Físico-Química A - 11º Ano (3º Teste)

Físico-­‐Química  A  -­‐  11º  Ano

Física

Tópicos  abordados:

-­‐ Movimentos  na  Terra  e  no  espaço

-­‐ Satélites.  Movimento  circular  e  Uniforme;

-­‐ O  movimento  de  um  satélite  e  o  movimento  circular  uniforme;

-­‐ Comunicações

-­‐ Comunicação  de  informação  a  curtas  distâncias; -­‐ Sinais:

-­‐ Som:

-­‐ Tipos  de  ondas:  longitudinais  e  transversais; -­‐ Velocidade  de  propagação  de  uma  onda; -­‐ Sinal  harmónico  e  onda  harmónica; -­‐ Sons  harmónicos  e  complexos; -­‐ Espectro  sonoro;

-­‐ Campos  MagnéNcos:

-­‐ Pólos  e  linhas  de  campo; -­‐ Caracterização  de  um  campo  magnéNco; -­‐ Campos  magnéNcos  criados  por  correntes  eléctricas;

-­‐ Campo  eléctrico:

-­‐ Pólos  e  linhas  de  campo; -­‐ Caracterização  de  um  campo  eléctrico;

1) Movimentos  na  Terra  e  no  espaço 1.1)  Satélites.  Movimento  circular  e  uniforme   Como   já  deves  ter   estudado,   à  volta  da  Terra  (e   de   outros  planetas)   circulam   satélites.   Estes  satélites  podem  ser  naturais  ou  ar,ficiais.  A  Terra  só  possui  um  satélite  natural,  que  é  a  Lua,   no  entanto  nesta  “era  da  comunicação”  o  número  de  satélites  arNficiais  aumenta  mensalmente!  E   os  satélites  podem   ser   uNlizados  para  muitas  coisas,   como   a  metereologia,   o   reconhecimento   (para  fins  militares)  ou  as  telecomunicações.   Apesar  dos  satélites  GPS  darem  duas  voltas  à  Terra  por   dia,   existem  satélites  que  dão  uma   volta  à  Terra  por  dia,  os  satélites  geoestacionários.  Estes  satélites  têm  um  período  de  24H,  estão  a   uma  al,tude  de  cerca  de  36  000  Km  e  o  seu  plano  de  órbita  é  o  plano  equatorial.     Nestes  satélites,   a  única  força  de  actua  é  a  força  graví,ca.   Então  porque  é  que  não  caem   para   a   Terra?   Não   caem   para   a   Terra   devido   à   sua  velocidade!   Acontece   que   estes   satélites   também  Nnham  uma  velocidade,  velocidade  esta  que  era  perpendicular   à  força  gravíNca,  fazendo-­‐ os  manter  em  órbita,  no  que  se  chama  um  movimento  circular  e  uniforme.

Fg v

  O   movimento   circular   uniforme   resulta   de   uma   força   que   aponta   para   o   centro   do   movimento,   a   força   centrípeta,   e   da   velocidade   que   é   perpendicular   a   esta   força.   A   força   resultante  e  a  aceleração  são  assim  perpendiculares  à  velocidade.   Atenção!  Neste  movimento  não  podemos  dizer  que  a  velocidade  é  constante,  apenas  que   o  módulo  da  velocidade  é  constante!

  No  exemplo  dos  satélites  geoestacionários,   o   período  do  movimento  é  de  24H,  mas  nem   sempre  é  assim.  Se  tomarmos  por   exemplo  um  disco  de  vinil,   a  rodar  no   gira-­‐discos,  temos  uma   situação  aparentemente  diferente,  no  entanto  bastante  semelhante.  

Exemplo:

  Com  a  ajuda   de   um  marcador  branco,  faz   um  risco  num  disco  de  vinil   que   vá   desde   o   centro   do   disco   até   um   determinado   ponto   da   circunferência  em  linha  recta  (um  raio  do  disco).   Coloca  o  vinil  no  gira-­‐disco  e  fá-­‐lo  girar.  Ao  girar,  vais  reparar  que   o  traço  também  gira,  como  um  relógio.  Admite  que  o  vinil  tem  raio  20  cm.    

Como  calcularias  a  velocidade  do  gira-­‐discos? E  a  sua  aceleração?

  Bem,  em  primeiro  lugar  teria  que  se  medir  (com  um  cronómetro)  o  tempo  que  demoraria  a   dar  uma  volta.  Para  fazer  isto  o  melhor  seria  contar  o  tempo  que  este  demoraria  a  dar   10  voltas,   para  diminuir   um  pouco  a  margem  de  erro.  Imaginemos  que  demoraria  1,5  s  a  dar  uma  volta,  por   isso  diríamos  que   Descobrindo   o  T,   teríamos  duas  hipóteses,   resultantes  da  má  formulação  deste  problema.   É   que   existem   duas   velocidades,   a   angular   (variação   do   ângulo   com   o   tempo)   e   a   média   (deslocamento  por  tempo).   Este  exercício   foi   formulado  de  propósito  de  forma  a  abordar   estas   duas  vertentes  da  velocidade.   Assim  dizemos  que: ou ou

   

Isto  significa  que,  por  cada  segundo,  há  um  deslocamento  angular  de  4,2  rad.  

 

Nota:  

 

Assim,  tendo  calculado  a  velocidade  angular,  basta  subsNtuir:

  Chegámos   assim   à   velocidade   angular   e   média,   só   falta   a   aceleração   que   também   se   calcular   muito  rapidamente.  Esta  aceleração  é  a  aceleração  centrípeta,  porque  a  força  resultante   é  centrípeta  (aponta  para  o  centro).  Assim,  temos  que:

       ou        

 ou          

 

Temos  assim  o  problema  resolvido!

2) Comunicações 2.1)  Comunicação  de  informações  a  curtas  distâncias   Comunicação  significa  tornar   comum,  e  este  sempre  foi  um   tópico  de  muito  interesse  para   o  homem,  visto  que  este  queria  comunicar  para  além  da  sua  voz,  porque  esta  era  muito  limitada.   Assim  surgiram  os  primeiros  sistemas  de  comunicação.   A   comunicação   pode   ser   feita  a   curtas   ou   longas   distâncias  e   requer   três   coisas:   um   emissor,  um  sinal  e  um  receptor.   O  emissor  e  o  receptor  são   fáceis  de  compreender,   mas  o  que  é   um  sinal?  Um  sinal  está   ligado  à  alteração  das  caracterísNcas  do  meio  ksico,  ou  seja,  um  sinal  é  uma  perturbação  no  meio.   E  na  frase  anterior   introduzimos  uma  nova  necessidade  para  comunicar:  um  meio  de  propagação.   Isto  também  é  essencial,  caso  contrário  o  sinal  não  se  propaga  e  não  chega  onde  deveria.   Exemplo:     Imagina   uma   corda   segurada   nas   duas  pontas   por   duas  pessoas.   Se  uma   delas   abanar   a   corda,  a  outra  sente  que  essa  pessoa  abanou   a  corda;  mas  se  as  duas   pessoas  abanarem  a   corda   ao  mesmo  tempo,  já   se  torna  mais  diOcil  disPnguir  os  sinais  emiPdos  por   um   e  por   outro,   porque,   como  o  meio  é  o  mesmo,  não  se  podem  propagar  ao  mesmo  tempo  e  no  mesmo  lugar.     Mas  vamos  conNnuar  com  o  exemplo  da  corda.  Ao  oscilar  a  corda,  está-­‐se  a  criar  um  pulso,   ou   seja,   é   enviado   um   sinal   que   se   propaga,   este   sinal   forma   uma  onda.   Este   pulso   gera  a   transferência   de  energia  que  faz  com  que,   consequentemente  e  ordenadamente,  as  várias  partes   da  corda  vão  subindo  e  descendo,  não  havendo  qualquer  transporte  de  matéria.  

As  ondas  podem  ser,  de  acordo  com  a  direcção  de  propagação: -­‐ Transversais   -­‐   se  oscilam  perpendicularmente   há  direcção  de   propagação   (ex.:   corda  a   oscilar); -­‐ Longitudinais  -­‐  se  oscilam  na  direcção  de  propagação  (ex.:  mola  esNcada).

 

Podemos  ainda  classificar  as  ondas  em: -­‐ Mecânicas  -­‐  se  não  se  transmitem  no   vazio;  necessitam  de  um  meio  de  propagação   (ex.:   som); -­‐ Electromagné,cas  -­‐  se  se  transmitem  no  vazio  (ex.:  luz).

  E  há  um  pequeno  truque  para  as  disNnguir.     Exemplo:     Estás  na  Lua.   Imagina   que   está   outra   pessoa  na   Lua   conPgo.  Como  sabes   a   Lua   não   tem   atmosfera,  logo   não  há  ar.  Por   muito  alto  que  tentes  falar,  ele  nunca  te  vai  ouvir   (som  necessita  de   meio  de  propagação  -­‐  mecânica)  mas  vais  sempre  vê-­‐lo  (luz  não  necessita  de  meio   de  propagação  -­‐   electromagnéPco).   Este  é  apenas  um  pequeno  exemplo  ilustraNvo  que  te  pode  ajudar  a  lembrar  dos  Npos  de   ondas.  Observa  o  quadro  síntese  seguinte.

Propagação

Ondas Orientação

Mecânicas  (não  se  propagam   no  vazio) Electromagné,cas   (propagam-­‐se  no  vazio) Transversais  (direcção  de   propagação  perpendicular  à   de  oscilação) Longitudinais  (direcção  de   propagação  igual  à  de   oscilação)

  Para   determinarmos   a   velocidade   das   ondas,   podemos   uNlizar   a   seguinte   fórmula   (semelhante  à  forma  original  da  velocidade):

 

Em  que: -­‐ s  -­‐  é  a  distância  que  o  pulso  (parte  que  define  a  amplitude  -­‐  ver  à  frente)  percorre  na   corda; -­‐ Δt  -­‐  o  intervalo  de  tempo  que  demora  a  percorrer.

  A  velocidade  máxima  alguma  vez  experienciada  corresponde  à  velocidade  da  luz  (3  x  108   m/s),  no  entanto  actualmente  este  assunto  está  em  grande  discussão.   Uma  onda  diz-­‐se  periódica  quando  existe  uma  repeNção  de  uma  parte  da  onda  ao  longo  da   propagação  do  sinal.  

 

Vejamos  o  exemplo  seguinte.

  Exemplo:   Uma  onda  electromagnéPca  de  frequência  16Hz  e  de  comprimento  de  onda  de  20  cm   propaga-­‐se.   Qual  a  sua  velocidade  de  propagação.  

Sabemos  que:

 mas  se  considerarmos  que  s  (distância)  =  λ  (comprimento  de  onda);  então  vem  que  Δt(tempo)  =   T(período)  (porque  1λ  demora  1T),  logo  a  fórmula  pode  ser  escrita  como

sabemos  ainda  que  T  =  1/f,  logo

       ou           do  que  vem  que

 

E  assim  descobrimos  a  velocidade  de  propagação  daquela  onda,  que  é  3,2  m/s.

  Com  as  caracterísNcas  de  uma  onda,  podemos  concluir  que  a  melhor  forma  de  a   representar  é  através  de  uma  função  sinusoidal  (Npo  sin(x)).  Dizemos  assim  que  as  ondas  que  se   podem  representar  por  este  Npo  de  função  se  dizem  de  ondas  harmónicas,  como  representado   em  baixo.

 

Estas  ondas  são  definidas  pelas  expressões  do  Npo:

 

Em  que: -­‐ A  -­‐  é  a  amplitude  da  onda; -­‐ w  -­‐  é  a  frequência  ângular,  que  se  calcula  pela  forma  w  =  2π.f  ou  w  =  2π/T

  Mas  nem  todas  as  ondas  são  simples,  existem  ainda  ondas  complexas  que  seriam   impossível  representar  por  apenas  uma  função  sinusoidal,  por  isso  são  representadas  pela   sobreposição  de  várias  ondas  harmónicas.   Um  bom  exemplo  disto  é  o  som.  A  maioria  dos  sons  que  ouvimos  não  são  sons  harmónicos,   esses  praNcamente  só  ouvimos  no  diapasão.  Observa  a  figura  seguinte  para  compreenderes   melhor  o  processo  de  formação  de  sons  complexos.  

 

E  é  a  parir  destas  sobreposições  que  resulta  uma  onda  de  um  som  complexo.

2.2)  Som   O  som  é  uma  onda  mecânica  e  transversal.  A  velocidade  do  som  no  ar  é  de  300  m/s,  no   entanto  este  valor  varia  de  material  para  material  devido  à  pressão  existente  em  cada  material.  O   som  faz  variar  essa  pressão,  por  isso  diz-­‐se  uma  onda  de  pressão,  no  entanto  este  propaga-­‐se   mais  rápido  no  ar,  do  que,  por  exemplo,  na  corNça.   Um  som  sinusoidal,  ou  harmónico,  ou  puro,  pode  ser  representado  por  uma  função  sin(x),   no  entanto,  como  já  vimos  anteriormente,  isto  acontece  muito  raramente.  Existem  duas   caracterísNcas  dos  sons  que  se  associa  automaNcamente  aos  puros: -­‐ Intensidade  -­‐    se  é  fraco  ou  forte  (depende  da  amplitude); -­‐ Altura  -­‐  se  é  grave  ou  agudo  (depende  da  frequência).

  Os  sons  complexos  são  os  mais  comuns  e  as  caracterísNcas  correspondem  às  de  uma  onda   complexa.    

O  espectro  sonoro  está  dividido  em  três  partes,  e  pode  ser  medido  em  várias  medidas.

  Na  figura  acima  temos  representado  o  espectro  do  som,  medido  em  frequências,  que,   para   além   de  representar   os  infra-­‐sons,  audíveis  e  os  ultra-­‐sons,   representa  ainda  uma  caracterísNca   muito  importante  dos  sons  audíveis:  quando  maior  frequência,  mais  agudo  são  os  sons.  Confirma-­‐ se!

2.3)  Campo  MagnéNco   O   campo  magnéNco  é   uma  grandeza  ksica   vectorial,   representada  por   B   (unidade:   Telsa)   que  reflecte  as  relações  electromagné,cas  induzidas  em  ímans  ou  magnetes.     Atenção!  Um  campo  magnéNco  não  é  necessariamente  provocado  por  dois  ímanes!     As  forças  magnéNcas  podem  ser  atrac,vas   ou  repulsivas,   e  existem  dois  pólos,  o  norte  e  o   sul,  que  mutuamente  se  atraem,  mas  entre  si,  se  repelam.   Num   campo   magnéNco,   existem   umas   linhas   imaginárias   que   serviriam   para   representar   a  posição  ocupada  em   determinado   local,   que   se   chamam   linhas  de  campo.   Estas  linhas  de  campo   têm   o   senNdo   de   norte-­‐sul,   tendo   isto   sido  convencionado.   Como  dito,  o  campo   magnéNco  é   um   vector,   que   pode   ser   caracterizado   por: -­‐ Intensidade  -­‐  correspondente   à   densidade  das  linhas  de  campo; -­‐ Direcção  -­‐   é  tangente  à  linha  de   campo; -­‐ Sen,do  -­‐   no  senNdo  da  linha  de   campo  (de  N  para  S).

  Um  campo  magnéNco  diz-­‐se  uniforme   quando  estamos   na  presença  de  linhas  de   campo   rectas,   paralelas   e   equidistantes   umas   das   outras.   Aí   nem   a   intensidade   (módulo),   nem   a   direcção,  nem  o  senNdo  do  campo  vão  variar.   Um   exemplo  de  um   campo   magnéNco   é   a   Terra.  A  Terra  funciona  como  um  grande  íman,  e  ao   usarmos  uma  bússola,   o  norte  da  agulha  está  a  ser   direccionado   para   o   sul   magnéNco.   Mas   como   é   que   isto   é   possível?   Assim,   todas   as   bússolas   estariam  erradas!   Não,  na  verdade  o  sul  e  o  norte   magnéNco   estão   trocados   com   o   sul   e   o   norte   geográficos   e   por   isso   é   que,   na   verdade,   as   bússolas   apontam   para   o   norte   (apesar   de   apontarem  para  o  sul  magnéNco)  (ver  lado).   No  entanto  os  ímans  não  são  a  única  forma   de   criar   um   campo   magnéNco,   existem   outras,   como  a  corrente  eléctrica.     Oersted   foi   um   ksico   que,   num   dia   de   trovoada,   descobriu   isto   ao   acaso.   Tinha   uma   bússola   e   reparou   que,   sempre   que   caía   uma   trovoada,  a  bússola  ficava  desorientada  e  apontava   para  um  síNo  diferente.  Oersted  conclui  então  que,  a  corrente  eléctrica  também  gerava  um  campo   magnéNco,   com  as  mesmas  caracterísNcas  de  um  íman.  Mas  havia  um  pequeno  problema  que  era,   num   íman   era  muito   simples  saber   qual  era  o   norte   ou  o  sul,   mas  como   fazer   isso   com   uma   corrente  eléctrica?  Estableceu-­‐se  então  a  regra  da  mão  direita.    

Regra  da  Mão  Direita  -­‐  Como  saber  para  onde  apontam  as  linhas  de  campo?

 

Sabemos  que  as  linhas  de  campo  apontam  sempre  de  norte  para  sul. 1) Colocamos  a  mão,  no  senNdo  da  corrente  eléctrica  (I). 2) Fazemos  pequenos  gestos  de   abrir   e  fechar   a  mão,  e  é  neste   senNdo  que  as  linhas  de   campo  estão,  podendo  agora  traçar  o  campo  magnéNco  em  qualquer  ponto.

 

  Um  solenoide   ou  uma  bobina  são  exemplos  já  mais  complicados,  no  entanto  representam   o  mesmo  princípio  básico  fundamental:  existe  campo  magnéNco  em  todo  o  local  onde  passa  uma  

corrente   eléctrica.   (ao   lado   uma   bobina).   Na   imagem   ao   lado   podemos   ver   claramente  a  formação   das  linhas   de   campo   que   se   formam   de   uma   forma   tridimensional   impossível   de   representar,   mas  da   qual   resulta  uma   direcção,   como  sempre,   de  norte  para   sul.

2.4)  Campo  Eléctrico   Tal  como  existe  o  campo  magnéNco  para  interacções  magnéNcas,  existe  o  campo  eléctrico   para  interacções  eléctricas.   Em  primeiro  lugar   é  melhor   rever  as  unidades   básicas   das   cargas   eléctricas.   Em   termos   eléctricos   existem   duas   parqculas:   o   protão,   que   tem   carga   posiNva   (+1),   e   o   electrão,   que   tem   carga  negaNva   (-­‐1).   Interessa   ainda   falar   das   cargas   eléctricas   elementares  (as  menores).   A   do   protão   é  posi,va,   e   corresponde  a  1,6  x   10-­‐19  C   (coulomb)   e  a  do  electrão   é  nega,va   e  corresponde   a  -­‐1,6   x   10-­‐19   C.   Uma  é   o   simétrico  da  outra.   Vamos  imaginar  uma  situação  para   compreendermos  melhor.  Imagina  então  duas  cargas   posiNvas  (a  azul),  mas  uma  (central  -­‐  Q)  maior  do  que   a  outra  (periférica  -­‐  q).  Visto  que  são  cargas  iguais,   repelem-­‐se,  logo  o  vector  F  representa  a  força   exercida  em  q  para  se  deslocar  no  senNdo  oposto  em   relação  à  outra.  Os  outros  vectores  na  figura   representam  apenas  o  vector  campo  eléctrico  (E)  em  

vários  locais  possíveis.  Dizemos  assim  que  Q  é  a  carga  criadora,  e  que  q  é  a  carga  de  prova.  Se   reparares  ainda  no  senNdo  dos  vectore  E1  e  E2  ambos  apontam  para  “fora”  da  carga,  ou  seja,   concluímos  que  o  sen,do  das  cargas  posi,vas  é  sempre  de  dentro  para  fora,  enquanto  que  o  da   nega,vas  é  de  fora  para  dentro.  E  é  por  esta   razão  que  as  cargas  com  a  mesma  carga   repelem-­‐se,  porque  as  linhas  de  campo  não   entram  uma  na  outra,  formando  um  campo   oposto  (ver  lado).   O  vector  campo  eléctrico  (E)  é   marcado  da  mesma  forma  que  se  marca  o   campo  magnéNco  (B)  (ver  atrás).   No  entanto  quando  é  que  o  campo   eléctrico  é  uniforme?  Na  mesma  situação  do   que  no  campo  magnéNco,  quando  temos   linhas  rectas,  paralelas  e  equidistantes.

 

Vê  a  tabela  seguinte  para  consolidares  os  conhecimentos. Campo  Magné,co

Campo  Eléctrico

Tipo  de  interacção

MagnéNca

Eléctrica

Vector  do  campo

B  (Telsa)

E  (V/m  ou  N/C)

Intensidade  do  campo

Depende  da  densidade

Sen,do

O  mesmo  das  linhas  de  campo   O  mesmo  das  linhas  de  campo   (Norte-­‐sul) (PosiNvo-­‐negaNvo)

Direcção

Tangente  à  linha  de  campo

Fórmula  para  calcular

-­‐  ou  

As  linhas  cruzam-­‐se?

Não