gabarito da revista volume 3 - 1ªserie

GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1
UM PASSEIO PELA GALÁXIA
Página 3
1. Sugerimos como possibilidades:
• “O guia dos mochileiros da galáxia”, de Douglas Adams;
• “Encontro com Rama”, de Arthur C. Clarke;
• “O Robô de Júpiter”, de Isaac Asimov.
Estes livros são obras de ficção ainda publicadas. Ao longo do Caderno, o Professor
conta com sugestões de diversas outras obras. As questões de acompanhamento da
leitura nesse Caderno do Aluno são gerais o suficiente para se encaixar em diversos
títulos, de ficção e de não ficção, deixando a possibilidade de escolha mais ampla e
até a opção de que os alunos leiam diferentes obras.
2. Espera-se que o aluno escreva livremente sobre suas impressões iniciais, como forma
de incentivar a disposição da leitura.
3. Professor, é importante que você comente algo sobre o autor do livro na primeira
aula e verifique aqui se o aluno incorporou, ao menos, as informações principais.
4. O aluno deve falar aqui sobre conceitos astronômicos, viagens espaciais, planetas,
galáxias, estrelas, relacionando com o título ou com o tema do livro.
5. Alguns livros possuem versão cinematográfica e a exibição de um trecho pode ajudar
no processo de leitura. Uma sugestão, de qualquer forma, é a exibição de um vídeo
motivador. Para “O robô de Júpiter”, por exemplo, a exibição de um vídeo sobre os
planetas pode auxiliar na compreensão dos alunos..
LIÇÃO DE CASA
Página 4
1. O aluno deve levar os materiais encontrados: figuras, reportagens, histórias em
quadrinhos. Professor, você deve verificar se os materiais têm realmente relação com
o espaço e, caso essa relação lhe pareça muito vaga, questione o aluno sobre qual
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relação ele imaginou. Isso é uma forma de avaliação diagnóstica das concepções
prévias dos estudantes.
2.
a) Professor, você precisa reunir essas informações para checar a pesquisa do
estudante.
b) Professor, você precisa reunir essas informações para checar a pesquisa do
estudante.
c) Professor, você precisa reunir essas informações para checar a pesquisa do
estudante.
d) Essa é uma questão mais aberta. É possível que o estudante não encontre
opiniões sobre o livro, mas isso não compromete a lição.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2
O QUE TEM LÁ EM CIMA?
Página 6
1.
Apresentamos alguns exemplos.
Nave Lua Estrela cadente
Planeta Raios Sol
ET Meteoritos Bombas
Cometa Foguete Nuvens
Asteroide Estrelas Constelações
Disco voador Galáxia Nebulosas
Satélite Alien Buracos negros
2. Aqui se espera que o aluno tente usar seu próprio vocabulário para descrever os
objetos trazidos. Professor, neste momento você ainda está em uma fase de avaliação
diagnósticas do nível de conhecimento dos estudantes. Como neste exercício é
trabalhada a habilidade de escrita, você pode avaliar a clareza e a correção do texto.
3. O aluno deve apresentar os exemplos e justificar. Por exemplo: foguetes são reais
porque já foram lançados vários para o espaço, como noticiado em jornais e TV.
E.Ts parecem ser fantasiosos porque só os vemos em filmes e em depoimentos sem
base científica, sem apresentar nenhuma prova.
4. As possibilidades de resposta são bastante variadas. Professor, você deve verificar a
coerência conceitual e realizar as correções necessárias.
5. Professor, você deve verificar as correções.
6. Professor, você deve checar se o grupo propôs:
• personagens;
• roteiro;
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• fenômenos, coerentes com o conteúdo da matéria.
VOCÊ APRENDEU?
Página 9
1. Os planetas orbitam o Sol (assim como outros corpos tais como cometas, asteroides,
planetas anões). Os satélites por sua vez são corpos que orbitam planetas (ou planetas
anões). Espera-se aqui que o aluno perceba pelo menos a diferença de que os
planetas orbitam o Sol diretamente e os satélites orbitam os planetas.
2. Não. Há também os cometas, os asteroides e os planetas anões.
3. As estrelas. O Sol é uma estrela, pois é um astro que produz luz e calor por meio de
reações de fusão nuclear que ocorrem em seu interior. Nesse momento, não é
necessário que o aluno compreenda o que é fusão nuclear. Apenas se devem evitar
analogias com a queima de combustíveis para não reforçar concepções espontâneas.
4. Uma galáxia é um imenso agrupamento de estrelas que orbitam em torno de um
centro comum. Geralmente é composta por milhões de estrelas individuais.
LIÇÃO DE CASA
Página 9
1. Checar linguagem, personagens e coerência da história.
2.
a) O professor deve consultar o livro sugerido aos alunos. Se o professor achar
interessante, pode pedir para os alunos escreverem sobre as imagens da capa do livro
também nessa questão.
b) Aqui a relação pode ser bastante superficial, mas o aluno deve conseguir
estabelecer alguma relação.
c) Nem todos os livros apresentam “prefácio”, “textos nas orelhas” ou a
“introdução”. Professor, você deve checar anteriormente quais tipos de textos
(prefácio, introdução, agradecimentos, etc.) que aparecem antes do início da história.
Além de verificar no início e no final do livro, é importante verificar qual é a edição
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do livro que o aluno está utilizando, porque muitas vezes entre uma edição e outra,
textos iniciais e finais podem ser adicionados, modificados ou retirados pela editora. .
d) Procurando bem no livro (no início, no final), em geral, é possível encontrar essa
informação, que frequentemente também pode ser obtida na internet. A segunda
pergunta é mais aberta, serve para diagnosticar a visão do aluno.
e) Vale a pena sempre exigir um ritmo de leitura, então esse cálculo é importante.
Mas, o professor deve ter me mente que nem todos os alunos conseguirão cumprir o
ritmo. Como observado no Caderno do Professor, isso não prejudica o valor da
atividade. As atividades com o livro estão planejadas levando em conta essas
diferenças de ritmo de leitura.
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 10
1. Monte Everest, cerca de 8.850 metros. O valor tem pequenas variações de acordo
com a fonte de pesquisa consultada.
2. Fossa das Ilhas Marianas (Oceano Pacífico), 10.911 metros, aproximadamente. O
valor tem pequenas variações de acordo com a fonte de pesquisa consultada.
3. Aproximadamente 12.756 quilômetros. O valor tem pequenas variações de acordo
com a fonte de pesquisa consultada.
4. Diâmetro polar: aproximadamente 12.713 quilômetros. Diâmetro equatorial:
aproximadamente 12.756 quilômetros. Os valores sofrem pequenas variações de
acordo com a fonte de pesquisa consultada.
5. Esse valor varia ao longo da órbita da Lua ao redor da Terra (e também ao longo do
tempo). O valor médio é de aproximadamente 384.405 quilômetros, podendo haver
pequenas variações de acordo com a fonte de pesquisa.
6. O diâmetro da Lua é de aproximadamente 3.476 quilômetros, valor que sofre leves
variações de acordo com a fonte de pesquisa.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3
A TERRA É UMA BOLINHA
Página 11
1. O aluno pode mencionar fotografias aéreas ou espaciais, viagens de avião e navio
que permitem constatar o fato, ou citar argumentos históricos como o fato de os
mastros dos navios desaparecerem por último no horizonte, quando eles se afastam
da costa, o formato da sombra da Terra na Lua vista nos eclipses lunares. Qualquer
uma dessas respostas além de outras do gênero são válidas.
2. Do ponto de vista da textura e da esfericidade da superfície, uma das melhores frutas
para representar a Terra é a jabuticaba: bem lisa e esférica. Alguns alunos podem
pensar em outros aspectos, tais como as camadas internas da Terra, que não são o
foco da pergunta. Cabe a sua orientação, Professor.
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 12
1. O professor deve checar se a medida foi feita corretamente. Pequenos erros são
aceitáveis.
2. Verificar se o desenho corresponde à medida efetuada.
3. Deixar o aluno livre para decidir o grau de achatamento.
4. Deixar o aluno livre para decidir a rugosidade a ser representada.
Página 14
1. Exemplo com bola de 80 mm:
x ------------------------------------ 8,85 km
80 mm ----------------------------- 12.756 km
x = 8,85 x 80 / 12756 = 0,056 mm.
2. Exemplo com bola de 80 mm:
x ---------------------------------- 10,911 km
80 mm --------------------------- 12.756 km
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x = 10,911 x 80 / 12756 = 0,068 mm.
3.
(Achatamento da Terra) = (Diâmetro Equatorial) – (Diâmetro Polar)
(Achatamento da Terra) = 12.756 - 12.713 = 43 km.
Exemplo com bola de 80 mm:
x ------------------------------------ 43 km
80 mm ----------------------------- 12.756 km
x = 43 x 80 / 12756 = 0,270 mm.
4. Em geral o aluno terá exagerado tanto o achatamento quanto as dimensões do relevo.
Isso é esperado e é este ponto que você, professor, deve usar para a discussão.
5. O aluno, em geral, perceberá que imaginava a Terra muito mais áspera ou rugosa do
que, de fato, ela é. Nesse caso, deverá sugerir uma fruta mais esférica e de casca mais
lisa do que a anteriormente imaginada.
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 14
1. É fundamental deixar a escolha livre. Geralmente os estudantes escolhem uma bola
bem menor do que a proporcionalmente correta.
2. Checar a medida.
3. Exemplo com bola de 80 milímetros representando a Terra:
x ---------------------------------- 3.476 km
80 mm --------------------------- 12.756 km
x = 3476 x 80 / 12756 = 21,8 mm.
4. Checar a coerência da comparação.
5. Checar o desenho em sua proporção. Erros pequenos são aceitáveis.
6. É fundamental deixar a escolha livre. Geralmente os estudantes escolhem uma
distância muito menor do que a proporcionalmente correta.
7. Exemplo com bola de 80 milímetros representando a Terra:
x --------------------------------- 384.405 km
80 mm -------------------------- 12.756 km
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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x = 384405 x 80 / 12756 = 2411 mm, ou aproximadamente 2,41 metros.
VOCÊ APRENDEU?
Página 15
1. O aluno deve concluir que a superfície da Terra é proporcionalmente muito mais lisa
do que a da casca de uma laranja, dadas as proporções entre as imperfeições na
superfície e o diâmetro do planeta.
2. Sim. A maior distância, sobre a superfície da Terra, entre dois pontos quaisquer é de
cerca de 20 mil quilômetros, e a Lua se situa a quase 400 mil quilômetros do nosso
planeta.
3. Não. A maior profundidade é de aproximadamente 11 quilômetros, e o raio da Terra
é de cerca de 6.400 quilômetros. No ponto mais fundo do oceano, teríamos
percorrido apenas 0,17% do trajeto até o centro da Terra.
LIÇÃO DE CASA
Página 16
1. O professor deve checar as informações. Além disso, você, professor, deve verificar
o nível de compreensão que o aluno obteve em relação ao livro escolhido. A coesão e
coerência do texto redigido pelo aluno também devem ser verificadas.
2. O professor deve checar esses resumos, levando em consideração a coesão e
coerência do texto do aluno, e se a relação da história com os conceitos de Física foi
feita corretamente pelo aluno.
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 16
1. Valores disponíveis no Caderno do Professor. Lembrar que pode haver variações de
acordo com a fonte de pesquisa.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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2. Os planetas anões são corpos que orbitam diretamente o Sol, eles são esféricos, mas
não agregaram massa suficiente para remover os fragmentos de matéria a seu redor.
Os planetas anões são conhecidos e oficialmente catalogados pela União
Astronômica Internacional [IAU, sigla em inglês para International Astronomical
Union], e seus diâmetros e distâncias médias ao Sol estão listados no Caderno do
Professor. Essa é uma questão difícil e pode haver muita variação de informação, por
se tratar de um assunto na fronteira do conhecimento científico. Professor, você deve
levar em conta o empenho na pesquisa mais do que a precisão das informações
obtidas.
3. Aproximadamente 1.391.000 quilômetros, podendo haver variações de acordo com a
fonte pesquisada.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4
O SISTEMA SOLAR
Página 18
1. Maior: Júpiter. Menor: Mercúrio.
2. Tempo necessário para o planeta realizar uma revolução completa em torno do Sol.
A Terra tem o período orbital de cerca de 365,25 dias.
3. Quanto maior a distância média do planeta ao Sol, maior seu período orbital. Esperase
que o aluno explique a diferença pela distância maior a ser percorrida, mas há
outro fator: a aceleração centrípeta, devida à força gravitacional, que também decai
com a distância. Cabe ao professor decidir se é o caso de aprofundar esse aspecto ao
discutir essa questão.
4. Não é diretamente proporcional, porque não obedece à regra de três. Compare Júpiter
e Saturno com os alunos. Saturno tem pouco menos que o dobro da distância média
ao Sol, mas quase o triplo de período orbital médio.
A tabela ( presente no Caderno do Aluno) a seguir apresenta alguns dados adicionais
sobre os planetas do Sistema Solar. Usando seus dados, procure responder às
questões que se seguem.
5. Os planetas jovianos possuem maior massa. Professor, checar aqui a correta
interpretação das potências de dez.
6. Maior massa: Júpiter. Menor massa: Mercúrio.
7.
N = MJúpiter/MMercúrio = 1,9 x1027/3,3 x1023 = 5758.
A massa de Júpiter corresponde a aproximadamente 5758 vezes a de Mercúrio.
N = MJúpiter/MTerra = 1,9 x1027/6,0 x1024 = 317.
A massa de Júpiter corresponde a aproximadamente 317 vezes a da Terra.
8. Não, ao se analisar as tabelas das páginas 17 e 20 do Caderno do Aluno, é possível
perceber que os planetas jovianos são maiores e proporcionalmente menos densos do
que os telúricos.
9.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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N = MTerra/MMercúrio = 6,0 x1024 /3,3 x1023 = 18.
A massa de Júpiter corresponde a aproximadamente 18 vezes a da Terra.
10. Mais denso: A Terra. Menos denso: Saturno.
11. Os telúricos são mais densos, pois possuem proporcionalmente mais material sólido
(rochas e metais) do que os jovianos, que são compostos predominantemente de
gases, sobretudo, o hidrogênio e o hélio.
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 21
1. Deixar livre, de acordo com a imaginação dos alunos.
2. Deixar livre, de acordo com a imaginação dos alunos.
3. Faça agora o cálculo exato com o diâmetro da bola que os alunos escolheram e os
dados que obtiveram na pesquisa.
Distância média da Terra ao Sol:
x ------------------------------------- 149.600.000 km
80 mm ----------------------------- 12.756 km
x = 149600000 . 80 / 12756 = 938225 mm, ou cerca de 938 metros.
4. Exemplo da determinação dos dados de Mercúrio, com uma bola de 80 mm
representando a Terra:
Diâmetro de Mercúrio
x ------------------------------------ 4.878 km
80 mm ----------------------------- 12.756 km
x = 4878 . 80 / 12756 = 30,6 mm.
Distância média de Mercúrio ao Sol
x ------------------------------------ 57.900.000 km
80 mm ----------------------------- 12.756 km
x = 57900000 . 80 / 12756 = 363123 mm, ou cerca de 363 metros.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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A tabela abaixo mostra os resultados para a Terra representada como uma bola de
80 mm.
Dimensões do modelo de sistema solar
ASTRO Diâmetro da bola
(mm)
Distância ao centro (Sol)
(m ou km)
Sol 8724 zero
Mercúrio 31 363 m
Vênus 76 679 m
Terra 80 938 m
Marte 43 1429 m
Júpiter 897 4,9 km
Saturno 756 8,9 km
Urano 321 18,0 km
Netuno 311 28,1 km
5. No exemplo acima é possível. Júpiter necessitaria de uma bola com cerca de 90
centímetros de diâmetro, que é difícil de encontrar, mas não impossível.
6. Não é impossível, mas é difícil, uma vez que, ou a bola representando o Sol deverá
ser muito grande (no exemplo, mais de 8 metros de diâmetro), ou as dos planetas
deverão ser muito pequenas, dificultando a montagem de uma maquete prática. Se
considerarmos as proporções das órbitas, a maquete do exemplo teria que ter mais de
28 quilômetros de raio. Mesmo reduzindo a proporção a um fator de 10, a maquete
ocuparia um círculo de 2,8 quilômetros, desconsiderando, obviamente, os planetas
anões. Nesse caso, Mercúrio teria apenas 3 milímetros de diâmetro.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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Desafios!
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• Sabemos que v = d /Δt. A distância percorrida é o perímetro da órbita, dado por
d = 2.π.R, onde R é a distância média da Terra ao Sol, expressa em metros. O
intervalo de tempo é o período orbital da Terra (1 ano = 365 dias e um quarto,
aproximadamente), expresso em segundos.
Dessa forma, temos:
d = 2.π.R = 2 . 3,14 . 1,496 x 1011 = 9,4 x 1011 m.
Δt = 365,25 . 24 . 60 . 60 = 3,16 x 107s.
v = d /Δt = 9,4 x 1011 / 3,16 x 107, ou seja, v é aproximadamente 29.785 m/s.
• Considerando que o período orbital de Netuno é de aproximadamente 164,8 anos
terrestres, basta lembrar que um ano terrestre tem 365 dias e um quarto. Assim, o ano
netuniano terá
N = 164,8 . 365,25 = 60193,2 dias terrestres
VOCÊ APRENDEU?
Página 24
1. Telúricos: planetas similares ao planeta Terra, constituídos principalmente de rochas
e metais, com dimensões pequenas comparadas aos jovianos, sem anéis e com
poucos satélites ou nenhum. Em nosso sistema solar, os planetas telúricos estão
situados em órbitas mais próximas ao sol.
Jovianos: planetas similares a Júpiter, constituídos principalmente de Hidrogênio e
Hélio. Com dimensões maiores do que os planetas telúricos, possuem anéis e grande
quantidade de satélites de variadas dimensões. Situam-se, no nosso sistema solar, na
região após o cinturão de asteroides.
2. Não. Mercúrio e Vênus não possuem satélites conhecidos.
3. Planetas anões: corpos esféricos de massas inferiores aos planetas, que possuem
fragmentos de matéria de menores dimensões em suas proximidades.
Cometas: constituídos principalmente de gelo e rocha, eventualmente aproximam-se
do Sol em suas órbitas, produzindo uma cauda gerada pela sublimação das
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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substâncias voláteis neles presentes. Possuem dimensões menores do que os planetas
anões.
Asteroides: constituídos principalmente de rochas e metais, giram em torno do Sol
em diversas configurações orbitais. São menores do que os planetas anões.
Fragmentos, ou mesmo asteroides e cometas inteiros, podem atingir os planetas.
4.
Planeta
anão
Diâmetro
Equatorial
(km)
Distância
média ao
Sol (Gm)
Diâmetro
da bola
(mm)
Distância
ao centro
(Sol)
(km)
Ceres 975 415 6,1 2,6
Plutão 2390 5905 15,0 37
Haumea 1960 6480 12,3 40,6
Makemake 1500 6847 9,4 42,9
Eris 2600 10121 16,3 63,5
Os cálculos foram realizados de forma similar aos referentes ao modelo do sistema
solar com os planetas.
LIÇÃO DE CASA
Página 24
1. Determinamos alguns possíveis locais aproximados para a capital de São Paulo,
considerando ainda a Terra representada por uma bola de 80 milímetros. Caso seja
difícil para os alunos obterem informações sobre sua própria cidade ou bairro, podese
usar um mapa do município de São Paulo. Os locais foram escolhidos para
mostrar que os planetas não precisam estar em uma linha reta. O Sol foi escolhido na
posição do marco zero, na Praça da Sé. É interessante notar que o desenho no piso
sob o marco zero tem um formato de estrela de oito pontas (rosa dos ventos), inscrita
em um círculo com cerca de 15 metros de diâmetro.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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ASTRO Diâmetro da bola
(mm)
Possível local em São Paulo,
Capital.
Sol 8724 Marco Zero (Praça da Sé)
Mercúrio 31 Final da Rua Direita
Vênus 76 Câmara Municipal
Terra 80 Início da rua da Consolação
Marte 43 Rua do Gasômetro (Brás)
Júpiter 897 Parque Ibirapuera
Saturno 756 Cidade Universitária
Urano 321 Parque do Carmo (Itaquera)
Netuno 311 Centro de Rio Grande da Serra
2.
a) Checar o resumo, bem como o coerência e coesão do texto do aluno, além da
compreensão da história.
b) Resposta pessoal, mas é importante verificar se o aluno está compreendendo a
história do livro, se está tendo interesse por ela e se os conceitos dados em aula estão
fazendo alguma ligação com a história contada.
c) Verificar se a frase foi transcrita.
d) Checar os significados pesquisados.
PESQUISA EM GRUPO
Página 25
1.
• Constelações são agrupamentos de estrelas vistas no céu noturno em posições
próximas umas das outras, formando padrões convencionalmente aceitos.
Atualmente o céu é dividido oficialmente, para efeitos de localização, em áreas
correspondentes a 88 constelações.
• A principal utilidade é, historicamente, a localização dos viajantes no período
noturno. Elas servem também para guiar a observação amadora do céu noturno.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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• As doze constelações do zodíaco usadas na astrologia (Peixes, Aquário, etc) e
algumas outras como o Cruzeiro do Sul, Órion, Centauro, Ursa Maior. A resposta
esperada é bastante variável.
• É a região do céu percorrida anualmente pelo Sol, do ponto de vista de um
observador terrestre. Há treze constelações no zodíaco, que são as usadas na
astrologia mais a constelação do Serpentário: Capricórnio, Aquário, Peixes, Carneiro,
Touro, Gêmeos,Caranguejo, Leão, Virgem, Balança, Escorpião, Serpentário e
Sagitário.
2. Resposta bastante variável, de acordo com as fontes de pesquisa.
3. As dez mais brilhantes são razoavelmente bem estabelecidas. A partir dessa
quantidade há variações grandes em relação a medidas de magnitude aparente das
estrelas. As primeiras cinco são pela ordem: Sírius (Constelação do Cão Maior),
Canopus (Carina), Arcturus (Boieiro), Alfa do Centauro e Vega (Lira).
4. Checar.
5. Checar.
6. Checar.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5
UM PULINHO A ALFA DO CENTAURO
Página 25
a) Vamos usar v = d /Δt. A distância percorrida é o valor médio de 384.405 quilômetros
entre a Terra e a Lua. O ideal é descontar os raios da Terra e da Lua, já que essa
distância é contada centro a centro, e no caso desse exercício estamos partindo de
uma superfície até a outra. Se o aluno não levar isso em consideração, não há
problema, pois não é este o objetivo do exercício.
Dessa forma, temos:
d = 384.405 – 6.378 – 1.737 = 376.290 km.
v = 1000 km/h.
v = d /Δt → v = d /Δt = d / v = 376290 / 1000 = 376,29 horas.
Esse valor corresponde a 15 dias e 16 horas, aproximadamente.
b) O cálculo é similar, usando v = d /Δt. A distância percorrida é o valor médio de
149.597.870 quilômetros entre a Terra e a Sol. Podemos descontar os raios da Terra e
do Sol, como no exercício anterior, lembrando que se o aluno não levar isso em conta
não há problema.
Dessa forma, temos:
d = 149.597.870 – 695.500 – 6.378 = 148.895.992 km.
v = 1000 km/h
v = d /Δt → v = d /Δt = d / v = 148895992 / 1000 = 148896 horas = 6204 dias.
Esse valor corresponde a quase 17 anos.
c) Dessa vez teríamos:
d = 149.597.870 – 695.500 – 6.378 = 148.895.992 km.
v = 300.000 km/s.
v = d /Δt → v = d /Δt = d / v = 148895992 / 300000 = 496,32 s.
Esse valor corresponde a cerca de 8 minutos e 16 segundos.
d) Neste exercício podemos usar a distância média do Sol a Plutão:
d = 5.900.000.000 km.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
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v = 300.000 km/s.
v = d /Δt → v = d /Δt = d / v = 5900000000 / 300000 = 19667 s.
Esse valor corresponde a cerca de 5 horas e 28 minutos.
e) Novamente usamos v = d /Δt, isolando d = v. Δt.
Δt = 365,25 . 24 . 60 . 60 = 31.557.600 s.
v = 300.000 km/s.
d = 300000 . 31557600 = 9.467.280.000.000 km.
Portanto, um ano-luz vale aproximadamente 9,46 x 1015 metros.
f) Basta multiplicar o valor de 9,46 x 1012 km por 4,4 e teremos aproximadamente 4,2
x 10 13km.
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 30
1. Preencha os dados na tabela abaixo, incluindo o nome da estrela, sua designação em
letra grega (α, β, γ, etc) e sua distância até nós, em anos-luz. Na primeira linha,
coloque a estrela mais brilhante da constelação, seguindo sucessivamente até a
menos brilhante.
Página 32
Professor, você deve checar se as informações estão corretas e se o desenho obtido
corresponde à constelação em questão.
1. A posição em que veríamos a configuração vista da Terra seria a partir de cima do
móbile, como se houvesse uma câmera no centro da base do móbile apontando para o
chão.
2. Verificar os desenhos da constelação feitos nos cadernos dos alunos.
3. Perguntar aos alunos se eles observaram no céu a constelação escolhida e qual foi a
impressão que tiveram.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
19
VOCÊ APRENDEU?
Página 32
1. Não é correto. Apenas as posições em que as vemos no céu são próximas. Vide, por
exemplo, a tabela da constelação de Gêmeos. Pollux e Castor estão mais próximas do
Sol do que Alhena, que por sua vez está muito mais perto de nós do que de Mebsuta.
Se a proximidade fosse o critério, deveríamos fazer parte da constelação de Gêmeos?
Também não, pois há muitas estrelas muito mais próximas em outras constelações.
2. Elas podem ser usadas porque os padrões que formam são praticamente fixos e seus
movimentos no céu ao longo de uma noite e ao longo do ano são bem conhecidos.
Sem esse conhecimento, a localização se torna impraticável.
3. É possível porque os agrupamentos de estrelas escolhidos para formar as
constelações são totalmente arbitrários, assim como a escolha dos padrões de
desenho que as estrelas formam.
LIÇÃO DE CASA
Página 32
1.
a) Valores calculados e arredondados.
Distância
média ao
Sol (km)
Distância no
desenho
(cm)
Mercúrio 57900 0,6
Vênus 108200 1,1
Terra 149600 1,5
Marte 227900 2,3
Júpiter 778400 7,8
Saturno 1423600 14,2
Urano 2867000 28,7
Netuno 4488000 44,9
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
20
Observação: Não caberia na página, pois Netuno deveria estar a quase 45 centímetros
do centro do desenho.
b) Caberiam todos os planetas no círculo central, geralmente superior a dois metros
de diâmetro. Possivelmente todos os planetas telúricos caberiam na linha
demarcatória, geralmente com 8 centímetros de espessura. Se a linha tiver um
pequeno círculo demarcatório central, como as quadras de futebol de salão,
possivelmente Júpiter também estaria inserido nele, já que muitas vezes o raio desse
círculo excede 8 centímetros.
c) Usando a simplificação de que 1 ano-luz vale 10 trilhões de quilômetros (1013
km) o cálculo é simples.
Estrela Nome
Popular da
Estrela
Distância
em anosluz
Distância
ao Sol
(km)
Distância
no
desenho
( km)
Alfa* Acrux 321 3,21x1015 321.000
Beta Mimosa 352 3,52x1015 352.000
Gama Gacrux 88 8,8 x1014 88.000
Delta 364 3,64x1015 364.000
Épsilon Intrometida 228 2,28x1015 228.000
As distâncias resultantes no suposto desenho são imensas, as estrelas não poderiam
ser desenhadas.
2.
a) O professor deve checar as frases.
b) O professor deve checar as relações.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
21
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
AS AVENTURAS DE SELENE
Página 34
1. Deixar a cargo da imaginação do aluno e dos questionamentos que os colegas
eventualmente façam.
2. As respostas podem ser relacionadas à poluição, à dificuldade de se obter
combustível, ao espaço reduzido. O importante é que o aluno reflita sobre as
condições diferentes na Lua. A locomoção por meios naturais exigiria menos esforço
do que na Terra e ajudaria a exercitar as pessoas, o que é necessário em um ambiente
de baixa gravidade. As fontes de energia seriam limitadas e o transporte por meio de
automóveis representaria um consumo excessivo desnecessário.
3. Dentro das cidades fechadas deveria haver uma atmosfera ambiente. Esse ar seria útil
também na sustentação das asas-deltas.
4. A distância entre a superfície da Terra e da Lua é de mais de 300 mil quilômetros, o
que exigiria mais de 600 mil quilômetros de percurso dos sinais eletromagnéticos
que se propagam na velocidade da luz. Percorrer essa distância consumiria de ida e
volta mais de dois segundos.
LIÇÃO DE CASA
Página 36
1. A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos. É importante observar a coerência
da história.
2. A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos.
3.
a) A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos. Exemplos: arrastar e erguer
móveis pesados, levar muitos objetos em mochilas enormes, pular muros muito altos.
b) A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos. Vôlei exigiria quadras com
tetos muito altos. O lançamento no basquete poderia ser feito de muito longe, assim
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
22
com os chutes no futebol. As quadras e os campos teriam que ser maiores. Manobras
radicais de esqueite e bicicleta seriam feitas de alturas muito maiores. As quedas de
bicicleta e esqueite seriam menos perigosas.
c) A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos. Poderia haver estantes muito
altas; prateleiras simples poderiam suportar muito peso; pontes poderiam ser
improvisadas com materiais impensáveis na Terra; os edifícios poderiam ser mais
ousados e precisariam de menos material de construção.
d) A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos. Frear veículos poderia ser
complicado. O impacto de objetos pesados se manteria.
e) A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos.
4. A resposta fica a cargo da imaginação dos alunos.
Página 37
1.
a) Depende. Quanto maior a altura, maior o tempo. Espera-se que o aluno responda
isso.
b) Não depende. Mas pode-se imaginar que muitos alunos pensem que há
dependência. Cabe ao professor o esclarecimento.
c) Depende. Na Lua, com a gravidade menor, o tempo será menor.
2.
a) Aplicando diretamente a fórmula, tqueda= 0,5 s.
b) Aplicando diretamente a fórmula, tqueda=1,0 s.
3. Espera-se que o aluno fale da velocidade inicial e da gravidade. Alguns podem
mencionar outros fatores. Cabe ao professor o esclarecimento, a partir da fórmula a
seguir.
4.
a) Aplicando diretamente a fórmula, hmáx = 0,8 m ou 80 cm.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
23
b) Aplicando diretamente a fórmula, hmáx = 5 m.
5.
Aplicando diretamente a fórmula:
Na Terra: vfinal = 10 m/s.
Na Lua: vfinal = 4 m/s.
6. Aplicando diretamente a fórmula:
Na Terra: vfinal = 4 m/s.
Na Lua: vfinal = 4 m/s.
A velocidade final é a mesma.
VOCÊ APRENDEU?
Página 40
1.
Aplicando-se diretamente , teremos:
Na Terra: t queda = 4 s.
Na Lua: t queda = 10 s.
2.
Aplicando-se diretamente , teremos:
Na Terra: hmáx = 12,8 m.
Na Lua: hmáx = 80 m.
3.
Aplicando-se diretamente , teremos:
Na Terra: vfinal = 30 m/s.
Na Lua: vfinal = 12 m/s.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 1a série – Volume 3
24
LIÇÃO DE CASA
Página 40
1. Checar as associações, se o aluno conseguiu fazer uma ponte entre a história de
Selena e o livro escolhido por ele, por meio de um texto coerente e coeso.

gabarito da revista volume 1 - 3ª serie

GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
1
Reconhecendo a eletricidade no dia-a-dia
Página 3
As respostas a essas questões dependerão de cada turma. Elas devem ficar em aberto. Há
possíveis respostas no Caderno do Professor.
Ordenando os aparelhos elétricos
Página 5
As respostas a essas questões dependerão de cada turma. Elas devem ficar em aberto. Há
possíveis respostas no Caderno do Professor.
Refletindo sobre a eletricidade
Página 5
1. Resposta pessoal.
2. Resposta pessoal.
3. A transformação de energia elétrica em térmica, mecânica, luminosa e outras.
4. Resposta pessoal.
5.
a) Cafeteira elétrica: resistores.
b) Rádio: comunicadores.
c) Bateria de celular: fonte.
d) Aspirador de pó: motores.
Leitura e Análise de Texto
Página 6
Tato, audição, paladar, olfato. Todos os sentidos do ser humano utilizam impulsos elétricos
para serem percebidos, desde o receptor até chegar ao cérebro.
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1
RECONHECENDO A ELETRICIDADE NO DIA-A-DIA
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
2
VOCÊ APRENDEU?
Página 7
1. Apesar de pessoal, seguem algumas sugestões de resposta:
Resistivos: lâmpadas incandescentes, chuveiro elétrico, ferro de passar e fornos elétricos, etc.
Motores: aspirador de pó, barbeador elétrico, secador de cabelos, ventilador, lavadora de
roupas, etc.
Comunicadores: telefone, computador, televisão, rádio, celular, etc.
Fontes: bateria de relógio, pilha de controle remoto, tomadas, etc.
2.
a) Resistivos: resistência elétrica.
b) Motores: motores elétricos.
c) Comunicadores: elementos de comunicação e informação.
d) Fontes: fornecer energia elétrica.
Para Saber Mais
Página 7
Resposta pessoal.
LIÇÃO DE CASA
Página 8
1. Resposta pessoal.
2. Motores a combustão, nos sentidos do ser humano, fogão com acendimento
automático e na natureza.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
3
Buscando as especificações dos aparelhos
Página 9
1. Para fornecer os dados das principais grandezas, especificando: seu rendimento, suas
condições de uso correto e requisitos para o dimensionamento da rede elétrica.
2. Caso alguma especificação não seja obedecida, as condições de funcionamento do
equipamento ficarão comprometidas. Por exemplo, se a fiação especificada em um
chuveiro não for correta, poderá ocorrer um superaquecimento dela e iniciar um
curto-circuito.
3. Em geral os símbolos representam as unidades de medida das grandezas físicas.
4. Corrente elétrica – ampère (A); tensão – Volt (V); potência –watt (W); frequência –
Hertz (Hz)
5. Potência elétrica, pois mede a quantidade de energia consumida por unidade de
tempo.
6. Sim, normalmente os resistores são os equipamentos com as maiores potências e,
dependendo do tempo que ficam ligados, consomem grande quantidade de energia.
7. Não necessariamente. O consumo de energia está relacionado diretamente com a
potência do equipamento e o tempo que permanece ligado, por isso não se pode
afirmar que são os maiores consumidores de energia.
Verificando e comparando as especificações dos aparelhos
Página 10
1. Tensão: 220 V; potência: 4 400W; corrente: 25 A
2. E = P·t → Lâmpada: E = 60·24 → E = 1 440 Wh;
Chuveiro: E= 5 400·
4
1
→ E = 1 350 Wh; logo, neste caso, a lâmpada consome mais
energia.
3. 25 W – potência elétrica; 127 V – tensão; 60 Hz – frequência da corrente alternada;
321 mA – corrente elétrica.
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2
ENTENDENDO AS ESPECIFICAÇÕES DOS APARELHOS
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
4
LIÇÃO DE CASA
Página 11
1. Resposta pessoal, mas espera-se que fique evidente que os aparelhos de alta potência
como: chuveiros elétricos, geladeiras e ferro de passar roupa, que funcionam por
períodos razoavelmente longos, representam boa parte do consumo de energia
elétrica em uma residência.
2. Resposta pessoal.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
5
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 12
Respostas com base nas observações dos alunos.
Página 14
Respostas com base nas observações dos alunos.
Página 15
1. Tensão, corrente, resistência e potência elétrica.
2. Sim, pela primeira lei de Ohm: resistência (R) = tensão (V)/corrente (i)
Potência (P) = tensão (V) · corrente (i)
3. A lâmpada de 127 V foi projetada para determinada corrente. Caso seja colocada em
220 V, sua corrente irá aumentar, o que acarretará sua queima.
4.
i A i A i A
U
i P chuveiro ferro ador 7,1
127
9,5 ; 900
127
43,3 ; 1200
127
5500
sec        
i A total  59,9
O disjuntor desarmou porque a corrente do circuito da casa (59,9 A), deve ter superado a
corrente suportada pelo disjuntor.
Rch = 2, 93 Ω; Rferro = 13, 44 Ω; Rsecador = 17,92 → i = 59,9 A
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3
MONTANDO UM CIRCUITO ELÉTRICO
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
6
VOCÊ APRENDEU?
Página 16
1. Corrente: é o fluxo ordenado de cargas elétricas.
Tensão: está associada ao conceito físico da diferença de potencial elétrico.
Resistência: está associado à dificuldade que as cargas encontram para deslocar-se no
interior de um condutor.
2.
i A i A
U
i P liquidificador batedeira 1,18
127
0,79 ; 150
127
   100   
i A total  1,97
3.
(150 + P) = 110·15
(150 + P) = 1 650
P = 1 650 – 150 → P = 1 500 W
4. Ah é uma unidade de medida chamada ampére-hora e, portanto o mAh é o mili
ampére-hora, ou a milésima parte do Ah. Ampére é a unidade de medida da corrente
elétrica, quando multiplicada pelo tempo, segundo a definição de corrente elétrica







t
i Q , resulta na carga elétrica. Ah é portanto, uma unidade de medida de carga
elétrica. é corrente vezes o tempo, que define a carga elétrica.
5. Resposta pessoal, mas espera-se que os alunos respondam:
O circuito série apresenta como principal desvantagem o fato de que se um elemento do
circuito parar de funcionar, todos os outros elementos do circuito também pararão. Já no
circuito paralelo, a principal desvantagem é que se muitos elementos forem anexados à ele, sua
corrente total ficará alta, e, se ele não for dimensionado para suportar altos valores de
correntes elétricas, poderá ocorrer sobreaquecimento do circuito e, em casos extremos, até
incêndio.
LIÇÃO DE CASA
Página 17
1.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
7
Se uma das lâmpadas queimar, as outras param de funcionar. Caso seja acrescentada
uma quarta lâmpada, com o circuito funcionando novamente, a resistência
equivalente aumenta, diminuindo a corrente no circuito, o que leva a um brilho
menos intenso em todas as lâmpadas.
2.
Na ligação em paralelo, caso uma das lâmpadas queime, as outras funcionam
normalmente com o mesmo brilho, porém, a corrente total do circuito diminui. No
caso de acrescentar uma quarta lâmpada, elas brilharão com a mesma intensidade,
porém a corrente total do circuito aumentará.
3.
a) P = V·i → 60 = 120 · i → i = 0,5 A
b) V = R·i → 120 = R · 0,5 → R = 240 Ω
4. Pmáx = 110·30 = 3 300 W
Logo, pode-se ligar ao mesmo tempo o chuveiro, a lâmpada e a TV.
5. Corrente elétrica, tensão, potência e resistência.
6.
a) Corrente elétrica: Ampère (A).
b) Tensão elétrica: Volt (V).
c) Resistência elétrica: Ohm (Ω).
d) Carga elétrica (no caso das baterias): Ampére-hora (Ah) ou Coulomb (C).
7. Resposta pessoal, mas espera-se que os alunos destaquem as características
particulares de cada circuito No circuito série a corrente que circula por todos os seus
elementos é a mesma, já no circuito paralelo, cada elemento é atravessado por uma
corrente elétrica diferente, no entanto, a tensão oferecida à todos os elementos do
circuito é a mesma.
8. Em paralelo, pois todas têm a mesma tensão: 127 V.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
8
9. P =
t
E


. Potência é a medida da energia transformada por unidade de tempo.
10. U= R.i. A tensão é diretamente proporcional ao produto da resistência pela corrente.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
9
Choque elétrico
Página 20
Entrevista com eletricista. As respostas dependem do entrevistado.
8. O choque ocorre quando uma corrente elétrica percorre o corpo, devido a uma
tensão. Portanto, a causa inicial é a tensão, mas é a corrente que produz danos.
9. Pessoa molhada → i = 127/1 000 → i = 0,127 A (pode causar a morte).
Pessoa seca → i = 127/100 000 → i = 0,00127 A (pode causar dor).
VOCÊ APRENDEU?
Página 21
1. Porque, com a pele molhada, a resistência do corpo diminui e a corrente se eleva,
podendo levar à morte se a duração for prolongada.
2. A tensão da rede elétrica e as condições da pele (seca ou molhada).
3. O choque acontece quando uma corrente elétrica atravessa o corpo. Se, o eletricista
fechou o circuito com o seu corpo, por exemplo, pegando o fio fase com uma mão e
o neutro com o outra, a bota não seria capaz de isolar este choque, já que o circuito
não se fechou pelo piso. Também é possível que o circuito tenha se fechado entre o
corpo e o piso, mesmo estando com uma bota de borracha. Isso pode ocorrer para
valores de tensão bastante elevados, onde a borracha perde sua capacidade de
isolação.
4. Consulte a Tabela da página 21.
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4
CHOQUES ELÉTRICOS
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
10
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5
DIMENSIONANDO O CIRCUITO DOMÉSTICO
Dimensionando o circuito elétrico
Página 24
1. Quanto maior o comprimento do fio, maior deverá ser sua bitola.
2. Resposta pessoal, mas espera-se que o aluno relacione o aumento do comprimento à
um aumento na resistência, e, o aumento da bitola, à uma diminuição da resistência .
3. A condição de funcionamento do equipamento poderá ser comprometida, bem como
a integridade da rede elétrica residencial.
4. Ficará mais fácil.
5. A resistência diminui, por isso é mais fácil o movimento.
6. A resistência elétrica é inversamente proporcional à bitola.
Para Saber Mais
Página 25
1. Resistência antes → R = ρ l/A
Resistência depois → R’ = ρ 2 l/A
Logo, R’ = 2 R, ou seja, a resistência com extensão é o dobro da resistência sem
extensão.
2. Dobrando a resistência, mantendo o mesmo valor da tensão, a corrente suportada
pela fiação irá diminuir pela metade.
3. A corrente que circula no fio é definida basicamente pela potência do
eletrodoméstico. Porém, como neste caso a resistência do fio tem valor considerável,
podemos pensar que se trata de um circuito onde o eletrodoméstico está ligado em
série com um resistor (no caso o próprio fio), dessa forma, como a resistência
equivalente do circuito aumentou, a corrente diminuirá, já que a tensão se manteve
constante. A instalação portanto não corre risco, já que a corrente total diminuirá,
porém o eletrodoméstico poderá apresentar um funcionamento irregular devido à
menor potência que irá operar.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
11
VOCÊ APRENDEU?
Página 26
1. Comprimento e espessura do fio.
2. A corrente também se altera. Corrente e resistência são inversamente proporcionais.
3. Resposta pessoal, mas espera-se que o aluno seja capaz de avaliar que a bitola do fio
pode ser menor do que o tamanho exigido para determinados níveis de corrente
elétrica.
LIÇÃO DE CASA
Página 27
1. PT = 2 750 W; i = 2 750/127 → i = 21,65 A. Logo, a fiação irá suportar o
funcionamento dos três equipamentos, pois a corrente total será menor do que a
suportada pelo fio.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
12
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
ENERGIA ELÉTRICA E A CONTA DE LUZ MENSAL
Energia elétrica e a conta de luz mensal
Página 29
1. 129 KWh
2. KWh
3. 18 novembro de 2008
4. 129/30 → 4,3 KWh/dia
5. 45,72
6. R$ 45,72/129 KWh. 0,35 reais por KWh
7. Resposta pessoal.
8. Resposta pessoal.
9. Resposta pessoal.
VOCÊ APRENDEU?
Página 30
1. Resposta pessoal.
2. Porque além do valor do kWh, há impostos cobrados pelos governos federal,
estadual e municipal, como taxa de iluminação pública.
3. E = 5,49 (kW)·30 (dias)·10/60 (h)
4. R$ 7,13
5. Resposta pessoal.
6. 1 J = 1 W·s → 1 kWh = 3 600 000 J
LIÇÃO DE CASA
Página 31
Repostas pessoais.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
13
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7
PERCEPÇÃO DOS CAMPOS E SUA NATUREZA
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 33
Essas questões dependem do desenvolvimento da atividade.
VOCÊ APRENDEU?
Página 34
1. Atrito: corpos ficam carregados com sinais contrários.
Contato: corpos ficam carregados com mesmos sinais.
Indução: corpos ficam carregados com sinais contrários.
2. A repulsão entre corpos eletrizados ocorre quando estes têm cargas de sinal
contrário. Já no caso do ímã, quando os polos são diferentes (norte e sul).
3. A força de indução entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto
das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas
2
1 2
d
Q Q
F  k [N]
4. Não. O corpo neutro tem campo elétrico, no entanto, a igualdade de cargas positivas
e negativas faz com que a ação do campo seja nula.
LIÇÃO DE CASA
Página 35
2. Não, o campo elétrico está sempre presente. O que houve foi um desequilíbrio entre
as cargas elétricas.
3. O corpo é considerado positivo quando tem falta de elétrons e considerado negativo
quando tem excesso de elétrons.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3ª série – Volume 1
14
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 8
ESTIMANDO GRANDEZAS
Estimando grandezas
Página 37
As respostas devem ser construídas durante a aula com o professor.
VOCÊ APRENDEU?
Página 37
1. i = 1 400/127 = 11,02 A; Q = 11,02·40·60 = 26 456,7 C
2. Basicamente, é o atrito.
3. Considerando uma nuvem de formato circular, podemos calcular da seguinte forma:
C= 8, 85 · 10-12 · 3,14 · (2 500)2 / 1 000 → C = 0,17 μF
4. Resposta pessoal.
5. Resposta pessoal.
6. Resposta pessoal.
LIÇÃO DE CASA
Página 39
1. É um cálculo aproximado daquilo que se procura investigar. Muitas vezes utiliza-se
somente a ordem de grandeza para se realizar a estimativa.
2. A energia armazenada em um capacitor é devida ao campo elétrico que as cargas
elétricas das placas geram no interior do capacitor.
3. Resposta pessoal, mas espera-se que o aluno possa relacionar a descarga à um efeito
da capacitância entre o corpo e a maçaneta ou entre o corpo e a porta do carro.
4. Resposta pessoal.

gabarito da revista volume 2 - 2ª serie

GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
1
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1
O EQUIVALENTE MECÂNICO DO CALOR
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 3
1. Se tudo correr bem, após as cem vezes que o tubo girou, a temperatura final dos
chumbinhos deverá se elevar bastante e, muitas vezes, será possível chegar a um
valor razoável para o equivalente mecânico (4,18J/cal). Contudo, caso não seja
possível aproximar-se desse valor, é interessante trabalhar com os alunos eventuais
fontes de problemas, principalmente as relacionadas às trocas de calor. Neste caso,
discuta sobre a vedação feita, o material do tubo, a forma de medir a temperatura etc.
Peça para que eles proponham melhorias para aumentar a precisão da medida.
2. Espera-se que os alunos identifiquem e expliquem, neste processo, as transformações
de energia potencial gravitacional dos chumbinhos em energia cinética quando estes
caem através da extensão do tubo. Ao colidirem com a tampa do tubo, essa energia é
convertida em energia de vibração das moléculas, manifestando então um aumento
na temperatura. Tal fato corrobora para a compreensão do conceito de calor como
energia que transita de um corpo para outro Neste caso, a energia vinda dos músculos
do corpo que faz com que o tubo gire e ganhe energia mecânica.
Neste instante, tem-se um momento oportuno para discutir ou rediscutir o princípio
da conservação da energia.
3. Quanto maior o número de vezes que o cano girar, maior será a energia potencial
gravitacional transformada em energia térmica cedida aos chumbinhos. Há
necessidade de se girar tantas vezes para que o aumento da temperatura dos
chumbinhos seja significativa.
4. Como já dito anteriormente, neste processo ocorre uma transformação de energia
potencial gravitacional (mecânica), devido à queda dos chumbinhos, em energia
cinética representada pelo movimento dos mesmos na extensão do cano. Após a
colisão nas extremidades do tubo, parte dessa energia é transformada em energia
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
2
térmica manifestada com o aumento da temperatura. Ao final do processo, podemos
resumir dizendo que houve transformação de energia mecânica em energia térmica.
5. Quando se conhece o calor específico do material e sua massa, a quantidade de calor
produzido durante o impacto pode ser determinada pela mudança na temperatura por
meio da relação Q = m.c.Δt. Se considerarmos que toda a energia potencial (m.g.h) é
transformada em calor (hipótese a ser levantada), pode-se determinar a relação entre
trabalho e calor, chegando ao valor chamado de equivalente mecânico do calor.
Assim, considerando o calor específico do chumbinho igual a 0,031cal/g.ºC, tente
chegar a este valor, já que possui a massa do chumbinho, a variação de temperatura e
a altura h do tubo.
Atente aos possíveis fatores que implicam na precisão dos cálculos, principalmente
quanto a garantir que toda a energia potencial seja convertida em calor. Trabalhe
com os alunos a possibilidade de aperfeiçoar os experimentos a fim de obter dados
cada vez mais seguros.
Utilizando o calor específico em cal/g.ºC, a massa em gramas e a temperatura em ºC,
o resultado do cálculo vai ser obtido em calorias (cal). A energia mecânica (energia
potencial gravitacional) a ser convertida em calor é dada pela relação Ep= m.g.h.
Com a massa dada em Kg, a aceleração da gravidade (g) em m/s2 e a altura h em
metros (m), obtemos o valor de Ep em Joules (J).
6. A quantidade de calor trocado (cal) pode ser obtida por meio da relação Q = m.c. Δt,
em que m será a massa dos chumbinhos (em gramas), c o calor específico dos
chumbinhos (0,031cal/g.ºC) e Δt a variação de temperatura medida no termômetro
(em ºC). Assim, Q será dado em calorias (cal).
Dessa forma, podemos estabelecer a relação entre calorias e Joules, ou seja, Ep (J) =
Q (cal).
Discuta com os alunos sobre as hipóteses que estão sendo consideradas para se
chegar à equivalência destas duas expressões, ou seja, estamos admitindo que toda a
energia mecânica (potencial gravitacional) é convertida integralmente em energia
térmica capaz de aumentar a temperatura dos chumbinhos.
7. Na questão anterior, apenas foi obtida a relação entre energia mecânica e energia
térmica. Aqui, espera-se que os alunos de fato igualem as expressões Ep (J) = Q (cal)
obtendo o equivalente mecânico do calor.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
3
Para os cálculos deverá ser levado em consideração o número de vezes que os
chumbinhos caíram da altura h ao longo do tubo. Dessa forma, a expressão final fica:
Ep = Q
n.(m.g.h) = m.c. Δt
Onde n representa o número de vezes que os chumbinhos se chocaram com as
extremidades do tubo ao percorrer a altura h.
Aprendendo a Aprender
Página 7
1. Espera-se que os alunos possam estender a situação trabalhada e descrita
anteriormente com outras situações práticas e cotidianas em que acontecem
transformações de energia semelhantes.
Dessa maneira, pode ser citado, por exemplo, o aquecimento dos pneus de um ônibus
devido ao atrito entre a borracha e o asfalto, fato que pode ser percebido quando se
encosta a mão no pneu quando o ônibus está parado no ponto. Neste caso, parte da
energia mecânica é transformada em calor.
O aquecimento das peças de uma máquina elétrica, devido ao atrito entre elas, é
outro exemplo. Aqui, pode-se aproveitar para discutir a respeito da utilização de
óleos e graxas utilizadas nessas máquinas a fim de diminuir o atrito e o aquecimento
das peças.
2. De forma análoga a situação dos chumbinhos, a energia, neste caso, veio da pessoa,
ou seja, a pessoa transmite energia para o martelo na forma de energia potencial e
cinética (o martelo é erguido para depois ser golpeado contra o prego). Ao bater no
prego, parte dessa energia é transmitida na forma de energia cinética (o prego se
move, conseguindo penetrar na madeira), e parte na forma de calor, daí o
aquecimento. Parte dessa energia ainda se transforma em energia sonora (barulho da
martelada).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
4
Curiosidade!
Página 8
1. O objeto suspenso tem energia potencial gravitacional. Quando abandonado, essa
energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética. Uma parte dessa
energia é usada para mover as pás (energia cinética das pás). A água, ao ser agitada
pelas pás, ganha energia cinética, isso faz com que aumente sua energia térmica e,
consequentemente, sua temperatura.
2. Para que o termômetro marque uma temperatura maior, o recipiente com água deve
ser isolado termicamente de maneira que a energia térmica gerada seja menos
dissipada para o ambiente.
3.
a) Supondo que o sistema seja conservativo, isto é, que toda a energia potencial do
objeto seja integralmente transferida para a água e usada para elevar sua temperatura,
temos:
ΔEp = 25 . m g h = 25 . 6 . 9,8 . 2 = 2 940 J
b) A água recebeu 2 940 J. Considerando que 1 cal = 4,18 J, neste caso, os 2940 J
correspondem aproximadamente a 703 cal.
4. Novamente, essa é outra questão com o intuito de o aluno relacionar uma situação já
abordada, com outra (realizada por James Joule 1840), onde foi medido o
equivalente mecânico do calor.
A semelhança entre os dois experimentos é que ao invés do corpo cair e aquecer a
água, como na experiência de Joule, os chumbinhos ao caírem dentro do tubo batem
nas extremidades do mesmo e se aquecem. No caso da experiência de Joule há um
maior número de transformações de energia, já no caso dos chumbinhos é somente a
energia potencial que se transforma em energia cinética. Quando ocorre o choque na
extremidade do tubo, é gerado aquecimento.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
5
LIÇÃO DE CASA
Página 9
1.
a) Ela deverá aumentar, pois parte da energia cinética se transforma em energia
térmica (calor) na colisão com a parede de aço.
b) Dados:
m= 0,01 kg
v = 400 m/s
A energia cinética da bala antes do choque é:
Ec = m.v ²/2 ou seja: Ec = (0,01. 4002) /2
Ec = 800 J, como 1 cal = 4,2 J, temos: Ec = 190,5 cal
c) Considerando que a energia cinética será totalmente usada no aquecimento do
projétil, teremos:
Q = m.c. Δt = 10 . 0,031. (t – 25)
190,5 = 0,31. (t – 25)
(t – 25) = 614,5
t = 639,5 º
Analise e discuta com seus alunos se essa temperatura seria mesmo alcançada.
Lembre-se que o chumbo se funde a 327, 4º C.
2.
M = 200 g (de água) e cágua = 1 cal/g º C
h = 0,5 m
to
= 25 ºC
tf = 100 ºC
Considerando que toda a energia potencial da queda seja usada no aquecimento da
água, a quantidade de energia necessária para aquecer a água até ferver será:
Q = m.c. Δt = 200 . 1. (100-25) = 15.000 cal
Se 1 cal = 4,2 J, teremos:
Q = 63.000 J
A energia potencial de uma “queda” dentro da garrafa será:
Ep = m.g.h = 0,2 Kg .10. 0,5 = 1 J
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
6
Se uma queda fornece 1 J, para conseguir 63 000 J, serão necessárias:
63 000 / 1 = 63 000 quedas.
Leitura e Análise de Texto
Página 10
Professor, o objetivo principal deste texto é o de possibilitar ser um momento ou
mesmo uma oportunidade de trazer uma situação interessante que permita fazer com
que os alunos possam perceber a evolução das ideias e conceitos a respeito da natureza
do calor. Isso poderá contribuir significativamente para desmistificar a ciência como
algo pronto e acabado, apenas revelado a gênios. Assim, procure mostrar, dentro do
possível, que foram necessários vários séculos para que o calor fosse tratado
cientificamente como vibração, de modo que a compreensão da natureza do calor e da
temperatura, bem como a construção de teorias e modelos para esses conceitos, fazem
parte de um momento rico na história da ciência.
No caso de optar ou ser de interesse de parte dos alunos a respeito do assunto, você
poderá obter mais informações no caderno do professor relativo a esta situação de
aprendizagem.
1. Rumford se questionava a respeito de onde vem o calor produzido no aquecimento
do metal quando perfurava blocos de ferro durante a fabricação de canhões.
2. No século XVIII, o calor já era um velho conhecido do pensamento científico. Nessa
época, contudo, imaginava-se que o calor fosse uma substância, um fluido chamado
de calórico. Assim, ao colocar em contato dois corpos com temperaturas diferentes,
pensava-se que essa substância fluísse de um corpo para outro, explicando, assim,
por que o mais quente se resfria enquanto o mais frio se aquece.
A discordância do modelo do calórico, de acordo com o texto, se deu a partir dos
questionamentos que Rumford fez a respeito da origem do calor. Ele verificou que o
calor não poderia ser um fluido material, pois, mesmo com a grande intensidade de
calor produzido pelo atrito, eles não sofriam nenhuma perda de massa que, neste
caso, seriam arrancadas da massa sólida que foi atritada.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
7
Depois, verificou que nem mesmo o ar poderia ser fonte do calor produzido. Isso
pode ser verificado no 6º parágrafo do texto quando ele questiona: “ Foi fornecido
pelo ar? Este não poderia ter sido o caso, pois nos experimentos feitos com o
maquinário imersa em água, o acesso do ar proveniente da atmosfera fora
completamente vedado” . A seguir, no parágrafo 7º, ele questiona a origem do calor
como sendo possivelmente originário da massa de água que envolve o maquinário:
“(...) primeiro, porque a água recebia continuamente o calor do maquinário e não
poderia, ao mesmo tempo, estar dando e recebendo calor do mesmo corpo; e, em
segundo lugar, porque não houve nenhuma decomposição química de nenhuma parte
dessa água.”
Ao final ele conclui: “Desnecessário acrescentar que algo que todo corpo, ou sistema
de corpos isolados termicamente, é capaz de continuar a fornecer sem limitações não
pode ser uma substância material (...)”, a não ser, movimento.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2
A MÁQUINA DE HERON
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Roteiro 2 – A Máquina de Heron
1. Espera-se que os alunos façam algumas hipóteses e formulem explicações sobre o
que observaram. É importante que percebam que o que faz a lâmpada girar é a
expansão do vapor de água após entrar em ebulição.
2. Quando a água entra em ebulição, o vapor de água sai com uma grande pressão e,
devido à disposição dos tubos, há o aparecimento de um torque que faz a máquina
girar.
3. A partir dos conceitos abordados na situação de aprendizagem anterior, espera-se que
os alunos possam relacionar a transformação de energia térmica (calor) em energia
mecânica (energia cinética) devido à rotação do bulbo da lâmpada.
4. Após a discussão a respeito do surgimento do movimento do bulbo da lâmpada
quando o vapor de água se expande, é importante que o conceito e a definição de
trabalho sejam aqui retomados.
Neste caso, consideramos como máquina (no caso, máquina térmica) todo
equipamento capaz de transformar energia térmica em trabalho útil.
O intuito da atividade foi apenas de apresentar a possibilidade de se utilizar a
expansão de um gás para movimentar algo. Ainda que lúdica e ilustrativa, parece que
a máquina de Heron não foi criada para ser nada além de uma curiosidade.
Para aproveitar a máquina de Heron é necessário aproveitar o movimento da esfera,
veja a figura da página 13. Uma forma de se fazer isso é usando-a para retirar água
de um poço. Para isso, seria necessário se prender uma corda na esfera que, ao ser
puxada, se enrolaria na esfera conforme esta girasse.
Outra possibilidade seria prender a esfera a um eixo que girasse solidário a ela, preso
a rodas. Assim, seria possível construir um “carro a vapor”. Esses exemplos são
apenas algumas possibilidades imagináveis.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
9
5. Oriente os alunos para que registrem todas as suas observações sobre o que
aconteceu no experimento, mesmo aquelas observações aparentemente mais óbvias.
Espera-se que os alunos possam associar a consequência do giro do bulbo da
lâmpada como sendo devido a transformação da energia térmica em trabalho útil.
A partir do conceito de trabalho, espera-se que os alunos possam ser capazes de
relatar quem realiza trabalho: o fogo, o vapor? O que esse trabalho produz? Quais as
variáveis importantes para se obter o valor do trabalho, ou seja, a que se relaciona?
São esses os elementos principais que se espera aparecer no relatório.
Aprendendo a Aprender
Página 16
A fonte de calor, ao fornecer energia térmica ao gás que está confinado, faz com que
a pressão no interior do cilindro aumente, possibilitando que o gás se expanda e realize
trabalho. Assim, com o movimento do pistão para cima, há uma variação do volume
que, neste caso, dizemos que o gás realizou trabalho devido à expansão.
Manifestações térmicas da energia
Página 17
Assim como o êmbolo da seringa sobe quando calor é fornecido pela água quente ao
gás no interior da seringa, de forma análoga, o mesmo acontece com o leite ao ser
fervido. Tanto no caso da seringa com água quanto no caso do leite ocorre o mesmo
fenômeno. Na seringa, a calor da água aumenta o agito das moléculas e,
consequentemente, a pressão no interior do tubo. Já com o leite, a fonte de calor (fogo)
ao agitar as moléculas provoca a expansão do líquido. Há uma força distribuída ao
longo de toda a superfície do leite, que é justamente a ideia de pressão, que pode ser
assim relacionada: P = F/A, em que F= força e A = área. Como na verdade houve
também um aumento do volume do leite, que é obtido ao se multiplicar o deslocamento
pela área (ΔV= Δd . A), pode-se escrever o trabalho como o produto da pressão pela
variação do volume (W = P. ΔV).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
10
VOCÊ APRENDEU?
Página 18
1. Neste caso, a energia química (queima) do combustível é transferida para a água na
forma de energia térmica. O vapor sai produzindo um torque capaz de mover a
esfera.
2. Na verdade, essa questão já pode ter sido respondida anteriormente, na questão 4 da
atividade inicial do bulbo da lâmpada que gira. Entretanto, aqui pode ser que os
conceitos estejam mais formalizados e um pouco mais sólidos na concepção dos
alunos. Por isso, vale a pena retomar e rediscutir a questão, principalmente no caso
de os alunos terem tido dificuldades anteriormente ou mesmo não terem respondido
claramente.
• Observação: ver resolução proposta na questão 4 da atividade que guia esta
situação de aprendizagem.
3. Tal como já foi discutido na questão anterior, pode-se usar tal dispositivo como
máquina. Para isso, bastaria aquecer o recipiente, pois aí o gás se expande e empurra
o pistão para cima, realizando trabalho.
LIÇÃO DE CASA
Página 19
1. Solicite aos alunos que façam uma breve pesquisa a respeito das máquinas térmicas.
O objetivo consiste em fazer com que eles possam levantar eventuais curiosidades,
conhecer um pouco da história das maquinas térmicas, assunto que geralmente não é
abordado durante as aulas.
2. Ele se referia aos trens a vapor que surgiram neste período. As mudanças que
aconteceram nessa época fazem parte da chamada Revolução Industrial, período em
que as máquinas a vapor deram início a novas relações sociais e de trabalho.
Vale ressaltar que o assunto é aprofundado na próxima situação de aprendizagem.
3. Neste caso, o trabalho pode ser calculado pela expressão
W = P. Δ V = 1,0. 105. 0,03. 0,50 = 1,5 x 103 N.m
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
11
Se esse trabalho for usado para levantar o objeto, podemos escrever que:
W = m.g.h
1,5 x 103 = m. 10 . 0,5
m = 300 kg
Dessa forma, esse pistão consegue erguer um corpo de 300 kg a uma altura de 50 cm
do chão.
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 20
1. O objetivo principal da leitura é proporcionar que o aluno possa conhecer e
compreender a evolução das máquinas térmicas, principalmente a partir do século
XVIII. A leitura deverá fazer com que os alunos possam perceber e relacionar, por
exemplo, que a falta dos refrigeradores e motores dos carros fizeram, durante muito
tempo, com que o armazenamento e transporte dos alimentos fossem dificultados,
sendo feito por escravos. Até então, não podiam sequer imaginar uma máquina
realizando um trabalho para o homem. A partir do surgimento das máquinas a vapor,
profundas alterações marcaram principalmente o processo produtivo da sociedade.
Como exemplo podemos citar a introdução da mão de obra assalariada, o
deslocamento dessa mão de obra, antes essencialmente concentrada nos campos para
os centros urbanos e as indústrias nascentes, dentre outras mudanças.
2. No final do século XVII as florestas da Inglaterra já tinham sido praticamente
destruídas e sua madeira utilizada como combustível. A necessidade de se usar o
carvão de pedra como substituto da madeira levou os ingleses a desenvolverem a
atividade da mineração.
Um problema que surgiu com as escavações cada vez mais profundas foi o de
acúmulo de água no fundo das minas, o que poderia ser resolvido com a ajuda de
máquinas.
Uma máquina foi desenvolvida para acionar as bombas que retiravam água do
subsolo de cerca de 30 m, elevando-a até a superfície, pois as bombas antigas só
elevavam a água até 10,33 m.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
12
A partir das “bombas de fogo”, como eram chamadas, surgiram e foram
aperfeiçoadas outras máquinas térmicas, dentre elas os motores a explosão e os
refrigeradores. Podemos dizer que a revolução industrial ocorreu diretamente das
construções das “bombas de fogo” dando início a profundas mudanças no setor
industrial e produtivo nas sociedades.
Assim como já abordado anteriormente, as máquinas térmicas, em geral, têm seu
princípio de funcionamento baseado nas transformações da energia térmica em
energia mecânica (energia de movimento).
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
13
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3
REVOLUÇÃO INDUSTRIAL E AS MÁQUINAS TÉRMICAS
Aprendendo a Aprender
Página 22
O objetivo principal da elaboração do texto é fazer com que os alunos consigam
organizar e sintetizar os resultados de suas pesquisas feitas anteriormente. Apesar de as
informações solicitadas serem relativamente de fácil acesso por meio de sites (inclusive
os sugeridos na seção “Para Saber Mais”) e livros, o importante é fazer com que os
alunos consigam descrevê-las de forma sucinta e organizada, além de perceber as
influências econômicas e sociais advindas com as máquinas térmicas.
Neste texto dissertativo, poderão aparecer diversas informações distintas.
Entretanto, espera-se que os alunos foquem o texto destacando principalmente as
consequências do processo de industrialização impulsionadas pela invenção das
máquinas térmicas.
Neste sentido, os alunos podem começar o texto abordando, por exemplo, a
respeito da substituição das ferramentas pelas máquinas, da energia humana pela
energia motriz e do modo de produção doméstico pelo sistema fabril que constituiu a
Revolução Industrial. O nome revolução se deu em função do enorme impacto sobre a
estrutura social e econômica da sociedade, num processo de transformação
acompanhado por uma grande evolução tecnológica.
A partir da invenção das máquinas térmicas, como as primeiras máquinas a
vapor, ocorreu uma grande revolução produtiva. Com a aplicação da força motriz às
máquinas fabris, a mecanização se difunde principalmente na indústria têxtil e na
mineração. As fábricas passam a produzir em série e surge a indústria pesada (aço e
máquinas). A invenção dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulação das
mercadorias e dos produtos.
A revolução industrial do século XVIII acontece inicialmente na Inglaterra. O
pioneirismo inglês se deve a vários fatores, como o acúmulo de capitais e grandes
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
14
reservas de carvão. Com seu poderio naval, abre mercados na África, Índia e nas
Américas para exportar produtos industrializados e importar matérias-primas. Sua
localização, na parte ocidental da Europa, facilita o acesso às mais importante rotas de
comércio internacional, o que permitiu conquistar novos mercados. Além disso, o país
possuía muitos portos e intenso comércio costeiro.
O novo sistema industrial transformou as relações sociais e criou duas novas
classes sociais, fundamentais para a operação do sistema. Os empresários (capitalistas),
proprietários dos capitais, prédios, máquinas, matérias-primas e bens produzidos pelo
trabalho e os operários, proletários ou trabalhadores assalariados, apenas com sua força
de trabalho que a vendem aos empresários para produzir mercadorias em troca de
salários.
VOCÊ APRENDEU?
Página 23
1. As primeiras máquinas do século XVIII apresentavam baixo rendimento, ou seja,
consumiam grande quantidade de combustível e realizavam pouco trabalho. Foi por
volta de 1770 que o inventor escocês James Watt apresentou um modelo de máquina
que substituiu as que até então existiam, pois era mais eficiente e apresentava
enormes vantagens.
A máquina proposta por Watt foi empregada inicialmente nos moinhos e no
acionamento de bombas d’água, mas posteriormente passou a ser empregada nas
locomotivas e nos barcos a vapor. Ela ainda passou a ser muito utilizada nas fábricas
como meio para acionar dispositivos industriais. Esse foi um dos fatores que
motivaram a Revolução Industrial.
2. Esta pergunta é muito aberta, ou seja, poderá haver vários tipos de respostas.
Entretanto, é importante informar que os alunos deverão descrever de forma
resumida a respeito das causas dessas mudanças. Peçam que descrevam duas ou três
mudanças apenas, para que sobre espaço para posteriormente explicarem.
Por exemplo, suponha que um dos alunos tenha escrito que houve uma mudança na
economia e nas relações de trabalho. Neste caso, é importante que ele perceba e
descreva o porquê dessas mudanças. Isso pode ser feito da seguinte forma:
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
15
Houve uma grande mudança na economia e nas relações de trabalho, pois a partir da
invenção das máquinas térmicas, a mecanização se difundiu nas indústrias em geral.
Dessa forma, as fábricas passam a produzir em série e surge a indústria pesada (aço e
máquinas). A invenção dos navios e das locomotivas a vapor acelera a circulação das
mercadorias e dos produtos, ampliando o comércio e a oferta de emprego.
Com o novo sistema industrial há uma transformação das relações sociais com a
criação de duas novas classes sociais, fundamentais para a operação do sistema. Os
empresários (capitalistas), proprietários dos capitais, e os operários, trabalhadores
assalariados.
3. Para responder esta questão, sugira aos alunos uma leitura no texto do GREF por
meio do site . Ele poderá fornecer bons subsídios para a
resposta dos alunos.
Espera-se que os alunos descrevam a respeito das máquinas a vapor de Thomas
Newcomen e a mais conhecida, a de James Watt.
Com a intensificação do comércio, devido ao crescimento industrial a partir da
invenção das máquinas térmicas, houve uma necessidade de produção em larga
escala de diferentes produtos e materiais, principalmente tecidos e carvão, gerando
uma grande motivação para o aperfeiçoamento das máquinas a vapor. Neste
contexto, surgem as máquinas a vapor de Thomas Newcomen e a do inventor James
Watt. Os aperfeiçoamentos dessas máquinas geraram um aumento na produtividade
e, principalmente, uma diversificação no seu uso, como a elevação de pesos e a
geração de movimento contínuo e não apenas o bombeamento de água. No século
XVIII, a partir das máquinas de Newcomen e Watt, elas foram também utilizadas nos
transportes. Isso fez surgir a locomotiva e os pequenos carros, ambos movidos a
vapor. A aplicação das máquinas transformaram, assim, toda a civilização ocidental e
impulsionaram ainda mais a industrialização da Inglaterra.
4.
a) Provavelmente, as máquinas térmicas mais citadas pelos alunos deverão ser os
motores dos carros, os refrigerados, e as locomotivas ou trens a vapor. Assuntos a
serem estudos nas próximas situações de aprendizagem.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
16
b) Aqui, espera-se que os alunos possam fazer uma reflexão da importância que a
existência dessas máquinas exercem não apenas no transporte das pessoas e em nossa
vida pessoal, mas também nas relações produtivas, culturais e sociais que nos afetam.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4
ENTREVISTA COM UM MECÂNICO
PESQUISA DE CAMPO
Página 25
Peça aos alunos que relatem como foi a entrevista e que explicitem as dúvidas que
surgiram a partir da conversa com o técnico. Reúna o máximo de informações que
relatarão a fim de subsidiar a formalização dos conceitos posteriormente. Incentive-os a
explicar com suas palavras como funciona um motor. Anote na lousa o que mais chamar
sua atenção para posteriormente ser trabalhado quando for aprofundado esse estudo.
Retomando o que foi relatado nas entrevistas com o mecânico, inicialmente é
interessante discutir como o motor consegue dar movimento ao carro. Para isso, na
oficina, ao verem um motor real, os alunos poderão entender as funções de cada parte
do motor. Assim, deverão constatar que este é constituído de um bloco de ferro ou
alumínio que possui câmaras de combustão. Nelas, ficam os cilindros, nos quais se
movem os pistões. Cada pistão tem um virabrequim ligado a ele por meio de uma biela,
peça capaz de transformar o movimento de vai-vem do pistão em rotação do
virabrequim. É justamente o virabrequim que, ao girar, transmite o movimento às rodas
do carro. Entender minimamente o papel de cada uma dessas peças é imprescindível
para a compreensão do que ocorre no momento da descrição de seu funcionamento.
Aprendendo a Aprender
Página 27
• O gráfico da P x V deve ser feito pelo professor na lousa. Sua intenção é
sintetizar e sistematizar as transformações termodinâmicas envolvidas nas etapas do
ciclo da turbina a vapor.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
18
• Assim como no ciclo da turbina a vapor, o gráfico P x V deve também ser feito
pelo professor na lousa. Sua intenção é sintetizar e sistematizar as transformações
termodinâmicas envolvidas nas etapas do ciclo do motor a quatro tempos.
• Aqui pode ser um dos momentos para a formalização do primeiro princípio da
termodinâmica. Para isso, sugerimos que use o apoio do livro didático de sua
preferência.
Da mesma forma que o motor de um carro, a turbina a vapor é uma máquina que
transforma energia interna do combustível em energia mecânica. Numa caldeira, por
meio da queima do combustível, ferve-se uma substância de operação, em geral a
água. Nesse processo, há uma mudança de estado de líquido para vapor e vice-versa.
O vapor sai da caldeira a alta pressão e é conduzido de forma a fazer girar as pás de
uma turbina, diminuindo a pressão e a temperatura desse vapor. Essa rotação ocorre
devido ao vapor transferir parte de sua energia cinética para as pás da turbina.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
19
Ao passar pelas pás, ainda que o vapor sofra uma queda em sua pressão e
temperatura, ele ainda sai da turbina como vapor a baixa pressão, o que exigiria
muito trabalho para conduzi-lo de volta à caldeira. Por isso, a necessidade de um
condensador. Assim, o vapor passa por uma serpentina trocando calor com o meio
externo (geralmente água), sendo então condensado. No estado líquido, ele pode ser
mais facilmente bombeado como água quente de volta à caldeira reiniciando, dessa
forma, um novo ciclo.
Faça agora o paralelo da máquina a vapor com o motor a combustão, trabalhando
principalmente a descrição dos quatro tempos de um motor a gasolina.
I – Devido ao giro do virabrequim, o pistão baixa no cilindro, abrindo a válvula
de admissão e injetando para dentro a mistura de gasolina e ar.
II – O pistão agora sobe, comprimindo a mistura.
III – Quando a compressão tem seu valor máximo, uma centelha elétrica
produzida pela vela de ignição promove a explosão instantânea, fazendo
com que os gases quentes se expandam, jogando o pistão para baixo e
produzindo trabalho.
IV – O pistão sobe descomprimindo os gases, a válvula de escape abre-se de
modo que os gases provenientes da queima são expelidos para o meio ambiente.
• Observação: é preciso ressaltar que esses diagramas é a representação teórica de
um ciclo real, uma idealização, já que, durante o funcionamento de um cilindro, os
processos não ocorrem de forma perfeita. Assim, no ciclo do motor a quatro tempos,
por exemplo, no trecho AB, em que se tem representado um processo isobárico, na
realidade há sim uma queda de pressão. Isso ocorre devido à velocidade de expansão
da mistura não acompanhar perfeitamente o movimento do pistão, acarretando queda
de pressão. Da mesma forma, no trecho BA, a expulsão do gás também não chega a
ser isobárica, pois o pistão não tem velocidade suficiente para acompanhar a saída do
gás. Entretanto, ainda assim, esse diagrama é útil para a compreensão do
funcionamento de um motor. É um momento oportuno para se discutir a idealização
de modelos, revelando sua importância no processo de construção da ciência.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
20
VOCÊ APRENDEU?
Página 29
1. O impulso necessário para o início do ciclo é efetuado pelo motor de arranque. Um
pequeno motor elétrico alimentado pela bateria do carro, que dá início ao giro do
virabrequim.
Nos primeiros veículos este “impulso” era efetuado mecanicamente, através de uma
manivela encaixada no eixo do virabrequim; processo semelhante é usado ainda hoje
em muitas motocicletas, nas quais se aciona um pedal para dar a partida do motor.
2. O acelerador do carro está articulado com o carburador ou com a injeção eletrônica
de combustível, dispositivo que controla a quantidade de combustível que é admitida
na câmara de combustão. O carburador, ou a injeção, tem a função de misturar o ar
com o vapor do combustível na proporção de 12 a 15 partes de ar para 1 de
combustível (por unidade de massa) e controlar a quantidade desta mistura, através
de uma válvula que se abre quando o pedal do acelerador é pressionado ou solto,
liberando maior ou menor quantidade da mistura combustível.
3. Após a descrição do motor de 4 tempos, é bastante simples falar sobre os de 2
tempos, visto que suas semelhanças e diferenças são poucas. A diferença
fundamental encontra-se no fato de a aspiração e a compressão da mistura do
combustível ocorrerem enquanto o pistão sobe (primeiro tempo), e a explosão e a
exaustão ocorrem enquanto o pistão desce (segundo tempo). Esse motor é muito
utilizado em motocicletas, cortadores de grama, motosserras, dentre outros.
4. Um bom desempenho do motor se deve, entre outras coisas, ao instante em que a
faísca é produzida. O pistão deve estar em fase de compressão e próximo à posição
de menor volume do cilindro, pois, nessa situação, o aproveitamento da energia
liberada na explosão, para a realização do trabalho, é máximo. Nesse caso, diz-se que
o motor está “no ponto”.
Num motor adiantado, ele encontra-se desregulado e provoca a explosão da mistura
de ar e combustível antes do tempo ou do “ponto”. Desse modo, o movimento de
subida do pistão é parcialmente freado, resultando numa perda de potência.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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5. Usa-se a queima de carvão para aquecer uma caldeira onde a água vaporiza a alta
pressão. Neste caso, os trechos podem indicar:
• Trecho AB
Seria o momento em que se abre a válvula de escape e o vapor começa a sair,
provocando rápida diminuição da pressão, praticamente sem mudar o volume.
• Trecho BC
Momento em que o volume diminui, com uma pressão praticamente constante.
• Trecho CD
Finalmente os vapores restantes são expulsos por compressão, quando o pistão volta
e diminui de volume.
• Trecho DE
Poderá representar a etapa de queima do carvão para aquecer a caldeira onde a água
vaporiza a alta pressão (constante), aumentando seu volume.
• Trecho EA
A válvula de admissão do vapor se fecha, e o vapor se expande dentro do pistão,
empurrando-o o restante de seu percurso.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5
ENTREVISTA COM UM TÉCNICO EM REFRIGERAÇÃO
PESQUISA DE CAMPO
Página 32
Uma vez realizada a entrevista, peça que os alunos a relatem, apresentando as
informações obtidas e as dúvidas que surgiram a partir do papo com o técnico. Reúna o
máximo de informações que puder para subsidiar a formalização dos conceitos
posteriormente. Incentive-os a explicar com suas palavras como a geladeira funciona.
Anote na lousa o que mais chamar a atenção para que, num próximo momento, possa
ser trabalhado.
Verifique se o relatório possui informações a respeito de o fato da geladeira
necessitar de uma substância de operação que, ao invés da água, é um gás chamado
freon. Além disso, a geladeira ainda possui partes que funcionam a altas temperaturas
(fonte quente) e a baixas temperaturas (fonte fria). O mais importante é relatarem que a
geladeira não usa calor, mas sim o bombeia de uma temperatura mais baixa para uma
mais alta, ou seja, o fluxo de calor não é espontâneo, como na turbina a vapor. Na
geladeira, a troca de calor se dá no sentido oposto, do mais frio para o mais quente, já
que espontaneamente o calor é transferido do quente para o frio. Portanto, para se
bombear calor na direção contrária, é preciso realizar um trabalho externo sobre o gás
freon, de modo que ele perca calor no condensador e evapore no congelador.
Provavelmente, o técnico poderá citar outros nomes ou expressões que
eventualmente fazem parte do jargão da área técnica. Entretanto, procure focar e se
prender mais às informações essenciais que possibilitam serem exploradas
posteriormente.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
23
Aprendendo a Aprender
Página 34
A geladeira funciona em ciclos utilizando um fluído (freon 12) em um circuito
fechado. Tem como partes essenciais o compressor (1), o condensador (2), uma válvula
descompressora (3) e o evaporador (congelador) (4).
O motor compressor comprime o freon, aumentando a pressão e temperatura,
fazendo-o circular através de uma tubulação. Ao passar por uma serpentina permeada
por lâminas no condensador, o freon perde calor para o exterior se liquefazendo. O
condensador fica atrás da geladeira. Ele é a parte quente que você já deve ter observado.
Ao sair do condensador, o freon liquefeito ainda a alta pressão chega a um
estreitamento da tubulação (tubo capilar) onde ocorre uma diminuição da pressão. O
capilar é a válvula de descompressão.
Quando o freon líquido e a baixa pressão chega à serpentina do evaporador, de
diâmetro bem maior que o capilar, se vaporiza retirando calor da região próxima
(interior do congelador). O gás freon a baixa pressão e temperatura é então aspirado
para o compressor onde se inicia um novo ciclo.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
24
O congelador é a parte mais fria e por isso sempre está localizado na parte superior
da geladeira, havendo assim condições de trocar calor com todo o seu interior. O ar
quente sobe, se resfria na região do congelador e depois desce, estabelecendo a
convecção do ar. É por esse motivo que muitas geladeiras são geralmente vazadas.
Tal como na turbina a vapor e no motor a combustão, a geladeira trabalha com uma
substância de operação, tem partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente) e
a baixas temperaturas (fonte fria).
Enquanto na turbina e no motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a
fria, na geladeira o fluxo de calor não é espontâneo. A troca de calor se dá do mais frio
(interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra, é
necessário trabalho externo sobre o freon para que ele perca calor no condensador e se
evapore no congelador.
Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente através do
condensador é igual à quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o
trabalho realizado pelo compressor.
VOCÊ APRENDEU?
Página 36
1. Conforme já descrito. Anteriormente, a geladeira funciona em ciclos, utilizando
como substância de operação um fluido que se vaporiza a baixa pressão e com alto
calor latente de vaporização. O gás freon é comprimido pelo compressor, sofrendo
assim um aumento de pressão e temperatura. Em seguida, o gás, ao passar pelo
condensador (grade quente que fica na parte de trás da geladeira), perde calor para o
meio externo e liquefaz-se. Ainda em alta pressão, o freon no estado líquido sai do
condensador e chega até uma válvula de descompressão, que nada mais é que um
estreitamento da tubulação, sofrendo então uma queda em sua pressão. O freon
liquefeito, agora de baixa pressão, chega até o evaporador (corriqueiramente
chamado de congelador). Com um diâmetro bem maior que o capilar, o freon então
se vaporiza e retira calor da região interna do congelador. Daí, um novo ciclo se
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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inicia quando o gás, em forma gasosa e a baixa pressão e temperatura, é aspirado
para o compressor.
2. A geladeira e o freezer são equivalentes quanto ao funcionamento. O freezer possui
um evaporador grande o suficiente para manter a temperatura interna da ordem de -
200º C. Por isso o motor (motor compressor) é mais potente, comprimindo maior
quantidade de freon 12 que a geladeira comum. Consequentemente, o condensador
do freezer troca maior quantidade de calor com o ambiente.
3. Os refrigeradores e os condicionadores de ar têm em comum o fato de trabalharem
em ciclos, num “circuito fechado”, sem gastar a substância refrigerante ao longo do
tempo. Os condicionadores de ar também são constituídos por um compressor, um
evaporador e um condensador, mas utilizam o freon 22, cuja temperatura de
ebulição. De (- 40,80º C à pressão atmosférica), permite a sua condensação sob
pressões menores sem haver necessidade de compressões tão potentes.
Nos condicionadores, o ar que provém do ambiente (contendo pó e umidade), após
passar por um filtro que retém suas impurezas, entra em contato com a serpentina do
evaporador, sendo resfriado e devolvido ao ambiente impulsionado por um
ventilador.
4. É menor que 800 cal.
De acordo com o esquema acima, podemos dizer que a quantidade de calor retirado
da fonte fria Q1 (interior da geladeira), é a diferença entre a quantidade de calor
jogado para a fonte quente (Q2) e o trabalho (W) recebido pelo compressor para
fazer o ciclo que, neste caso, não é espontâneo, como já abordado.
Q1 = Q2 – W ( 2ª Lei da Termodinâmica)
Como o calor rejeitado para o ambiente vale Q2 = 800 cal, pela expressão, teremos:
Q1 = 800 – W. Dessa forma, verifica-se que Q1 < 800 cal.
5. A ideia não vai funcionar, pois como a porta da geladeira está aberta e o radiador
também se encontra na sala, todo o calor retirado do ambiente, adicionado ao
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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trabalho realizado para retirar esse calor, será devolvido para a sala por meio do
radiador. Isso vai fazer com que a geladeira rejeite, ao final, maior quantidade de
calor do que absorveu.
LIÇÃO DE CASA
Página 38
O objetivo da questão é fazer com que os alunos façam uma pesquisa (pode ser na
internet ou mesmo em livros didáticos, enciclopédias, etc.) afim de já iniciar o que será
discutido na próxima situação de aprendizagem, momento em que serão abordados a
potência e o rendimento das máquinas térmicas.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
PESQUISANDO A POTÊNCIA E O RENDIMENTO
PESQUISA INDIVIDUAL
Página 39
Esta pesquisa tem como objetivo iniciar a abordagem e discussão a respeito da
potência e do rendimento das máquinas térmicas a partir do que os alunos trouxeram de
informações da entrevista. As principais informações devem ser colocadas na lousa ou
destacadas pelo professor para que posteriormente possam ser retomadas à medida que
os conceitos de potência e rendimento das máquinas térmicas forem abordados.
Aprendendo a Aprender
Página 40
1. A potência desses motores é diretamente determinada pela quantidade de
combustível aspirada pelo carburador ou injeção eletrônica de combustível,
comprimida e detonada pela faísca da vela, responsável pela explosão da mistura. É
essa explosão da mistura ar e combustível no interior do cilindro a responsável pelo
movimento do carro.
Os carros 1.0 têm o volume dos cilindros de 1 litro e são menos potentes porque o
volume da mistura ar e combustível, a ser detonada no cilindro do motor, é menor do
que num carro 1.6, que tem volume de 1,6 litros. Com isso, os motores 1.0
consomem menos combustível do que um carro 1.6.
A quantidade máxima de combustível ou mistura admitida em cada cilindro do
motor, multiplicada pelo número de cilindros que compõem o motor a explosão, é
denominada cilindrada, expressa em cm3 ou pol3.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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• Observação: Vale lembrar que não é apenas o volume dos cilindros que
determina a potência de um carro. As características dos motores, como o regime de
rotação, posicionamento dos cilindros, entre outras, também determinam a potência.
O melhor contra exemplo são os motores 1.0 turbo, que forçam a entrada da mistura
por meio de turbinas, postas em movimento pelos gases exalados do próprio motor.
2. Há vários procedimentos que contribuem para aumentar o rendimento dos motores.
Apesar de estar sendo solicitado somente dois fatores, vamos aqui destacar mais
alguns:
• Uma forma seria aumentar o fluxo de ar no interior do cilindro, pois quanto mais
ar é injetado em seu interior, maior será a explosão da mistura;
• Resfriar o ar que entra – comprimir o ar aumenta sua temperatura. O ideal é ter o
ar mais frio possível dentro do cilindro, pois quanto mais quente o ar, menos ele se
expande quando a combustão acontece;
• Procurar as peças mais leves – peças mais leves ajudam a melhorar o
desempenho do motor. Cada vez que o pistão muda a direção, ele usa mais energia
para frear a entrada em uma direção e começar outra. Quanto mais leve o pistão,
menos energia ele consome. Peças mais leves também permitem que o motor gire
mais rápido, dando a ele mais potência;
• Aumentar a proporção de compressão – quanto mais alta a proporção de
compressão, maior a força produzida. Quanto mais comprimida a mistura
ar/combustível, mais facilmente ocorrerá a explosão da mistura;
• Aumentar a atividade do cilindro – prender mais ar (consequentemente mais
combustível) em um cilindro, assim como aumentar seu tamanho, poderá levar a um
aumento na força obtida;
• Aumentar o deslocamento – mais deslocamento significa mais força, pois mais
gás é queimado durante cada revolução do motor.
VOCÊ APRENDEU?
Página 42
1. Ela diminuiria.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
29
Pela expressão do rendimento η =
quente
quente frio
T
T T  , quanto menor for a
temperatura da fonte quente (Tquente) menor será o rendimento ().
2. O ar condicionado retira calor do ambiente (fonte fria) e o rejeita para o exterior da
sala (fonte quente) à custa da realização de trabalho. Já no caso do refrigerador, ele
faz a mesma coisa, porém, ele libera calor para o mesmo ambiente. Isso faz com que
todo o calor retirado seja colocado novamente no mesmo ambiente, fazendo com que
a temperatura não varie significativamente.
Para o refrigerador funcionar de forma semelhante ao ar condicionado, deveríamos
colocar o condensador (radiador) em um ambiente externo para liberar o calor em
outro ambiente.
3. O refrigerador é um aparelho que reduz a temperatura dos materiais colocados em seu
interior e mantém neste ambiente uma temperatura inferior à de suas vizinhanças. O
refrigerador retira calor de uma fonte fria e, após a realização de trabalho pelo motor,
rejeita uma quantidade de calor para o ambiente (fonte quente). Como o calor sempre
passa espontaneamente da fonte quente para a fonte fria, nesse caso, o processo não é
espontâneo. Daí a necessidade de se realizar trabalho sobre o refrigerador.
Quanto maior for a temperatura da sala onde o refrigerador se encontra, maior deverá
ser o trabalho realizado para retirar calor de seu interior (fonte fria) e rejeitar para o
ambiente por meio do radiador (fonte quente), ou seja, mais trabalho o motor deverá
realizar para resfriar o interior (fonte fria). Dessa maneira, o motor do refrigerador
vai consumir mais energia para a realização desse trabalho.
4. Neste caso, temos uma máquina térmica que retira calor de uma fonte quente para a
realização de trabalho. Uma parte do calor fornecido pela fonte quente é rejeitada
para uma fonte fria. Essa é a 1ª Lei da Termodinâmica (que nada mais é que o
princípio da conservação da energia) e pode ser escrita da seguinte forma:
W = Qquente - Qfrio
Dessa forma, podemos escrever que:
43.000 = 176.000 - Qfrio
Qfrio = 133.000J
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
30
Então, 133.000J equivale à quantidade de energia rejeitada para a fonte fria que não
foi utilizada para realizar trabalho. Essa energia foi cedida ao ambiente. Como ela
não foi aproveitada de forma útil, dizemos que ela foi perdida.
O rendimento é dado por:
 = W/Qquente
 = 43.000/176.000
 = 0,244 ou  = 24,4%
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7
UMA PERGUNTA INTRIGANTE: POR QUE TEMOS DE
ECONOMIZAR ENERGIA, JÁ QUE A FÍSICAA DIZ QUE ELA
NÃO SE PERDE
Roteiro 7
Página 44
Espera-se que o conteúdo principal a ser abordado no texto deva focar a respeito da
necessidade de se economizar energia devido ao fato de que nem toda a energia
produzida é transformada integralmente em trabalho. Uma parte se transforma em calor,
ou outra forma de energia, que não há como ser reaproveitada. Neste caso, dizemos que
houve uma perda da capacidade de sua utilização de forma útil. Por isso, é necessário
que haja um consumo racional de energia, visto que suas reservas são limitadas.
Aprendendo a Aprender
Página 46
O intuito é relacionar a resposta com a segunda Lei da Termodinâmica e,
consequentemente, com o conceito de entropia. Os alunos devem perceber o que foi
estudado no tema anterior, ou seja, parte da energia utilizada para realizar um trabalho
sempre é transformada em calor. Dessa forma, a parcela de energia transformada em
calor é “perdida”, no sentido de que não pode ser reutilizada para gerar mais trabalho.
Um motor, por exemplo, esquenta ao ser utilizado e, para produzir mais trabalho, é
preciso injetar mais combustível. Assim, na realidade, não ocorre uma perda efetiva de
energia. O que acontece é que ao ser convertida em calor há uma degradação dessa
energia de forma que não podemos mais utilizá-la para gerar trabalho útil.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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Leitura e Análise de Texto
Página 47
1. Um dos enunciados da segunda lei da termodinâmica diz que: “O calor não flui
espontaneamente de um corpo frio para um corpo quente”. Essa afirmação pode ser
facilmente observada no dia a dia, quando, por exemplo, deixamos uma taça de
sorvete fora da geladeira por certo tempo. Sabemos que o sorvete vai derreter, pois o
calor passa do ar para ele, excedendo sua temperatura de fusão. Da mesma forma, o
calor de uma xícara de café é transferido para o ar, esfriando o café. Não há sentido
acreditar que o contrário pudesse acontecer, ou seja, que o café se tornasse mais
quente enquanto o ar ao seu redor esfriasse. Observe que essa lei não diz que o calor
não pode passar do corpo mais frio para o mais quente, afinal é isso o que ocorre em
um refrigerador. O que ela afirma é que isso não acontece espontaneamente.
2. Inicialmente, o aluno precisará entender o significado físico dos termos ordem e
desordem. Para a Física, um sistema ordenado é aquele no qual uma determinada
quantidade de objetos, que podem ser átomos ou tijolos, está disposta de forma
regular e previsível. Assim, os átomos de um cristal ou os tijolos fixados em uma
parede são sistemas altamente ordenados. Já um sistema desordenado fisicamente é
aquele no qual os objetos estão dispostos de forma irregular, como os átomos de um
gás ou os tijolos espatifados depois de uma demolição. Então, de acordo com esse
princípio da termodinâmica, é possível citar como exemplo o que acontece com as
moléculas de gás que escapam de um vidro de perfume: elas se movem inicialmente
num estado relativamente ordenado, quando ainda estão confinadas no pequeno
vidro, para um estado altamente desordenado quando se abre a tampa do vidro.
3.
a) Irreversível, pois não há como juntar novamente os cacos de vidro da garrafa
e refazê-la.
b) Irreversível, pois não há como desfazer a mistura e voltar com os produtosque se
tinha antes da mistura.
c) Irreversível, pois apesar de o gelo poder se transformar em água e esta água
novamente se transformar em gelo, parte da água do gelo se mistura com o
refrigerante de forma a não ser possível seu retorno novamente ao gelo.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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d) Irreversível, porque a lenha depois de queimada não poderá retornar a madeira
original que se tinha antes da queima.
e) Irreversível, pois não há como obter o pneu da mesma forma que antes de ser
perfurado.
f) Reversível, pois a água do gelo poderá se transformar novamente em gelo.
• Observação : em todos os exemplos, ser reversível seria como "passar o filme"
do fenômeno ao contrário e não a sensação de impossibilidade.
4. A primeira Lei da Termodinâmica se restringe apenas à conservação da energia,
possibilitando todas as conversões de energia, uma vez que não estabelece um
sentido único para as suas transformações. Já a segunda lei estabelece um “sentido
preferencial” para a energia, uma vez que o calor flui espontaneamente somente do
corpo quente para o corpo frio. A segunda lei considera ainda que a energia não
aproveitada no processo (energia degradada) não pode ser reaproveitada pelo
sistema.
LIÇÃO DE CASA
Página 49
1. De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica, a energia não pode ser criada, nem
destruída, apenas transformada. Por isso, é impossível que uma máquina seja capaz
de realizar trabalho sem que uma energia seja transformada e cedida ao sistema.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 8
O BALANÇO ENERGÉTICO DO BRASIL E OS CICLOS DE
ENERGIA NA TERRA
Aprendendo a Aprender
Página 52
Fonte de energia Fonte
primária
Fonte
secundária
Renovável Não
renovável
Petróleo x - - x
Água x - x
Urânio x - - x
Lenha - x x -
Vento x - x -
Álcool - x x -
Sol x - x -
Carvão mineral x - x -
Gás natural x - - x
Biodiesel - x x -
Ondas do mar - x x -
Bagaço da cana - x x -
Fontes primárias: as fontes primárias de energia apresentam-se disponíveis aos seres
vivos na forma ou estado que o ciclo da natureza oferece e determina. Elas são
utilizadas na forma como provém da natureza.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
35
Fontes secundárias: são fontes derivadas das fontes primárias, representando apenas
transformações ou conversões da energia.
Fontes Renováveis e não Renováveis: as fontes classificadas como não renováveis são
aquelas cuja escala de tempo envolvida no processo de reposição natural é da ordem
de milhares ou milhões de anos, além de requerer condições favoráveis, como
pressão e temperatura. Quanto à reposição artificial dessas fontes, quando não é
impossível, é absolutamente inviável, já que na maioria das vezes envolve um gasto
energético igual ou superior à quantidade de energia a ser obtida.
Já as fontes renováveis são aquelas cuja reposição pode ser feita facilmente, envolvendo
escalas de tempo da ordem de alguns anos, como, por exemplo, a biomassa.
Leitura e Análise de Texto
Página 54
• O carbono é o componente primário de toda matéria orgânica. Ele pode ser
encontrado em grandes concentrações na atmosfera terrestre, nas rochas, no solo e
nos sedimentos. O ciclo de carbono possui várias fases, sendo as duas principais a
fotossíntese e a respiração. A fotossíntese é o processo em que as plantas absorvem a
energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxigênio e carboidratos (açúcares,
como a glicose), elementos fundamentais para o crescimento das plantas. Já a
respiração é a fase na qual essa glicose é decomposta para liberar a energia usada
pelo organismo. Os animais e as plantas utilizam os carboidratos na respiração,
utilizando a energia contida na glicose e emitindo CO2.
Juntamente com a decomposição orgânica (forma de respiração das bactérias e
fungos), a respiração devolve o carbono (depositado nos ecossistemas terrestres e
marinhos) para a atmosfera. É por meio de processos como fotossíntese, respiração e
decomposição que os átomos de carbono circulam, seja pela atmosfera, pelos
vegetais, pelos animais e pelos oceanos. Desse modo, podemos perceber que tanto na
fotossíntese como na respiração, fundamentais no ciclo do carbono, estão envolvidos
os primeiros e os principais processos de transformação de energia no ambiente
terrestre.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 2a série – Volume 2
36
VOCÊ APRENDEU?
Página 55
1. O carbono passa por várias fases. Ele pode ser incorporado aos seres vivos
(participando de estruturas ou de processos bioquímicos fundamentais para a vida),
pode retornar à atmosfera na forma de gás carbônico pela respiração e também pela
decomposição dos seres vivos após sua morte (em que ocorre liberação do carbono
remanescente). Entretanto, em certas condições, a matéria orgânica pode ficar livre
da ação de decompositores e vir a sofrer lentas e gradativas transformações químicas.
Dessa maneira, se originam os depósitos de carvão e petróleo.
2. Sim, pois direta ou indiretamente todos os tipos de energia utilizados pelas máquinas
em geral provêm da radiação solar.
A gasolina, o óleo diesel e outros derivados do petróleo são formados por fósseis de
vegetais e animais, assim como os alimentos, carvão vegetal e a lenha, produzidos
pelas plantas, são resultados de transformações da energia proveniente do sol.
A hidroeletricidade, como a energia dos ventos e as combustões de todos dos tipos,
também dependem da radiação solar, seja para a evaporação da água, para a
circulação do ar ou para a fotossíntese, responsável pela formação dos combustíveis.
3. Participa de certo modo, pois toda substância orgânica tem carbono em suas
moléculas e o álcool é produzido a partir da cana-de-açúcar, um vegetal. A vantagem
é que o álcool é considerado energia renovável, pois se pode plantar e colher a cana,
o que não pode ser feito com a energia produzida a partir do petróleo.