atividade 1: erros, desvios, incertezas e algarismos - EAD

Laboratório de Física Moderna - EAD- UESC 2014
Prof. Arturo R. Samana-UESC
Equipe: 1. Nome: ....................................................................................................
2. Nome: ....................................................................................................
3. Nome: ....................................................................................................
Pólo: ....................................................................................................
Data: ....................................................................................................
Experiência 1: RADIAÇÃO SOLAR
Relatório Programado: Guia para tomada e análise de dados
Prazo: 1 semana
Visto
.....................
1. Introdução
O presente experimento pertence a uma experiência apresentada no documentário
Maravilhas do Sistema Solar da BBC [1] relativo a medir quanta energia solar chega à
superfície da Terra numa forma simples.
2. Objetivos
- Reproduzir a experiência apresentada no documentário, adaptando os resultados obtidos
para áreas locais.
- Verificar se o experimento é adaptável para realizar numa aula ao ar livre para alunos de
segundo grau, ou mesmo no nível terciário.
- Determinar a quantidade de energia solar recebida na Terra.
3. Fundamentação teórica
Radiação solar-Conceitos Básicos: Radiação solar é a designação dada à energia radiante
emitida pelo Sol, em particular aquela que é transmitida sob a forma de radiação
eletromagnética. Cerca de metade desta energia é emitida como luz visível na parte de
freqüência mais alta do espectro eletromagnético e o restante na do infravermelho próximo
e como radiação ultravioleta. A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera
terrestre 1,5 x 1018 kWh de energia, a qual, para além de suportar a vasta maioria das
cadeias tróficas, sendo assim o verdadeiro sustentáculo da vida na Terra, é a principal
responsável pela dinâmica da atmosfera terrestre e pelas características climáticas do
planeta [2].
1
A densidade média do fluxo energético proveniente da radiação solar é de 1.367
W/m , quando medida num plano perpendicular à direção da propagação dos raios solares
no topo da atmosfera terrestre. Aquele valor médio, designado por constante solar, foi
adotado como padrão pela Organização Meteorológica Mundial, isto apesar de flutuar
umas tantas partes por mil de dia para dia e de variar com a constante alteração da
distância da Terra ao Sol que resulta da elipticidade da órbita terrestre e das alterações na
superfície do Sol (cromosfera e coroa solar), as quais apresentam pontos quentes e frios em
constante mutação, para além das erupções cromosféricas e todos os outros fenômenos que
se traduzem na formação das manchas solares e na complexa dinâmica dos ciclos solares.
A quantidade total de energia recebida pela Terra é determinada pela projeção da sua
superfície sobre um plano perpendicular à propagação da radiação (π R2, onde R é o raio
da Terra). Como o planeta roda em torno do seu eixo, esta energia é distribuída, embora de
forma desigual, sobre toda a sua superfície (4 π R2). Daí que a radiação solar média
recebida sobre a terra, designada por insolação seja 342 W/m2, valor correspondente a 1/4
da constante solar. O valor real recebido à superfície do planeta depende, para além dos
fatores astronômicos ditados pela latitude e pela época do ano (em função da posição da
Terra ao longo da eclíptica), do estado de transparência da atmosfera sobre o lugar, em
particular da nebulosidade [2].
2
NOTA: Como esta informação foi colada do site do Wikipédia, seria bom consultar alguns
livros de texto ou uma bibliografia indexada para conferir os ditos e as estimativas
mencionadas no texto (Pode se consultar, por exemplo, [3])
4. Preparação
- Assista ao vídeo educacional sobre a experiência, editado do original do documentário
Maravilhas do Sistema Solar da BBC [1].
A continuação encontra-se a legenda dessa parte do documentário, que relata a experiência
a ser realizada:
“Durante séculos, as mentes mais brilhantes tentaram entender a origem do calor
e energia infindáveis do Sol. De que são feitos? De onde vem? E qual é a fonte de seu
poder fenomenal? Então, em 1838, o físico britânico John Herschel se empenho
bravamente na tentativa experimental de capturar um raio de sol. Quanta energia solar
chega ate a superfície da Terra?
É possível fazer isso fazendo uma simples experiência com somente um
termômetro, uma latina de água e um guarda-chuva.
A água da latinha tem que estar em temperatura ambiente. Hoje, aqui no Vale da Morte
esta fazendo 46 °C. Então coloque o termômetro na água, tire a latinha da sombra e deixe
que o Sol aqueça a água. Debaixo do sol, a temperatura da água começa a subir. Se
soubermos quanto tempo demora em que o Sol aumente a temperatura da água em 1 grau
2
é possível descobrir exatamente quanta energia solar ha na latinha e, depois, quanta
energia há por metro quadrado.
Em um dia ensolarado, quando o Sol esta bem sobre a nossa cabeça este número
chega a um quilowatt. É o mesmo que dez lâmpadas de 100 watts cada uma ligadas pela
energia solar por metro quadrado da superfície da Terra. Com uma imaginação
audaciosa, Herschel usou este resultado para calcular toda a energia emitida pelo Sol.
Imagine somar os quilowatts de toda esta área. Imagine os raios de Sol cobrindo
toda a superfície da Terra. Depois imagine isso: a distância da Terra ate o Sol e de 150
milhões de quilômetros, então o Sol esta irradiando energia em uma esfera gigante de em
um raio de 150 milhões de quilômetros ao redor de nossa estrela. Quanta energia isso da?
E quatro vezes π vezes a distancia do Sol em metros quadrados, isso dos quatrocentos
milhões de watts. Isso é um milhão de vezes o consumo de energia dos Estados Unidos por
ano, irradiado em um segundo.
E descobrimos isso usando água, um termômetro, uma latinha e um guarda-chuva.
É por isso que eu adoro física.”
Prof. Brian Cox , Maravilhas do Sistema Solar, BBC [1].
Esta interessante experiência foi melhorada pela Professora Berenice Helena Wiener
Stensmann da Universidade Federal do Rio Grande do Sul [4]. Assim que nesta disciplina
usaremos o roteiro da Profa. Stensmann.
4.1 Materiais necessários
- Termômetro na escala Celsius (pode ser termômetro que se utiliza em aquários);
- Papel contact preto ou plástico preto;
- Vidro de Nescafé ou de compota de boca larga e transparente;
- Relógio com cronometro;
Observação: Fazer a medida em dia ensolarado, sem nuvens e sem vento.
4.2 Construção do equipamento (1,0)
Cole na parte interna do vidro transparente, de forma a cobrir 50% da área total lateral do
vidro, o papel contatc preto. Você pode substituir o papel contact por tinta acrílica preta,
pintando a parte interior do vidro de forma a cobrir 50% da área total lateral. Deve
prender o termômetro na parte interna do vidro. Encha-o de água a temperatura
ambiente e feche bem a tampa.
3
4.3 Procedimento (3,0)
Verifique a temperatura da água que foi colocada no pote e marque na tabela juntamente
com a hora inicial da experiência. Coloque o pote exposto ao Sol durante 15 minutos. Ao
fim deste tempo verifique a temperatura da água e marque na tabela juntamente com o
novo horário. Despeje a água do pote e encha-o novamente com água da torneira. Repita o
procedimento acima, mas desta vez deixe o pote na sombra. Anote os dados na Tabela 1.
Esta operação deve se repetir cinco vezes.
Tabela 1: Dados coletados, hora e temperatura em °C Celsius.
Hora
inicial
Temperatura
inicial
Hora
final
Temperatura
final
Variacao de
Temperatura T
T/minuto
1. Sol
1. Sombra
2. Sol
2. Sombra
3. Sol
3. Sombra
4. Sol
4. Sombra
5. Sol
5. Sombra
4.4 Determinação da Constante Solar (1,0)
1. Fazer a média entre os dois valores de variação de temperatura por minuto obtida para as
medidas no Sol, e depois faça a média para as medidas na sombra. A variação média no
Sol tem que ser corrigida pela perda (ou ganho) de calor para a atmosfera. se houver uma
perda de calor na sombra (variação de temperatura negativa), então some a variação média
na sombra à variação média no sol para obter o aumento de temperatura líquido no sol. Se
houver um ganho, então subtraia. Por exemplo: se após 15min de exposição no sol a
temperatura da água aumenta de 2 graus a variação de temperatura por minuto é 0,133 ºC e
após 15 min. de exposição à sombra a temperatura diminui de 2 graus a variação de
temperatura por minuto será -0,133ºC. A variação média no Sol deve ser corrigida, então,
nesse caso fazemos a soma de 0,133 +0,133= 0,266.
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2. Calcule o volume de água, em cm3 colocada no pote. Sabendo que a densidade da água
= 1 g/cm3, determine a massa de água existente no pote, em gramas.
3. Sabendo que o calor específico da água é 1 cal/gºC, determine a quantidade de calor
absorvido por minuto.
4. Calcule a área coletora do pote multiplicando h(altura do pote) por 2R (R=raio da base
do pote). Divida as calorias por minuto pela área coletora para achar o número de calorias
absorvidas por minuto, por centímetro quadrado da área coletora. Por área coletora,
entenda se ao retângulo formado pelo lado do pote (altura) e o outro lado será o diâmetro
do pote (2R).
Escreva o número de calorias absorvidas por minuto por centímetro quadrado:
..........................
O número encontrado acima é a "constante solar". Na verdade, ele depende da altura do
Sol, porque quando o Sol está baixo no céu seus raios têm que passar por uma camada
atmosférica maior do que quando ele está alto. É possível verificar isto, medindo a
constante solares várias vezes durante o dia, comparando os resultados. Seria conveniente
fazer a experiência em dois dias, com o sol bem no alto ao meio dia, por exemplo, entre as
11:55 AM até as 12:05 PM.
4.5 Determinação da Energia do Sol (1,0)
1. Sabendo que 1 cal=4,18J e 1 min.=60 segundos, convertam cal/min.cm2 para J/s.m2.
(Lembrete 1 J/s = 1 watt com J=Joule).
5. Conclusões (4,0)
Respondam as seguintes perguntas:
5.1 Quantos watts incidem sobre cada metro quadrado da superfície da Terra?
5.2 Quantos watts incidem sobre cada quilômetro quadrado da superfície da Terra?
5
5.3 Calculem a área, em quilômetros quadrados, de uma esfera imaginária que tem o Sol
no centro e a Terra na sua superfície, sabendo que a distância média da Terra ao Sol é 150
x 106 km. (Lembrete Área da superfície de uma esfera = 4 R2).
5.4 Quantos watts o Sol produz? Compare o seu resultado com o valor de tabela [3] que é
4 x 1026 Watts. Este valor denomina-se a luminosidade do Sol.
5.5 Discutam as fontes de erro na sua medida e de uma estimativa deles.
5.6 Comparem o valor obtido com o consume medio de energia usada no Brasil por ano.
6. Referências bibliográficas
[1] Maravilhas do Sistema Solar, Publicação e Distribuição Log On Multimedia Ltda,
BBC logo © BBC 1996 © 2011 BBC Wordlwide Ltd.
[2] Wikipédia, http://pt.wikipedia.org/wiki/Radia%C3%A7%C3%A3o_solar
[3] Berenice Helena Wiener Stensmann,
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Berenice/aula4.html
[4] Berenice Helena Wiener Stensmann,
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Berenice/experi.html
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