Física - vol 2 - 3º ano


Caderno do Aluno
ensino médio 3º série
Física
                                                              
     SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1

     CONHECENDO AS LINHAS DE CAMPO MAGNÉTICO DO ÍMÃ




1ª Parte   

Páginas 4 - 5
1. Não, pois a agulha se orienta segundo os polos do ímã.
2. Resposta pessoal, mas espera-se que o estudante responda que sim a partir de suas
     observações e que sua previsão esteja bem próxima daquilo que será verificado.


2ª Parte   

Páginas 5 - 6
1. A direção da agulha da bússola está sempre tangente às curvas formadas pelas linhas,
     visualizadas com a limalha de ferro.
2. Sim, pois a agulha sempre terá a direção tangente às linhas de campo.
3. Sim, por meio da orientação da bússola. Ela aponta sempre para o polo sul magnético
     (norte geográfico).
4.



5. Resposta pessoal, mas espera-se que o aluno responda que sim, por meio das linhas
   de campo utilizando limalhas de ferro ou outro material ferromagnético.




Páginas 6 - 7
1. Não, podemos representar por meio do vetor campo magnético, pontilhamento e
   sombreamento, relacionando com a intensidade do campo magnético.
   Professor, represente em forma de figuras as outras alternativas de representação do
   campo magnético.




2. Sim. A Terra tem o comportamento análogo ao ímã, o que faz a bússola apontar para
   o norte geográfico.
   Aqui é importante que possam ser mostradas novamente as linhas de campo
   magnético da Terra.
3. Indica o sentido do campo magnético no ponto em questão ou o sentido das linhas de
   campo magnético, indicando os polos sul e norte magnéticos.




Páginas 7 - 8
1. Não! Os polos magnéticos ainda não foram encontrados separadamente.
   Professor, enfatize que, mesmo em escala microscópica, não há somente um polo
   magnético.

                                                                                           2
                                                                 Física – 3a série – Volume 2
GABARITO                     Caderno do Aluno



2. Sim, pois as extremidades onde ocorreu a quebra se tornaram polos opostos, que se
  atraem.
  Professor, para que o aluno possa visualizar da melhor forma possível, procure fazer
                                                                         S                N
  a- representação dessas situações (figuras).
                                                                         S      NS       N

3. Resposta pessoal, mas espera-se que o estudante diga que não, pois neste caso as
  linhas de campo são espaciais (tridimensionais) e, no caso do experimento realizado
  na sala, as linhas foram visualizadas no plano da folha, ou seja, são bidimensionais.
4. Resposta pessoal, mas espera-se que o estudante possa relacionar a indicação da
  agulha da bússola com o campo magnético da Terra e os polos geográficos.
5. Sim, pois os polos magnéticos nunca (até o presente momento) foram detectados
  separadamente.
  Novamente, nesta questão enfatize a não existência de monopolos magnéticos até
  mesmo na escala microscópica.
6. Sim, pois a bússola é sensível a campos magnéticos.
  É interessante que essa questão possa ser discutida conjuntamente com a construção
  da bússola.




  SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2

  CAMPO MAGNÉTICO DE UMA CORRENTE ELÉTRICA




2ª Parte  

Páginas 12 - 13
4. Não, pois a passagem da corrente elétrica no fio cria um campo magnético que
   influencia a bússola.


Analisando os resultados do experimento

Páginas 14 - 15
1. Resposta pessoal, mas nesta questão o estudante deve perceber que há uma relação
   entre a passagem da corrente elétrica e o campo magnético, ou seja, a passagem da
   corrente elétrica por um fio gera um campo magnético que é detectado pela agulha
   da bússola.
2. Um aumento na corrente elétrica leva a um aumento na intensidade do campo
   magnético; logo, exercerá maior efeito sobre a bússola. Professor, procure fazer uma
   representação por meio de figuras mostrando as linhas de campo magnético para os
   casos discutidos.
3. Quanto mais distante do fio, menor será a interação entre o campo magnético gerado
   pela corrente; a bússola tenderá a indicar a orientação do campo magnético da Terra.
4. Não, pois a intensidade do campo magnético depende também da distância do ponto
   ao fio em que há passagem da corrente elétrica.
5. Intensidade da corrente elétrica, distância do fio ao ponto e o meio no qual o campo
   magnético está imerso.


Páginas 15 - 16
1. Ação a distância e interação que podem resultar em atração e repulsão.

   Professor, procure relacionar com a tabela no início da Situação de Aprendizagem,
   discutindo cada item.
2. Não, isso ficará mais claro com a discussão da tabela (conforme indicação na questão
   anterior).




Página 16
1. As linhas de campo que representam o campo magnético da Terra são semelhantes às
   linhas de campo de imã em forma de barra ( ver exemplo no exercícios 4 da página 6
   do Caderno do Aluno). Lembre-se que os pólos com relação aos pólos geográficos,
   isto é, o pólo Sul geográfico coincide com o pólo Norte magnético e o pólo Norte
   Geográfico, com o Sul magnético.
2. A intensidade do campo magnético é diretamente proporcional à intensidade da
                                                                  0i
   corrente elétrica e pode ser calculada, neste caso, por: B          .
                                                                  2d
   Professor, explore os termos da equação destacando a dependência de B com o meio
   (), a corrente (i) e a distância (d).




Páginas 16 - 17
1. O vetor campo magnético tem direção Tangente às linhas de campo representadas na
   imagem. Seu sentido aponta na mesma direção que está indicada nas linhas de
   campo.
2. Como a intensidade do campo B é diretamente proporcional à intensidade da
   corrente, o campo B terá o dobro da intensidade quando dobrar a corrente elétrica.
3. Gauss (G) e Tesla (T).
   1 G = 10 -4 T.
4. Um fio percorrido por uma corrente elétrica “cria” em torno de si um campo
   magnético, cujo sentido depende do sentido da corrente.

     Professor, nesta questão relembre a regra da mão direita para mostrar a relação entre
     o sentido da corrente e o sentido do campo magnético.
5. Resposta pessoal, mas espera-se que nesta questão o estudante concorde com a
     afirmativa, recordando a Lei de Ampère.
6.




Página 18

     O professor deve procurar avaliar a relação existente entre a direção do campo
magnético, da corrente elétrica e da força que atua sobre um condutor percorrido por
uma corrente elétrica ou sobre uma partícula em movimento. Em ambos os casos,
imersos em um campo magnético.

     O mesmo deve ocorrer com a relação entre a o sentido da corrente percorrida em um
condutor e o sentido do campo magnético “criado” por essa corrente. Ao final, pode-se
discutir algumas das expressões que permitem calcular a intensidade do campo
                                                                0i
magnético da força, através de expressões como, F = qvB ou B = 2r .

     As expressões podem ser encontradas em livros didáticos da 3ª série do Ensino
Médio ou em capítulos relacionados com a Lei de Ampere e Campo Magnético.

  SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3

  GERANDO ELETRICIDADE COM UM ÍMÃ




Páginas 19 - 20

   Questões 1 e 2. Respostas com base nas observações dos alunos, mas espera-se que o
aluno perceba que a direção da agulha da bússola oscila em torno do ponto de
equilíbrio.

Página 20

   Questões 1 e 2. Respostas com base nas observações dos alunos, mas espera-se que o
aluno perceba que a direção da agulha da bússola oscila em torno do ponto de
equilíbrio. Observações análogas às anteriores, quando o ímã se movimentava.

3. O movimento relativo entre o ímã e a bobina “gera” uma corrente induzida que na
   outra bobina gera um campo B, que desvia a agulha da bússola.
4. A deflexão da agulha será maior, pois a corrente induzida depende da velocidade do
   movimento.

Página 21
1. Sim. A variação do fluxo do campo magnético que passa por uma bobina fechada
   cria uma corrente induzida na bobina. Dependendo da- intensidade da corrente, ela
   poderá acender uma pequena lâmpada.
   Professor, explore aqui a Lei de Faraday e a Lei de Lenz para que possa ficar clara a
   relação entre o campo magnético e a corrente elétrica.
2. Sim, pois é possível gerar uma corrente suficiente para acender uma pequena
   lâmpada, como foi feito na Situação de Aprendizagem.

Página 21
1. O carrinho, ao se aproximar, faz com que o fluxo do campo magnético que passa
   pela bobina aumente, induzindo um campo que é contrário a essa variação, ou seja, o
   campo magnético induzido é da direita para a esquerda, produzindo uma corrente no
   sentido anti-horário (regra da mão direita) para quem olha a bobina na perspectiva do
   carrinho. Ao se afastar (depois de ter passado pela bobina), o fluxo do campo
   magnético do ímã que passa pela bobina diminui, o que induz um campo magnético
   na bobina contrário a essa variação (campo magnético induzido da direita para a
   esquerda), gerando uma corrente no sentido anti-horário.
2. Quando o ímã está descendo (mola alongando) haverá uma oposição a aproximação,
   que se dá por meio de uma repulsão, o que leva a uma polaridade induzida no centro
   da espira com o norte para cima (linhas de campo magnético induzido “saem” da
   espira quando olhado de cima), indicado pelo polegar da mão direita. Com isso, o
   sentido da corrente induzida é o anti-horário para quem olha de cima.
   Quando o imã está subindo (mola comprimindo) haverá, uma oposição à
   aproximação, que se dá por meio de uma repulsão, o que leva a uma polaridade
   induzida no centro da espira com o sul para baixo (linhas de campo magnético
   induzido “chegam” na espira quando olhado de baixo), indicado pelo polegar da mão
   direita. Com isso, o sentido da corrente induzida é o anti-horário para quem olha de
   cima.


  SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4

  CONSTRUINDO UM MOTOR ELÉTRICO




Páginas 23 - 25
1. Porque há necessidade do campo magnético para que se tenha o movimento do
   motor, pois o campo magnético do mesmo interage com o campo gerado na espira.
2. A resposta depende da observação do estudante. Mas espera-se que o estudante
   observe que haverá uma inversão do movimento da bobina (motor).
3. A espira terá seu movimento invertido.
4. A bobina não gira, permanecendo oscilando em relação a seu ponto de equilíbrio,
   devido à inversão da força magnética que atua na bobina.
5. Bobina, fonte e ímã (campo magnético). Lei de Faraday e Lei de Lenz.




Página 25
1. O campo magnético é importante para que ocorra interação magnética (F =
B.i.l.sen).
Professor, explore as duas equações da força magnética (F = qvBsen). É preciso
ressaltar que o movimento de cargas elétricas em uma região com campo magnético
“cria” uma força que produz o movimento.
2. Campo magnético, corrente elétrica, tensão e resistência da bobina.
Essa questão poderá ser explorada quando estiver sendo feita a investigação sobre o
funcionamento do motor, para que os alunos possam perceber melhor a relação das
grandezas.
3. O número de espiras da bobina está relacionado diretamente à força magnética.
Quanto maior o número de espiras, maior será a velocidade. Contudo, o aumento do
número de espiras aumenta a inércia da bobina, ou seja, sua massa dificulta ainda mais
seu movimento.




Página 26
1. O campo magnético tem o sentido de norte para o sul usando o ímã permanente
como referência espacial; a corrente convencional vai do polo positivo para o negativo;
a força magnética aponta para cima (aplicar a regra da mão direita).

                                                                       F



                                                          i


                                                                 B

2. Resposta pessoal, mas é provável que o estudante encontre uma bobina, um ímã
como no motor construído na classe.
3. Sim. Neste caso, aplica-se a Lei de Ampère. Lembre-se que os condutores
percorridos por uma corrente elétrica "criam” um campo magnético em sua volta.


  SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5

  ENTENDENDO OS GERADORES ELÉTRICOS




1ª Parte  

Páginas 28 - 29
1. Espera-se que o estudante observe uma deflexão da agulha.
2. A partir das observações, espera-se que o estudante continue observando a deflexão
   da agulha da bússola.
3. Espera-se que os estudantes percebam que há um ímã. Caso - não percebam,
   aproxime a bússola de um ímã qualquer e depois repita o procedimento com o
   dínamo, mostrando que o comportamento é análogo.
2ª Parte 

Páginas 29 - 31
1. O led vai acender. Devido ao movimento relativo entre o ímã e a bobina, uma
   corrente induzida será criada, fazendo com que o led acenda.
2. Levará a uma deflexão da agulha. O eixo tem o mesmo comportamento de um ímã.
3. Bobinas, ímãs, eixo (considere as observações dos estudantes).
4. Resposta pessoal, mas espera-se que o aluno indique as partes similares, como bobina
   e ímã, e que esses aparatos, apesar de parecidos, se comportam de forma diferente.
5. Basicamente os dois equipamentos são bem similares. O que diferencia um do outro
   é que o dínamo transforma outras formas de energia, que são convertidas em energia
   cinética (movimento) em energia elétrica, e o motor transforma energia elétrica, em
   outras formas de energia, principalmente em cinética.
6. Para entender como a energia elétrica é gerada, vamos discutir o dínamo. Nele
   encontramos um ímã permanente, uma bobina e um dispositivo (eixo) que transfere
   energia cinética (movimento) ao ímã. O ímã, ao se movimentar, faz com que o fluxo
   do campo magnético que passa pela bobina (ou bobinas) fixas varie. Essa variação
   induz uma corrente elétrica na bobina que “cria” um campo magnético oposto à a
   variação do fluxo do ímã sobre a bobina. Assim, temos a energia elétrica.
   No caso dos geradores maiores, o princípio é o mesmo, somente não há ímãs
   permanentes, e sim eletroímãs.
   Falta comentar a questão 6 detalhadamente.
7. A Lei de Faraday e a de Lenz descrevem esse fenômeno.




Página 31
1. Resposta pessoal, mas o estudante poderá citar dínamo, pilhas, baterias e até mesmo
   usinas de produção de energia elétrica.
2. Não, alguns geradores possuem eletroímã, que são criados a partir da passagem da
   corrente elétrica por um condutor. Essa corrente é produzida a partir de uma fonte de
   energia externa.
3. Não, o gerador transforma energia cinética em elétrica.
4. Bobina, eixo e ímã.

  SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6
  COMPREENDENDO O FUNCIONAMENTO DAS USINAS ELÉTRICAS




Páginas 32 - 34
1. Para armazenar energia potencial gravitacional, que será transformada em energia
   cinética.
2. Na maioria das usinas utilizam-se eletroímãs. Normalmente, não se usam ímãs
   naturais por causa da grande intensidade do campo magnético requerido para esse
   fim.
3. Resposta pessoal, mas o estudante pode apontar como uma usina que, depois de
   construída, não polui e não produz resíduos. No entanto, deve-se enfatizar que a
   decomposição de matéria orgânica pode produzir CH4, como o caso das plantas
   submersas.
4. Resposta pessoal. Contudo, devem ser apresentadas formas como usina nuclear,
   eólica, termelétrica, solar, usinas que aproveitam a energia das marés e das ondas.
5. Energia potencial gravitacional que é armazenada na massa de água com a barragem.
   Na queda, essa energia se transforma em energia cinética (movimento), que é
   convertida em energia elétrica no gerador.




Páginas 34 - 35
1. Resposta pessoal, mas o estudante poderá indicar:
   •      produção de rejeitos radiativos;
   •      risco de vazamento de radiação;
   •      risco do transporte do material radiativo;
   •      alto custo de construção da planta industrial;
   •      possibilidade de ocorrência de acidente com sérios danos ambientais.
     •   geração de energia por um longo tempo;
     •   não dependem das condições climáticas, como sol, chuva, ventos;
     •   não ocupam grande áreas;
     •   a poluição direta (emissão de gases na atmosfera) é quase nula;
     •   apesar de a energia gerada ser mais cara do que as hidrelétricas, é mais barata
     que as outras fontes, como a eólica e de termelétricas.
2.
     Lembremos que: intensidade (I) é potência (P) dividida pela área (A).
     I = P/A;                                  E = P.t
     1 000 (W/m2) = 625 (W)/A                  150 (kWh) = P . 240(h)
     A = 625/1 000                             P = 150/240
     A = 0,625 m2                              P = 0,625 kW
     Professor destaque as unidades de medida para que não ocorram erros nos cálculos.
3.
     P = 0,6 Av3
     8100 = 0,6.4.v3
     v3 = 8100/2,4 = 3375
     v3 = 15 m/s
     (v é a velocidade e A é uma constante que está relacionada com densidade linear de
     ar que passa pelo gerador – kg/m.




Página 35
1. Resposta pessoal. As vantagens e desvantagens estarão diretamente ligadas às fontes
     de pesquisa utilizada pelos estudantes. Abaixo listamos uma breve explicação das
     fontes de energia de cada uma das usinas.
     a) Eólica: este tipo de usina utiliza a energia dos ventos para girar uma hélice. Esta
     por sua vez é acoplada à um gerador que produz energia elétrica.
     b) Hidrelétrica: este tipo de usina utiliza a energia de movimento das quedas de
     água para girar as pás de uma turbina, que por sua vez, está ligada à geradores de
     energia elétrica.
  c) Termelétrica: este tipo de usina utiliza a energia química acumulada em
  combustíveis (gás natural, óleo B1, diesel, carvão, lenha, etc) para, durante a queima,
  produzir vapor d'água em alta pressão. Este vapor move as turbinas, que por sua vez
  estão acopladas à geradores de energia elétrica.

  SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7

  COMPREENDENDO UMA REDE DE TRANSMISSÃO




Páginas 36 - 39
1. Resposta pessoal, mas o estudante pode destacar cabos de transmissão, postes,
   transformadores, usinas, subestações.
2. Resposta pessoal, mas o aluno poderá dizer que os cabos servem para a transmissão
   da energia, os transformadores para elevar (ou abaixar) a tensão da rede, e as usinas
   para produzir (transformar) energia.
3. Não, ela sofre mudanças para que possam ser minimizadas as perdas. Devido ao
   efeito Joule (aquecimento dos cabos) ao longo do transporte.
4. Aumentar ou diminuir a tensão e a corrente transmitida na rede.
5. Resposta pessoal, pois depende das pesquisas dos estudantes. No entanto, um
   esquema geral de distribuição de energia elétrica pode ser observado na imagem
   abaixo.
6. Verifique se os alunos constroem um esquema que mostra, organiza e encadeia
   corretamente os seguintes elementos:
   •    Uma usina produtora de energia;
   •    Estações e/ou subestações de transmissão;
   •    Linhas de transmissão de alta voltagem;
   •    Postes de energia;
   •    Transformadores;
   •    A casa que recebe a energia.




Páginas 39 - 40
1. Para que a perda de energia devido ao efeito Joule seja a menor possível.
     Se for necessário, rediscuta a necessidade da alta tensão para a transmissão com
     menor perda, como foi feito no início.
2.
                                       P = R . i2
     P = V.i
     100 . 106 = 2 . 106. I            P = 103. 502
                                       P = 2,5 . 106 W
     i = 50 A
                                       P = 2,5 MW
3.
                                       P = R . i2
     P = V. i
     100 . 106 = 106. I                P = 103. 1002
                                       P = 107 W
     i = 100 A
                                       P = 10 MW (ou seja, a perda fica 4 vezes maior)




Páginas 40 - 41
1.
     N1/V1 = N2/V2
     100/120 = 300/ V2 -------V2 = 360 V
     É importante que aqui possa ser feita a discussão do princípio de funcionamento do
     transformador, caso ainda não tenha sido feita.
2. N1/V1 = N2/V2, ou seja, a tensão é diretamente proporcional ao número de espiras.
3. A tensão e a corrente podem ser facilmente modificadas.
4. Resposta pessoal, mas pode-se definir como sendo um equipamento que modifica a
     corrente e a tensão elétrica sem perda apreciável de energia.
5. Não, o transformador eleva ou abaixa a tensão. A energia elétrica não muda (no caso
     do transformador ideal).
     Destaque esse aspecto do transformador, discutindo a conservação de energia.
6. Resposta pessoal, mas espera-se que o estudante possa ter percebido a importância
     dos transformadores para aumentar a tensão de transmissão, diminuindo a perda de
     energia.

     SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 8

     ENERGIA ELÉTRICA E USO SOCIAL




Páginas 42 - 43
1. Rio de Janeiro, em 1879.
2. Diamantina, em 1883.
3. Ilha Solteira, 1978; Itaipu, maio de 1984 (sua construção se deu durante a década de
     1970); Tucuruí, novembro de 1984.
4.
     Usina Hidrelétrica de Itaipu – Rio Paraná (divisa do Brasil – PR – com o Paraguai) –
     14.000 MW;
     Usina Hidrelétrica de Tucuruí – Rio Tocantins (PA) – 8 370 MW;
     Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira – Rio Paraná (PR) – 3 444 MW;
     Usina Hidrelétrica de Jirau – Rio Madeira (RO) – 3 300 MW;
     Usina Hidrelétrica de Xingó – Rio São Francisco (AL/SE) – 3 162 MW;
     Usina Hidrelétrica de Santo Antônio – Rio Madeira (RO) – 3 150 MW;
     Usina Hidrelétrica de Paulo Afonso IV – Rio São Francisco (BA) – 2 462 MW;
     Usina Hidrelétrica de Itumbiara – Rio Paranaíba (GO/MG) – 2 082 MW;
     Usina Hidrelétrica de São Simão – Rio Paranaíba (GO/MG) – 1 710 MW;
     Usina Hidrelétrica de Foz do Areia – Rio Iguaçu (PR) – 1 676 MW;
5. Há diversas usinas no Estado de São Paulo. Alguns exemplos são:
     No Rio Paraná: Ilha Solteira; Posto Primavera; Japirá; no Rio Tietê: Três Irmãos; no
     Rio Paraíba do Sul: Paraibuna e Jaguari.
     Professor é importante destacar a localização, mostrando que as principais usinas
     estão localizadas nas maiores bacias hidrográficas e rios nacionais.

Energia elétrica e uso social

Página 43
1. A fonte energética de maior participação na matriz de oferta de energia é de origem
   hídrica. Calculando-se, a partir dos dados da tabela da página 43, conclui-se que sua
   participação na matriz energética é de 76%. O Brasil é um país com muitos rios e
   com um relevo com características que propiciam a exploração desse recurso; por
   essa razão, temos em nosso país diversas usinas hidrelétricas.
2. Resposta pessoal, mas o estudante pode responder indicando um aumento da
   tecnologia na produção de energia, como o caso das usinas eólicas, termelétricas. Por
   outro lado, a diminuição pode ser por causa dos impactos ambientais.
3. Sim! Esse aumento foi de 18.428 GWh.




Páginas 44 - 45
1. Sim, pois nos gráficos todo o consumo de bens provenientes da indústria, como
   alimentação, está incluído nesse setor.
2. Não, pois não mostra as origens da energia residencial. Os gráficos não são
   conclusivos para esse setor.
3. Na indústria uma economia de 10% do consumo residencial equivale a 2,21% do
   consumo total de energia no Brasil.


Páginas 45 - 46
1. Os gráficos mostram que, com o maior consumo de energia (TEP) há uma
   diminuição da mortalidade infantil e do analfabetismo e um aumento da expectativa
   de vida.
2. A resposta depende da pesquisa dos estudantes.


Páginas 46 - 47
1. As hidrelétricas exercem grande impacto no meio ambiente, principalmente
   relacionado à área alagada pela barragem.
   Professor, é importante discutir também a questão da emissão de metano (CH4) pela
   decomposição das plantas que estão imersas nas barragens.
2. Não necessariamente. Os maiores valores de IDH se encontram entre 4 e 5 TEP.
3. Resposta pessoal. É importante mostrar que há fortes evidências que indicam que um
   maior consumo de energia pode aumentar o IDH de um país ou de determinada
   região.