Kit Física 1 - Mecânica

Kit F1 - Mecânica : Mecânica gráfica
Descrição: Este experimento utiliza o PUCK, um dispositivo que permite a realização de diversos tipos de movimento em uma mesa de vidro, com o objetivo de estudar conceitos de cinemática e dinâmica. O PUCK é controlado por uma fonte de alimentação e uma bomba de ar, criando uma camada de ar que permite seu movimento na superfície da mesa.
Materiais:
• Kit PUCK
• Fonte de alimentação para a caneta
• Bomba de ar de aquário
• Barbante
• 2 Ventosas
• Calço de aproximadamente 5 cm de altura
• 2 Molas
• Canetas coloridas
• Régua
• Tesoura
• Mesa de vidro (professor deve providenciar)
• Folhas de papel milimetrado (formato A3) (professor deve providenciar)
• Folhas de papel milimetrado (formato A4) (professor deve providenciar)
• Folhas de papel sulfite (professor deve providenciar)
• Lápis (professor deve providenciar)
Roteiro para laboratório:
Conhecendo o PUCK
• Limpar a mesa de vidro com álcool e secá-la com papel absorvente.
• Limpar o disco com papel absorvente.
• Ligar a tomada a uma rede de 110 V.
• Conectar uma das extremidades da mangueira à parte superior do PUCK, e a outra à peça que está ligada à bomba de ar. Observa-se um pequeno fluxo de ar que sai pela parte inferior do PUCK, gerando uma camada de ar entre o PUCK e a mesa, quando ligada a chave da bomba.
• Ligar os terminais de alimentação do PUCK aos bornes. Os bornes podem ser ligados em qualquer saída porque não possuem polaridades definidas.
• Colocar a chave do mostrador da fonte na posição "ligado".
• Girar lentamente o botão de ajuste para ajustar a corrente na bobina, até a caneta começar a marcar. Parar o ajuste. O PUCK está pronto para ser usado.
• Deixar o PUCK livre no centro da mesa e verificar se ele se desloca para alguma direção. Havendo deslocamento, nivelar a mesa através de dois parafusos que se encontram na borda da mesa, até que o PUCK fique parado.
• Colocar o PUCK fazendo qualquer tipo de movimento para ver como ele se comporta.
1. Puck: fazendo medidas com o PUCK
• Fixar a folha de papel sulfite no centro da mesa para o movimento (1) a ser realizado, e a folha de papel milimetrado para o movimento (2).
• Outra opção seria usar a própria mesa de vidro e, depois de obtida a trajetória, colocar o papel sobre os pontos obtidos passando-os para o papel.
• Fazer com que o PUCK realize os seguintes movimentos:
PARTE I - MOVIMENTO UNIDIMENSIONAL
• Dar um pequeno impulso no PUCK, tal que este realize uma trajetória retilínea sobre a folha de papel sulfite.
• Meça os espaços (S) percorridos a partir de S0 com a régua e os correspondentes tempos (t) no movimento a cada seis intervalos decorridos (ver exemplo de Movimento Unidimensional).
• Considere S0 = 0,0 cm e t0 = 0,0 s.
• Coloque os valores de S e t medidos na trajetória obtida pelo movimento do PUCK na Tabela 1.1. (imagem 1)
• Calcule a variação de espaço (∆ S) e o intervalo de tempo (∆ T), colocando os valores obtidos na Tabela 1.1.
PARTE II - MOVIMENTO BIDIMENSIONAL
• Coloque um calço de 5,0 cm sob a mesa.
• Faça com que o PUCK descreva uma trajetória curvilínea qualquer.
• Faça as medidas para o movimento bidimensional a cada seis intervalos (ver exemplo de movimento bidimensional), adotando um sistema de eixos adequado.
• Coloque os valores de x e y medidos na trajetória obtida pelo PUCK, e os correspondentes tempos na Tabela 1.2. (imagem 2)
• Calcule ∆ x, ∆ y e ∆ t e coloque os valores na Tabela 1.2.
2. Movimento uniforme
• Coloque a mesa em posição horizontal e fixe com fita adesiva a folha de papel sulfite no centro da mesa.
• Faça o PUCK atravessar a mesa em movimento uniforme, fazendo uma trajetória retilínea.
• Obtida a trajetória do PUCK no papel, despreze os primeiros pontos escolhendo uma origem (espaço inicial S0 e instante inicial t0 = 0 s).
• A partir da posição inicial (S0), a cada seis intervalos, marque as posições S1, S2, S3, S4,...
• Coloque a régua alinhada com os pontos. Meça o espaço inicial S0 0 (para posterior discussão), que é o primeiro ponto indicado na régua.
• Sem deslocar a régua, meça as outras posições para cada seis intervalos e coloque os dados na tabela 2.1.
• Como o intervalo de tempo entre duas posições sucessivas é igual a (1/60) s, o intervalo de tempo entre a 1a e a 6a posições é igual (1/10) s ou 0,1 s. Coloque os instantes correspondentes aos espaços percorridos na tabela 2.1.
• Complete a tabela 2.1, colocando os intervalos de tempo (∆ t) e calculando a
correspondente variação de espaço (∆ S).
• Calcule a velocidade média a partir de S0 e coloque na tabela 2.1.
3. Movimento uniformemente variado
• Coloque um calço (de altura 5 cm aproximadamente) sob a mesa, deixando-a inclinada.
• Fixe o papel sulfite no meio da mesa ou use a própria mesa e depois passe os pontos para o papel.
• Posicione o PUCK na parte mais alta da mesa, abandonando-o, para que este desça a mesa em uma trajetória retilínea.
• Repita a experiência se o PUCK não fizer uma trajetória retilínea.
• Escolha uma origem (S0 0), desprezando os primeiros pontos.
• A partir da posição inicial (S0), a cada seis intervalos, marque as posições S1, S2, S3...
• Meça com a régua os espaços, e coloque os dados de espaços (S) e tempos (t) na tabela 3.1. Lembre-se de que a cada seis intervalos, o tempo decorrido é igual a 0,1s.
• Calcule as velocidades médias, para cada duas posições consecutivas, e coloque esses valores na tabela 3.1: Vmédia = ∆ S/ ∆ t.
• Calcule ∆ V = Vposterior - Vanterior, colocando estes valores na tabela 3.1.
• Calcule a aceleração média, a = ∆ V/∆ t, colocando os valores na tabela 3.1.
• Faça os seguintes gráficos com os dados obtidos na tabela 3.1:
- S versus t
- V versus t
- a versus t
• Calcule o valor médio das acelerações obtidas na tabela 3.1.
• Calcule o valor de Vo através da equação da velocidade, V = V0 + a t, usando um valor qualquer de V e o correspondente t da tabela 3.1, e o valor médio da aceleração obtido no item anterior.
• Estabeleça a equação horária e a equação velocidade para este movimento.
• Calcule os valores de S através da equação horária S = S0 + V0 t + (a t^2) / 2. Use para t os valores intermediários (0,05 s, 0,15 s...) e o valor médio de a já calculado. Coloque os valores de S e t na tabela 3.2.
• Calcule os valores de V através da equação da velocidade V = V0 + a t, e coloque os valores de V e t (0,05 s, 0,15 s...) na tabela 3.2.
• Faça os gráficos: S versus t, V versus t com os dados obtidos na tabela 3.2, nos mesmos eixos dos gráficos da tabela 3.1. Para diferenciar os gráficos experimentais (tabela 3.1) dos gráficos dos valores calculados (tabela 3.2), use os símbolos: Δ-experimental ○-calculado
4. Movimento de projéteis
-
Fixe a folha de papel milimetrado grande no centro da mesa, tal que fique paralelo às bordas da mesa, ou use a própria mesa de vidro e depois passe os pontos obtidos da trajetória para o papel milimetrado.
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Incline a mesa, colocando um calço (altura do calço ~ 5 cm).
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Faça o PUCK descer em linha reta, próximo da borda do papel, para verificar a "direção do prumo".
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Lance o PUCK lateralmente para cima, tal que a sua trajetória seja uma parábola.
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Adote um sistema de eixos cartesianos de forma adequada, fazendo com que a origem do sistema de eixos cartesianos (0,0) coincida com a origem da trajetória do PUCK no papel, o eixo Y fique paralelo à "direção do prumo".
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Marque a cada seis intervalos as posições do PUCK para realizar as medidas. A análise deste movimento constará de duas partes:
-
Movimento na direção X: faça as medidas dos espaços x e os correspondentes tempos (t) para cada seis intervalos (movimento bidimensional) e coloque os valores na tabela 4.1.
-
Movimento na direção Y: faça as medidas do espaço y na direção Y e os correspondentes tempos (t) e coloque os valores na tabela 4.2.
5. Movimento circular
• Nivele a mesa.
• Coloque a ventosa próxima à margem da mesa (fig. 5.4).
• Fixe o papel milimetrado próximo à outra margem da mesa ou use a própria mesa para obter os pontos da trajetória do PUCK, transferindo depois estes pontos para o papel.
• Prenda uma das extremidades do fio no PUCK e a outra na ventosa.
• Dê um pequeno impulso perpendicular à lateral do PUCK, tal que ele comece a se
movimentar.
• Passe para o papel milimetrado os pontos obtidos.
• Meça o raio da trajetória (o raio é a medida considerada do centro do PUCK ao centro da ventosa).
• Adote um sistema de eixos cartesiano adequado para fazer as medidas (despreze os pontos iniciais).
MEDIDAS - DIREÇÃO X
• Meça os valores do espaço x a cada seis intervalos e os correspondentes valores do tempo t e coloque estes valores na tabela 5.1.
• Calcule:
- as variações de espaço (∆ x)
- os intervalos de tempo ( ∆ t)
- as velocidades escalares Vx (Vx = ∆ x / ∆ t)
- as variações de velocidade (∆ Vx)
- as acelerações na direção x (ax = ∆ Vx / ∆ t) e coloque estes valores na tabela 5.1
MEDIDAS - DIREÇÃO Y
Faça o mesmo procedimento realizado na direção X para a direção Y e coloque os valores na tabela 5.2.
DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE ESCALAR E DA ACELERAÇÃO CENTRÍPETA
• Coloque os valores encontrados Vx e ax da tabela 5.1, Vy e ay da tabela 5.2 na tabela 5.3.
• Calcule as velocidades escalares e coloque estes valores na tabela 5.3.
6. Introdução ao estudo da dinâmica - Parte I - 2a Lei de Newton
* É idêntico ao já realizado para o movimento uniformemente variado no experimento 3. Vamos repetir para quem esteja fazendo pela 1a vez.
• Nivele a mesa fazendo com que o PUCK fique parado na mesa.
• Coloque o calço na mesa para que esta fique inclinada.
• Fixe o papel no topo da mesa ou utilize a própria mesa para obter os pontos da trajetória e depois passe para o papel.
• Posicione o PUCK no topo da mesa, abandonado-o para que este desça a mesa em uma trajetória retilínea, paralela à margem lateral da mesa.
• Repita a experiência se o PUCK não fizer esta trajetória.
• Escolha uma origem (S0 = 0 cm) e, a cada seis intervalos, marque as posições S1, S2, S3...
• Meça com a régua os espaços (S) e coloque estes valores na tabela 6.1, com os tempos (t) correspondentes. Lembre-se de que a cada seis intervalos o tempo decorrido é igual a 0,1s.
• Calcule:
- as velocidades médias para cada duas posições consecutivas (Vmédia = ∆ S/ ∆ t)
- as variações de velocidade (∆ V)
- as acelerações médias (a = ∆ V/ ∆ t) e coloque estes valores na tabela 6.1.
• Determine o valor médio da aceleração
• Meça a altura (h) e a distância (d) (fig. 6.2)
• Calcule a aceleração da gravidade com os dados obtidos (g = a / sen ).
6. Introdução ao estudo da dinâmica - Parte II – Lei de Hooke
• Nivele a mesa.
• Fixe a folha de papel para obter os pontos da trajetória, ou obtenha os pontos na própria mesa e depois passe para o papel.
• Prenda uma das extremidades da mola no PUCK e a outra na ventosa.
• Marque a posição do PUCK com a mola não deformada.
• Estique a mola sem que o PUCK toque a mesa.
• Solte o PUCK tal que através de uma trajetória retilínea, este se dirija ao ponto de fixação da mola.
• Meça os espaços (S) para cada três intervalos consecutivos. O intervalo de tempo correspondente a estes três intervalos é: ∆ t = 3 (1/60) = 1/20 = 0,05 s.
• Coloque os valores dos espaços (S) e os correspondentes tempos (t) na tabela 6.2.
• Calcule as variações de espaço (∆ S) para cada duas posições sucessivas, as velocidades médias (V), as variações de velocidades ( ∆ V) e as acelerações (a), conforme já realizado na parte I, e coloque estes valores na tabela 6.2.
• Obtenha os valores da deformação da mola (x). Estes valores são obtidos a partir da posição do PUCK com a mola não deformada.
• Coloque estes valores medidos da deformação (x) na tabela 6.2.
• Calcule as razões entre a aceleração e a deformação (a/x) e coloque estes valores na tabela 6.2.
• Calcule o valor médio das razões (a/x).
• Meça a massa do PUCK.
7. Movimento gravitacional – Demonstração da 2a Lei de Kepler
• Nivele a mesa.
• Fixe a ventosa próxima à margem da mesa (fig. 7.6).
• Prenda uma das extremidades da mola ao PUCK e a outra à ventosa.
• Fixe o papel milimetrado encostado na margem oposta à ventosa ou obtenha os pontos da trajetória diretamente no vidro e depois passe para o papel.
• Dê um pequeno impulso no PUCK para ele descrever uma trajetória ao redor do centro de atuação da força.
8. Conservação da energia mecânica
• Coloque um calço (de altura 5 cm aproximadamente) sob a mesa, deixando-a inclinada.
• Fixe o papel sulfite no meio da mesa ou use a própria mesa e depois passe os pontos para o papel.
• Posicione o PUCK na parte mais alta da mesa, abandonando-o, para que este desça a mesa em uma trajetória retilínea.
• Repita a experiência se o PUCK não fizer uma trajetória retilínea.
• Escolha uma origem (S0 = 0), desprezando os primeiros pontos.
• A partir da posição inicial (S0), a cada seis intervalos, marque as posições S1, S2, S3…
• Meça com a régua os espaços, e coloque os dados de espaços (S) e tempos (t) na tabela 8.1. Lembre-se de que a cada seis intervalos, o tempo decorrido é igual a 0,1s.
• Calcule as velocidades médias, para cada duas posições consecutivas, e coloque esses valores na tabela 8.1: Vmédia =∆S/∆t.
• Calcule o sen θ = h / L (fig. 8.5) onde L é o comprimento da mesa de vidro (incluindo os niveladores) e h é a altura do calço colocado.
• Calcule os valores intermediários S'' para cada intervalo como sendo (S0+ S1)/2, (S1 +S2)/2,...
• Observe que quando o PUCK está na última posição yn = 0. O valor de y é calculado como sendo: yi = di sen (figura 8.1). Coloque estes valores na tabela 8.1.
• Calcule a soma de g y + 1/2 v2 para cada posição que é o valor da energia mecânica dividido pela massa. Coloque estes valores na tabela 8.1.
Materiais complementares:
Roteiro do aluno - Conhecendo o PUCK
Roteiro do aluno - Fazendo medidas com o PUCK
Roteiro do aluno - Movimento uniforme
Roteiro do aluno - Movimento uniformemente variado
Roteiro do aluno - Movimento de projéteis
Roteiro do aluno - Movimento circular
Roteiro do aluno - Introdução ao estudo da dinâmica - 2a Lei de Newton
Roteiro do aluno - Introdução ao estudo da dinâmica - Lei de Hooke
Roteiro do aluno - Movimento gravitacional – Demonstração da 2a Lei de Kepler
Roteiro do aluno - Conservação da energia mecânica
Horário de funcionamento:
de segunda à sexta das 9h às 12h e das 14h às 17h, sala 28 (Bloco 18)
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