Descrição
Esta aula prática da disciplina de Física Geral, Unidade U2_DINÂMICA: ESTUDO DA CAUSA DOS MOVIMENTOS (A3_TRABALHO E ENERGIA DE UM SISTEMA), aborda experimentalmente a transformação entre energia potencial gravitacional e energia cinética, permitindo avaliar a conservação da energia mecânica em um movimento. A atividade é realizada no Laboratório Virtual Algetec, utilizando o simulador “Princípio da Conservação de Energia” na plataforma VirtuaLab, acessível via AVA e recomendado para uso em computador (não indicado para celular ou tablet).
O experimento simula um corpo em plano inclinado com coleta de velocidade por sensor e multicronômetro; inclui ensaios com dois corpos de prova (cilindro oco e cilindro maciço) e repetição de medidas para análise estatística. Parâmetros e equipamentos destacados no roteiro: nivelamento da base, ajuste do fuso elevador para inclinação, posicionamento do sensor em 300 mm, definição do ângulo de inclinação em 20°, conexão do sensor na porta S0 do cronômetro e seleção da função “F2 VM 1 SENSOR”. A largura do corpo de prova deve ser registrada como 50 mm e cada ensaio é repetido três vezes para cada corpo de prova.
O que é desenvolvido nesta atividade
Realizar o procedimento virtual no VirtuaLab para obter velocidades médias dos corpos de prova (cilindro oco: massa 110 g, diâmetro interno 40 mm, diâmetro externo 50 mm; cilindro maciço: massa 300 g, diâmetro externo 50 mm; densidade do aço 7,86 g/cm³), calcular grandezas associadas e avaliar a conservação de energia. As tarefas incluem anotação de velocidades, cálculo do momento de inércia I, velocidade linear média V, velocidade angular ω, energia cinética de translação Kt, energia cinética de rotação Kr, energia cinética total K, energia potencial gravitacional U e erro relativo percentual (ER%) entre energia inicial e no ponto de passagem pelo sensor. O roteiro sugere ainda comparar motivos de diferenças entre corpos e justificar a conservação (ou não) observada.
Principais conteúdos abordados
- Princípio da conservação da energia mecânica
- Energia potencial gravitacional e energia cinética (translacional e rotacional)
- Momento de inércia de corpos cilíndricos
- Procedimento experimental virtual (VirtuaLab, multicronômetro, sensor S0)
- Registro de dados, cálculo de médias e erro relativo percentual
ROTEIRO DE AULA PRÁTICA – FÍSICA GERAL
Nome da disciplina: FÍSICA GERAL
Unidade: U2_DINÂMICA: ESTUDO DA CAUSA DOS MOVIMENTOS
Aula: A3_TRABALHO E ENERGIA DE UM SISTEMA U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
OBJETIVOS
Definição dos objetivos da aula prática:
Obter os valores de energia potencial gravitacional e energia cinética, avaliando a conservação da energia em um movimento. E ainda, compreender os processos de transformação de energia na descrição de um movimento, levando em consideração o princípio de conservação de energia. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
SOLUÇÃO DIGITAL
Laboratório Virtual Algetec – simulador: “Princípio da Conservação de Energia”. O laboratório virtual é uma plataforma para simulação de procedimentos em laboratório e deve ser acessado por computador, não deve ser acessado por celular ou tablet. O primeiro acesso ao simulador será um pouco mais lento, pois alguns plugins são buscados no navegador. A partir do segundo acesso, a velocidade de abertura dos experimentos será mais rápida.
O LINK da atividade prática estará disponível em seu AVA. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
PROCEDIMENTOS PRÁTICOS
Procedimento/Atividade nº 1
PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Atividade proposta: Compreender e comprovar a transformação da Energia Potencial Gravitacional em Energia Cinética, esclarecendo o princípio da Conservação da Energia Mecânica.
Procedimentos para a realização da atividade:
Em seu AVA, você irá encontrar o link do experimento PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA, que será desenvolvido na plataforma VirtuaLab da Algetec. A partir do acesso, seguem os procedimentos a serem realizados no laboratório virtual para o desenvolvimento da atividade.
Clicando no link do experimento”, abrirá a tela inicial do laboratório virtual. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Fechando a tela explicativa do funcionamento do mouse, teremos:
Ajustando o experimento:
Nivele a base, com o auxílio do nível bolha. Para isso, clique sobre o nível que está sobre a bancada (1) e arraste até a posição destacada em vermelho no plano inclinado (2).
Para nivelar, basta clicar com o botão direito do mouse sobre o nível bolha e selecionar a opção “Nivelar base”.
Ajuste a posição do sensor para a distância desejada. Para isso, clique sobre o sensor e arraste o mouse. Perceba que, no canto inferior esquerdo da tela, surgirá uma janela com a escala graduada do plano inclinado e a indicação da posição do sensor. Coloque-o na posição 300 mm da régua.
Regule a inclinação da rampa, utilizando o fuso elevador. É possível posicionar o fuso elevador para grandes inclinações (1) ou pequenas (2). Nesse experimento, deve-se posicionar o fuso para grandes inclinações. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_… U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Gire o fuso elevador, clicando com o botão direito do mouse sobre fuso e selecionando a opção “Girar fuso”.
Altere o ângulo de inclinação do plano para 20°, utilizando as setas “Subir” e “Descer” para aumentar e diminuir o ângulo. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Ligando o multicronômetro:
Para ligar o multicronômetro, acesse a câmera “Cronômetro”. Coloque a fonte de alimentação na tomada, clicando sobre ela e arrastando até a posição desejada.
Conecte o cabo do sensor na porta S0 do cronômetro, clicando sobre ele e arrastando até a posição desejada.
Ligue o cronômetro, clicando no botão “Power”. Selecione o idioma, clicando no botão azul da esquerda.
Selecione a função “F2 VM 1 SENSOR”, utilizando o botão azul da direita para procurar a função e o botão central para selecionar.
Insira a largura do corpo de prova. Para isso, clique sobre o botão azul da direita. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_… U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Ajuste o valor para 50 mm. Para isso, utilize as setas esquerda/direita para alterar a casa decimal e as setas cima/baixo para alterar o valor. Em seguida, confirme o valor, clicando sobre o botão azul da direita.
Ensaiando o corpo de prova OCO:
Posicione o corpo de prova oco no plano inclinado. Para isso, clique sobre ele e arraste até a posição desejada.
Verifique os resultados no display do multicronômetro, clicando sobre o botão azul da esquerda.
Observe o resultado exibido.
Verifique também o resultado da velocidade linear no intervalo, clicando sobre a seta direita. Para repetir o experimento, clique no botão azul central.
Repita o procedimento mais 2 vezes com o corpo de prova oco. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_… U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Repetindo com o corpo de prova maciço:
Repita todo o procedimento descrito até aqui para realizar o ensaio com o corpo de prova maciço, também repetindo 3 vezes. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Avaliando os resultados:
Anote os dados de velocidade dos corpos de provas ensaiados obtidos em uma tabela, semelhante à tabela abaixo:
| Velocidade linear (m/s) | Cilindro oco | Cilindro maciço |
|---|---|---|
| Descida 1 | ||
| Descida 2 | ||
| Descida 3 | ||
| Média |
A próxima tabela apresenta as informações dos corpos de prova:
| Especificações | Cilindro oco | Cilindro maciço |
|---|---|---|
| Massa – m (g) | 110 | 300 |
| Diâmetro interno – dᵢ (mm) | 40 | – |
| Diâmetro externo – dₑ (mm) | 50 | 50 |
| Densidade do aço (g/cm³) | 7,86 | 7,86 |
Aplicando os conceitos de energia mecânica e sua conservação com os dados obtidos no experimento, juntamente com os dados da tabela acima, calcule:
| Grandezas | Cilindro oco | Cilindro maciço |
|---|---|---|
| Momento de inércia – I (kg.m²) | ||
| Velocidade linear média – V (m/s) | ||
| Velocidade angular – ω (rad/s) | ||
| Energia cinética de translação – Kₜ | ||
| Energia cinética de rotação – Kᵣ | ||
| Energia cinética total – K | ||
| Energia potencial gravitacional – U | ||
| Erro relativo percentual em relação à energia inicial do cilindro – ER% (%) |
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Assim, com os dados obtidos e calculados, responda:
1. Anote em uma tabela os valores obtidos no experimento. Houve diferença entre as velocidades dos corpos de prova ensaiados? Se sim, intuitivamente, qual seria o motivo?
2. Utilizando as informações da Tabela apresentada abaixo, e as equações relacionadas ao conteúdo, e sabendo que o corpo de prova foi solto na posição 60 mm da régua, calcule os valores solicitados para as grandezas.
3. É certo afirmar que a energia potencial gravitacional é igual a soma das energias cinéticas de translação e rotação? Por quê?
4. Calcule o erro relativo entre a energia envolvida quando o corpo de prova está no topo do plano e a energia quando ele passa pelo sensor. Caso o erro seja maior que zero, qual seria o motivo para isto?
5. Como você definiria a conservação da energia em termos das energias envolvidas neste experimento? U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_… U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
Checklist:
✓ Acessar seu AVA;
✓ Clicar no link do experimento PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA;
✓ Ajustando o experimento;
✓ Utilizando o multicronômetro;
✓ Realizar o experimento;
✓ Avaliar os Resultados. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
RESULTADOS
Resultados de Aprendizagem:
Como resultados dessa prática será possível verificar quantitativamente a transformação da energia mecânica gravitacional em energia cinética, observar o princípio da conservação da energia mecânica. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
ESTUDANTE, VOCÊ DEVERÁ ENTREGAR
Descrição orientativa sobre a entregada da comprovação da aula prática:
Ao final dessa aula prática, você deverá enviar um arquivo em word contendo as informações obtidas no experimento, os cálculos realizados, em conjunto com um texto conclusivo a respeito das informações obtidas. O arquivo não pode exceder o tamanho de 2Mb. U2_A3_TRABALHO_E_ENERGIA_DE_UM_…
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