INTRODUÇÃO Considerando o facto de que o ensino-aprendizagem deve atender à pluralidade das necessidades, aptidões e interesses dos jovens, reconheceu-se fundamental na elaboração deste programa: - Tornar o ensino da Física um ensino activo, motivador e actualizado; - Dar uma continuidade aos estudos anteriores, respeitando o nível de maturidade do jovem, a sua preparação matemática e a articulação dos conhecimentos a adquirir em Física com os das outras disciplinas científicas; - Dar uma visão e compreensão da Física com vista a que o jovem possa aceder com êxito a estudos posteriores de nível superior ou desenvolver qualquer outro campo de actividade; - Desenvolver no jovem a capacidade de compreender a tecnologia actual e a interligação das duas áreas - a científica e a tecnológica; - Contribuir para a maturidade intelectual e humana do jovem, assim como desenvolver as aptidões e capacidades de forma a que desempenhe, no futuro, as suas funções na sociedade com responsabilidade, competência e autonomia e participe, de uma forma solidária, no desenvolvimento e melhoria do seu meio físico e social; - Cuidar do enriquecimento cultural do jovem, dando a conhecer pormenores formativos relativamente à história da Física. No contexto apresentado, o programa de Física será equacionado em função de determinados parâmetros. É fundamental, no ponto de vista científico, que a Física no Ensino Secundário possibilite uma interpretação do mundo físico com maior aprofundamento a par de uma adequada formalização matemática. À medida que o estudante aprofunde saberes e domine competências, é óbvio que promoverá o seu enriquecimento cultural e humano e, simultaneamente, preparar-se-á para estudos de nível superior ou para o exercício de qualquer outra actividade, para compreender cada vez melhor a relação entre Ciência-Tecnologia e Tecnologia-Sociedade e, finalmente, poder no futuro emitir opiniões sensatas ou decidir sobre problemas que afectem a sociedade em que está inserido. É importante que, após o traçado da panorâmica geral do que se pretende com o novo programa, se refira o horário escolar estabelecido oficialmente e se analise o condicionalismo que o mesmo impõe. As turmas do 12° ano serão divididas em dois turnos para a realização de actividades teóricopráticas com a duração de 2 horas semanais, por turno, a retirar do total previsto (5 horas). É certo que esta decisão, ao possibilitar o desenvolvimento da via experimental e outras que se julguem convenientes, é extraordinariamente enriquecedora; no entanto, atendendo ao ritmo de execução dessas actividades, necessariamente mais lento do que o de uma aula teórica, tornar-se-á imprescindível programar e gerir o tempo cuidadosamente, evitando repetições desnecessárias e desenvolvimentos excessivos. 1 2. FINALIDADES E OBJECTIVOS GERAIS DA DISCIPLINA DE FÍSICA 2.1. FINALIDADES As finalidades da disciplina de Física são: • Proporcionar a aquisição e compreensão de conhecimentos e o desenvolvimento das competências indispensáveis a uma visão científica global e coerente do mundo físico. • Sensibilizar os alunos para a natureza dinâmica da Ciência através da reflexão sobre a história das ideias em Física. • Consciencializar o aluno de que os conhecimentos inerentes à Física são indispensáveis à sua participação responsável na sociedade, nos planos científico, tecnológico e cultural. • Ajudar o aluno a aprender, por si próprio, de modo progressivo e autónomo. • Incentivar a realização pessoal mediante o desenvolvimento de atitudes de autonomia, tolerância, cooperação e solidariedade. 2.2. OBJECTIVOS GERAIS O ensino da Física deve orientar-se de modo a que o aluno, no final do Ensino Secundário, possa: 1 - Demonstrar conhecimentos e compreensão sobre fenómenos científicos e sua estruturação sob a forma de conceitos, leis e teorias. Exemplos. - conceitos de trabalho, energia interna, potencial eléctrico; leis da Dinâmica, etc.; - conhecer a insuficiência do modelo ondulatório da luz, etc.; - analisar a razão pela qual um ciclista se inclina ao descrever uma curva, uma bailarina encolhe os braços quando quer rodopiar com maior velocidade angular; interpretar o uso tão frequente da "ecografia" em detrimento da "radiografia"; uso de vidros duplos e vidros espelhados nas janelas; analisar a necessidade de orientar as antenas de TV de certo modo, etc; 2 - Utilizar, com autonomia., procedimentos e métodos inerentes à Física: Exemplos: - formular hipóteses e prever as suas consequências; - conceber, planificar e executar experiências para verificar a pertinência das hipóteses formuladas; - interpretar e avaliar, criticamente, os resultados experimentais; - seleccionar e usar, correctamente, instrumentos de medida e equipamento laboratorial; - utilizar, correctamente, processos de medição; - controlar variáveis durante a realização experimental; interpretar os resultados experimentais, apreciando as incertezas que os afectam, etc. 2 3 - Evidenciar competências e práticas de pesquisa, análise, organização e apresentação de informação. Exemplos:: - apresentar, de forma clara e pessoal, os relatórios sobre a actividade experimental, respeitando a terminologia e convenções científicas (incluindo a simbologia e unidades SI); seleccionar e interpretar artigos de revistas e textos de livros de consulta sobre qualquer assunto que seja indicado; expor com rigor, por escrito ou oralmente, o resultado de uma investigação realizada individualmente ou em grupo, etc.; - tratar e apresentar dados e resultados de actividades de forma diversificada, usando quadros, tabelas gráficos, etc. 4 - Avaliar a relação entre os conhecimentos científicos e tecnológicos e suas implicações na sociedade actual. Exemplos: - importância e implicações da descoberta da radioactividade (radioisótopos usados em medicina; bomba atómica); aplicações dos raios laser (em medicina, em armamento) etc.; - reconhecer que a sociedade exige meios de comunicação à distância, rápidos e eficientes; meios de análise e diagnóstico cada vez mais avançados, etc. 5 - Reconhecer que a Física é uma criação dinâmica do espírito humano e que as teorias físicas resultam da cooperação e interacção entre investigadores; reconhecer ainda o impacto, no ponto de vista filosófico, político e cultural, da evolução das ideias científicas. Exemplos: - Kepler estabeleceu a "cinemática do sistema solar", baseando-se nos resultados das observações de Tycho Brahe; Newton, baseando-se na obra científica de Galileu, de Kepler e de Huyghens, criou a teoria da gravitação universal (primeira tentativa de unificação das forças da Natureza); na base da teoria electromagnética da luz,devida a Maxwell, estão os trabalhos de Faraday e outros, etc.; - avaliar o impacto dos trabalhos de Copérnico, Galileu e Newton na mudança da percepção do Homen sobre o seu lugar no Universo; 6 - Evidenciar atitudes de autonomia, rigor, honestidade, responsabilidade, tolerância e solidariedade. Exemplos: - na utilização e interpretação de qualquer tipo de informação para fundamentar as suas afirmações; na análise e avaliação dos resultados de actividades individuais; na participação responsável em trabalho de grupo; no interesse em participar em tarefas que conduzam à melhoria da qualidade de vida na comunidade em que se insere. 3 3. CONTEÚDOS 3.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS Das finalidades e objectivos gerais indicados para a disciplina resultou a selecção de conteúdos programáticos, organizados em unidades de ensino-aprendizagem. A proposta do programa de Física que vai apresentar-se, logicamente condicionada pelo nível etário dos alunos e sua correspondente estrutura conceptual, vai ter em conta a continuidade e aprofundamento de muitos aspectos focados nos programas para os anos anteriores; daí transcrever-se do Ensino Básico algo que demonstra a preocupação que aí existe e, indubitavelmente, se intensifica no Secundário, de equacionar um programa em função de certas dimensões, a distinguir a científica: "Na sua dimensão científica a disciplina de Física/Química deve proporcionar a aquisição de conceitos, leis, teorias e modelos característicos da Física e da Química necessários à compreensão global do Universo e do mundo que nos rodeia e deve privilegiar os processos que lhe são inerentes. Nesse sentido é indispensável a procura de relações causais, a experimentação, a descrição quantificada e explicação de resultados de observações e experiências, a dedução das consequências de uma dada teoria, a previsão de resultados com base numa hipótese, o planeamento de uma experiência para testar uma ideia,. a prática de ajuizar as incertezas introduzidas numa medição (directa ou indirecta) ou, ainda, a reflexão sobre os resultados experimentais." 3.2. PROCESSOS DE TRABALHO CIENTÍFICO Pretende-se que a par do aprofundamento dos conhecimentos científicos, o aluno adquira uma familiarização e um domínio crescentes relativamente aos métodos e processos próprios da Física e que, portanto, se ultrapasse a pura descrição científica, mesmo que correcta e ordenada. É importante que se rejeite o ensino verbalista centrado na pessoa do professor ou na pura informação livresca. Contudo, o aluno tem de se consciencializar da necessidade de consulta e estudo de livros científicos ou documentos adequados para organizar e completar o conhecimento das questões em causa. Ligado ao aspecto teórico deverá estar sempre presente o processo prático/experimental. Oportunidades surgirão em que o aluno, por si próprio e com base no processo referido, conseguirá fazer o estudo completo de determinado assunto. É uma boa atitude não só em relação à formação do aluno como ao aproveitamento da actividade prática para prosseguimento do programa. Pretende-se que, na linha preconizada em anos anteriores, o aluno se familiarize com o equipamento do laboratório, seguindo atentamente não só as instruções de manuseamento e segurança, como as indicações sugeridas pelo professor, relativamente aos principais passos da investigação que vai realizar. Dos dados experimentais recolhidos deve o aluno proceder a uma análise conveniente, fazendo intervir os colegas cujas opiniões analisará, aceitando-as ou rejeitando-as sensatamente. 4 3.3. ESQUENTA PROGRAMÁTICO • Unidade I - Forças e movimentos l. Dinâmica de uma partícula material em movimento num plano 1.1. Movimento curvilíneo de uma partícula actuada por uma força constante Movimento de um projéctil Componentes normal e tangencial do vector aceleração 1.2. Movimento relativo Princípio da relatividade de Galileu Velocidade relativa (*) Princípio da relatividade de Einstein 1.3. Movimento de uma partícula material sujeita a forças de ligação 1.4. Movimento de uma partícula material sujeita a forças de atrito 2. Dinâmica de um sistema de partículas materiais 2.1. Centro de massa de um sistema de partículas; seu movimento Lei fundamental de Newton para um sistema de partículas Conservação do momento linear de um sistema de partículas 2.2. Momento angular de um sistema de partículas. Variação do momento angular. Momento de uma força. Momento angular de um corpo rígido móvel em torno de um eixo fixo em relação a um referencial inercial Lei da conservação do momento angular 2.3. (1 ) Lei do trabalho-energia referente a um sistema de partículas 2.4. (*) Equilíbrio estático de um corpo rígido (*) Centro de gravidade 3. Mecânica dos fluidos 3.1. Lei fundamental da Hidrostática Lei de Arquimedes. Equilíbrio de corpos flutuantes 3.2. (*) Movimento dos fluidos em regime estacionário (*) Lei da continuidade (*) Equação de Bernoulli 1 Facultativo 5 • Unidade II - Interacções e campos 1. Interacção gravitacional. Interacção electrostática 1.1. Interacção gravitacional Lei da gravitação universal. Constante de gravitação 1.2. Interacção electrostática Conservação e quantificação da carga eléctrica Lei de Coulomb das acções electrostáticas Permitividade de um meio 2. Campo gravitacional. Campo electrostático 2.1. Conceito de campo Vector campo gravitacional.Vector campo eléctrico Campos eléctrico/gravitacional radial e uniforme (*) Dipolo eléctrico Energia potencial associada a um campo conservativo Potencial eléctrico. Potencial gravítico Relação entre as grandezas campo e potencial (*) Condutores isolados em equilíbrio electrostático 3. Campo magnético da corrente eléctrica em regime estacionário 3.1. Vector campo magnético, B , (indução magnética ou densidade de fluxo magnético) Acção de um campo magnético sobre um elemento de corrente estacionária e sobre uma carga eléctrica em movimento 3.2. Movimento de cargas eléctricas num campo magnético uniforme Movimento de cargas eléctricas sob a acção simultânea de um campo eléctrico e de um campo magnético 3.3.Campo magnético de uma corrente rectilínea Interacção entre correntes eléctricas paralelas 6 Unidade III - Fenómenos que envolvem campos electromagnéticos variáveis 1. Indução electromagnética; factores de que depende Fluxo magnético Força electromotriz induzida. Leis de Faraday e de Lenz Auto-indução. Indução mútua Transformadores estáticos 2. Corrente eléctrica alternada sinusoidal 2.1. Produção de corrente alternada sinusoidal Efeitos da corrente eléctrica alternada sinusoidal de baixa frequência Intensidade e diferença de potencial (d.d.p.) eficazes 2.2. Circuitos em corrente alternada Diferença de fase entre a intensidade da corrente e a d.d.p. em circuitos de corrente alternada Impedância. Lei de Ohm em corrente alternada Potência média em circuitos de corrente alternada sinusoidal. Factor de potência 3. Ondas electromagnéticas Propagação de ondas electromagnéticas Campos eléctrico e magnético associados à onda electromagnética 3.4. SÍNTESE DE GESTÃO DOS TEMPOS LECTIVOS N° de semanas (excluídas as N° máximo de aulas previstas Aulas disponíveis (*) 160 150 férias) 32 (*) incluindo 6 horas para avaliação sumativa Unidade I 15 semanas (75 aulas) Unidade II 9 semanas (45 aulas) Unidade Ill 6 semanas (30 aulas) 7 6.2. UNIDADES DE ENSINO-AMENDIZAGEM Unidade I - FORÇAS E MOVIMENTOS Partindo essencialmente da preparação adquirida no 11° ano, pretende-se, nesta unidade, desenvolver os conhecimentos previamente adquiridos e introduzir outros, numa atitude consentânea com a maturidade dos alunos e a formação matemática prevista para este nível etário. Pretende-se também manter a linha seguida no 11° ano, fazendo uma abordagem integrada da Cinemática e da Dinâmica da partícula material em movimento num plano e, posteriormente, de um sistema de partículas, não descurando os aspectos energéticos inerentes. Relativamente à rotação, estudam-se aspectos fundamentais tais como variação e conservação do momento angular, lei de Newton do movimento de rotação, não dando ênfase especial ao estudo da cinemática de rotação. A unidade termina com um breve estudo da mecânica dos fluidos. As aplicações práticas sugeridas nas actividades dão uma dimensão alargada de conceitos aflorados anteriormente. CONTEÚDOS 1. Dinâmica de uma partícula em movimento num plano 1.1. Movimento curvilíneo de uma partícula actuada por uma força constante OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Relacionar as grandezas r , v e a entre si, usando o operador derivada Descrever o movimento de uma partícula com velocidade inicial, v 0, actuada por Verificação experimental da independência dos movimentos, segundo a horizontal e a vertical, no caso do movimento de um projéctil lançado horizontalmente uma força constante de direcção diferente da de v 0, como a composição de dois movimentos simultâneos e independentes num plano Actividade obrigatória 8 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS Movimento de um projéctil OBJECTIVOS Analisar, sob o ponto de vista dinâmico e cinemático, o movimento de um projéctil lançado obliquamente, considerando desprezáveis a resistência do ar e a variação de g . Justificar que o sistema "projéctil-Terra" é um sistema conservativo Componentes normal e tangencial do vector aceleração 1.2. Movimento relativo Dedução, em trabalho de grupo, por via cinemática, dinâmica e energética das expressões que permitem calcular, para um projéctil lançado obliquamente: o tempo de subida, a altura máxima atingida e o alcance, considerando desprezável a resistência do ar Planeamento de uma experiência que permita determinar a velocidade inicial de um projéctil lançado obliquamente (30°, 45°), utilizando, por ex., uma pistola de plástico com mola que lança bolas de ping-pong Dedução das expressões que permitem determinar as componentes tangencial e normal da força que actua num projéctil de massa m lançado horizontalmente com velocidade inicial, v 0 Utilização de programas para computador que simulem o movimento de um corpo, sob o ponto de vista cinemático e dinâmico, em diferentes referenciais inerciais (Por exemplo, Exprimir a aceleração em função das suas componentes tangencial e normal Descrever o movimento de uma partícula em relação a dois referenciais em movimento relativo de translação uniforme (transformação de Galileu) Enunciar o princípio da relatividade de Galileu Princípio da relatividade de Galileu SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Identificar as características importantes da transformação de Galileu: Movimento relativo de Graça Ventura e Conceição Ruivo, Soft Ciências, Sociedade Potuguesa de Física) Actividade obrigatória 9 12° ano - Unidade I (cont.) CONTEÚDOS Velocidade relativa OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES -o carácter absoluto do tempo e a relatividade do Discussão e resolução analítica de questões espaço percorrido que envolvam situações correntes de - a invariância das distâncias espaciais composição de velocidades, considerando movimentos a uma e duas dimensões Analisar conceptualmente os significados de referencial inercial e de espaço absoluto (*) Princípio da relatividade de Einstein 1.3. Movimento de uma partícula material sujeita a forças de ligação Leitura e discussão de textos escolhidos, por exemplo, em "Aprenda a Teoria da Relatividade Restrita brincando", L. Landau, ou em "O Tempo e o Espaço do tio Alberto", Russel Stannard Análise de situações referentes, por exemplo, a um pêndulo cónico, a um pêndulo gravítico simples, um "looping", relevé das entradas, Aplicar a fórmula de Galileu da adição de velocidades em casos simples (*) Reconhecer: - a impossibilidade de explicar a invariância da velocidade da luz, no vazio, com base na Mecânica newtoniana - a necessidade de uma nova teoria física que resolva tal facto (*)Descrever, sumariamente, os fundamentos da Teoria da Relatividade Restrita e as suas principais consequências Identificar e representar as forças actuantes em partículas materiais que descrevem trajectórias circulares etc.: * Facultativo 10 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS 1.4. Movimento de uma partícula material sujeita a forças de atrito OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES No caso de um pêndulo cónico, estabelecer Aplicar a lei fundamental de Newton e a lei da analiticamente as expressões que permitem determinar a tensão do fio, a velocidade e o conservação da energia à análise de situações período de rotação envolvendo partículas materiais em movimento No caso da elevação das curvas numa estrada, circular: estabelecer a expressão que permite calcular o - uniforme ângulo de elevação em função da velocidade - não uniforme, particularmente num plano média (atrito desprezável) vertical No caso de um pêndulo gravítico e de um pequeno corpo num looping: a) Relacionar, para uma posição genérica, as componentes das forças responsáveis pelo movimento com as componentes tangencial e normal da aceleração b)Determinar as posições a que correspondem os valores máximo e mínimo das forças de ligação c) Determinar as condições em que um corpo poderá completar uma trajectória circular num plano vertical Investigação experimental dos factores de que Identificar os factores de que dependem os depende o valor da força de atrito estático e valores das forças de atrito estático e cinético planeamento de uma experiência para determinar o coeficiente de atrito estático Enunciar as leis do atrito de escorregamento relativo a um par de materiais Actividade obrigatória 11 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS 2. Dinâmica de um sistema de partículas materiais OBJECTIVOS Distinguir sistema discreto de partículas de corpo rígido (sólido indeformável) SUGESTÕES DE ACTIVIDADES 2.1. Centro de massa de uma sistema de partículas, Conhecer e aplicar a equação que define a seu movimento posição do centro de massa (CM) de um sistema de partículas Lei fundamental de Newton para um sistema de partículas Resolução de questões que envolvam: - a determinação do centro de massa em situações simples - o conhecimento das propriedades do centro de Exprimir o momento linear de um sistema de massa partículas em função da velocidade do seu centro Provar que o momento linear de um sistema de massa de partículas, em relação ao referencial do Explicitar o significado físico do centro de centro de massa, é nulo massa a partir da lei fundamental de Newton aplicada a sistemas de partículas Aplicar a lei da conservação do momento linear à análise de colisões elásticas e não Conservação do momento linear de um sistema de elásticas a duas dimensões partículas Definir e caracterizar o momento angular de uma partícula material e de um sistema de 2.2. Momento angular de um sistema de partículas Resolução de problemas numéricos envolvendo os conceitos sobre movimentos de partículas sujeitas a forças de ligação e a forças de atrito de escorregamento partículas em relação a um ponto fixo num referencial inercial Análise de situações de colisões elásticas e não elásticas, a duas dimensões, a partir de filmes vídeo ou software computacional Mostrar que o momento angular de uma partícula com movimento circular uniforme em relação ao centro da trajectória descrita é determinado pela expressão: = m r2 Actividade obrigatória 12 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS Variação do momento angular Momento de uma força OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Relacionar a taxa de variação do momento angular de uma partícula e de um sistema de partículas, em relação a um ponto fixo num referencial inercial, com o momento resultante das forças actuantes, em relação a esse ponto Definir momento de uma força e de um a) Verificação experimental da sistema de forças em relação a um ponto e a um proporcionalidade entre o momento das forças eixo aplicadas a um disco, girando em torno de um Caracterizar o momento de um binário eixo perpendicular ao seu plano, e a sua Estabelecer e aplicar a expressão do momento aceleração angular Momento angular de um corpo rígido móvel em angular de um corpo rígido, homogéneo, móvel torno de um eixo fixo em relação a um referencial em torno de um eixo de simetria ( L = I ) b) Determinação do momento de inércia do disco inercial Deduzir (a partir da expressão anterior) e aplicar a lei de Newton do movimento de rotação ( M =I ) Exprimir o significado físico de momento de Relacionar as velocidades de um planeta no inércia em relação a um eixo fixo e indicar os periélio e no afélio com as respectivas factores de que depende distâncias ao Sol Inferir as condições de conservação do Lei da conservação do momento angular Verificação experimental da lei da conservação momento angular de: do momento angular Actividade obrigatória 13 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS - um sistema de partículas -um corpo rígido, homogéneo, móvel em torno de um eixo de simetria Enunciar a lei da conservação do momento angular e interpretar situações reais com base nesta lei (*) 2.3. Lei do trabalho-energia referente a um sistema de partículas (*) 2.4. Equilíbrio estático de um corpo rígido SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Análise e discussão de questões que envolvam a aplicação do conceito de momento angular, da lei da variação do momento angular, da lei de Newton do movimento de rotação, da lei da conservação do momento angular e do conceito de energia cinética de rotação Reconhecer a correspondência formal entre o movimento de rotação em torno, de um eixo fixo Leitura e análise de informação sobre a lei do em relação a um referencial inercial e o trabalho-energia para um sistema de partículas movimento de translação ao longo de uma (Por exemplo, University Physics - H. Benson) direcção fixa (*) Exprimir a lei do trabalho - energia referente a um sistema de partículas (*) Inferir que, no caso geral, um sistema de Determinação experimental de tensões em forças aplicadas a um corpo rígido é redutível a cordas e/ou compressões de cabos ligados a uma força única igual à resultante e a um binário corpos rígidos em equilíbrio estático (*)Enunciar as condições de equilíbrio estático de um corpo rígido Actividade obrigatória * Facultativo 14 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS (*) Centro de gravidade 3. Mecânica dos fluidos OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES (*) Definir centro de gravidade de um corpo como o ponto em relação ao qual o momento do seu peso total é nulo Caracterizar a força de pressão exercida sobre uma superfície colocada no interior de um • Estudo experimental das características das forças de pressão exercidas por um líquido sobre uma superfície no seu interior • Análise e interpretação do "paradoxo hidrostático" Lei de Arquimedes Equilíbrio de corpos flutuantes líquido em equilíbrio Definir e aplicar o conceito de pressão num fluido em equilíbrio Deduzir e aplicar a lei fundamental da hidrostática Interpretar a experiência de Torricelli e avaliar a sua importância histórica Planeamento de uma experiência que ponha em evidência que um corpo mergulhado nutra líquido reage sobre este exercendo uma força simétrica da impulsão (*) 6.2. Movimento dos fluidos em regime Inferir, a partir da lei fundamental da hidrostática, as leis de Pascal e de Arquimedes Aplicar a lei de Arquimedes a situações de equilíbrio e de movimento de corpos num fluido A Indicar as condições de estabilidade de um corpo flutuante (*) Caracterizar o escoamento de tun fluido ideal em regime estacionário viscoso 3.1. Lei fundamental da hidrostática estacionário • Verificação experimental da lei de Arquimedes • Observação experimental de algumas das características de escoamento de um líquido * Facultativo 15 12° ano - Unidade 1 (cont.) CONTEÚDOS (*) I.ei da continuidade (*) Equação de Bernoulli OBJECTIVOS (*) Estabelecer, a partir da lei da conservação da massa de um fluido em movimento estacionário, a equação da continuidade para um fluido ideal (*) Deduzir a equação de Bernoulli a partir da lei da conservação da energia SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Mostrar que a lei fundamental da hidrostática é um caso particular da equação de Bernoulli Verificação de que a pressão de um líquido é maior nos pontos de maior secção de um cano horizontal e mais reduzida nos estrangulamentos (princípio do medidor de Venturi) Interpretação qualitativa do aparecimento de uma força de sustentação na asa de um avião que se move horizontalmente no ar (*) Interpretar algumas aplicações práticas da equação de Bernoulli * Facultativo 16 Unidade II - INTERACÇÕES E CAMPOS Inicia-se a unidade pelo estudo das interacções, gravitacional e electrostática, dando ênfase à teoria de Newton da gravitação universal como a primeira tentativa de unificação das forças da Natureza. De seguida procura-se que os alunos entendam que as interacções entre partículas podem ser descritas usando o conceito unificador de campo que, pela sua maior complexidade, requer uma certa capacidade de abstracção. Nessa linha é desenvolvido o estudo dos campos conservativo, gravitacional e electrostático e, posteriormente, o de um campo não conservativo, o campo magnético. Considera-se importante salientar que, em relação a um referencial inercial, cargas eléctricas em repouso criam apenas um campo eléctrico, E (campo electrostático) e cargas eléctricas em movimento criam simultaneamente um campo eléctrico, E , e um campo magnético, B , ou seja, um campo electromagnético. Nesta unidade tratar-se-á apenas do campo electromagnético da corrente estacionária, o qual pelo facto de a sua componente E ser desprezável ficará reduzido à componente B (campo magnético estacionário ou campo magnetoestático). E relevante a abordagem histórica bem como o estudo de inúmeros fenómenos do quotidiano próximo e longínquo dos alunos, numa perspectiva científico-tecnológica. CONTEÚDOS 1. Interacção gravitacional e interacção electrostática OBJECTIVOS Comparar as concepções que estão na base dos modelos ptolomaico e coperniciano do sistema solar 1.1. Interacção gravitacional Avaliar as implicações no ponto de vista filosófico, cultural e religioso, decorrentes da aceitação da teoria heliocêntrica de Copérnico SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Leitura/análise de extractos de "O Nascimento de uma Nova Física" (Cohen, I.B.), de "Diálogos sobre os dois grandes sistemas universais" (Galileu) e de outros documentos para evidenciar as implicações culturais da descrição dos movimentos dos corpos celestes 17 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS Lei da gravitação universal Constante de gravitação OBJECTIVOS Explicar os passos fundamentais que conduziram Newton à formulação da lei da gravitação universal Descrever a experiência de Cavendish e evidenciar o seu interesse na confirmação de: - a validade da lei da gravitação universal - a ordem de grandeza do valor da constante de gravitação prevista por Newton Referir alguns sucessos e limitações da teoria da gravitação universal SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Elaboração, individual ou em grupo, de um texto para análise/discussão da importância das observações telescópicas de Galileu na consolidação da teoria heliocêntrica de Copérnico Mostrar que a lei das áreas de Kepler implica que as forças exercidas pelo Sol nos planetas sejam forças centrais Selecção e comunicação de informação sobre: - a causa das marés oceânicas e a explicação dos seus aspectos fundamentais - a descoberta de novos planetas - a discrepância entre a previsão teórica e valor determinado relativamente ao movimento angular do eixo da órbita de Mercúrio Resolução de questões que envolvam a Enunciar e aplicar a lei da gravitação universal determinação de: - a massa do Sol e da Terra - a velocidade orbital de planetas e satélites artificiais em órbita circular à volta da Terra Actividade obrigatória 18 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Relacionar a massa gravitacional com a massa inercial de um corpo Inferir a quantificação da carga eléctrica e enunciar o princípio da conservação da carga eléctrica 1.2. Interacção electrostática Conservação e quantificação da carga eléctrica Lei de Coulomb das acções electrostáticas Permitividade eléctrica de um meio Enunciar e aplicar a lei de Coulomb das acções eléctricas - o período de revolução dos planetas do sistema solar e de satélites artificiais - a altitude de gravitação de um satélite geoestacionário • Palestra/documento informativo sobre: "O bigbang e a expansão do Universo" Relacionar a constante da lei de Coulomb com a permitividade de um meio Indicar as semelhanças e diferenças entre as leis da força coulombiana e da força Newtoniana Reconhecer a massa e a carga eléctrica como fontes dos campos gravitational e electromagnético, respectivamente 2.Campo gravitational. Campo electrostático 2.1 . Conceito de campo Identificar o campo electrostático como um caso particular do campo electromagnético • Comparação dos valores das forças eléctrica e gravitational entre o protão e o electrão no átomo de hidrogénio (modelo de Bohr). Discussão do resultado obtido 19 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS Vector campo gravitacional Vector campo eléctrico OBJECTIVOS Definir as grandezas campo gravitacional, G , e campo eléctrico, E e indicar as respectivas unidades SI Caracterizar, em cada ponto, o campo gravitacional/electrostático criado por: - uma massa/carga pontual estacionária - urna distribuição descontínua de massas/ cargas estacionárias Campos eléctrico/gravitacional radial e uniforme SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Investigação experimental da disposição das linhas de campo de um campo electrostático criado por: - uma carga eléctrica pontual - duas cargas iguais em módulo e de sinais contrários (dipolo eléctrico) - duas cargas iguais em módulo e em sinal - dois condutores planos e paralelos entre si com cargas de igual módulo e sinais contrários (condensador plano) Representar graficamente as funções G=G(r) e E = E(r) no caso de campos de forças devidos a uma massa pontual e a uma carga pontual estacionária Analisar situações de equilíbrio e movimento de partículas com carga eléctrica num campo electrostático uniforme Descrição sucinta e clara da experiência cia gota de óleo de Millikan e avaliação da sua importância Observação da deflexão de um feixe de electrões quando entram num campo eléctrico uniforme usando tubos de descarga ou o tubo de Braun Estudo analítico do movimento de um electrão que entra num campo eléctrico uniforme, com velocidade inicial, v 0, perpendicular à direcção do vector campo E (o movimento dos electrões num osciloscópio, num aparelho de televisão, etc.) Actividade obrigatória 20 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES (*) Definir dipólo eléctrico e momento de um dipólo eléctrico (*) Descrever o comportamento de um dipólo eléctrico num campo eléctrico uniforme exterior Energia potencial associada a uni campo conservativo 2.2. Potencial eléctrico; potencial gravítico Justificar o carácter conservativo dos campos electrostático e gravitacional (campos de forças centrais) Estabelecer e aplicar a expressão da energia potencial correspondente ao sistema campo massa, m /campo-carga, q Indicar o significado físico de potencial num ponto de um campo eléctrico/ gravitacional e definir as respectivas unidades SI Relacionar o trabalho das forças do campo sobre uma carga/ massa pontual móvel entre dois pontos com a diferença de potencial entre esses pontos Relacionar as propriedades de certas substâncias, como por exemplo, a água, os detergentes, etc. com o momento dipolar das suas moléculas Determinação do valor de: - a velocidade de escape de um corpo à superfície da Terra - a energia cinética orbital de um satélite - a energia mecânica de um planeta - a energia de ionização molar do hidrogénio, considerando o modelo atómico de Bohr Estabelecer a relação entre o electrão-volt e a unidade SI de energia Actividade obrigatória * Facultativo 21 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS Representar, graficamente, a variação do potencial num ponto de um campo electrostático/ gravitacional em função da distância à carga/ massa, respectivamente Comparar os dois processos de descrever e caracterizar os campos conservativos em cada ponto Relação entre as grandezas campo e potencial Caracterizar a direcção e o sentido dos vectores campo eléctrico e gravitacional relativamente às superfícies equipotenciais SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Determinação do valor do potencial num ponto de um campo devido a: - uma carga pontual estacionária - uma distribuição descontínua de cargas pontuais estacionárias Investigação experimental da forma das linhas equipotenciais de um campo electrostático devido a: - uma carga pontual - duas cargas pontuais de sinais contrários e do mesmo sinal - dois condutores planos e paralelos com cargas de igual módulo e sinais contrários Relacionar o módulo do vector campo eléctrico Análise de diagramas que descrevam campos com a diferença de potencial, em casos simples electrostáticos/gravitacionais, através de linhas equipotenciais e das linhas de campo Definir a unidade SI da grandeza campo eléctrico Actividade obrigatória 22 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Verificação, experimental, de que num condutor (*) Justificar que o campo eléctrico, E , é: electricamente carregado: - normal, em cada ponto, à superfície de um - a carga eléctrica só se distribui à sua (*) 2.3. Condutores isolados em equilíbrio condutor em equilíbrio electrostático superfície electrostático - nulo, no interior de um condutor em equilíbrio - o valor do campo electrostático é muito electrostático elevado nas regiões do espaço que envolvem as zonas de maior convexidade Pesquisa, individual ou em grupo, de dados sobre (*) Relacionar a densidade superficial de carga as aplicações da electrostática em áreas eléctrica com a forma da superfície do condutor tecnológicas como: comunicações, revestimento de superfícies, impressão, processos industriais de fabrico, processos de (*) Indicar aplicações industriais da despoluição nas chaminés de centrais eléctricas electrostática e fábricas, etc. Associar a criação de um campo magnético ao a) Observação experimental de espectros do movimento de cargas eléctricas num referencial campo magnético criado por: inercial e identificá-lo como uma das - um íman em barra e um íman em U componentes do campo electromagnético - uma corrente eléctrica ao passar num fio 3. Campo magnético da corrente eléctrica em condutor longo, numa espira e num solenóide regime estacionário b) Identificação da polaridade das faces de uma Referir analogias e diferenças entre as espira percorrida por corrente (dipólo interacções eléctricas e magnéticas magnético) Actividade obrigatória * Facultativo 23 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Representação de diagramas das linhas de campo magnético nas vizinhanças de uma Relacionar a direcção e o sentido do vector campo magnético, B , com as linhas de campo corrente eléctrica que percorre um condutor filiforme longo, uma espira circular e um solenóide Caracterizar a força magnética exercida sobre 3.1. Vector campo magnético, B (indução magnética ou densidade de fluxo magnético) Acção de um campo magnético sobre um elemento de corrente estacionária e sobre uma carga eléctrica, pontual, em movimento um elemento de corrente de intensidade I, situado Investigação experimental de: a) a direcção e o sentido da força magnética que num campo magnético uniforme traduz a interacção entre um campo magnético F= I x B uniforme e um elemento de corrente Estabelecer as dimensões do campo magnético, B , a partir da relação F = BI e indicar a sua b) os factores que determinam o valor dessa força unidade SI funcionamento de um galvanómetro de quadro móvel (amperímetros e voltímetros) e de Aplicar a expressão da força resultante da interacção entre uma carga eléctrica móvel e um campo magnético: F = q v x B Elaboração de painéis sobre o princípio de motores eléctricos de corrente contínua Observação, numa ampola de Crookes ou num osciloscópio, da deflexão de um feixe de electrões por acção de um campo magnético Actividade obrigatória * Facultativo 24 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Observação das trajectórias, circular e helicoidal, de um feixe de electrões em Comparar os movimentos de uma carga eléctrica móvel, com velocidade inicial constante, movimento no vazio, com velocidade constante quando entram num campo magnético uniforme num campo magnético uniforme e num campo 3.2. Movimento de cargas eléctricas num campo magnético uniforme eléctrico uniforme Dedução, a no caso de um electrão descrever uma trajectória circular, das expressões que determinam o valor de: Inferir que o campo magnético é um campo não - o raio da trajectória descrita - a frequência do movimento do electrão conservativo Elaboração, individual ou em grupo, de uma curta comunicação sobre: - o campo magnético terrestre, sua origem e caracterização - o importante papel do campo magnético terrestre na protecção contra as partículas cósmicas Análise e discussão de questões relativas ao Movimento de uma carga eléctrica sob a acção simultânea de um campo eléctrico e de um campo magnético movimento de cargas eléctricas num campo electromagnético Aplicar a expressão da força que actua sobre uma carga móvel num campo electromagnético Utilização de programas computacionais que permitam observar a simulação da trajectória de uma partícula carregada em: - um ciclotrão - um espectrómetro de massa Actividade obrigatória * Facultativo 25 12° ano - Unidade II (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS Identificar e aplicar a expressão do valor do campo magnético, B , nas vizinhanças de um fio condutor filiforme, longo, percorrido por uma corrente estacionária 3.3. Campo magnético de uma corrente rectilínea SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Determinação experimental do valor da carga mássica do electrão utilizando o material que serviu para a observação da trajectória circular de um electrão no vazio Elaboração de um trabalho escrito, sob a forma de notícia histórica, acerca das experiências de J. Thomson para a determinação da carga mássica do electrão Relacionar a constante de proporcionalidade entre | B | e I/r com a permeabilidade do meio Permeabilidade de um meio Verificação experimental de que o valor do Interacção entre correntes eléctricas paralelas Interpretar, qualitativamente, a interacção entre dois condutores rectilíneos e paralelos percorridos por corrente eléctrica estacionária campo magnético nas vizinhanças de condutores longos e filiformes, percorridos por uma corrente, é proporcional a I/r Definir a unidade SI de intensidade de corrente Estudo experimental das interacções entre correntes paralelas do mesmo sentido e de sentidos contrários eléctrica Actividade obrigatória 26 Unidade III - FENÓMENOS QUE ENVOLVEM CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS VARIÁVEIS Estudado o campo electromagnético estacionário, analisar-se-ão fenómenos relacionados com o campo electromagnético variável no tempo. Inicia-se esta unidade com o tratamento da indução electromagnética, designação que engloba dois aspectos que interessa salientar: (a) indução de uma fem num condutor devido ao movimento relativo deste e da fonte de um campo magnético e (b) indução, num condutor estacionário, de um campo eléctrico não conservativo associado a um campo magnético variável no tempo. Abordar-se-ão também aplicações da indução electromagnética, em especial a produção de corrente alternada sinusoidal e suas características. Termina-se dando ênfase aos trabalhos de Maxwell o qual, baseando-se nos resultados das investigações de Faraday sobre a indução, formulou, por via matemática, a teoria do electromagnetismo e realizou a síntese entre o Electromagnetismo e a Óptica. Quer o estudo do conceito de onda electromagnética quer do espectro electromagnético correspondem, nesta unidade, ao desenvolvimento dos aspectos abordados em anos anteriores. CONTEÚDOS 1. Indução electromagnética; factores de que depende Fluxo magnético Fòrça electromotriz induzida Leis de Faraday e de Lenz OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Verificação experimental da produção de uma corrente induzida por: - um movimento relativo entre um condutor e a fonte de um campo magnético - uma variação de um campo magnético nas vizinhanças de um condutor (sem qualquer movimento relativo) Medição da fem induzida, por exemplo, com um osciloscópio e investigação dos diferentes factores que determinam o seu valor Definir e aplicar o conceito de fluxo magnético de um campo magnético uniforme, B , através de uma superfície plana de área A Associar a fem induzida à taxa de variação temporal do fluxo magnético 27 12° ano - Unidade III (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS Enunciar e aplicar as leis de Faraday e Lenz Concluir que a lei de Lenz é urna consequência da lei da conservação de energia Definir as unidades SI defluxo magnético e de densidade defluxo magnético SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Verificação experimental da lei de Lenz Resolução de problemas que envolvam os conceitos de fluxo magnético, fem induzida, intensidade da corrente e carga eléctrica induzidas Auto-indução. Indução mútua Explicar a auto-indução e a indução mútua e referir os seus efeitos em circuitos de corrente contínua e corrente alternada Definir indutância e indicar a sua unidade SI Investigação experimental de: a) o efeito da auto-indução em circuitos percorridos por corrente contínua e corrente alternada b) o efeito de extracorrentes de estabelecimento e de ruptura e o modo de as reduzir 28 12° ano - Unidade III (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Transformadores estáticos Determinação do valor da indutância de uma bobina de resistência desprezável, medindo a fem induzida e a rapidez da variação temporal da intensidade da corrente alternada que a percorre, utilizando um osciloscópio Realização de experiências com transformadores estáticos que permitam: Identificar os factores que determinam o valor 1. a) investigar as relações entre as tensões/ intensidades de corrente, no primário e no da indutância de um componente de um circuito secundário Explicar o funcionamento dos transformadores b) relacionar a potência disponível no secundário com a potência transferida para o com base na propriedade da indutância mútua primário 2. comparar os valores da tensão no secundário Referir as principais causas de dissipação de quando este circuito está "em vazio" e "em energia num transformador e explicar como carga" e quando se substitui o núcleo por outro podem ser minimizadas não laminado 3. comparar os valores da intensidade da corrente no primário quando o circuito secundário está "em vazio" e "em carga" 4. Determinar o rendimento de um transformador estático Investigação, individual ou em grupo, de situações de levitação e propulsão magnéticas Actividade obrigatória 29 12° ano - Unidade III (cont.) CONTEÚDOS 2. Corrente alternada sinusoidal OBJECTIVOS Descrever e explicar a variação da fem induzida numa espira que roda com velocidade angular constante num campo magnético uniforme SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Representação, num mesmo gráfico, da variação, em função do tempo, do fluxo magnético , numa espira e da fem induzida, e 2.1. Produção de corrente alternada Efeitos da corrente alternada sinusoidal de baixa frequência Intensidade e diferença de potencial (d.d.p.) eficazes (*) 2.2. Circuitos em corrente alternada (*) Diferença de fase entre a intensidade da corrente e a d.d.p. em circuitos de corrente alternada Observação experimental dos efeitos Comparar os efeitos magnéticos, térmicos e químicos da corrente alternada sinusoidal com os magnéticos, térmicos e químicos da corrente alternada sinusoidal de baixa frequência da corrente eléctrica estacionária Explicitar o Verificação experimental, usando um significado de intensidade e d.d.p. eficazes osciloscópio, da relação Vef= Vmax / Estabelecer e usar as relações entre os valores eficazes e máximos da intensidade da corrente e da d.d.p. (*) Interpretar a diferença de fase entre a d.d.p. alternada aplicada e a intensidade da corrente num circuito L e num circuito C (*) lmpedância Lei de Ohm em corrente alternada (*) Explicitar o significado físico de impedância de um circuito 2 a) Observação experimental da diferença de fase entre a d.d.p. sinusoidal aplicada e a intensidade da corrente, num circuito L e num circuito C, usando um miliamperímetro e um voltímetro com zero ao centro b) Utilização de um osciloscópio com dois canais para descrever a diferença de fase entre a d.d.p. e a intensidade da corrente num circuito RL e num circuito RC Actividade obrigatória * Facultativo 30 12° ano - Unidade III (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS (*) Exprimir a lei de Ohm em corrente alternada sinusoidal (*) Potência média em circuitos de corrente alternada sinusoidal. Factor de potência SUGESTÕES DE ACTIVIDADES 1. Verificação experimental de que num circuito RLC série: a) Ve/Ie >R b) a soma das d.d.p. eficazes nos diversos componentes de um circuito RLC não é igual à d.d.p. nos terminais da associação 2. Determinação experimental da impedância e da diferença de fase- de um circuito RLC série (*) Provar, a partir de gráficos v = v (t), i = i (t) Explicação da razão pela qual não é e p = p (t), que, num ciclo, a potência absorvida dispendioso deixar o transformador da num circuito L e num circuito C é nula campainha de uma porta sempre ligado à rede Verificação experimental da influência da indutância na potência em corrente alternada (*) Reconhecer que, de um modo geral, a Discussão da importância do factor de potência média consumida num circuito depende potência, por exemplo, numa instalação da diferença de fase entre a corrente e a d.d.p. industrial aplicada Determinação do factor de potência num circuito medindo a potência média com um (*) Distinguir potência média, de potência wattímetro e a potência aparente com um aparente, considerando o factor de potência voltímetro e um amperímetro Actividade obrigatória * Facultativo 31 12° ano - Unidade III (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Explicar a propagação de uma onda electromagnética com base na hipótese de Maxwell 3. Ondas electromagnéticas Propagação de ondas electromagnéticas. Campos eléctrico e magnético associados à onda electromagnética Associar uma onda electromagnética à propagação, com a velocidade da luz, de uma perturbação electromagnética constituída pelos dois campos oscilantes, E e B Avaliar a importância das experiências de Hertz sobre a primeira emissão de ondas electromagnéticas e a confirmação experimental do valor teórico de c, previsto por Maxwell Análise e discussão de problemas envolvendo os conceitos dos pontos 2.1. e 2.2. Comunicação, oral ou em painel, sobre: a) fundamentos de um alternador trifásico e vantagens da corrente trifásica b) transporte de energia a distância; perda em linha Revisão das principais características de uma onda electromagnética no vazio Análise/discussão sobre as implicações, a nível científico e tecnológico, dos trabalhos de Ampére, Faraday e Maxwell relativos ao desenvolvimento do electromagnetismo Experiências com o emissor e detector de microondas; verificação das suas propriedades (reflexão, refracção, interferência, difracção e polarização) Descrição do funcionamento de antenas lineares e parabólicas Actividade obrigatória 32 12° ano - Unidade III (cont.) CONTEÚDOS OBJECTIVOS Associar a energia transportada por uma onda electromagnética à intensidade dos campos E e B Analisar as bandas de radiações componentes do espectro electromagnético, tendo em vista: SUGESTÕES DE ACTIVIDADES Trabalho, individual ou em grupo (escrito ou oral), sobre aspectos relativos à produção, detecção e aplicações das radiações componentes do espectro electromagnético, com especial incidência nas ondas de rádio, microondas e raios X - os diferentes modos de produção - as principais propriedades e aplicações Actividade obrigatória 33