Experimentos Crescendo com aFısica

Sumario

1 Mecanica 21.1 Cone Duplo Antigravitacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Desafio da Corda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Disco Flutuante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Desafio do Ovo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Lata Magica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.6 Pendulos Ressonantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.7 Submarino na Garrafa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Optica 122.1 Luz retilınea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Reflexao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Refracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Difracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5 Fibra Optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Electromagnetismo 163.1 Canudo Eletrostatico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.2 Linhas de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Referencias Bibliograficas 18

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Capıtulo 1

Mecanica

1.1 Cone Duplo Antigravitacional

O objetivo do experimento e mostrar como analisar o movimento do ob-jeto em relacao a seu centro de massa.

O experimento consiste de uma rampa em V com uma pequena inclinacaoe de um cone duplo feito de madeira, onde quando colocado objeto sobre arampa ele inicia um movimento contrario do que normalmente esperado esobe a rampa.

Figura 1.1: Experimento cone duplo

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Para explicar este experimento e recomendado dividir ele em duas etapas,onde na primeira vamos definir alguns conceito preliminares e posteriormentevamos analisar seu movimento.

Primeiramente vamos definir simetria e mostrar que nosso cone duplo esimetrico e tem uma densidade constante, onde assim o seu centro de simetriacoincide com o centro de massa do objeto.

Apos ter defino o centro de massa do objeto vamos analisar o movimentodo cone duplo. Quando colocamos o cone duplo no inicio existe uma distanciado centro de massa para a superfıcie que se encontra a rampa, depois queo cone duplo se movimenta no sentido de subir a rampa esta distancia vaidiminuindo.

Isso ocorre pelo motivo de nosso experimento ser uma ilusao, pois naverdade o centro de massa do objeto desce em relacao da sua posicao iniciale pela rampa ser um pouco inclinada inicialmente temos a impressao do coneduplo contra a gravidade.

1.2 Desafio da Corda

O objetivo do experimento e mostrar que forcas sao grandezas fısicas quedependem, alem da intensidade, da direcao e do sentido da aplicacao.

Para realizar este experimento precisamos de um pedaco de corda, umbarbante e um peso para se amarado na corda de aproximadamente 2,5Kg.Para montar o experimento basta amarrar o peso no meio da corda e posici-onar o barbante junto com a corda conforme a figura abaixo.

Figura 1.2: Experimento Desafio da Corda

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Apos feito isso basta esticar a corda de maneira que o objetivo e alinhara corda com o barbante. Assim conseguimos provar que nao ha como anulara forca peso, uma forca vertical, aplicando forcas horizontais.

Para explicar este experimento na sala de aula podemos inicialmente umunico aluno esticar a corda tentado alinhar com o barbante, ele nao conse-guira, pois ele esta aplicando forcas somente na horizontais e a forca pesoesta atuando na vertical, portanto a unica maneira de alinhar o barbantecom a corda e aplicando uma forca oposta na vertical.

Para talvez ficar um pouco mais interativo e mostra que nao e possıvelalinhar podemos promover um cabo de guerra onde as forcas horizontaisserao maiores do que somente um pessoa tentando alinhar.

Vale lembrar que o peso do objeto amarrado na corda influencia direta-mente em nosso experimento pois quanto mais pesado seu objeto mais visıvelsera o fenomeno a ser observado.

1.3 Disco Flutuante

O objetivo do experimento e mostrar a influencia do atrito sobre os obje-tos, e como seria o movimento de um objeto com o minimo de atrito possıvel.

Para realizar o experimento precisamos de um CD, uma rolha com umpequeno furo no centro e uma bexiga. Para montar basta colar a rolhacoincidindo o furo da rolha com o CD e acoplar a bexiga na rolha, ao finalvamos obter algo parecido com a imagem abaixo.

Figura 1.3: Experimento Disco Flutuante

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Para comecar o experimento e importante mostrar o movimento do objetoquando arremessado sem a bexiga, e mostrar a distancia que ele conseguepercorrer. Adicionando agora a bexiga permitimos que tenha uma saıdade ar arremessando da mesma maneira verificamos que houve um aumentoconsideravel na distancia percorrida com o balao.

Onde podemos explorar este aumento de distancia percorrida como con-sequencia direta da diminuicao do atrito entre o disco e a superfıcie da mesadevido a camada de ar que existe agora entre as duas superfıcies, assim po-demos concluir que o atrito entre cada superfıcie e o ar e bem menor queentre as duas superfıcies.

No entanto vale lembrar que a adicao da bexiga faz com que conjunto(CDmais a bexiga) fica maior sofrendo assim mais uma forca de atrito que e aresistencia do ar no movimento de todo o conjunto. Mesmo assim o atritototal que temos agora e menor do que anteriormente onde tınhamos somenteo CD.

Ao final ainda podemos falar da Primeira Lei de Newton, diz que ”umobjeto tende sempre a manter o seu estado de movimento, este podendotambem ser o de repouso, se nao houver a acao de forcas externas”. E asforcas de atrito, sao na maioria dos casos, as responsaveis pelo fato de quenao se observar um objeto se deslocando continuamente sem a acao de umaoutra forca propulsora.

Este experimento serve para mostrar que quando posto em movimento,um objeto desloca-se por distancias maiores se sao removidas fontes de atrito.Quanto mais fontes se remover, maior sera a distancia percorrida. Se remo-vermos todas as fontes de atrito, entao e possıvel imaginar que o objeto sedeslocaria para sempre.

1.4 Desafio do Ovo

O experimento tem como objetivo mostrar a aerodinamica de um ovo ecomo ele reage a isso quando acoplado com um copo.

Para realizar este experimento precisamos somente de um ovo e de umcopo de dose, para montar o experimento basta colocar o ovo dentro do copocomo mostra a figura abaixo.

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Figura 1.4: montagem do experimento Desafio do Ovo

Apos feito isso estamos pronto para executar o experimento, onde temosque a soprar de maneira forte e curta bem no topo do ovo, onde teoricamenteele devera pular e girar caindo de dentro do copo do outro lado.

Para explicar este experimento para os alunos recomenda-se dividir eleem duas etapas onde na primeira vamos analisar somente o motivo do ovosaltar quando sopramos e depois mostraremos o motivo de ele girar quandoele esta no ar.

Quando sobramos de maneira forte e curta deslocamos uma grade massade ar que tende a percorrer o ovo de maneira semelhante a imagem abaixo.

Figura 1.5: Ar se deslocando pelo ovo sem o copo

Mas como temos o copo em baixo do ovo o ar nao continua percorrendocontinuamente o objeto, quando ele entra dentro dentro do copo temos aaparicao de alguns redemoinhos como mostra na figura abaixo, que fazemcom que o ovo salte para fora do copo.

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Figura 1.6: Ar se deslocando pelo ovo com o copo

Para explicar o fenomeno de giro do ovo temos que lembrar que o ovo econstituıdo da clara e a gema, onde ambos tem a possibilidade de se moverdentro do ovo.

Como a gema flutua sobre a clara, quando ovo esta no ar temos a aparicaode um torque que faz com que o ovo gire e caia na posicao contraria que eleestava.

1.5 Lata Magica

O experimento tem como objetivo mostrar as transformacoes de energiaexistentes no movimento da lata.

Para montar o experimento precisamos de um lata de achocolatado, 3pilhas AA, palitos de dente e fita adesiva. Para construir precisamos inicial-mente fazer um furo na tampa da lata e um no fundo onde sera passado oselasticos.

Feito isso vamos amarrar as pilhas e o elastico tentando deixar o conjuntode pilhas bem no centro do elastico esticado, seguindo a imagem abaixo,vamos colocar os palitos para segurar o elastico tanto na tampa quanto nofundo da lata.

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Figura 1.7: Esquema para montagem do experimento

Apos ter montado o experimento vamos analisar o movimento onderecomenda-se dividir o experimento em 4 etapas. Na primeira etapa en-contramos a lata parada em seu estado normal onde nao temos nenhumaenergia acumulada nos elasticos.

Na segunda etapa vamos colocar a lata em movimento arremessando elaem um movimento de rolamento, onde temos uma energia associada ao mo-vimento que definimos como cinetica. Como temos um sistema de elasticosdentro da lata, e as pilhas fazem com que o elastico torca, temos a primeiratransformacao de energia, de cinetica para potencial elastica.

Quando mais a lata se move mais energia e acumulada nos elasticos ondetemos um freamento do movimento ate ele parar. Quando ele para temosuma total transformacao de energia de cinetica para potencial elastica.

Como esta energia acumulada e muito grande temos a tendencia de seiniciar o movimento contrario, onde agora vamos ter a transformacao deenergia potencial elastica para cinetica, onde isso ira se repetir varias vezesate toda energia que aplicamos no inicio se dissipe de alguma forma.

1.6 Pendulos Ressonantes

O experimento tem como objetivo verificar que para cada comprimentodo pendulo temos uma determinada frequencia de oscilacao que sera a mesmaque a de ressonancia.

O experimento constitui de um suporte de madeira uma haste principalonde sera ligada os pendulos de diferente comprimentos, ao final vamos obter

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algo parecido com a figura abaixo.

Figura 1.8: Esquema do experimento

Apos montado vamos fazer com que as bolinhas oscilem, para isso temosque imprimir uma frequencia de oscilacao constante, onde vamos observarque algumas bolinhas se mantem com pequenas oscilacoes, mas uma delastera uma grande amplitude.

Isso ocorre por que a frequencia de oscilacao que empregamos e a deressonancia para qual bolinha que estiver com maior amplitude.

Para explicar este experimento basta mostrar que quando um pendulo os-cila, o numero de oscilacoes que ele executa por segundo, isto e, a frequencia,depende apenas de seu comprimento. Nesta montagem como temos compri-mentos diferentes vamos ter tambem frequencias diferentes.

Quando fazemos o conjunto oscilar manualmente, estamos comunicandopara todos os pendulos uma certa frequencia de oscilacao. Se essa frequenciafor igual a frequencia de oscilacao de um dos pendulos, ele vai passar aoscilar com amplitudes cada vez maiores; dizemos, entao que ele entrou emressonancia com a frequencia do conjunto.

Vale lembrar que todo corpo capaz de oscilar ou vibrar tem uma frequencianatural de oscilacao. Se uma fonte oscilante tiver a mesma frequencia naturalde um corpo, este entra em ressonancia. Durante a ressonancia, a amplitudede oscilacao atinge as vezes nıveis de intensidade tao altos que o sistemaoscilante entra em colapso.

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1.7 Submarino na Garrafa

O objetivo deste experimento e a demonstracao do princıpio de funciona-mento de um submarino e tambem mostrar de maneira simples o principiode Arquimedes.

Para construir o experimento precisamos de uma garrafa pet uma tapade caneta bic e resina epoxi, primeiramente vamos colocara resina no topo datampa preenchendo todo o furo, depois vamos fazer uma pequena bola paracolocar na parte de baixo da tampa onde vamos obter algo parecido com afigura abaixo.

Figura 1.9: Montagem da tampa

Apos feito isso basta encher a garrafa pet de agua ate a tampa e colocar atampa que fizemos dentro e fechar a garrafa, onde inicialmente nosso objetoestara flutuando.

Agora podemos realizar o experimento, como temos que nossa tampa estaflutuando podemos concluir que a densidade do conjunto e menor que a daagua.

Quando apertamos a garrafa estamos fornecendo uma quantidade depressao a todos os pontos da agua no seu interior. Com esse aumento depressao, a agua da garrafa penetrara dentro da tampa e fara com que amassa da caneta aumente. Com esse aumento de massa, a tampa da canetatera uma densidade maior que a da agua e afundara. Ao descomprimirmos

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a garrafa, a pressao volta ao normal, entao sai agua da tampa e a densidadeda caneta fica menor que a da agua, fazendo com que ela suba.

Este experimento so e possıvel devido a tampa conter uma bolsa de ar,ou seja, resta um pouco de ar no seu interior. Como a caneta e a garrafasao transparentes, e possıvel observar a variacao da quantidade de agua nointerior da tampa, e o consequente movimento dela para baixo ou para cima.

O experimento leva o nome de submarino pelo motivo dele utilizar omesmo principio para subir e descer.

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Capıtulo 2

Optica

2.1 Luz retilınea

Este experimento tem como objetivo de mostrar que a luz faz sempreuma trajetoria retilınea.

Para este experimento precisamos somente de um laser e de um recipienteonde nos possibilita borrifar agua ou qualquer outra substancia.

Assim basta apontar o laser para a parede e borrifar agua na sua trajetoriaonde e possıvel verificar claramente que a luz anda em linha reta. Parareproduzir este experimento precisamos tomar alguns cuidados, pois o lasere um instrumento perigoso quando apontados para o olho.

2.2 Reflexao

O experimento tem como objetivo mostrar a reflexao total da luz e mos-trar que ainda ela continua na sua trajetoria retilınea, mesmo quando ela erefletida nos espelhos.

Para este experimento precisamos de um laser, um borrifador de agua edois espelhos.

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Com todos os objetos em maos precisamos de no minimo 3 pessoa pararealizar este experimento. Uma delas tera que apontar o laser para umaposicao fixa enquanto a outra posiciona o espelho com um pequeno angulopara refletir o feixe do laser na parede.

Apos tudo estar alinhado temos que borrifar a agua proxima do espelho,onde vamos conseguir ver a trajetoria feita pela luz onde ela ira refletir comoo mesmo angulo que incide no espelho.

Na realizacao deste experimento deve-se tomar os mesmos cuidados doque o anterior, pois vamos esta trabalhando com laser.

2.3 Refracao

O experimento tem como objetivo mostrar que a luz quando percorremeios diferentes ao do ar ela tem velocidades diferentes.

Para este experimento precisamos de uma vasilha transparente, de pre-ferencia vidro e um lapis ou uma caneta. Para a execucao basta colocar olapis dentro da vasilha com um pequeno angulo e observar o que ocorre.

Assim podemos observar que a imagem do lapis quando olhamos pareceum pouco distorcida, isso ocorre a luz percorre o ar com uma determinadavelocidade, assim quando ela passa para outro meio diferente ao do ar, sendoa agua ela tem uma velocidade inferior, causando assim algumas distorcoes.

Vale apena observar que, como a parede do vidro e fina, nao conseguimosobservar muito a distorcao nesta camada, mas ela existe.

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2.4 Difracao

Este experimento tem como objetivo de mostrar de que a luz branca econstituıda de varias cores, assim seremos capazes de definir o que e luzmonocromatica e policromatica.

Para realizar este experimento precisamos de um CD e uma lanterna deluz branca. Para realizar o experimento, primeiro temos que modificar o CD,raspando toda parte brilhante, onde agora vamos ter um CD transparenteonde podemos considerar este objeto como sendo uma rede de difracao.

Agora basta utilizar uma lanterna para ver quais cores constituem a luzbranca. Assim podemos introduzir o conceito de luz monocromatica e Poli-cromatica.

Luz monocromatica luz constituıda de apenas uma cor como sendo Ver-melho ou amarelo poe exemplo. Luz policromatica constituıda de varias corescomo o luz branca.

2.5 Fibra Optica

Este experimento tem como objetivo confirmar o primeiro experimentofeito de optica, onde mostraremos o principio da fibra optica.

Para este experimento precisamos de uma garrafa pet, um canudo e umlaser. Para a montagem basta fazer um pequeno furo proximo a base dagarrafa onde vamos passar um pequeno pedaco de canudo e vedar com colaquente, onde agora temos tudo que precisamos para realizar o experimento.

Na realizacao do experimento precisamos encher a garrafa pet de agua emirar o laser bem na saıda da agua fazendo isso basta agora olhar o fenomenoque ocorre onde vamos ter a impressao que a luz incidente do laser estafazendo curva.

Olhando mais de perto este fenomeno podemos observar que a luz naoesta fazendo curva, e sim que a camada de agua por ter um ındice de refracaomaior do que a do ar ela funciona como um espelho que faz com que a luz

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reflita toda a vez. Assim ela segue perfeitamente o caminho que a agua fazse refletindo.

Este fenomeno que podemos observar e o mesmo principio da nova tec-nologia de informacao que chamamos de fibra optica. Onde temos um cabofeito com fio de vidro totalmente maleavel onde toda informacao que eletransmite e por luz, onde temos ela se refletindo completamente por toda aextensao do cabo.

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Capıtulo 3

Electromagnetismo

3.1 Canudo Eletrostatico

Esta experiencia tem como objetivo que o aluno mesmo verifique comoocorre os processos de eletrizacao por atrito aplicada a um corpo neutro.

Para este experimento precisamos de apenas canudos e um pedaco depapel, de preferencia higienico o papel toalha, pois e mais facil de eletrizarcom este papel.

Para realizar este experimento precisamos ensinar inicialmente como ele-trizar o canudo. Para eletrizar e simples basta atritar o canudo em apenasum unico sentido por alguns segundo.

Apos feito isso precisamos posicionar o canudo na parede ou qualqueroutra superfıcie, onde ele grudara por algum perıodo de tempo.

Para explicar este experimento precisamos inicialmente mostra como e aeletrizacao por atrito.

A eletrizacao por atrito e dada quando atrita-se dois corpos, como porexemplo, o caso realizado nas outras experiencias, ou seja, o canudo atritadocom o papel higienico, ambos ficam carregados com a mesma quantidade decargas, porem de sinais contrarios.

Apos mostrar como e a eletrizacao por atrito podemos mostrar por que ocanudo gruda na parede. Ele gruda na parede pois como deixamos o canudocarregado como por definicao a parede funciona como terra, sempre teracarga oposta ao canudo assim ele grudara.

Para realizar este experimento de maneira mais simples e recomendado

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faze-lo em clima seco, pois a umidade pode interferir no resultado do expe-rimento.

Vale lembrar que este experimento nao necessariamente precisa ser feitocom canudo, podemos utilizar um material similar, onde talvez somente pre-cisaremos modificar com o que estamos atritando.

3.2 Linhas de Campo

Este experimento tem como objetivo mostrar de maneira mais simples oconceito de linhas de campo, onde vamos ser capazes de ver todas as linhasbem definidas.

Para este experimento precisamos dos seguintes materiais, ımas, limalhade ferro(po de ferro) e uma bandeja grande.

A excussao e feita da seguinte maneira, colocamos um pouco de limalhade ferro na bandeja e aproximamos o ıma na parte inferior da bandeja.

Feito isso e so mexer o ıma para visualizar todas as linhas de campo quese formam na limalha de ferro.

Explicando um pouco sobre as linhas de campo. Quando ha um campomagnetico em uma regiao do espaco, existe pelo menos um objeto magne-tizado na vizinhanca. Uma bussola pode ser usada para indicar a presencado campo magnetico terrestre. Como a agulha da bussola e magnetizada,o campo criado por ela sobrepoe-se ao ja existente na regiao. Isso revela ainteracao entre o objeto magnetizado e a agulha da bussola que e mantidapelo campo magnetico.

Como a agulha tem pequena massa e e movel, ela muda de posicao,tomando a direcao paralela ao campo criado pelo objeto. O mapeamentodas linhas do campo magnetico fornece informacoes acerca da intensidade deuma possıvel interacao entre dois objetos magnetizados. Como sabemos, ainteracao e maior na regiao proxima aos polos magneticos.

As linhas que representam o campo magnetico sao fechadas, ou seja, naotem comeco nem fim. Isso tambem pode ser observado no experimento ondeo padrao das linhas formadas.

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Referencias Bibliograficas

[1] Tipler, Paul Allen - Fısica para cientistas e engenheiros Vol.1 Mecanica,Oscilacoes e ondas, Termodinamica , Rio de Janeiro: LTC, 2009.

[2] Tipler, Paul Allen - Fısica para cientistas e engenheiros Vol.2 Eletrici-dade e Magnetismo, Optica , Rio de Janeiro: LTC, 2009.

[3] Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. - Fundamentos de Fısica Vol.1Mecanica , Rio de Janeiro: LTC, 2003.

[4] Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. - Fundamentos de Fısica Vol.3Eletromagnetismo , Rio de Janeiro: LTC, 2003.

[5] Gaspar, A. - Experiencias de Ciencias para o 1◦ Grau , Editora Atica,1999.

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