-4 (SI) ou y = 0,1738 x + 8 × 10-4 (SI)) …….. 5 pontos

B) Cálculo do módulo da aceleração da bola, no movimento considerado ( a = 0,348 m s-2) …….. 5 pontos

3. (2014 – 2ªFNuma outra situação, uma bola é abandonada de uma certa altura em relação ao solo, caindo verticalmente em condições nas quais a resistência do ar pode ser considerada desprezável.

Considere que a bola pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

3.1. Considere um referencial unidimensional Oy, vertical, com origem no solo e sentido positivo de baixo para cima.

Qual é o esboço do gráfico que pode representar a componente escalar da velocidade da bola, vy, em relação ao referencial considerado, em função do tempo, t, desde o instante em que é abandonada até chegar ao solo?

 

Resolução

  • Opção (B)

Se a bola é abandonada de uma certa altura em relação ao solo e cai verticalmente em condições tais que a resistência do ar pode ser considerada desprezável, o seu movimento é retilíneo uniformemente acelerado (o módulo da velocidade aumenta).

  A única força que atua na bola é o peso e a velocidade inicial, v0, é nula.

Tendo em conta o referencial, a lei horária das velocidades é v = − at o que evidencia que a velocidade tem o sentido negativo do eixo de referência e o seu módulo é crescente.

Critérios

  • Opção (B) …………. 5 pontos

3.2. A bola cai e ressalta no solo.

Nos esquemas seguintes, o vetor ad representa a aceleração da bola num ponto da descida situado a uma determinada altura em relação ao solo.

Em qual dos esquemas seguintes o vetor as representa a aceleração da bola no ponto da subida situado à mesma altura?

Resolução

  • Opção (D)

Para situações em que a resistência do ar é desprezável, no movimento vertical a aceleração é a aceleração gravítica, tanto na subida como na descida.

A bola sobe e desce em condições segundo as quais a resistência do ar é desprezável.

Na descida o movimento da bola é retilíneo uniformemente acelerado sendo que a única força que atua é o peso.

Na subida o movimento da bola é retilíneo uniformemente retardado sendo que a única força que atua na bola é também o peso.

Na subida e na descida a aceleração do movimento é aceleração gravítica local, em ambos os sentidos do movimento a sua  intensidade e sentido mantêm-se.

Critérios

  • Opção (D) …………. 5 pontos

4. (2014 – EE)Na Figura 2 (que não está à escala), estão representadas duas bolas, R e S, e um referencial unidimensional de eixo vertical, Oy, com origem no solo. A massa da bola R é superior à massa da bola S.

As bolas são abandonadas simultaneamente, de uma mesma altura, h, em relação ao solo.

Considere desprezável a resistência do ar e admita que cada uma das bolas pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

4.1. Qual é a relação entre o tempo de queda da bola R e o tempo de queda da bola S?

Resolução

Dado que a resistência do ar é desprezável, a resultante das forças que atuam sobre cada uma das bolas é igual ao respetivo peso

  • Fr = P ⇔ ma = mg ⇔ a = g 

aceleração do movimento de ambas é igual à aceleração gravítica.

De acordo com o referencial apresentado na figura 2 do enunciado e dado que ambas são abandonadas, v0 = 0, a equação que traduz a variação da componente escalar da posição de cada uma das bolas é:

  • v = – gt

e o tempo de queda, tq, é:

Da mesma figura verifica-se que a posição inicial das duas bolas é a mesma, y0 = h, logo, de acordo com a expressão anterior, conclui-se que os respetivos tempos de queda são iguais.

  • O tempo de queda da bola R é igual ao tempo de queda da bola S.

Critérios

  • [Os tempos de queda das bolas R e S] são iguais …….. 5 pontos

4.2. Admita que, após ressaltar no solo, a bola inicia a subida com uma velocidade de módulo 4,0 ms-1.

Apresente o gráfico (obtido com a calculadora gráfica) da componente escalar, segundo o eixo Oy, da posição, y, da bola em função do tempo, t, desde o instante em que a bola inicia a subida (t = 0 s) até ao instante em que inverte o sentido do movimento.

Na sua resposta, deve:

• apresentar a equação y(t ), que traduz o movimento da bola após o ressalto no solo;

• reproduzir o gráfico, obtido com a calculadora, relativo ao intervalo de tempo considerado, indicando no gráfico:

– as grandezas representadas e as respetivas unidades;

– as coordenadas dos pontos que correspondem ao instante em que a bola inicia a subida e ao instante em que a bola inverte o sentido do movimento.

Resolução

Obter a seguinte equação y (t) que traduz o movimento da bola após o ressalto:

  • y = y0 + v0 t – ½ g t2 = 4,0 t – 5,0 t2 (SI)

 Gráfico obtido:

Critérios

  • Na resposta:

é apresentada a equação y ( t ), que traduz o movimento da bola após o ressalto no solo ( y = 4,0 t – 5,0 t2 (SI)) (ver notas 1 e 2) …….. 5 pontos

é reproduzido o gráfico obtido com a calculadora (ver nota 3), com a indicação, no gráfico, das

– grandezas representadas (ver nota 4) …….. 4 pontos

– unidades em que essas grandezas estão expressas ……….. (1 + 1…….. 2 pontos

– coordenadas do ponto que corresponde ao instante em que a bola inicia a subida …….. 1 pontos

– coordenadas do ponto que corresponde ao instante em que a bola inverte o sentido do movimento …….. 3 pontos

Notas:

1.A não apresentação de uma equação y (t) implica a classificação da resposta com zero pontos.

2.A apresentação de uma equação y (t) incorreta implica a pontuação desta etapa com zero pontos. As etapas seguintes serão pontuadas de acordo com os critérios de classificação desde que o gráfico reproduzido seja coerente com a equação apresentada.

3. A apresentação de um gráfico que não corresponda ao intervalo de tempo considerado implica a pontuação das etapas relativas à reprodução do gráfico com zero pontos.

4.A ausência de indicação ou a indicação incorreta, no gráfico, das grandezas representadas implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

5. (2015 – 1ªFConsidere uma roda que, tendo apenas movimento de rotação em torno do seu eixo, efetua 50 rotações, em cada minuto, durante um determinado intervalo de tempo.

5.1. O módulo da velocidade angular da roda, em radianos por segundo, no intervalo de tempo considerado, pode ser calculado pela expressão

Resolução

  • Opção (A)

A roda executa 50 rotações por minuto, o que significa que todos os pontos da roda descrevem um ângulo de 2𝜋 × 50 radianos em 60 segundos, assim, o módulo da velocidade angular 𝜔 é:

Critérios

  • Opção (A) …………. 5 pontos

5.2. Na Figura 1, estão representados essa roda e dois pontos, P e Q, de um dos seus raios.

O módulo da aceleração do ponto P, no intervalo de tempo considerado, é

A) superior ao módulo da aceleração do ponto Q.

B) inferior ao módulo da aceleração do ponto Q.

C) igual ao módulo da aceleração do ponto Q, sendo ambos nulos.

D) igual ao módulo da aceleração do ponto Q, sendo ambos diferentes de zero.

Resolução

  • Opção (A)

A velocidade angular é constante2, todos os pontos da roda executam um movimento circular e uniforme, e, por isso, a aceleração de qualquer desses pontos é centrípeta:

  • 𝑎 = 𝑎n

O módulo da componente normal da aceleração (ou aceleração centrípeta), 𝑎n, de um ponto qualquer a uma distância 𝑟 do eixo da roda é

  • 𝑎n = 𝑣2/𝑟 = (𝜔𝑟)2/𝑟 = 𝜔2𝑟2/r = 𝜔2 𝑟

Num certo instante, todos os pontos da roda têm a mesma velocidade angular, portanto, quanto mais afastados estiverem do eixo da roda, maior 𝑟, maior será a aceleração centrípeta.

Encontrando-se o ponto P mais afastado do eixo, maior 𝑟, a sua aceleração é maior do que a de Q.

→ 2 Se a velocidade angular não for constante, a aceleração de um ponto da roda tem uma componente centrípeta e uma componente tangencial. O módulo da aceleração, 𝑎, de um ponto aumenta com a distância 𝑟 ao eixo. Mostra-se que são diretamente proporcionais: 𝑎/𝑟  é, num certo instante, o mesmo para todos os pontos da roda.

Critérios

  • Opção (A)…………. 5 pontos

6. (2015 – 1ªFNa Figura 2 (que não está à escala), estão representados dois conjuntos ciclista + bicicleta, CI e CII, que se movem ao longo de uma estrada retilínea e horizontal, coincidente com o eixo Ox de um referencial unidimensional.

Considere que cada um dos conjuntos pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Considere que no instante t = 0 s o conjunto CII inicia o seu movimento e  que,  nesse  instante, o conjunto CI  passa na origem do referencial.

Admita que, a partir desse instante, e durante um determinado intervalo de tempo, as componentes escalares, segundo o eixo Ox, das posições, xCI e xCII , dos conjuntos CI e CII, respetivamente, variam com o tempo, t, de acordo com as equações

XCI = 7,0 t (SI)

XCII = 800 – 0,030 t2 (SI)

6.1. Apresente, num mesmo sistema de eixos, os esboços dos gráficos que traduzem, no intervalo de tempo considerado, as componentes escalares das posições, xCI e xCII , em função do tempo, desde o instante t = 0 s até, pelo menos, ao instante em que os conjuntos se cruzam.

Determine o instante em que os conjuntos CI e CII se cruzam e a componente escalar da posição daqueles conjuntos nesse instante.

Utilize as potencialidades gráficas da calculadora.

Resolução

No gráfico, o ponto de interseção das duas funções tem as coordenadas da posição e do instante em que os dois ciclistas se cruzam, no instante t = 84 s e na posição x = 588 m.

Critérios

  • Etapas de resolução:

A)Apresentação dos esboços dos gráficos que traduzem as componentes escalares das posições, xCI e xCII , dos conjuntos CI e CII, respetivamente, em função do tempo, desde o instante t = 0 s até, pelo menos, ao instante em que os conjuntos se cruzam (ver notas 1, 2 e 3) …….. 4 pontos

B) Determinação do instante em que os conjuntos CI e CII se cruzam (t = 84 s) (ver notas 4, 5 e 6) …….. 3 pontos

C)Determinação da componente escalar da posição dos conjuntos no instante em que se cruzam (x = 5,9 × 102 m) (ver notas 4, 5 e 6) …….. 3 pontos

Notas:

1. A não apresentação ou a apresentação incorreta de, pelo menos, um dos esboços dos gráficos solicitados implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

2. A apresentação de, pelo menos, um esboço de gráfico que não respeite o intervalo de tempo solicitado implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

3. A não indicação ou a indicação incorreta de uma das grandezas representadas implica uma desvalorização de 2 pontos. A não indicação ou a indicação incorreta das duas grandezas representadas implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

4. O valor da grandeza a determinar poderá ser indicado no esboço do gráfico ou separadamente.

5.A ausência de unidade ou a apresentação de uma unidade incorreta no resultado obtido implica uma desvalorização de 1 ponto.

6. A apresentação do resultado obtido com um número incorreto de algarismos significativos não implica qualquer desvalorização.

6.2. Em qual dos esquemas seguintes se encontram corretamente representadas, num dado instante do intervalo de tempo considerado, a velocidade, V, e a aceleração, a, do conjunto CII?

Resolução

  • Opção (D)

O ciclista CII partindo do repouso passa a mover-se no sentido negativo do eixo.

  • 𝑥CII = xo + v0t + ½ at2 = 800 − 0,030 𝑡2 (SI)
  • 𝑎CII = −0,060 m s−2
  • 𝑣CII = v0 + at = −0,060𝑡 (SI)

Então, a velocidade é um vetor com o sentido negativo do eixo dos xx e o movimento é acelerado com aceleração também no sentido negativo do eixo dos xx.

  • Ambos os vetores apontam no mesmo sentido.

As componentes escalares da aceleração e da velocidade são negativas, por isso os vetores apontam no sentido convencionado negativo.

Critérios

  • Opção (D) …………. 5 pontos

7. (2015 – 2ªFA Figura 4 representa uma montagem utilizada numa atividade laboratorial. Nessa atividade, um carrinho move-se sobre uma calha horizontal, ligado por um fio a um corpo C que cai na vertical.

7.1. Durante o movimento do carrinho ao longo da calha, a força gravítica que nele atua é equilibrada pela

(A) força normal exercida pela calha no carrinho, constituindo estas forças um par ação-reação.

(B) força que o carrinho exerce na calha, constituindo estas forças um par ação-reação.

(C) força normal exercida pela calha no carrinho, não constituindo estas forças um par ação-reação.

(D) força que o carrinho exerce na calha, não constituindo estas forças um par ação-reação.

Resolução

  • Opção (C)

⇒ Quando o carrinho se move no plano horizontal, atuam na direção vertical a força gravítica, exercida pela Terra, e a força normal, exercida pela calha.

⇒ Estando estas duas forças aplicadas sobre o mesmo corpo não constituem um par ação-reação.

⇒ Também são interações de naturezas diferentes.

ou

⇒ A força gravítica que atua no carrinho está aplicada no centro de massa do carrinho.

⇒ A força que a equilibra a força gravítica é designada força normal e também atua no carrinho.

⇒ Corresponde à força que a calha horizontal exerce no carrinho. De acordo com a 3.ª Lei de Newton ou Lei da ação-­‐reação, as forças que constituem par ação-­‐reação atuam em sistemas diferentes.

⇒ A reação normal e a força gravítica atuam no carrinho (mesmo corpo), não constituem par ação‐reação.

Critérios

  • Opção (C) …………. 5 pontos

7.2. A Figura 5 representa o gráfico do módulo da velocidade, v, do carrinho em função do tempo, t, obtido na atividade laboratorial com um sistema de aquisição de dados adequado.

7.2.1. Desenhe, na sua folha de respostas, o corpo C e dois vetores que possam representar as forças que nele atuaram enquanto caía na vertical, antes de embater no solo.

Identifique aquelas forças e tenha em atenção o tamanho relativo dos vetores que as representam.

Resolução

Critérios

  •  …………. 5 pontos

7.2.2. Determine a intensidade da resultante das forças que atuaram no carrinho, de massa 200,07 g, enquanto o fio esteve sob tensão.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

Módulo da aceleração do carrinho enquanto o fio esteve sob tensão:

⇒ Intensidade da resultante das forças:

  • FR = ma = 0,20007 x 0,400 = 8,00 x 10-2 N

Critérios

  • Etapas de resolução:

A) Determinação do módulo da aceleração do carrinho ( a = 0,400 m s-2 ) (ver notas 1 e 2) …….. 5 pontos

B) Determinação da intensidade da resultante das forças que atuaram no carrinho ( F = 8,0 × 10-2 N) (ver nota 3) …….. 5 pontos

ou

A) Determinação da variação da energia cinética do carrinho, num intervalo de tempo adequado (ver notas 1 e 2) …….. 5 pontos

B) Determinação da distância percorrida pelo carrinho no intervalo de tempo considerado e determinação da intensidade da resultante das forças que atuaram no carrinho ( F = 8,0 × 10-2 N) (ver nota 3) …….. 5 pontos

Notas:

1. Qualquer leitura incorreta de valores no gráfico implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

2. A utilização de um intervalo de tempo que inclua valores entre 1,30 s e 1,50 s implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

A utilização de um intervalo de tempo que inclua valores superiores a 1,50 s implica a classificação da resposta com zero pontos.

3. A apresentação do valor solicitado com um número incorreto de algarismos significativos não implica qualquer desvalorização.

7.2.3. Explique porque é que os resultados experimentais permitem concluir que a resultante das forças de atrito que atuaram no carrinho foi desprezável.

Tenha em consideração os resultados experimentais obtidos a partir do instante em que o corpo C embateu no solo.

Resolução

⇒ Do gráfico, verifica-se que a partir do instante em que o corpo C embate no solo a velocidade do carrinho permanece constante, logo, a resultante das forças que nele atua é nula.

⇒ Após o embate de C no solo, a força exercida pelo fio anula-se, atuando sobre o carrinho apenas a força gravítica, a força normal e eventualmente as forças de atrito.

⇒ A força gravítica e a força normal, perpendiculares ao movimento, anulam-se, portanto, a resultante das forças de atrito coincide com a resultante das forças, logo, é nula.

ou

⇒ Os resultados experimentais obtidos a partir do instante em que o corpo C embateu no solo evidenciam que o módulo da velocidade (ou a velocidade) do carrinho se mantém aproximadamente constante.

⇒ De  acordo  com  a  1ª  lei  (ou  com  a  2ª  lei)  de  Newton,  a  resultante  das  forças  que  atuaram  no  carrinho a partir daquele instante foi nula.

Como a força gravítica e a força de reação normal são verticais e se anulam, conclui‐se que a resultante das  forças  de  atrito  que  atuaram  no  carrinho  foi  desprezável  uma  vez  que,  a  partir  do  instante  considerado, nenhuma outra força poderia ter atuado no carrinho.

ou

Os resultados experimentais obtidos, a partir do instante em que o corpo C embateu no solo evidenciam que o módulo da velocidade do carrinho se manteve aproximadamente constante.

⇒ A  energia  cinética  do  carrinho  manteve-­‐se  aproximadamente  constante.

⇒ Como  o  carrinho  se  moveu sobre uma calha horizontal, a energia potencial gravítica do sistema carrinho + Terra manteve-‐se constante, o que implica que a energia mecânica do sistema se tenha mantido também constante.

⇒ A  variação da energia mecânica do sistema, pode concluir-­‐se que o trabalho das forças não  conservativas que atuaram no carrinho foi nulo o que implica, na situação descrita que a resultante das forças de atrito que atuaram no carrinho foi desprezável.

Critérios

  • A resposta integra os tópicos de referência seguintes ou outros de conteúdo equivalente:

A) Os resultados experimentais obtidos [, a partir do instante em que o corpo C embateu no solo,] evidenciam que o módulo da velocidade (ou a velocidade) do carrinho se manteve [aproximadamente] constante.

B) Assim, [de acordo com a 1.ª lei (ou com a 2.ª lei) de Newton,] a resultante das forças que atuaram no carrinho [, a partir daquele instante,] foi nula.

C) Como a força gravítica e a força de reação normal se anulam, pode concluir-se que a resultante das forças de atrito [que atuaram no carrinho] foi desprezável [, uma vez que, a partir do instante considerado, nenhuma outra força poderia ter atuado no carrinho].

ou

A) Os resultados experimentais obtidos [, a partir do instante em que o corpo C embateu no solo,] evidenciam que o módulo da velocidade (ou a velocidade) do carrinho se manteve [aproximadamente] constante.

B) Assim, a energia cinética do carrinho manteve-se [aproximadamente] constante. [Como o carrinho se moveu sobre uma calha horizontal,] a energia potencial gravítica [do sistema carrinho + Terra] manteve-se constante, o que implica que a energia mecânica [do sistema] se tenha mantido [também] constante.

C) [Sendo nula a variação da energia mecânica do sistema,] pode concluir-se que o trabalho das forças não conservativas que atuaram no carrinho foi nulo o que implica [, na situação considerada,] que a resultante das forças de atrito [que atuaram no carrinho] foi desprezável.

8. (2015 – EEA monitorização da concentração de alguns poluentes pode ser feita por satélites artificiais.

Considere um desses satélites, em órbita aproximadamente circular em torno da Terra, a uma altitude aproximada de 705 km.

Determine o número de órbitas completas descritas pelo satélite em 24 horas.

Apresente todas as etapas de resolução.

  • mTerra(massa da Terra) = 5,98 × 1024 kg
  • rTerra (raio da Terra) = 6,4 × 106 m
Resolução

Como o satélite descreve uma trajetória circular com velocidade de módulo constante, a resultante das forças que sobre ele atuam é radial e centrípeta

  • O número de órbitas completas descritas pelo satélite em 24 h é igual a 14.

Critérios

  • Etapas de resolução:

A) Determinação do módulo da velocidade orbital do satélite (v = 7,50 × 103 m s-1) …….. 5 pontos

B)Determinação do período do movimento do satélite (T = 5,95 × 103 s)

ou

  • Determinação da frequência do movimento do satélite ( f = 1,68 × 10-4 Hz) …….. 3 pontos

C) Determinação do número de órbitas completas descritas pelo satélite em 24h (14) (ver nota……..2 pontos

Nota A não indicação do número de órbitas completas descritas pelo satélite implica a pontuação desta etapa com zero pontos.

9. (2016 – 1ªFUma bola move-se segundo uma trajetória retilínea.

Considere que a bola pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Admita que a componente escalar da posição, x, da bola em relação a um determinado referencial unidimensional Ox varia com o tempo, t, de acordo com a equação

x = 2.4 – 2.0 t + 0.60 t2 (SI)

A componente escalar, segundo o referencial Ox considerado, da velocidade, vx, da bola varia com o tempo, t, de acordo com a equação

(A) vx = – 2,0 + 1,2 t

(B) vx = 2,4 – 2,0 t

(C) vx = – 2,0 + 0,60 t

(D) vx = 2,4 – 4,0 t

Resolução

  • Opção (A)

⇒ A equação das posições no movimento retilíneo com aceleração constante é :

  • x = x0 + voxt + ½ axt2

⇒ Da equação dada, x = 2,4 – 2,0 t + 0,60t2 (SI), deduz-se que esta descreve um  movimento retilíneo com aceleração constante e que v0x = – 2,0 ms-1 (o coeficiente de é a componente escalar da velocidade inicial segundo o eixo Ox) e ½ax = 0,60 ms-1 (o coeficiente de é metade da componente escalar da aceleração), logo, ax = 1,2 ms-2.

Assim, a equação das velocidades, que no movimento retilíneo com aceleração constante é :

  • vx = vox + axt, fica, neste caso, vx = -2,0 + 1,2 t (SI).

Critérios

  • Opção (A)  ……………. 5 pontos

 

10. (2016 – 1ªFUma bola, atada a uma corda, descreve trajetórias circulares num mesmo plano horizontal.

Considere que a bola pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

10.1. Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a intensidade da resultante das forças que atuam na bola, F, em função do módulo da aceleração, a, da bola?

Resolução

  • Opção (C)

⇒ De acordo com a Lei Fundamental da Dinâmica, a intensidade da resultante das forças que atuam sobre a bola, F, é diretamente proporcional ao módulo da aceleração, a: F = ma, o gráfico da intensidade da resultante das forças, F, em função do módulo da aceleração, F(a), é uma reta que passa pela origem com declive igual à massa, m, da bola (a constante de proporcionalidade é uma característica da bola, a sua massa inercial m).

Critérios

  • Opção (C)  ……………. 5 pontos

10.2. Na Figura 1, está representada uma imagem estroboscópica de um movimento da bola, no qual a trajetória descrita pela bola é uma circunferência de raio 30 cm.

Nessa imagem estroboscópica, as posições da bola foram registadas a intervalos de tempo de 4,0 x 10-2 s.

Determine o módulo da aceleração da bola no movimento considerado.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

⇒ No movimento circular da bola, as posições, registadas a intervalos de tempo iguais, estão igualmente distanciadas, logo, conclui-se que o movimento é descrito com velocidade de módulo constante (movimento circular uniforme).

⇒ Pode, assim, afirmar-se que a velocidade só varia em direção e, por isso, a aceleração da bola, a, é centrípeta, ac: a = ac = ω2r em que ω é o módulo da velocidade angular da bola e r ( 30 cm = 0,30 m) é o raio da trajetória descrita; o ângulo descrito por unidade de tempo, ω, pode determinar-se pelo facto de em um período, T = 8 x 4,0 x 10-2 s = 0,320 s, a bola descrever um ângulo de 2 π rad:

  • ω = 2π/T = 2π/0,320 = 19,6 rad s-1

⇒ Assim, o módulo da aceleração da bola é:

  • a = ω2r = (19,6 s-1)2 x 0,30 m = 1,2 x 102 m s-2 

Critérios

  • Etapas de resolução:

A) Cálculo do módulo da velocidade da bola no movimento considerado (v = 5,89 m s-1)

ou

  • Cálculo do módulo da velocidade angular da bola no movimento considerado (ω = 19,6 rad s-1) …….. 5 pontos

B) Cálculo do módulo da aceleração da bola no movimento considerado (a = 1,2 x 102 m s−2) …….. 5 pontos

11. (2016 – EEA Figura 1 representa esquematicamente, vista de cima, a montagem utilizada por um grupo de alunos, numa atividade laboratorial sobre movimento circular uniforme.

Nessa montagem, um carrinho (1), colocado sobre uma plataforma giratória (2), está preso por um fio (3) a um sensor de força (não representado na figura). Por ação de um motor, essa plataforma gira num plano horizontal, com velocidade angular constante. O motor pode ser regulado de modo a permitir alterar, de ensaio para ensaio, o módulo da velocidade angular da plataforma.

Quando a plataforma gira, o carrinho descreve um movimento circular uniforme em torno do eixo da plataforma.

 

11.1. Numa primeira série de ensaios, mantendo constante o raio da trajetória descrita pelo carrinho, os alunos investigaram a relação entre a intensidade da resultante das forças, F, que atuam no carrinho e o período, T, de rotação da plataforma.

Essa série de ensaios terá permitido concluir que F é diretamente proporcional a

(A) 1/T2

(B) 1/T

(C) T2

(D) T

Resolução

  • Opção (A)

Como o carrinho descreve um movimento circular uniforme, a resultante das forças que sobre ele atuam é radial, centrípeta e de módulo constante, bem como a aceleração, pois F = m ac.

⇒ Dado que ac = ω2 r e que o módulo da velocidade angular, ω, em função do período, T, do movimento do carrinho é ω = 2π/T, então ac = (4π2/T2) r e, consequentemente, F = m (4π2/T2) r

⇒ Da análise desta expressão conclui-se que a resultante das forças que atuam sobre o carrinho, de massa m, quando descreve uma trajetória de raio, r, constante é inversamente proporcional a T2, ou seja, é diretamente proporcional a 1/T2.

Critérios

  • Opção (A)  ……………. 5 pontos

11.2. Numa segunda série de ensaios, os alunos foram colocando sobrecargas no carrinho, para investigarem a relação entre o módulo da aceleração, a, dos conjuntos carrinho + sobrecargas e a respetiva massa, m.

Os resultados obtidos permitiram traçar um gráfico de a em função de m, cujo esboço se encontra representado na Figura 2.

Que conclusão se pode tirar a partir do esboço de gráfico representado?

Resolução

⇒ Da análise do gráfico representado na Figura 2, verifica-se que o módulo da aceleração dos conjuntos carrinho + sobrecargas se mantém praticamente constante com o aumento da massa, m, destes, donde se conclui que o módulo da aceleração é independente da massa.

Critérios

O módulo da aceleração [dos conjuntos carrinho + sobrecargas] é independente da [respetiva] massa ou equivalente …….. 5 pontos

12. (2017 – 2ªFConsidere dois conjuntos, A e B, ambos constituídos por um ciclista e pela respetiva bicicleta. Estes conjuntos movem-se numa pista horizontal.

Admita que cada conjunto pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

12.1. Considere que um dos conjuntos, de massa 80 kg e inicialmente com uma velocidade de módulo 6,0 m s-1, percorre, num outro troço retilíneo da pista, 100 m em 20 s, sob a ação de uma força de travagem constante.

Determine a intensidade da resultante das forças que atuam no conjunto, no intervalo de tempo considerado.

Admita que essa resultante se mantém constante.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

  • Da equação do movimento pode determinar-se a componente escalar da aceleração:

Usando a 2.a Lei de Newton, obtém-se a intensidade da resultante das forças:

ou

⇒ O conjunto bicicleta + ciclista tem movimento retilíneo e está sujeito a um sistema de forças de resultante constante, logo, move-se com aceleração constante, de componente escalar a segundo a direção do movimento.

Assim, a componente escalar do seu deslocamento obedece à relação x = x0 + v0t + ½at2.

⇒ O ciclista desloca-se 100 m em 20 se a componente escalar, segundo Ox, da sua velocidade inicial é 6,0 ms-1 , portanto:

  • 100 = 6,0 x 20 + ½ x a x 202

Logo, a= -0,100 m s-2. Da Segunda Lei de Newton obtém-se o módulo da resultante das forças:

  • Fr = m x a = 80 kg x 0,100 m s-2 = 8,0 N.

Critérios

  • Etapas de resolução:

A) Cálculo do módulo da aceleração do conjunto, no intervalo de tempo considerado (a = 0,100 m s-2) (ver nota 1) …….. 5 pontos

B) Cálculo da intensidade da resultante das forças que atuam no conjunto, no intervalo de tempo considerado (F = 8,0 N) (ver nota 2) …….. 5 pontos

Notas:

1. A apresentação do valor «- 0,100 m s-2» não implica qualquer desvalorização.

2. A apresentação do valor «- 8,0 N» corresponde a um erro de tipo 2.

12.2. Um dos conjuntos descreve, num outro intervalo de tempo, um arco de circunferência, com velocidade de módulo constante.

Conclua, com base na caracterização do vetor velocidade, relativamente à trajetória descrita, se a aceleração do conjunto é, ou não, nula, no intervalo de tempo considerado.

Apresente num texto a fundamentação da conclusão solicitada.

Resolução

⇒ A velocidade é, em cada ponto, tangente à trajetória.

⇒ Como a trajetória é curvilínea a direção das tangentes à trajetória varia continuamente, por isso, a velocidade não é constante, dado variar em direção.

⇒ Como há variação de velocidade, a aceleração, taxa temporal de variação da velocidade, não é nula.

Critérios

  • A resposta integra os tópicos de referência seguintes ou outros de conteúdo equivalente:

A) O vetor velocidade é [, em cada ponto,] tangente à trajetória [descrita pelo conjunto].

B) Como a trajetória é circular, [a tangente à trajetória varia continuamente a sua direção, pelo que,] o vetor velocidade muda [continuamente] de direção (ou a velocidade não é constante).

C) [Uma vez que há variação de velocidade,] conclui-se que a aceleração [do conjunto] não é nula [no intervalo de tempo considerado].

13. (2017 – EEConsidere um sistema paraquedista + paraquedas em queda vertical.

Na Figura, está representado o gráfico do módulo da velocidade, v, desse sistema, de massa 100 kg , em função do tempo, t, de queda, nos primeiros 60 s do movimento.

Considere que o sistema paraquedista + paraquedas pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

13.1. No modelo da partícula material, considera-se apenas um tipo de movimento do sistema paraquedista + paraquedas.

Que tipo de movimento se considera neste modelo?

Resolução

  • Movimento de translação

⇒ Para que um sistema em movimento seja considerado como partícula material, todas as suas partículas têm de se deslocar com a mesma velocidade o que só se verifica quando está animado de movimento de translação.

Critérios

  • Movimento de translação. ………….. 5 pontos

13.2. Em qual dos intervalos de tempo seguintes, a resultante das forças que atuaram no sistema paraquedista + paraquedas teve o sentido contrário ao do movimento do sistema?

(A) [0; 10] s

(B) [25; 35] s

(C) [36; 39] s

(D) [45; 60] s

Resolução

  • Opção (C)

⇒ A resultante das forças tem sentido contrário ao do movimento quando o módulo da velocidade diminui, o que se verifica no intervalo de tempo [36; 39] s (ver gráfico da Figura 4 do enunciado)

Critérios

  • Opção (C)  ……………. 5 pontos

13.3. No intervalo de tempo [45; 60] s, o sistema paraquedista + paraquedas

(A) esteve parado.

(B) moveu-se com uma aceleração de módulo 10 m s-2.

(C) percorreu 150 m.

(D) não esteve sujeito à ação de forças.

Resolução

  • Opção (C)

 Da análise do gráfico representado na Figura 4, verifica-se que, durante o intervalo de tempo [45; 60] s , o sistema paraquedista + paraquedas desloca-se retilineamente com velocidade de módulo constante, pelo que as opções (A) e (B) são falsas, pois está em movimento com aceleração nula.

 Mas sobre o sistema, durante todo o movimento, atuam a força gravítica e a força de resistência do ar.

 Dado que o sistema está animado de movimento retilíneo e uniforme no intervalo de tempo [45; 60] s e recorrendo à Figura 4 do enunciado, determina-se a distância percorrida neste intervalo de tempo:

  • v = 10 ms-1
  • d = v x Δt = 10 x (60 – 45) = 150 m

Critérios

  • Opção (C)  ……………. 5 pontos

13.4. Conclua sobre a variação da intensidade da força de resistência do ar que atuou no sistema paraquedista + paraquedas, no intervalo de tempo [0;15] s.

Apresente num texto a fundamentação da conclusão solicitada, abordando os aspetos seguintes:

• identificação e caracterização, quanto ao sentido, das forças que atuaram no sistema paraquedista + paraquedas, no intervalo de tempo considerado;

• explicação, com base no gráfico da Figura 4, da variação do módulo da aceleração do sistema, no intervalo de tempo considerado, e referência à consequente variação da intensidade da resultante das forças que atuaram no sistema;

• conclusão sobre a variação da intensidade da força de resistência do ar, no intervalo de tempo considerado.

Resolução

 Durante o movimento de descida do sistema paraquedista + paraquedas atuam a força gravítica, de sentido descendente, e a força de resistência do ar com sentido oposto ao do movimento, o ascendente.

⇒  No intervalo de tempo [0; 15] s , o declive da reta tangente ao gráfico v = f (t) diminui ao longo do tempo, logo o módulo da aceleração do sistema também diminui, pelo que a intensidade da resultante das forças que sobre ele atuam diminui (FR = m a).

⇒  Uma vez que a força gravítica é constante e a intensidade da resultante das forças diminui, conclui-se que a intensidade da resistência do ar, no intervalo de tempo considerado, aumenta.

Critérios

  • A resposta integra os tópicos de referência seguintes ou outros de conteúdo equivalente:

A) No sistema paraquedista + paraquedas, atuam a força gravítica, que tem o sentido do movimento (ou tem sentido de cima para baixo), e a força de resistência do ar, que tem o sentido contrário ao do movimento (ou tem sentido de baixo para cima).

B) [O gráfico mostra que, no intervalo de tempo [0; 15] s,] o módulo da aceleração do sistema diminui, uma vez que o declive da tangente à curva v – t é cada vez menor (ou a taxa temporal de variação da velocidade é cada vez menor), pelo que a intensidade da resultante das forças que atuam no sistema diminui.

C) [ Sendo a força gravítica constante,] conclui-se que a intensidade da força de resistência do ar aumenta [no intervalo de tempo considerado].

14. (2018 – PMUma bola, de massa 200g, é atirada verticalmente para cima por uma criança, de uma altura acima do nível do solo. A altura máxima atingida pela bola foi 5,6m em relação ao solo.

Considere desprezável a resistência do ar.

14.1. Selecione o gráfico que melhor traduz a relação entre o módulo da velocidade, v, e o tempo, t, a partir do instante em que a bola é atirada pela criança até embater o solo.

Critérios

  • Opção (A)  ……………. 5 pontos

14.2. A velocidade com que a bola chega ao solo

(A) depende da massa da bola.

(B) não depende da energia potencial gravítica da bola no ponto de altura máxima.

(C) não depende das distâncias entre a bola e o centro da Terra.

(D) depende do referencial de posição adotado.

Critérios

  • Opção (D)  ……………. 5 pontos

15. (2018 – PMO estudo dos movimentos circulares não só é útil para compreender fenómenos da nossa Terra como também para compreender fenómenos do universo inteiro, nomeadamente o movimento de corpos celestes.

 

15.1. Um berlinde descreve, com um módulo de velocidade constante de 0,21 m s-1, uma circunferência de raio 8 cm.

Para descrever uma circunferência completa, o berlinde demora, aproximadamente,

(A) 4,2 s.

(B) 0,24 s.

(C) 2,4 s.

(D) 0,42 s.

Critérios

  • Opção (C)  ……………. 5 pontos

15.2. O planeta Vénus, pertencente ao Sistema Solar, efetua uma órbita aproximadamente circular em torno do Sol, demorando cerca de 224 dias a percorrer a órbita completamente.

Selecione a expressão que traduz corretamente a relação entre a aceleração centrípeta do planeta Vénus, ac, e o comprimento da órbita (perímetro), C.

Critérios

  • Opção (A)  ……………. 5 pontos

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