3º teste - correcção - Física 12 - 2005/06

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Escola Secundária com 3º Ciclo do Ensino Básico Dr. Joaquim de Carvalho 3080-210 Figueira da Foz

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Correcção do 3º Teste de Avaliação Avaliação de Física (12º A+F, 14/12/2005) Grupo I

Versão 1 1. (D) 2. (C) 3. (A) 4. (A)

Versão2 1. (B) 2. (A) 3. (D) 4. (C)

y 1.

1 T = = 0,50 s ; A = 10 cm = 0,10 m . f

2.

xc.m. =

B

4

m A x A + m B x B + m C x C 0 + 0 + 2m × 3 6 m = = = 1,5 cm m A + m B + mC m + m + 2m 4m

C

A

3

x

mA y A + mB y B + mC y C 0 + m × 4 + 2m × 4 12m = = = 3,0 cm mA + m B + mC m + m + 2m 4m = 1,5 e x + 3,0 e y (cm)

y c.m. = rc.m. 3.

P = peso do trenó; N = reacção normal da pista sobre o trenó; N ' = acção normal da trenó sobre a pista N e N ' são um par acção-reacção. z

θ

N

n

N′

P

 ____________  N n = ma n  _________  N + P = ma ⇔  ⇔  ⇔  mg  N cos θ = mg  N z − mg = 0  N = cos θ > mg 4. A intensidade

F

cresce até ser igual à força de atrito estático máximo:

Fmáx = Fa,máx = µ e mg .

Depois do

corpo entrar em movimento o atrito passa a ser cinético e portanto inferior ao valor máximo da força

Fa,cinético = µ c mg < Fmáx = µ e mg

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Fmáx :


Correcção do 3º Teste de Física – 12º ano A+F – 12/12/2005

Professor: Carlos Portela

GRUPO II 1.1. Comparando a expressão dada com a equação do movimento harmónico simples: conclui-se que

ω=

ω = 5π rad s -1

(frequência angular ou pulsação).

2π 2π ⇔ 5π = ⇔ T = 0,4 s T T

(o período é o intervalo de tempo de uma oscilação completa).

Assim 4 oscilações demorarão um intervalo 1.2.

x(0) = 0,12 sin(0 + v(t ) =

3π ) = −0,12 m 2

∆t = 4T = 4 × 0,4 = 1,6 s

(posição inicial)

3π 3π dx = 0,12 × 5π cos(5π t + ) = 1,88 cos(5π t + ) (SI) 2 2 dt

v(0) = 1,88 cos(0 +

x(t ) = A sin(ω t + φ )

logo

3π ) = 0 m s -1 2

1.3. Na posição de equilíbrio o módulo da velocidade é máximo (energia potencial elástica mínima implica energia cinética máxima):

v máx = 1,88 m s -1 .

1.4. No movimento harmónico simples verifica-se que relação

F (t ) = − k x(t )

em que

k

a (t ) = −ω 2 x(t ) . Por outro lado a força elástica obedece à

é a constante elástica da mola.

Relacionando as duas equações através da 2ª lei de Newton -

k = mω

⇔ k = 0,100 × (5π ) ≈ 24,7 N m 2

Da expressão anterior conclui-se que a energia cinética máxima é de

expressão

y ≈ 0,178 cos 2 (5π x +

3π ). 2

De seguida escolher o intervalo de valores de xx na janela de 0 s a 0,4 s e, de seguida, escolher o zoom AjustZoom

- verifica-se que

3π 3π ) ⇔ E c ≈ 0,178 cos 2 (5π t + ) 2 2 Ec versus tempo

0,178 J .

No editor de funções introduz-se a

F (t ) = m a (t )

-1

E c = 12 mv 2 ⇔ E c = 0,5 × 0,100 × 1,88 2 cos 2 (5π t +

2,00E-01

energia cinética / J

1.5.

2

1,60E-01 1,20E-01 8,00E-02 4,00E-02 0,00E+00

(ou ZoomFit), obtém-se o seguinte

0

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

gráfico:

tempo / s

Esboça o gráfico da energia cinética do oscilador em função do tempo nos primeiros 0,4 s do movimento, indicando o valor máximo da energia cinética e apresentando a equação que traduz a energia cinética em função do tempo. 1.6. Gráfico A. A força elástica tem sempre sentido contrário ao da elongação em relação ao equilíbrio sendo, em módulo, directamente proporcional ao valor dessa elongação.

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2.

A

2.1. 2.2.

D

2.2.1. O módulo da força centrípeta obedece às 2ª lei de Newton. Assim no ponto C verifica-se que: 2 vC Fres, n = N = ma n = m R

C

P

A determinação da velocidade no ponto C resulta da conservação da energia mecânica (o atrito é desprezável):

E m (A) = E m (C) ⇔ mghA + 0 = mghC + 12 mvC2 ⇔

2.2.2.

Figura 4

B

v C2 = 2 g ( hA − hC ) = 19,6 × (0,6 − 0,2) = 7,84 m 2 s -2 7,84 Substituindo na expressão da “força centrípeta”: Fres, n = N = 0,025 × ≈ 0,98 N 0,20 Fres, t = P = mg = 0,025 × 9,8 ≈ 0,245 N

2.3. Na posição mais alta a reacção normal e o peso são ambos centrípetos logo: 2 2 v v 2 Fres, n = ma n ⇔ N + P = m D ⇔ N = m D − mg ⇔ N = 0,125v D − 0,245 R R

A determinação da velocidade no ponto C resulta da conservação da energia mecânica (o atrito é desprezável):

E m (A) = E m (D) ⇔ mghA + 0 = mghD + 12 mv D2 ⇔ v D2 = 2 g (hA − hD ) = 19,6 × (0,6 − 0,4) = 3,92 m 2 s -2 Substituindo valor anterior na expressão que permite calcular a reacção normal obtém-se:

N = 0,125 × 3,92 − 0,245 ≈ 0,245 N 2.4. A esfera ao passar na posição D não cai uma vez que ainda existe contacto com a calha ( N

≠ 0 ).

Tal

acontece já que a velocidade da esfera é maior do que o valor mínimo necessário para descrever aquele looping. A esfera ao passar no ponto D comprime a calha para cima para que a força de reacção lhe permita curvar naquele looping.

3. 3.1.

Fa

Fres, n = N = ma n ⇔ N = mω 2 R ⇔

N =m

4π 2 4π 2 R = 70 × × 4 ≈ 4,48 × 10 3 N T2 1,57 2

3.2. Estando o passageiro suspenso a resultante das forças no eixo vertical deve ser nula:

Fa − P = 0 ⇔ Fa = mg ≈ 686 N

P

Só esta força de atrito mantém o equilíbrio. No entanto esta força deve ser menor

ou

igual

que

a

força

de

atrito

estático

máximo:

Fa, máx = µ e N ≈ 0,80 × 4,48 × 10 ≈ 3,58 × 10 N 3

3

A força de atrito real é bastante menor que o valor máximo da força de atrito estático o que garante uma excelente segurança ao passageiro.

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3.3. A reacção normal aumenta com o valor da velocidade porque é a única força com direcção centrípeta responsável pelo movimento circular do passageiro. Podemos portanto concluir que a reacção normal é directamente proporcional ao quadrado da velocidade do passageiro:

v2 Fres, n = N = ma n = m R

A força de atrito é constante porque a sua única função é equilibrar o peso do passageiro:

Fa − P = 0 ⇔ Fa = mg

4. Um corpo de massa 2,0 kg é largado do ponto A, partindo do repouso, de um plano inclinado de um ângulo relação à horizontal tal que

em

sin θ = 0,60 . O coeficiente de atrito cinético entre o corpo e o plano é igual a 0,40 e

a distância de A para B é de 1,80 m. Considera 4.1.

θ

g = 9,8 m s -2 .

 Px − Fa = ma mg sin θ − µ c N = ma P + N + Fa = ma ⇔  ⇔  ⇔ N P − = 0 N mg θ = cos y   mg sin θ − µ c mg cos θ = ma ⇔ a = g sin θ − µ c g cos θ ⇔ a = g (sin θ − µ c cos θ ) ⇔   ____________________ a = 9,8 × (0,60 − 0,40 × 0,80) ≈ 2,74 m s -2

4.2. O movimento do corpo é uniformemente acelerado:

x = x0 + v0 t + 12 at 2 ⇔ 1,80 = 0 + 0 + 0,5 × 2,74 × t 2 ⇔ t ≈ 1,15 s

5. 5.1. Para o pêndulo A verifica-se que a amplitude é

π rad

A = 0,03 m

e o período

T ≈ 1,6 s .

A fase inicial é de

porque o pêndulo parte da posição de equilíbrio deslocando-se no sentido negativo. Podemos assim

calcular a frequência angular:

ω=

Elongação em função do tempo é:

2π 2π ⇔ ω≈ ≈ 3,9 rad s -1 . T 1,6

x(t ) = A sin(ω t + φ ) ⇔ x(t ) = 0,03 sin(3,9 t + π )

5.2. Maior frequência implica menor período, ou seja, menor intervalo de tempo para uma oscilação completa: o pêndulo B apresenta maior frequência. 5.3. O comprimento de um pêndulo influencia o seu período de oscilação de acordo com a seguinte relação:

ω2 =

g l gT 2 ⇔ T = 2π ⇔ l= l g 4π 2

A expressão anterior mostra-nos que o comprimento do pêndulo é directamente proporcional ao quadrado do período de oscilação. 2

Assim obtemos:

gTB 2 2 2 lB l B TB l B  0,8  π 4 = ⇔ = ⇔ ≈  ≈ 0,53 2 lC l C TC 2 lC  1,1  gTC 4π 2

O fio B tem cerca de metade do comprimento do fio C.

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