AL 1.1 – Atividade laboratorial: queda livre

🧲 Física · 11.º ano · 📍 Tema 2 · AL 1.1

AL 1.1 │ Queda livre: força gravítica e aceleração da gravidade

🔬 Atividade📖 Teóricas🧪 Laboratoriais🧮 Práticas📝 Testes🎓 Exames

🎯 Objetivos

🔹 Determinar, experimentalmente, o módulo da aceleração da gravidade num movimento de queda livre.

🔹 Verificar se essa aceleração depende da massa dos corpos e da altura de queda.

🌟 Sabias que…

Em 1971, na Lua, o astronauta David Scott (Apollo 15) largou ao mesmo tempo um martelo e uma pena. Sem ar, não há resistência do ar: os dois chegaram ao chão ao mesmo tempo. Galileu tinha razão: em queda livre, todos os corpos caem com a mesma aceleração.

Um corpo está em queda livre quando a única força que nele atua é a força gravítica. Na prática, isto acontece quando a resistência do ar é desprezável: corpos pequenos, compactos e densos (como uma esfera de aço), largados de pequenas alturas.

1Aspetos teóricos

🔹 Em queda livre, a resultante das forças é a força gravítica. Pela 2.ª Lei de Newton:

FR = Fg ⇔ m a = m g ⇔ a = g

🔹 A massa do corpo «simplifica-se»: a aceleração de queda livre não depende da massa. Junto à superfície da Terra, g ≈ 9,8 m s−2.

🔹 Perto da superfície, a força gravítica é constante, logo a aceleração também é: o movimento é retilíneo uniformemente acelerado. Com o sentido positivo para baixo, a velocidade e a aceleração são positivas e o módulo da velocidade aumenta linearmente com o tempo.

🔹 Para medir g, mede-se a velocidade da esfera numa posição B e o tempo que ela demorou a chegar lá, partindo do repouso numa posição A:

g = Δv / Δtqueda = (vB − vA) / Δtqueda e, como vA = 0, g = vB / Δtqueda

💡 Ideia principal: como se mede a velocidade em B?

Usa-se uma célula fotoelétrica ligada a um cronómetro digital. Quando a esfera atravessa o feixe de luz, o cronómetro mede o tempo, ΔtB, durante o qual o feixe esteve interrompido. Nesse intervalo, a esfera percorre uma distância igual ao seu diâmetro, D:

vB = D / ΔtB

Esta expressão é a de um movimento uniforme. Pode usar-se porque ΔtB é muito pequeno (alguns milissegundos): nesse intervalo, a velocidade quase não varia, por isso a velocidade média na passagem é praticamente igual à velocidade no instante em que a esfera está em frente da célula.

🔹 D é uma medição direta (feita com a craveira); vB e g são medições indiretas (calculadas a partir de outras).

2Material

Este é o material de que vais precisar. Arrasta cada peça da prateleira para a bancada (ou toca nela) para descobrires para que serve, em que passo se usa e um cuidado a ter.

#lab-ficha p{text-align:justify}#lab-sala .lab-peca{cursor:grab;transition:transform .7s cubic-bezier(.2,.9,.3,1.2)}#lab-sala .lab-peca.lab-arrasta{transition:none;cursor:grabbing}#lab-sala .lab-peca:hover{opacity:.85}#lab-sala .lab-etq text{pointer-events:none}#lab-ficha{transition:opacity .4s} BANCADAArrasta um material da prateleira para aqui (ou toca nele)??6,41 ms????28,2 g??

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(function(){ var M = [{“al”:[“Passo 2″],”cat”:”Montagem”,”clara”:”#eaf3fb”,”cor”:”#1e73be”,”dica”:”Verifica com um fio de prumo que as células ficam alinhadas na vertical.”,”est”:null,”k”:0,”nome”:”Suporte universal e garras”,”s”:0.9,”serve”:”Seguram as duas células fotoelétricas na vertical, uma por cima da outra.”,”x”:220,”y”:262},{“al”:[“Passos 2 e 4″],”cat”:”Medir”,”clara”:”#eaf7ef”,”cor”:”#2e9e5b”,”dica”:”O feixe deve ser cortado pelo diâmetro da esfera.”,”est”:null,”k”:1,”nome”:”Células fotoelétricas”,”s”:1,”serve”:”Quando a esfera corta o feixe de luz, a célula liga ou desliga o cronómetro. Permitem medir ΔtB e Δtqueda.”,”x”:600,”y”:262},{“al”:[“Passo 4″],”cat”:”Medir”,”clara”:”#eaf7ef”,”cor”:”#2e9e5b”,”dica”:”Antes de cada ensaio, põe o cronómetro a zero.”,”est”:null,”k”:2,”nome”:”Cronómetro digital”,”s”:0.9,”serve”:”Ligado às células, mede intervalos de tempo muito curtos (milissegundos) com pequena incerteza.”,”x”:980,”y”:262},{“al”:[“Passo 1″],”cat”:”Medir”,”clara”:”#eaf7ef”,”cor”:”#2e9e5b”,”dica”:”Aperta a esfera entre as pontas sem forçar e lê a escala com atenção.”,”est”:null,”k”:3,”nome”:”Craveira”,”s”:0.95,”serve”:”Mede o diâmetro, D, de cada esfera, necessário para calcular vB = D / ΔtB.”,”x”:220,”y”:552},{“al”:[“Passos 3 e 5″],”cat”:”Objetos em estudo”,”clara”:”#fdf2e6″,”cor”:”#e67e22″,”dica”:”Larga a esfera imediatamente acima da célula A, sem a empurrar.”,”est”:null,”k”:4,”nome”:”Esferas de massas diferentes”,”s”:1,”serve”:”Esferas pequenas e densas (por exemplo, de aço): a resistência do ar é desprezável e o movimento é de queda livre.”,”x”:600,”y”:552},{“al”:[“Passos 2 e 5″],”cat”:”Medir”,”clara”:”#eaf7ef”,”cor”:”#2e9e5b”,”dica”:”Mede entre os feixes das duas células.”,”est”:null,”k”:5,”nome”:”Fita métrica”,”s”:1,”serve”:”Mede a distância entre as células, dAB, para estudar se g depende da altura de queda.”,”x”:980,”y”:552},{“al”:[“Passo 5″],”cat”:”Medir”,”clara”:”#eaf7ef”,”cor”:”#2e9e5b”,”dica”:”Faz a tara antes de pesar.”,”est”:null,”k”:6,”nome”:”Balança”,”s”:0.52,”serve”:”Mede a massa de cada esfera, para verificar se g depende da massa.”,”x”:315,”y”:842},{“al”:[“Toda a atividade”],”cat”:”Montagem”,”clara”:”#eaf3fb”,”cor”:”#1e73be”,”dica”:”Assim, vA ≈ 0 e g = vB / Δtqueda.”,”est”:null,”k”:7,”nome”:”Montagem completa”,”s”:0.72,”serve”:”Células A e B no suporte, com a esfera presa por cima da célula A (por exemplo, num eletroíman).”,”x”:885,”y”:842}]; var sala = document.getElementById(‘lab-sala’); if (!sala || sala.getAttribute(‘data-ok’)) return; sala.setAttribute(‘data-ok’, ‘1’); var svg = document.getElementById(‘lab-svg’), ficha = document.getElementById(‘lab-ficha’), cont = document.getElementById(‘lab-cont’), luz = document.getElementById(‘lab-luz’), dica = document.getElementById(‘lab-dica’); var pecas = svg.querySelectorAll(‘.lab-peca’), atual = null, vistos = {}, nv = 0, arr = null; function pos(g, x, y, s) { g.style.transform = ‘translate(‘ + x + ‘px,’ + y + ‘px) scale(‘ + s + ‘)’; } function ponto(ev) { var p = svg.createSVGPoint(); p.x = ev.clientX; p.y = ev.clientY; return p.matrixTransform(svg.getScreenCTM().inverse()); } function estrelas(n) { if (n === null) return ”; var s = ”; for (var i = 0; i < 5; i++) s += i < n ? '★' : '☆'; return '

Rigor a medir volumes: ‘ + s + ‘

‘; } function mostra(k) { var m = M[k]; ficha.innerHTML = ‘
‘ + ‘

‘ + m.cat + ‘

‘ + ‘

‘ + m.nome + ‘

‘ + ‘

‘ + m.serve + ‘

‘ + (m.al.length ? ‘

Usa-se em: ‘ + m.al.map(function(a){ return ‘‘ + a + ‘‘; }).join(”) + ‘

‘ : ”) + estrelas(m.est) + ‘

💡 ‘ + m.dica + ‘

‘; ficha.style.opacity = 1; if (!vistos[k]) { vistos[k] = 1; nv++; var e = document.getElementById(‘lab-etq-‘ + k); e.querySelector(‘text’).textContent = m.nome.length > 17 ? m.nome.slice(0, 16) + ‘…’ : m.nome; e.querySelector(‘rect’).setAttribute(‘fill’, m.clara); e.querySelector(‘rect’).setAttribute(‘stroke’, m.cor); e.querySelector(‘text’).setAttribute(‘fill’, m.cor); } cont.innerHTML = nv < M.length ? 'Descobriste ‘ + nv + ‘ de ‘ + M.length + ‘ materiais’ : ‘🎉 Parabéns! Descobriste os ‘ + M.length + ‘ materiais do laboratório.’; } function devolve(g) { var m = M[+g.getAttribute(‘data-k’)]; pos(g, m.x, m.y, m.s); } function escolhe(g) { if (atual) { if (atual !== g) devolve(atual); } atual = g; var m = M[+g.getAttribute(‘data-k’)]; svg.appendChild(g); pos(g, 600, 1170, Math.min(m.s * 1.2, 1.2)); luz.setAttribute(‘opacity’, ‘0.35’); dica.setAttribute(‘opacity’, ‘0’); document.getElementById(‘lab-banc’).setAttribute(‘opacity’, ‘0’); mostra(m.k); } for (var i = 0; i 8) arr.mov = true; if (arr.mov) { var m = M[+g.getAttribute(‘data-k’)]; pos(g, p.x, p.y + 100 * m.s, m.s * 1.1); } }); g.addEventListener(‘pointerup’, function(ev) { if (!arr || arr.g !== g) return; var p = ponto(ev), mov = arr.mov; arr = null; g.classList.remove(‘lab-arrasta’); if (!mov || p.y > 900) escolhe(g); else if (atual === g) escolhe(g); else devolve(g); }); })(pecas[i]); })();

A craveira mede o diâmetro da esfera (incerteza de leitura de ± 0,05 mm ou ± 0,1 mm, conforme a craveira)

▶ A craveira mede o diâmetro da esfera (incerteza de leitura de ± 0,05 mm ou ± 0,1 mm, conforme a craveira)

3Atividade experimental

Montagem: duas células fotoelétricas (A e B) num suporte, ligadas a um cronómetro digital

▶ Montagem: duas células fotoelétricas (A e B) num suporte, ligadas a um cronómetro digital

🧪 Medir o diâmetro

Mede-se o diâmetro, D, de cada esfera com a craveira.

🧪 Montar as células

Fixam-se as células A e B no suporte, alinhadas na vertical, e mede-se a distância entre elas, dAB, com uma fita métrica.

🧪 Largar a esfera

Larga-se a esfera (sem a empurrar) imediatamente acima da célula A, para se poder considerar vA = 0.

🧪 Registar os tempos

O cronómetro mede o tempo de queda entre as células, Δtqueda, e o tempo de passagem em frente da célula B, ΔtB. Fazem-se pelo menos três ensaios nas mesmas condições.

🧪 Variar as condições

Para ver se g depende da altura de queda, repete-se com a mesma esfera, mudando a posição da célula B. Para ver se g depende da massa, repete-se com esferas de massas diferentes, mantendo as células no mesmo sítio.

▶ A experiência da queda livre com células fotoelétricas

🧪 Agora és tu: faz a experiência. Na bancada virtual, mede o diâmetro da esfera, larga-a de várias alturas e calcula g.

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🧲 BANCADA VIRTUAL · FAZ TU A EXPERIÊNCIA
vB = D / ΔtB · g = (vB − vA) / Δtqueda = vB / Δtqueda (vA = 0)
dAB / mΔtqueda / sΔtB / msvB / m s−1g / m s−2
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❓ ‘ + perg + ‘
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Conclusão: ‘ + h + ‘
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Toca na craveira para medir o diâmetro, D, da esfera.’; var P2 = ‘Passo 2 – Posicionar a célula B. Escolhe, nos botões, a distância entre as células A e B (cada distância uma vez).’; var P3 = ‘Passo 3 – Largar a esfera. Toca na esfera: o eletroíman desliga-se e a esfera cai, a partir do repouso, imediatamente acima da célula A.’; var P4 = ‘Passo 4 – Calcular. Responde à pergunta para calculares vB e g em cada ensaio.’; var P5 = ‘Passo 5 – Gráfico. Observa o gráfico de vB em função de Δtqueda e responde.’; function gx(t) { return GR.x0 + (GR.x1 – GR.x0) * t / 0.45; } function gy(v) { return GR.y0 + (GR.y1 – GR.y0) * v / 4.5; } function vb(i) { return D / (ENS[i].tb / 1000); } function gg(i) { return vb(i) / ENS[i].tq; } function celula(pai, y, nome) { var g = el(‘g’, { transform: ‘translate(‘ + XR + ‘,’ + y + ‘)’ }, pai); el(‘rect’, { x: -62, y: -16, width: 22, height: 32, rx: 4, fill: ‘#2f3640’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2.5 }, g); el(‘rect’, { x: 40, y: -16, width: 22, height: 32, rx: 4, fill: ‘#2f3640’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2.5 }, g); var f = el(‘line’, { x1: -40, y1: 0, x2: 40, y2: 0, stroke: ‘#e0301e’, ‘stroke-width’: 3 }, g); tx(-78, -12, nome, { s: 18, b: 1, c: NAVY }, g); return { g: g, f: f }; } function desenha() { fundo([110, 520]); // suporte el(‘rect’, { x: XR – 150, y: 448, width: 130, height: 17, rx: 5, fill: ‘#3d4148’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 3 }, svg); el(‘rect’, { x: XR – 100, y: 125, width: 12, height: 325, fill: ‘#9aa1aa’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2.5 }, svg); el(‘rect’, { x: XR – 92, y: 136, width: 76, height: 8, fill: ‘#7d848d’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2 }, svg); el(‘rect’, { x: XR – 16, y: 128, width: 32, height: 22, rx: 4, fill: ‘#b03a2e’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2.5 }, svg); tx(XR + 24, 143, ‘eletroíman’, { s: 13, c: ‘#5a6b80’, a: ‘start’ }, svg); el(‘rect’, { x: XR – 92, y: YA – 4, width: 32, height: 8, fill: ‘#7d848d’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2 }, svg); E.cA = celula(svg, YA, ‘A’); E.cB = celula(svg, YA + PX * 0.2, ‘B’); E.bG = el(‘rect’, { x: XR – 92, y: YA + PX * 0.2 – 4, width: 32, height: 8, fill: ‘#7d848d’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2 }, svg); E.regua = tx(XR + 80, YA + 40, ”, { s: 15, b: 1, c: ‘#b35c00’, a: ‘start’ }, svg); // esfera E.esf = el(‘g’, { style: ‘cursor:pointer’ }, svg); el(‘circle’, { cx: 0, cy: 0, r: 11, fill: ‘#aab3bd’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2.5 }, E.esf); el(‘circle’, { cx: -4, cy: -4, r: 3, fill: ‘#fff’, opacity: 0.8 }, E.esf); el(‘rect’, { x: -24, y: -24, width: 48, height: 48, fill: ‘transparent’ }, E.esf); mover(E.esf, XR, 161); clic(E.esf, tocaEsfera); // craveira E.crav = el(‘g’, { transform: ‘translate(60,420)’ }, svg); el(‘rect’, { x: -10, y: -20, width: 150, height: 18, rx: 3, fill: ‘#d6e4f2’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 2.5 }, E.crav); for (var i = 0; i < 14; i++) el('line', { x1: -4 + i * 10, y1: -20, x2: -4 + i * 10, y2: i % 5 ? -14 : -10, stroke: INK, 'stroke-width': 1.2 }, E.crav); el('path', { d: 'M-10,-30 L4,-30 L4,40 L-10,30 Z', fill: '#5a6270', stroke: INK, 'stroke-width': 2.5 }, E.crav); E.cur = el('g', {}, E.crav); el('rect', { x: 0, y: -26, width: 44, height: 30, rx: 4, fill: '#8fa5bd', stroke: INK, 'stroke-width': 2.5 }, E.cur); el('path', { d: 'M0,4 L12,4 L12,30 L0,40 Z', fill: '#5a6270', stroke: INK, 'stroke-width': 2.5 }, E.cur); mover(E.cur, 60, 0); E.cvl = tx(70, 62, 'craveira', { s: 13, c: '#5a6b80' }, E.crav); el('rect', { x: -20, y: -40, width: 170, height: 115, fill: 'transparent' }, E.crav); clic(E.crav, tocaCraveira); // cronómetro var c = el('g', { transform: 'translate(520,420)', 'pointer-events': 'none' }, svg); el('rect', { x: -95, y: -95, width: 190, height: 110, rx: 10, fill: '#c9ced6', stroke: INK, 'stroke-width': 3 }, c); el('rect', { x: -80, y: -84, width: 160, height: 66, rx: 5, fill: '#1b2a1b', stroke: '#111', 'stroke-width': 2 }, c); E.l1 = tx(72, -58, 'Δt(A→B) 0,000 s', { s: 14, b: 1, c: '#7CFC7C', a: 'end' }, c); E.l1.setAttribute('font-family', 'Menlo,Consolas,monospace'); E.l2 = tx(72, -30, 'Δt(B) 0,00 ms', { s: 14, b: 1, c: '#7CFC7C', a: 'end' }, c); E.l2.setAttribute('font-family', 'Menlo,Consolas,monospace'); tx(0, 4, 'cronómetro digital', { s: 12, c: '#3b4250' }, c); el('path', { d: 'M' + (XR + 60) + ',' + (YA – 20) + ' C 420,200 400,300 430,330', fill: 'none', stroke: INK, 'stroke-width': 2 }, svg); E.fio = el('path', { d: '', fill: 'none', stroke: INK, 'stroke-width': 2 }, svg); E.lento = tx(XR, 505, '', { s: 13, b: 1, c: '#b35c00' }, svg); // gráfico var G = el('g', { 'pointer-events': 'none' }, svg); el('rect', { x: GR.x0 – 44, y: GR.y1 – 30, width: GR.x1 – GR.x0 + 56, height: GR.y0 – GR.y1 + 70, rx: 10, fill: '#fff', stroke: '#d6e4f2', 'stroke-width': 2 }, G); [0, 2, 4].forEach(function (v) { el('line', { x1: GR.x0, y1: gy(v), x2: GR.x1, y2: gy(v), stroke: '#e3ebf5', 'stroke-width': 1.5 }, G); tx(GR.x0 – 6, gy(v) + 5, String(v), { s: 12, a: 'end', c: '#5a6b80' }, G); }); [0, 0.2, 0.4].forEach(function (t) { tx(gx(t), GR.y0 + 17, vg(t, 1), { s: 12, c: '#5a6b80' }, G); }); el('line', { x1: GR.x0, y1: GR.y0, x2: GR.x1, y2: GR.y0, stroke: INK, 'stroke-width': 2 }, G); el('line', { x1: GR.x0, y1: GR.y0, x2: GR.x0, y2: GR.y1, stroke: INK, 'stroke-width': 2 }, G); tx(GR.x0 + 4, GR.y1 – 10, 'v(B) / m s⁻¹', { s: 12, b: 1, a: 'start', c: NAVY }, G); tx(GR.x1, GR.y0 + 34, 'Δt(queda) / s', { s: 12, b: 1, a: 'end', c: NAVY }, G); E.reta = el('line', { x1: 0, y1: 0, x2: 0, y2: 0, stroke: '#1e73be', 'stroke-width': 2.5, opacity: 0 }, G); E.eqr = tx(GR.x0 + 8, GR.y1 + 14, '', { s: 13, b: 1, a: 'start', c: '#1e73be' }, G); E.pts = el('g', {}, G); fimDesenho(130); } function alvos() { if (E.passo === 1) return [E.crav]; if (E.passo === 3) return [E.esf]; return []; } function tocaCraveira() { if (E.passo !== 1) { aviso('O diâmetro já foi medido'); return; } ocupado(true); mover(E.esf, 40, 395); tw(1200, function (u) { mover(E.cur, 60 – 26 * ez(u), 0); }, function () { E.cvl.textContent = 'D = 20,00 mm'; E.cvl.setAttribute('font-weight', 700); E.cvl.setAttribute('fill', '#b35c00'); tw(800, function (u) { mover(E.esf, 40 + (XR – 40) * ez(u), 395 + (161 – 395) * ez(u)); }, function () { ocupado(false); fb.innerHTML = 'Diâmetro da esfera: D = 20,00 mm = 2,000 × 10−2 m (medição direta).’; E.txt = P2; passo(2, P2); botoesD(); }); }); } function botoesD() { var l = []; ENS.forEach(function (en, i) { if (!E.regs[i]) l.push([vg(en.d * 100, 0) + ‘ cm’, function () { poeB(i); }]); }); botoes(l); } function poeB(i) { ocupado(true); E.e = i; botoes([]); var y0 = parseFloat(E.cB.g.getAttribute(‘transform’).split(‘,’)[1]), y1 = YA + PX * ENS[i].d; tw(900, function (u) { var y = y0 + (y1 – y0) * ez(u); mover(E.cB.g, XR, y); E.bG.setAttribute(‘y’, y – 4); }, function () { E.regua.textContent = ‘d(AB) = ‘ + vg(ENS[i].d, 2) + ‘ m’; E.regua.setAttribute(‘y’, YA + PX * ENS[i].d / 2 + 5); ocupado(false); E.txt = P3; passo(3, P3); }); } function tocaEsfera() { if (E.passo === 1) { aviso(‘Primeiro mede o diâmetro da esfera’); return; } if (E.passo !== 3) { aviso(‘Primeiro escolhe a posição da célula B’); return; } ocupado(true); var en = ENS[E.e], yB = YA + PX * en.d, LENTO = 6; E.lento.textContent = ‘🎥 câmara lenta (6 vezes mais devagar)’; E.l1.textContent = ‘Δt(A→B) 0,000 s’; E.l2.textContent = ‘Δt(B) 0,00 ms’; var tfim = Math.sqrt(2 * (en.d + 0.05) / 9.8); tw(tfim * 1000 * LENTO, function (u) { var t = u * tfim, y = 161 + PX * 4.9 * t * t; mover(E.esf, XR, y); var tA = Math.sqrt(2 * (19 / PX) / 9.8); if (y >= YA) { var tq = Math.min(en.tq, t – tA); E.l1.textContent = ‘Δt(A→B) ‘ + vg(Math.max(0, tq), 3) + ‘ s’; } var cortaA = Math.abs(y – YA) < 11, cortaB = Math.abs(y – yB) yB + 11) E.l2.textContent = ‘Δt(B) ‘ + vg(en.tb, 2) + ‘ ms’; }, function () { E.l1.textContent = ‘Δt(A→B) ‘ + vg(en.tq, 3) + ‘ s’; E.l2.textContent = ‘Δt(B) ‘ + vg(en.tb, 2) + ‘ ms’; E.lento.textContent = ”; E.cA.f.setAttribute(‘opacity’, 1); E.cB.f.setAttribute(‘opacity’, 1); E.regs[E.e] = { ok: 1 }; tabela(); fb.innerHTML = ‘✔ Registado: d(AB) = ‘ + vg(en.d, 2) + ‘ m; Δtqueda = ‘ + vg(en.tq, 3) + ‘ s; ΔtB = ‘ + vg(en.tb, 2) + ‘ ms. (Na experiência real, fazem-se pelo menos 3 ensaios e usa-se a média.)’; setTimeout(function () { mover(E.esf, XR, 161); ocupado(false); var falta = ENS.filter(function (x, k) { return !E.regs[k]; }).length; if (falta) { E.txt = ‘Repetir com outra altura de queda. ‘ + P2; passo(2, E.txt); botoesD(); } else calcular(); }, 900); }); } function tabela() { var h = ”; for (var i = 0; i < ENS.length; i++) { var r = E.regs[i], en = ENS[i], V = '…‘; if (!r) { h += ‘‘ + vg(en.d, 2) + ‘‘ + V + V + V + V + ‘‘; continue; } h += ‘‘ + vg(en.d, 2) + ‘‘ + vg(en.tq, 3) + ‘‘ + vg(en.tb, 2) + ‘‘ + (E.calc ? ‘‘ + vg(vb(i), 3) + ‘‘ + vg(gg(i), 2) + ‘‘ : V + V) + ‘‘; } tab.innerHTML = h; } function calcular() { E.txt = P4; passo(4, P4); pergunta(‘No ensaio com d(AB) = 0,20 m, ΔtB = 10,08 ms. Qual é o valor de vB = D / ΔtB?’, [‘0,198 m s⁻¹’, ‘1,98 m s⁻¹’, ‘19,8 m s⁻¹’, ‘2,02 m s⁻¹’], 1, ‘vB = 2,000 × 10−2 / 10,08 × 10−3 = 1,98 m s−1. Depois, g = vB / Δtqueda = 1,98 / 0,202 = 9,82 m s−2 (vA = 0). A tabela foi completada para todos os ensaios.’, ‘Converte para unidades SI: D = 2,000 × 10−2 m e ΔtB = 10,08 × 10−3 s.’, function () { E.calc = true; tabela(); grafico(); }); } function grafico() { E.txt = P5; passo(5, P5); var sxy = 0, sxx = 0; ENS.forEach(function (en, i) { sxy += en.tq * vb(i); sxx += en.tq * en.tq; el(‘circle’, { cx: gx(en.tq), cy: gy(vb(i)), r: 5, fill: ‘#c0392b’, stroke: INK, ‘stroke-width’: 1.5 }, E.pts); }); var m = sxy / sxx; E.m = m; E.reta.setAttribute(‘x1’, gx(0)); E.reta.setAttribute(‘y1’, gy(0)); E.reta.setAttribute(‘x2’, gx(0.44)); E.reta.setAttribute(‘y2’, gy(m * 0.44)); E.reta.setAttribute(‘opacity’, 1); E.eqr.textContent = ‘v(B) = ‘ + vg(m, 2) + ‘ Δt’; pergunta(‘A reta de ajuste é vB = ‘ + vg(m, 2) + ‘ Δtqueda. O que representa o declive?’, [‘A velocidade média da esfera’, ‘A aceleração da gravidade, g’, ‘O diâmetro da esfera’, ‘O inverso de g’], 1, ‘Como vA = 0, vB = g Δtqueda: o declive é g = ‘ + vg(m, 2) + ‘ m s−2. Erro relativo: |’ + vg(m, 2) + ‘ − 9,80| / 9,80 × 100 = ‘ + vg(Math.abs(m – 9.8) / 9.8 * 100, 1) + ‘ %.’, ‘Compara vB = vA + g Δt com y = m x.’, function () { pergunta(‘Se a esfera tivesse cortado o feixe da célula B por uma dimensão menor do que o diâmetro, o valor de g obtido seria…’, [‘maior do que o verdadeiro (erro por excesso)’, ‘menor do que o verdadeiro (erro por defeito)’, ‘igual’], 0, ‘ΔtB medido seria menor; usando o diâmetro nos cálculos, vB = D / ΔtB ficaria maior e g = vB / Δtqueda também.’, ‘Pensa no que acontece a ΔtB e, depois, a vB = D / ΔtB.’, function () { E.txt = ‘🎉 Experiência concluída!‘; passo(6, E.txt); conclusao(‘Os valores de g obtidos para alturas de queda diferentes são praticamente iguais (cerca de 9,8 m s−2): a aceleração de queda livre não depende da altura de queda. Repetindo com esferas de massas diferentes, verifica-se também que não depende da massa.’); }); }); } function inicio() { E = { ocup: false, e: 0, regs: [], calc: false }; desenha(); fb.innerHTML = ”; ctl.innerHTML = ”; E.txt = P1; passo(1, P1); tabela(); } document.getElementById(P + ‘-rec’).addEventListener(‘click’, inicio); inicio(); })();

4Tratamento dos resultados

Exemplo: esfera de diâmetro D = 2,00 cm; três ensaios com as células à mesma distância.

EnsaioΔtB / msΔtqueda / s
16,410,313
26,380,315
36,440,314

🔹 O valor mais provável é a média: ΔtB = 6,41 ms e Δtqueda = 0,314 s.

🔹 A incerteza absoluta é o maior dos desvios em relação à média: para ΔtB, |6,41 − 6,38| = |6,41 − 6,44| = 0,03 ms. Resultado: ΔtB = (6,41 ± 0,03) ms, ou seja, 6,41 ms ± 0,5 % (incerteza relativa = 0,03 / 6,41 × 100).

vB = D / ΔtB = 2,00 × 10−2 / 6,41 × 10−3 = 3,12 m s−1

g = vB / Δtqueda = 3,12 / 0,314 = 9,94 m s−2

🔹 A exatidão avalia-se pelo erro relativo, em percentagem, em relação ao valor de referência (9,80 m s−2):

erro relativo (%) = |gexp − gref| / gref × 100 = |9,94 − 9,80| / 9,80 × 100 = 1,4 %

📈 Análise gráfica (mais rigorosa)

Com vA = 0, a distância entre as células é dAB = ½ g Δtqueda2. Por isso, o gráfico de Δtqueda2 em função de dAB é uma reta que passa na origem, com declive 2/g.

Δt² em função de d: reta de ajuste com declive = 2/g

▶ Δt² em função de d: reta de ajuste com declive = 2/g

Do mesmo modo, vB = g Δtqueda: o gráfico de vB em função de Δtqueda é uma reta com declive = g.

v_B em função de Δt_queda: o declive da reta de ajuste é g

▶ v_B em função de Δt_queda: o declive da reta de ajuste é g

Por exemplo, se a reta de ajuste for Δtqueda2 = 0,2033 dAB (SI), então 2/g = 0,2033 e g = 9,84 m s−2 (erro de 0,4 %).

Esferam / gg / m s−2
pequena8,49,77
média16,39,84
grande28,29,79

🔹 Os valores de g são aproximadamente iguais para esferas de massas diferentes (e para alturas diferentes): g não depende da massa nem da altura de queda.

5Erros experimentais

⚠️ Erros frequentes (saem muitas vezes no exame)

🔹 A esfera não parte do repouso em A (é largada acima da célula, ou empurrada): passa em A com vA ≠ 0 e demora menos tempo a chegar a B. Se nos cálculos se continuar a usar vA = 0, o valor de g obtido é maior do que o verdadeiro (erro por excesso).

Largar a esfera imediatamente acima da célula A garante v_A ≈ 0

▶ Largar a esfera imediatamente acima da célula A garante v_A ≈ 0

⚠️ O feixe não é cortado pelo diâmetro

🔹 O cálculo vB = D / ΔtB pressupõe que a esfera interrompe o feixe pelo seu diâmetro. Se a esfera passar desalinhada, corta o feixe por uma dimensão menor do que D: ΔtB medido é menor.

🔹 Ao usar D nos cálculos, o vB calculado é superior ao verdadeiro e o g obtido tem um erro por excesso.

À esquerda, o feixe é cortado pelo diâmetro; à direita, por uma dimensão menor

▶ À esquerda, o feixe é cortado pelo diâmetro; à direita, por uma dimensão menor

🔹 Erros aleatórios (pequenas variações de ensaio para ensaio) diminuem-se repetindo as medições e usando a média.

🔹 A resistência do ar faz baixar o valor de g medido, sobretudo para esferas leves e grandes.

6Conclusão

✅ Conclusão

O módulo da aceleração de queda livre obtido experimentalmente é aproximadamente igual ao valor de referência (9,8 m s−2) e não depende da massa das esferas, nem da altura de queda, nem do diâmetro. Todos os corpos em queda livre, no mesmo local, têm a mesma aceleração: a aceleração da gravidade.

7Um pouco de história

🔹 Aristóteles (séc. IV a.C.) defendia que os corpos mais pesados caíam mais depressa do que os mais leves.

🔹 Galileu Galilei (séc. XVII) mostrou, com experiências em planos inclinados, que, desprezando a resistência do ar, todos os corpos caem com a mesma aceleração, qualquer que seja a sua massa.

🔹 Isaac Newton explicou porquê: a força gravítica é proporcional à massa (Fg = m g) e, pela 2.ª Lei, a = Fg / m = g, igual para todos os corpos.

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