Ciências da Natureza I Ensino Médio Oficina Energia e suas transformações Material do monitor

Transcrição

1 Caro monitor Este material foi produzido com o objetivo de auxiliá-lo nos trabalhos com o material didático impresso Energia e suas transformações e com a web aula Energia, meio ambiente e desenvolvimento. Os principais conteúdos abordados nos materiais são: O conceito de Energia A energia potencial gravitacional A energia cinética A energia elétrica As transformações de energia O teorema de conservação da energia As habilidades que são objeto de desenvolvimento, por parte do aluno, nessa atividade são: Parte 1 H39 - Relacionar os conceitos de energia e trabalho. Parte H40 - Identificar algumas formas de energia expressando-as em linguagem matemática quando necessário. H4 - Aplicar o teorema de conservação da energia na resolução de problemas. Parte 3 H41 - Identificar transformações de energia em diferentes processos de geração e uso. Parte 4 H41 - Identificar transformações de energia em diferentes processos de geração e uso. Parte 5 H41 - Identificar transformações de energia em diferentes processos de geração e uso. H49 - Relacionar elementos e grandezas mensuráveis de equipamentos e circuitos elétricos (carga elétrica, corrente, tensão, resistência, potência, força eletromotriz). Parte 6 H49 - Relacionar elementos e grandezas mensuráveis de equipamentos e circuitos elétricos (carga elétrica, corrente, tensão, resistência, potência, força eletromotriz).

2 Parte 7 H41 - Identificar transformações de energia em diferentes processos de geração e uso. Por ser um material extenso existe a necessidade de fazermos escolhas para o trabalho com os conteúdos e habilidades elencadas. Considerando um dia letivo com h de aula, sugere-se que as estratégias utilizadas no plano elaborado sejam divididas da seguinte maneira: Introdução Trabalho com o vídeo Atividade em grupo Resolução e correção de exercícios Finalização da aula ATENÇÃO: Atente que o material impresso é extenso e abarca uma gama variada de habilidades. Consequentemente é importante que você trabalhe em sala de aula somente aquelas partes relacionadas com as habilidades nas quais seus alunos possuem maiores dificuldades de desenvolvimento. Apresentar aos alunos a temática em estudo resgatando a importância da leitura prévia do material impresso, disponível no Portal Eja. É imprescindível a entrega do material com antecedência aos alunos. Introdução Dividir os alunos informando que cada grupo ficará responsável por um dos seis tópicos apresentados no material impresso. O sétimo tópico são exercícios do Enem. Informar que na sequência será exibido o vídeo Energia, meio ambiente e desenvolvimento disponível no Portal Ej@ > Biblioteca digital > Ciências da Natureza I > Web aulas > Ensino médio. Solicitar a atenção e anotação das possíveis dúvidas. Trabalho com o vídeo Energia, meio ambiente e desenvolvimento Pausar o vídeo nos momentos sugeridos a seguir Pausa 1: Afinal o que é energia? Levantar as opiniões dos alunos sobre esse questionamento

3 Pausa : E de onde vem essa energia? Questionar os alunos solicitando que verbalizem suas opiniões. Pausa 3: Em todas essas atividades temos um consumo direto ou indireto de energia Questionar os alunos sobre outras situações diárias onde ocorre consumo de energia. Pausa 4: Após a reflexão sobre energia potencial gravitacional e energia cinética Resgatar com o grupo as expressões para a energia potencial gravitacional e energia cinética E c = m.v E p = m.g.h Pausa 5: O que nós conseguimos é transformar um tipo de energia em outro Levantar com os alunos situações cotidianas onde podemos perceber as transformações de energia Pausa 6: Pausar no gráfico que mostra a mudança de estado do gelo para água e de água para vapor. Refletir com os alunos sobre o significado de cada um daqueles intervalos, observando is intervalos em que a temperatura permanece constante e aqueles em que ocorre a variação da temperatura. Finalizado o vídeo solicitar dos alunos que comentem os pontos que mais lhes chamaram a atenção. Resgatar novamente que uma parcela dos conteúdos estudados no vídeo está aprofundada no material impresso Energia e suas transformações. Atividade em grupo Na divisão, para as atividades, informe os alunos que cada grupo ficará responsável por um dos seis tópicos de teoria do material impresso. O sétimo tópico são exercícios do Enem. Cada grupo trabalhará uma parte do material relacionada a determinadas habilidades que serão o foco de trabalho. No trabalho em grupo eles farão o levantamento e a reflexão daqueles pontos que lhes chamaram a atenção no material impresso. Após essa reflexão os grupos apresentarão aos demais colegas suas impressões referentes aos conteúdos estudados. Sugerimos um tempo máximo de 5 min de apresentação por grupo. Resolução e correção dos exercícios Finalizadas as apresentações é importante que os alunos ainda em grupos trabalhem nos exercícios do material impresso. Finalização da aula 5min

4 É importar resgatar com os alunos que nem todos os exercícios serão resolvidos em sala de aula. Eles devem trabalhar nessas resoluções trazendo as eventuais dúvidas para reflexão com o(a) monitor(a). Após o término da aula repense na sua pratica pedagógica e metodologia de trabalho adotadas para a atividade. Faça sua avaliação! Repense sua prática e entre em contato com os coordenadores da área de CNI para sugestões, criticas, reflexões e dúvidas nas resoluções dos exercícios.

5 Gabarito Comentado 1. Energia é uma entidade física que todo mundo usa, conhece intuitivamente, mas até hoje ninguém conseguiu explicar exatamente o que é. Atribui-se ao físicoquímico Ostwald ( ) o mérito de ter dado a melhor definição que se conhece sobre o assunto. Segundo Ostwald, a energia é aquilo de que se necessita para realizar qualquer tarefa ou trabalho. Assim, quando andamos, consumimos energia, tanto quanto para escrever ou pensar. Os veículos, como os automóveis, por exemplo, consomem energia para se locomoverem. Acender uma lâmpada, tomar um banho, comer uma bolacha ou acelerar a moto são exemplos de consumo de energia.. Exemplo 1: A energia nuclear tem sido utilizada para geração de energia elétrica. Exemplo : A produção de energia elétrica dobrou nos últimos dois anos. Exemplo 3: A energia que vem do Sol é utilizada de diversas maneiras. Em todas as situações a palavra energia está associada à realização de trabalho e a processos de transferência e transformação. Na época do Carnaval ouvimos expressões como A energia do samba animou os foliões ou Os foliões esbanjaram energia no desfile da escola de samba. A expressão energia nessas situações está associada a alegria e animação. 3. Um corpo que cai sob ação da força da gravidade. Nós não vemos a energia durante a queda. Mas podemos ouvir o barulho do seu contato com o solo. Nessa situação ocorreu a transformação da energia potencial gravitacional que vai se transformando em energia cinética durante a queda e por ultimo em energia sonora ao encontrar o solo. 4. a) em relação ao plano da mesa; Ep = m.g.h Ep = 0,1x10x0,8. Ep = 0,8 J. b) em relação ao solo. Ep = m.g.h Ep = 0,1x10x0 Ep = 0 5. No 6º andar a pessoa de 80 kg está a uma altura de 4 m(4x6). Sua energia potencial gravitacional a essa altura, em relação ao solo será: Ep = m.g.h Ep = 80x10x4 Ep = J

6 6. Um carrinho de massa kg tem energia potencial gravitacional de J em relação ao solo, no ponto mais alto de sua trajetória. Sabendo que g = 10 m/s, determine a posição na qual o carrinho se encontra. Ep = m.g.h = x10xh = 0xh h = 1.000/0 h = 50 m 7. Ec = m.v Onde m = 150 kg e v = 36 km/h (10 m/s). Ec = 150x(10) Ec = J 8. Ec = m.v Onde m = 900 kg e v = 7 km/h (0 m/s). Ec = 900x(0) Ec = J 9. Se a velocidade do carro da questão anterior for reduzida à metade, qual o novo valor da energia cinética? Quantas vezes a energia cinética diminuiu, quando a velocidade ficou reduzida à metade? A velocidade que era de 0 m/s foi reduzida à metade: 10 m/s. Calculando o novo valor para a energia cinética teremos: Ec = m.v Onde m = 900 kg e v = 10 m/s. Ec = 900x(10) Ec = J Comparando o valor da energia cinética no exercício anterior quando o carro estava a uma velocidade de 0 m/s ( J) com o valor da energia cinética do veiculo com velocidade de 10 m/s ( J) observa-se que esta está quatro vezes menor.

7 10. Nas três posições apresentadas a soma da energia cinética com a energia potencial fornece como resultado sempre o mesmo valor: J. A situação apresentada indica que ocorreu a conservação da energia mecânica. Ep = J Ec = 0 Ep = J Ec = J Ep = 0 Ec = J 11. a) A energia potencial gravitacional no ponto mais alto da trajetória será: Ep = m.g.h m = 300 g = 0,3 kg g = 10 m/s. h = 10 m. Ep = 0, Ep = 30 J Disponível em: < Acesso em: 4 jan h01min. b) No ponto mais alto da trajetória a velocidade será nula (v = 0) pois durante a subida da bola, sua velocidade diminui. c) Ao chegar ao solo a altura será h = 0. Nessa posição, sua energia potencial gravitacional é nula pois Ep = m.g.h Ep = 0,3x10x0 Ep = 0 d) Qual o valor da velocidade da bola no momento em que atinge novamente o solo? Como não existência a resistência do ar, a bola volta ao solo com a mesma velocidade que subiu: 14,1 m/s.

8 1. Alternativa C Ciências da Natureza I Ensino Médio Ponto mais alto E mecânica = E cinética + E potencial E mecânica = 0 + m.g.h E mecânica = m.g.h h h Metade da trajetória Ponto mais baixo E mecânica = E cinética + E potencial E mecânica = mv + mgh E mecânica = E cinética + E potencial E mecânica = mvo + 0 E mecânica = mv o Comparando os valores da energia mecânica nas posições metade da trajetória e ponto mais baixo teremos, podemos escrever o valor da velocidade v em termos de v o e h. mv + mgh = mv o Os valores m e aparecem em todos os termos da expressão acima. Matematicamente a expressão pode ser reescrita na forma: v + g.h = v o v = v o g.h e substituindo o valor encontrado para v na expressão da energia mecânica na metade da trajetória teremos: E mecânica = mv + mgh E mecânica = m.(v o g.h) + mgh Que pode ser escrita na forma E mecânica = mv o m.g.h + mgh E mecânica = mv o

9 13. Resposta pessoal do aluno. 14. Resposta pessoal do aluno. 15. Resposta pessoal do aluno. 16. Alternativa D Teremos para as lâmpadas: L 1 banheiro L cozinha L 3 corredor L 4 sala De acordo com a tabela Ciências da Natureza I Ensino Médio Área do Potência da Lâmpada (W) Cômodo (m ) Sala/copa/cozinha Quarto, varanda e corredor Banheiro Até 6, ,0 a 7, ,5 a 10, L 1 : A área do banheiro (,1 x 1,5 = 3,15 m ) < 6 m terá lâmpada de 60 W L : A área da cozinha: (3 x 3 = 9 m ). De acordo com a tabela o valor 9m está entre 7,5 e 10,5. Portanto a lâmpada ideal é de 100 W L 3 : A área do corredor (1,5 x 0,9 = 1,35 m ) < 6 m terá lâmpada de 60 W L 4 : A área da sala (3 x,8 = 8,4 m ). De acordo com a tabela o valor 8,4 m está entre 7,5 e 10,5. Portanto a lâmpada ideal é de 100 W Portanto a potência total das lâmpadas será de: = 30 W A casa possui ainda : 1 geladeira = 00 W 1 ferro elétrico = 500 W 1 rádio = 50 W 1 chuveiro = W 1 televisor = 00 W 1 ap. de som = 10 W Somando todos os valores encontramos um total de W.

10 17. Resposta pessoal do aluno. 18. Resposta pessoal do aluno. 19. Ciências da Natureza I Ensino Médio Resposta pessoal do aluno. 1. a) kwh. b) 19,0 kwh. c) Novembro. d) 4,3 kwh. e) R$ 34,48. f) Qual é o valor efetivo cobrado por unidade de energia consumida? Para isso, basta dividir o valor cobrado pela energia consumida. Unidade de energia consumida = Valor pago (sem impostos) Consumo total Unidade de energia consumida = R$ 34,48 19 Unidade de energia consumida 0,67

11 g) 10 min 0,17 h Energia = Potência x tempo Energia = W x 0,17 h Energia = 561 Wh = 0,561 kwh Valor do banho = Energia consumida no banho x unidade de energia consumida Valor do banho = 0,561 x 0,67 Valor do banho R$ 0,149 h) Energia = Potência x tempo Geladeira TV Ferro elétrico Energia = Potência x Energia = Potência x Energia = Potência x tempo Energia = 300 W x 4 h Energia = 7.00 Wh Energia = 7, kwh tempo Energia = 440 W x 8 h Energia = 3.50 Wh Energia = 3,5 kwh tempo Energia = W x h Energia =.000 Wh Energia = kwh Valor gasto = 7, x 0,67 Valor gasto R$ 1,9 Valor gasto = 3,5 x 0,67 Valor gasto R$ 0,94 Valor gasto = x 0,67 Valor gasto R$ 0,534 i) Valor consumido = Energia consumida pelo aparelho x unidade de energia consumida Valor consumido = 3,5 x 0,67 Valor consumido = R$ 8,68.. Um circuito elétrico pode ser definido como um conjunto de componentes, ligados numa dada sequência, formando um percurso por onde passar uma corrente elétrica. Os circuitos elétricos são constituídos de fontes de energia (pilhas ou baterias, por exemplo), aparelhos receptores e fios condutores. Podem ser inseridos no circuito os interruptores, que abrem e fecham o percurso por onde passa a corrente elétrica. Outros aparelhos também utilizados são os amperímetros (utilizados para medida da corrente elétrica em um trecho do circuito) e os voltímetros (para medida da diferença de potencial). 3. Figuras 1 e 1a: circuitos em série. Figuras e a: circuito em paralelo.

12 4. Circuito em série: A corrente elétrica que percorre cada componente do circuito é a mesma. Entretanto a diferença de potencial poderá ter valores diferentes. Circuito em paralelo: Circuito em paralelo: A diferença de potencial entre os terminais de cada componente é a mesma. Por outro lado, a corrente elétrica que atravessa cada componente poderá ter valores diferentes. 5. O circuito está disposto em série. Nesse caso fazemos a soma dos valores dos resistores, para determinar o resistor equivalente. R equivalente = 0,5 + 1,5 + R equivalente + 4 0,5 1,5, O circuito está disposto em paralelo. Na determinação do valor do resistor equivalente (Req) utiliza-se a expressão: 1 = R eq R 1 R R 3 Onde R 1 = 40 R = 10 R 3 = 40 1 = R eq Utilizando as técnicas matemáticas de determinação do mínimo múltiplo comum (m.m.c.) e resolvendo a expressão teremos:

13 1 = R eq Ciências da Natureza I Ensino Médio 1 = 4 R eq 40 4.R eq = 40 R eq = 40 / 4 R eq = Os resistores R 1 e R estão organizados em paralelo. Calculando o valor dessa associação teremos: 1 = R eq R 1 R Onde R 1 = R = 1 = R eq Que fornece como resultado 1 = R eq.r eq = R eq = 1 Conforme comentado esse é o valor resultante da associação em paralelo. O novo circuito pode ser representado da seguinte forma 1 4 Na nova situação teremos a organização dos resistores em série. Basta somar os valores para obtermos o resistor equivalente final. R eq = R eq = 5

14 8. Ciências da Natureza I Ensino Médio A associação do circuito é em série. Com as informações fornecidas é possível calcular a resistência equivalente R eq = R 1 + R + R 3 + R 4 R eq = R eq = 9. 6 V 4 6 a) A ligação é em paralelo. b) 1 = R eq R 1 R Onde R 1 = 4 R = 6 1 = R eq 4 6 Que fornece como resultado 1 = 3+ R eq 1 5.R eq = 1 R eq =,4

15 c) Com a expressão V = R.i determinamos o valor da corrente elétrica que atravessa o circuito utilizando o valor da diferença de potencial (V = 6 V) e o valor da resistência equivalente (R =,4 ). V = R.i 6 =,4.i i =,5 A d) Qual a intensidade elétrica que atravessa cada uma das lâmpadas? Novamente com a expressão V = R.i determinamos o valor da corrente elétrica que atravessa cada uma das lâmpadas utilizando o valor da diferença de potencial (V = 6 V) e o valor da resistência elétrica de cada lâmpada (R = 4 e R = 6 ). Para a lâmpada de resistência R = 4 V = R.i 6 = 4.i i = 1,5 A Para a lâmpada de resistência R = 6 V = R.i 6 = 6.i i = 1,0 A e) Qual a potencia elétrica dissipada por cada uma das lâmpadas? Com a expressão P = R.i (aula 41) determinamos o valor da potência dissipada por cada lâmpada utilizando o valor da resistência elétrica e da corrente elétrica em cada lâmpada. Para a lâmpada de resistência R = 4 e corrente elétrica 1,5 A. P = R.i P = 4.(1,5) P = 9 W Para a lâmpada de resistência R = 6 e corrente elétrica 1,0 A. P = R.i P = 6.(1,0) P = 6 W

16 30. a) Determine o valor da resistência de cada aparelho. O diagrama mostrado informa que os resistores estão organizados em paralelo. Nessa situação todos eles estão submetidos à mesma diferença de potencial informado. Com essas informações e utilizando a expressão V = R.i determina-se o valor da resistência em cada aparelho. 110 V Para a torradeira V = 110 V e i = 8 A. V = R.i Torradeira 110 = R.8 R torradeira = 13,75 8 A Para o aquecedor V = 110 V e i = 10 A. V = R.i 110 = R.10 R aquecedor = 11,0 Aquecedor 10 A Lâmpada Para a lâmpada V = 110 V e i = A. V = R.i 110 = R. R lâmpada = 55,0 A 0 A b) Qual será então o valor da resistência equivalente? Resolveremos os exercícios de duas maneiras distintas. 1ª resolução No item a) determinamos os valores das resistências de cada aparelho. Utilizando a equação para o resistor equivalente em paralelo determinamos o valor da resistência equivalente. 1 = R eq R torradeira R aquecedor R lâmpada 1 = R eq 13, Resolvendo a expressão teremos: 1 = R eq R eq = 55 R eq = 5,5

17 ª resolução Ciências da Natureza I Ensino Médio Com a expressão V = R.i determinamos o valor da resistência equivalente utilizando o valor da diferença de potencial (V = 6 V) e o valor da corrente elétrica total (i = 0 A) que atravessa o circuito. V = R.i 110 = 0.i i = 110/0 i = 5,5 A W F Lâmpada de 50 W TV 00 W Refrigerador 500 W Chuveiro 400 W Utilizando a expressão P = V.i, calculamos inicialmente a corrente elétrica que passa por cada um dos aparelhos. Teremos Para a lâmpada P = 50 W V = 0 P = V.i i = 50/0 i 1,14 A Para a TV P = 00 W V = 0 P = V.i i = 00/0 i 0,91 A Para o refrigerador P = 500 W V = 0 P = V.i i = 500/0 i,7 A

18 Para o chuveiro P = W V = 0 P = V.i i = 4.000/0 i 18, A Ciências da Natureza I Ensino Médio A corrente que passa pelo fusível é de 0 A e pelo chuveiro passam 18, A. Restam então 0 18, = 1,8 A. Sendo assim a corrente que passa pelos outros aparelhos não pode ser superior a 1,8 A. Caso isso ocorra o fusível queimaria. De acordo com as possibilidades propostas nas alternativas teremos. Alternativa A Ligando o chuveiro com a TV teríamos: 18, A + 0,91 A = 19,11 A o que ficaria abaixo dos 0 A disponíveis. Portanto essa é uma situação possível. Alternativa B Ligando o chuveiro com a TV e a lâmpada teríamos: 18, A + 0,91 + 1,14 A = 0,5 A o que ficaria acima dos 0 A disponíveis e o fusível queimaria. Alternativa C Ligando o chuveiro com o refrigerador teríamos: 18, A +,7 A = 0,47 A o que também ficaria acima dos 0 A disponíveis e o fusível queimaria. Alternativa D Ligando o chuveiro com a TV e o refrigerador teríamos: 18, A + 0,91 A,7 A = 1,38 A o que novamente está acima dos 0 A disponíveis. Alternativa E Ligando o chuveiro com o refrigerador e a lâmpada teríamos: 18, A +,7 A + 1,14 A = 1,61 A. Também nessa situação o fusível queimaria. 3. Alternativa D A energia geotérmica se assemelha às usinas nucleares no que diz respeito à conversão de energia. Ambas convertem energia térmica em cinética e, depois, em elétrica. 33. Alternativa E Olhando para a tabela, se pudermos aumentar a eficiência indefinidamente, o sistema que mais se beneficiaria seria o da lâmpada incandescente, que transforma energia elétrica em energia radiante (luz e radiação infravermelha). Mas não consta essa opção, até porque as lâmpadas incandescentes já foram substituídas em eficiência pelas lâmpadas fluorescentes. Em segundo lugar, o sistema que mais se beneficiaria seria o de células solares, que transformam a energia radiante do sol em energia elétrica. Aumento nessa eficiência significa energia limpa, segura e renovável com menor custo, já que a energia solar é abundante.