FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO ENSINO SECUNDÁRIO MARGARIDA MARCÃO NUNO LINO RICARDO PINTO

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1 FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO ENSINO SECUNDÁRIO MARGARIDA MARCÃO NUNO LINO RICARDO PINTO

2 ÍNDICE DOMÍNIO Mecânica DOMÍNIO Ondas e eletromagnetismo 1 TEMPO, POSIÇÃO E VELOCIDADE Referencial e posição: coordenadas cartesianas em movimentos retilíneos 6 Deslocamento. Distância percorrida sobre a trajetória. Gráficos posição-tempo 7 Rapidez média. Velocidade média 9 Exercícios resolvidos 10 Velocidade e gráficos posição-tempo 14 Exercícios resolvidos 16 Gráficos velocidade-tempo: deslocamento e distância 20 percorrida Exercícios resolvidos 22 Organizar ideias 26 Exercícios propostos 27 2 INTERAÇÕES E SEUS EFEITOS As quatro interações fundamentais 44 Interação gravítica e Lei da Gravitação Universal 44 Pares ação-reação e Terceira Lei de Newton 45 Exercícios resolvidos 47 Efeitos das forças sobre a velocidade 49 Aceleração média. Aceleração. Gráficos velocidade-tempo 50 Exercícios resolvidos 52 Movimentos retilíneos e curvilíneos 54 Segunda Lei de Newton 55 Primeira Lei de Newton 57 Movimento segundo Aristóteles, Galileu e Newton 57 Exercícios resolvidos 58 Organizar ideias 62 Exercícios propostos 63 A.L.1.1. Queda livre: força gravítica e aceleração da gravidade 79 A.L.1.2. Forças nos movimentos retilíneos acelerado e uniforme 82 Teste de avaliação FORÇAS E MOVIMENTOS Queda e lançamento na vertical com efeito de resistência do ar desprezável 90 Exercícios resolvidos 93 Queda na vertical com efeito de resistência do ar apreciável 99 Exercícios resolvidos 101 Movimento retilíneo uniforme e uniformemente variado 104 Exercícios resolvidos 106 Movimento circular uniforme 110 Exercícios resolvidos 113 Organizar ideias 116 Exercícios propostos 117 A.L.1.3. Movimento uniformemente retardado: velocidade e deslocamento SINAIS E ONDAS Sinais, propagação de sinais e velocidade de propagação 138 Ondas transversais e longitudinais 139 Ondas mecânicas e eletromagnéticas 139 Periodicidade temporal e periodicidade espacial 140 Exercícios resolvidos 141 Ondas harmónicas e ondas complexas 143 Exercícios resolvidos 145 O som como onda de pressão. Sons puros e sons complexos 150 Exercícios resolvidos 153 Organizar ideias 155 Exercícios propostos 156 A.L.2.1. Características do som 169 A.L.2.2. Velocidade de propagação do som 172 Teste de avaliação ELETROMAGNETISMO Carga elétrica e sua conservação 180 Campo elétrico e linhas de campo elétrico 180 Força elétrica sobre uma carga pontual 182 Exercícios resolvidos 183 Campo magnético e linhas de campo criados por ímanes e correntes elétricas 186 Exercícios resolvidos 188 Fluxo do campo magnético 191 Indução eletromagnética e força eletromotriz induzida (Lei de Faraday) 192 Produção industrial e transporte de energia elétrica: geradores e transformadores 193 Exercícios resolvidos 194 Organizar ideias 197 Exercícios propostos ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Espetro eletromagnético. Reflexão. Transmissão e absorção de radiação 212 Leis da reflexão 213 Exercícios resolvidos 214 Leis da refração 219 Reflexão total 220 Exercícios resolvidos 222 Difração 227 Efeito Doppler 228 Exercícios resolvidos 229 Organizar ideias 231 Exercícios propostos 232 A.L.3.1. Ondas: absorção, reflexão, refração e reflexão total 240 A.L.3.2. Comprimento de onda e difração 243 Teste de avaliação ISBN

3 DOMÍNIO Equilíbrio químico DOMÍNIO Reações em sistemas aquosos 1 ASPETOS QUANTITATIVOS DAS REAÇÕES QUÍMICAS Reações químicas: equações químicas e relações estequiométricas 254 Reagente limitante e reagente em excesso 255 Grau de pureza de uma amostra 255 Rendimento de uma reação química 256 Economia atómica e Química Verde 256 Exercícios resolvidos 257 Organizar ideias 261 Exercícios propostos 262 A.L.1.1. Síntese do ácido acetilsalicílico EQUILÍBRIO QUÍMICO E EXTENSÃO DAS REAÇÕES QUÍMICAS Reações incompletas e equilíbrio químico 270 Extensão das reações químicas 272 Exercícios resolvidos 274 Fatores que alteram o equilíbrio químico 279 Exercícios resolvidos 282 Organizar ideias 286 Exercícios propostos 287 A.L.1.2. Efeito da concentração no equilíbrio químico 296 Teste de avaliação REAÇÕES ÁCIDO-BASE Ácidos e bases 306 Exercícios resolvidos 308 Ácidos e bases em soluções aquosas 311 Constantes de acidez e de basicidade 313 Força relativa de ácidos e bases 314 Exercícios resolvidos 315 Acidez e basicidade em soluções aquosas de sais 318 Titulação ácido-base 319 Aspetos ambientais das reações ácido-base 321 Exercícios resolvidos 323 Organizar ideias 325 Exercícios propostos 326 A.L.2.1. Constante de acidez 335 A.L.2.2. Titulação ácido-base REAÇÕES DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO Caracterização das reações de oxidação-redução 341 Exercícios resolvidos 343 Força relativa de oxidantes e redutores 345 Exercícios resolvidos 346 Organizar ideias 348 Exercícios propostos 349 A.L.2.3. Série eletroquímica 356 Teste de avaliação SOLUÇÕES E EQUILÍBRIO DE SOLUBILIDADE Mineralização das águas e processo de dissolução 363 Solubilidade dos sais em água 363 Equilíbrio químico e solubilidade de sais 364 Alteração da solubilidade dos sais 366 Exercícios resolvidos 368 Organizar ideias 372 Exercícios propostos 373 A.L.2.4. Efeito da temperatura na solubilidade de um soluto sólido em água 379 Teste de avaliação Provas globais Prova global Prova global Formulário de Física 400 Formulário de Química 402 Proposta de soluções 403 Tabela Periódica contra-capa

4 FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO INTERVALO DE TEMPO FORÇAS MOVIMENTOS Módulo da velocidade aumenta Rar ] 0 ; t 1 [ s FR Fg F g > R ar F orça resultante tem a direção e o sentido do movimento e o seu módulo está a diminuir (Resistência do ar aumenta com o aumento do módulo da velocidade) ò Movimento retilíneo acelerado Módulo da velocidade constante Rar ] t1 ; t 2 [ s FR = 0 Fg 1.ª Velocidade terminal Força resultante nula F g = R a r ò Movimento retilíneo e uniforme Abertura do paraquedas t2 Resistência do ar atinge o valor máximo Módulo da velocidade diminui Rar ] t2 ; t3 [ s Fg FR F g < R ar F orça resultante tem a direção do movimento e o sentido oposto e o seu módulo está a diminuir (Resistência do ar diminui com a diminuição do módulo da velocidade) ò Movimento retilíneo retardado Módulo da velocidade constante Rar ] t3 ; t 4 [ s FR = 0 Fg F g = R ar ª Velocidade terminal Força resultante nula ò Movimento retilíneo e uniforme RESUMO TEÓRICO

5 MECÂNICA FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 1. O gráfico seguinte traduz o módulo da velocidade, na vertical, de um paraquedista que se lançou de um avião, em função do tempo. v (m s 1) II I III 20 IV t (s) Associe as situações descritas nas alíneas seguintes à(s) etapa(s) I, II, III e IV do gráfico. a) O paraquedista desloca-se com velocidade constante. b) O paraquedista desloca-se com a 2.ª velocidade terminal. c) O paraquedista cai com o paraquedas aberto. d) O paraquedista cai em movimento retilíneo acelerado Indique em que etapa(s) do gráfico se verifica: a) P = R ar b) P > R ar 2. A figura representa o esboço de um gráfico que traduz o modo como varia o módulo da velocidade, v, de uma gota de água da chuva que cai verticalmente, em função do tempo, t. c) P < R ar v (m s 1) t1 t2 t (s) Escolha a opção que pode representar a resultante das forças no intervalo de tempo [0 ; t 1 ] s. (A) F = 0 R (B) F R = P + R ar (C) F = P R (D) F R = R ar 101

6 FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO NO LABORATÓRIO 1. Identifique o canal (A ou B) que corresponde ao som captado pelo microfone m Quanto maior for a intensidade da força com que se bate com uma das placas de madeira sobre a outra, mais... (A) alto será o som produzido. (B) forte será o som produzido. (C) grave será o som produzido. (D) fraco será o som produzido. 3. Podemos afirmar que: (A) os microfones m 1 e m 2 detetam sinais sonoros de frequências diferentes. (B) a velocidade de propagação do som no ar seria diferente se a frequência do som produzido fosse inferior. (C) a velocidade de propagação do som no ar seria diferente se a frequência do som produzido fosse superior. (D) o comprimento de onda dos sinais recebidos pelos dois microfones é igual. 4. Os alunos repetiram quatro vezes a experiência, variando a distância entre os microfones e mediram o intervalo de tempo decorrido entre os dois sinais, para cada ensaio. ENSAIO DISTÂNCIA, d (cm) INTERVALO DE TEMPO, Δt (ms) 1 200,0 5, ,0 3, ,0 2, ,0 1,14 Obtenha, a partir da calculadora gráfica, a equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto de pontos experimentais para a representação d = f(δt) e determine o valor da velocidade de propagação do som nas condições atmosféricas em que a experiência foi realizada, em unidades do SI. 5. Determine o comprimento de onda e o período do sinal sonoro produzido, admitindo que a sua frequência corresponde ao dobro da frequência do som mais grave que o ouvido humano é capaz de captar. 6. Preveja, justificando, o que aconteceria ao valor da velocidade de propagação do som se a temperatura do ar, durante a realização da atividade, fosse superior. Justifique. 174

7 FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO TESTE DE AVALIAÇÃO 2 Tempo, posição e velocidade Interações e seus efeitos Forças e movimentos Sinais e ondas Para responder aos itens de escolha múltipla, selecione a única opção (A, B, C ou D) que permite obter uma afirmação correta ou responder corretamente à questão colocada. Se apresentar mais do que uma opção, a resposta será classificada com zero pontos, o mesmo acontecendo se a letra transcrita for ilegível. Utilize unicamente valores numéricos das grandezas referidas na prova (enunciado, tabela de constantes e Tabela Periódica). Grupo I Dois veículos, A e B, movem-se numa estrada retilínea. Considere que a origem do referencial é comum aos dois veículos e as equações que descrevem o seu movimento são: x A = 20,0 + 25,0 t (SI) e x B = 80,0 20,0 t + 4,0 t 2 (SI) 1. Relativamente ao movimento dos dois veículos, é possível afirmar que: (A) no instante t = 0 s, os veículos A e B deslocam-se em sentidos opostos. (B) no instante t = 0 s, a distância que separa os veículos A e B é de 100,0 m. (C) a componente escalar da aceleração do veículo B é 4,0 m s 2. (D) a resultante das forças que atua no veículo A tem a direção e sentido do movimento. 2. Classifique, justificando, o tipo de movimento apresentado pelo veículo B no intervalo [0 ; 1] s. 3. Determine a posição ocupada pelo veículo B no instante em que inverte o sentido do seu movimento. Grupo II Uma partícula material parte da origem do referencial e desloca-se na horizontal obedecendo à seguinte lei das velocidades: v = t (SI) 1. Trata-se de um movimento: (A) retilíneo uniformemente retardado no sentido positivo do eixo. (B) retilíneo uniformemente acelerado no sentido positivo do eixo. (C) retilíneo uniformemente retardado no sentido negativo do eixo. (D) retilíneo uniformemente acelerado no sentido negativo do eixo. 175

8 FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO PROVA GLOBAL 2 (120 minutos) Aspetos quantitativos das reações químicas Tempo, posição e velocidade Reações de ácido-base Forças e movimentos Reações de oxidação-redução Ondas eletromagnéticas Equilíbrio químico e extensão das reações químicas Soluções e equilíbrio de solubilidade Para responder aos itens de escolha múltipla, selecione a única opção (A, B, C ou D) que permite obter uma afirmação correta ou responder corretamente à questão colocada. Se apresentar mais do que uma opção, a resposta será classificada com zero pontos, o mesmo acontecendo se a letra transcrita for ilegível. Utilize unicamente valores numéricos das grandezas referidas na prova (enunciado, tabela de constantes e Tabela Periódica). Grupo I Em duas tinas contendo iguais volumes de água destilada e uma gota de indicador ácido-base, à pressão de 1 atm e à temperatura de 25 ºC, colocam-se pequenas porções de sódio metálico (ensaio 1) e de potássio metálico (ensaio 2). Sódio Potássio água + indicador água + indicador Ensaio 1 Ensaio 2 Ocorrem reações químicas completas, que podem ser interpretadas com base na série eletroquímica seguinte: EQUAÇÕES DE REDUÇÃO K + (aq) + e K(s) Na + (aq) + e Na(s) 2 H 2 O(l) + 2 e H 2 (g) + 2 OH (aq) Poder oxidante 1. Indique os pares conjugados de oxidação-redução relativos ao ensaio Selecione a opção que identifica corretamente os metais por ordem crescente do seu poder redutor. (A) K < Na (C) Na < K (B) K > Na (D) Na > K 392

9 FÍSICA E QUÍMICA A 11.º ANO PROVA GLOBAL 2 3. À temperatura de 25 ºC, o caráter químico das soluções resultantes dos ensaios 1 e 2 poderá ser confirmado utilizando apenas um dos dois indicadores ácido-base constantes na tabela seguinte: INDICADOR PONTO DE VIRAGEM VARIAÇÃO DE COR X 6,0 7,6 amarelo azul Y 4,2 6,3 vermelho amarelo Selecione esse indicador e indique a cor adquirida pela solução. Grupo II O alumínio, Al, pode ser extraído da bauxite, um mineral rico em óxido de alumínio, Al 2 O 3. Industrialmente, o Al 2 O 3 fundido reage com grafite, C(s), de acordo com a equação química: 2 Al 2 O 3 (l) + 3 C(s) 4 Al(l) + 3 CO 2 (g) 1. Quando se libertam 200 dm 3 de dióxido de carbono (medidos a 0 ºC e a 1,0 atm), a quantidade de matéria máxima de alumínio que se forma é: (A) 4 22, mol (B) ,4 mol (C) ,4 mol (D) 3 22, mol 2. Usou-se bauxite com 35%(m/m) de óxido de alumínio. De acordo com a resposta ao item anterior, e admitindo um rendimento da reação de 100%, determine a massa de bauxite utilizada. Apresente o resultado em quilogramas e arredondado às décimas. Grupo III O ácido nitroso, HNO 2 (aq), um ácido fraco de constante de acidez K a, ioniza-se facilmente em água, estabelecendo-se o equilíbrio representado pela equação química seguinte: HNO 2 (aq) + H 2 O(l) NO 2(aq) + H 3 O + (aq) A uma determinada temperatura, numa solução aquosa de ácido nitroso, HNO 2 (aq), a razão entre os valores das concentrações de equilíbrio do ácido e do ião nitrito em solução, [ HNO 2 ] e [ NO 2 -, é igual a 13,5. ] e 1. Mostre, partindo da definição de ácido e de base de Brönsted e Lowry, que a ionização do ácido nitroso é uma reação ácido-base de Brönsted e Lowry. 393