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Área Professores > Programas > Programas Anteriores > Índice do Programa de Física - 12.º Ano

Programa de Física - 12.º Ano

Programa de Física - 12.º ano

conteúdos:

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2. 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,

(campo electrostático) e cargas eléctricas em movimento criam simultaneamente um campo eléctrico,

, e um campo magnético,

, 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

ser desprezável ficará reduzido à componente

(campo magnético estacionário ou campo magnetoestático).
É relevante a abordagem histórica bem como o estudo de inúmeros fenómenos do quotidiano próximo e longínquo dos alunos, numa perspectiva científico - tecnológica.

2.1. INTERACÇÃO GRAVITACIONAL E INTERACÇÃO ELECTROSTÁTICA
2.1.1. Interacção gravitacional
- Lei da gravitação universal.
- Constante de gravitação.

Objectivos:
- Comparar as concepções que estão na base dos modelos ptolomaico e coperniciano do sistema solar.
- Avaliar as implicações no ponto de vista filosófico, cultural e religioso, decorrentes da aceitação da teoria heliocêntrica de Copérnico.
- 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) a validade da lei da gravitação;
b) a ordem de grandeza do valor da constante de gravitação prevista por Newton.
- Referir alguns sucessos e limitações da teoria da gravitação universal.
- Enunciar e aplicar a lei da gravitação universal.
- Relacionar a massa gravitacional com massa inercial de um corpo.

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 descrição dos movimentos dos corpos celestes.
- 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) a causa das marés oceânicas e a explicação dos seus aspectos fundamentais;
b) a descoberta de novos planetas;
c) a discrepância entre a previsão teórica e o valor determinado relativamente ao movimento angular do eixo da órbita de Mercúrio.
- Resolução de questões que envolvam a determinação de: (actividade obrigatória)
a) a massa do Sol e da Terra;
b) a velocidade orbital de planetas e satélites artificiais em órbita circular à volta da Terra;
c) o período de revolução dos planetas do sistema solar e de satélites artificiais;
d) a altitude de gravitação de um satélite geoestacionário.
- Palestra /documento informativo sobre: «O big-bang e a expansão do Universo».

2.1.2. Interacção electrostática
- Conservação e quantificação da carga eléctrica.
- Lei de Coulomb das acções electrostáticas.
- Permitividade eléctrica de um meio.

Objectivos:
- Inferir a quantificação da carga eléctrica e enunciar o princípio da conservação da carga eléctrica.
- Enunciar e aplicar a lei de Coulomb das acções eléctricas.
- Relacionar a constante da lei de Coulomb com .
- Indicar as semelhanças e diferenças entre as leis da força coulombiana e da força newtoniana.

Sugestões de Actividades:
- Comparação dos valores das forças eléctricas e gravitacional entre o protão e o electrão no átomo de hidrogénio (modelo de Bohr).
- Discussão do resultado obtido.

2.2. CAMPO GRAVITACIONAL. CAMPO ELECTROSTÁTICO

2.2.1. Conceito de campo
- Vector campo gravitacional.
- Vector campo eléctrico.
- Campos eléctrico/gravitacional radial e uniforme.
- Energia potencial associada a um campo conservativo.

Objectivos:
- Reconhecer a massa e a carga eléctrica como fontes dos campos gravitacional e electromagnético, respectivamente.
- Identificar o campo electrostático como um caso particular do campo electromagnético.
- Definir as grandezas campo gravitacional,

, e campo eléctrico,

, e indicar as respectivas unidades SI.
- Caracterizar, em cada ponto, o campo gravitacional /electrostático criado por: - uma massa/carga pontual estacionária;
- uma distribuição descontínua de massas/cargas estacionária.
- 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.
- Definir dipolo eléctrico e momento de um dipolo eléctrico (facultativo).
- Descrever o comportamento de um dipolo eléctrico num campo eléctrico uniforme exterior. (facultativo)
- 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.

Sugestões de Actividades:
- Investigação experimental da disposição das linhas de campo de um campo electrostático criado por:
a) uma carga eléctrica pontual;
b) duas cargas iguais em módulo e de sinais contrários (dipolo eléctrico);
c) duas cargas iguais em módulo e em sinal;
d) dois condutores planos e paralelos entre si com cargas de igual módulo e sinais contrários (condensador plano).
- Descrição sucinta e clara da experiência da 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 tubo de descarga ou tubo de Braun.
- Estudo analítico do movimento de um electrão que entra num campo eléctrico uniforme, com velocidade inicial,

, perpendicular à direcção do vector campo

(o movimento dos electrões num osciloscópio, num aparelho de televisão, etc.). (actividade obrigatória)
- Relacionar as propriedade de certas substâncias, como por exemplo, a água, os detergentes, etc. com o momento dipolar das moléculas.
- Determinação do valor de: (actividade obrigatória)
a) a velocidade de escape de um corpo à superfície da Terra;
b) a energia cinética orbital de um satélite;
c) a energia mecânica de um planeta;
d) 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.

2.2.2. Potencial eléctrico; potencial gravítico
- Relação entre as grandezas campo e potencial.

Objectivos:
- 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 diferença de potencial entre esses pontos.
- 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.
- Caracterizar a direcção e o sentido dos vectores campo eléctrico e gravitacional relativamente às superfícies equipotenciais.
- Relacionar o módulo do vector campo eléctrico com diferença de potencial, em casos simples.
- Definir a unidade SI da grandeza campo eléctrico.

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. (actividade obrigatória)
- Investigação experimental da forma das linhas equipotenciais de um campo electrostático devido a:
- uma carga pontual;
- duas cargas pontual de sinais contrário e do mesmo sinal;
- dois condutores planos e paralelos com cargas de igual módulo e sinais contrários. (actividade obrigatória)
- Análise de diagramas que descrevam campos electrostáticos/ gravitacional de das linhas de campo.

2.2.3. Condutores isolados em equilíbrio electrostático (facultativo)

Objectivos:
- Justificar que o campo,

, é (facultativo):
- normal, em cada ponto, à superfície de um condutor em equilíbrio electrostático;
- nulo, no interior de um condutor em equilíbrio electrostático. - Relacionar a densidade superficial de carga eléctrica com forma da superfície do condutor. (facultativo)
- Indicar aplicações industriais da electrostática. (facultativo)

Sugestões de Actividades:
- Verificação, experimental, do que num condutor electricamente carregado:
a) a carga eléctrica só se distribui à sua superfície;
b) o valor do campo electrostático é muito elevado nas regiões do espaço que envolvem as zonas de maior convexidade.
- Pesquisa, individual ou em grupo, de dados sobre as aplicações da electrostática em áreas tecnológicas como: comunicações, revestimento de superfícies, impressão, processos industriais de fabrico, processos de despoluição nas chaminés de centrais eléctricas e fábricas, etc.

2.3. CAMPO MAGNÉTICO DA CORRENTE ELÉCTRICA EM REGIME ESTACIONÁRIO

Objectivos:
- Associar a criação de um campo magnético ao movimento de cargas eléctricas num referencial inercial e identifica-lo como uma das componentes do campo electromagnético.
- Referir analogias e diferenças entre as interacções eléctricas e magnéticas.

Sugestões de Actividades (actividade obrigatória):
a)Observação experimental de espectros do campo magnético criado por:
- um íman em barra e um íman em U;
- uma corrente eléctrica ao passar num fio condutor longo, numa espira e num solenóide;
b) Identificação da polaridade das faces de uma espira percorrida por corrente (dipolo magnético) - Representação de diagramas das linhas de campo magnético nas vizinhanças de uma corrente eléctrica que percorre um condutor filiforme longo, uma espira circular e um solenóide. (actividade obrigatória)

2.3.1. Vector campo magnético, (indução magnética ou densidade de fluxo magnético)
- Acção de um corpo magnético sobre um elemento de corrente estacionária e sobre uma carga eléctrica, pontual, em movimento.

Objectivos:
- Relacionar a direcção e o sentido do vector campo magnético,

, com linhas de campo.
- Caracterizar a força magnética exercida sobre um elemento de corrente de intensidade I, situado num campo magnético uniforme

= I

.
- Estabelecer as dimensões do campo magnético,

, a partir da relação F = BIl e indicar a sua unidade SI.
- Aplicar a expressão da força resultante da interacção entre uma carga eléctrica móvel e um campo magnético:

= q

.

Sugestões de Actividades:
- Investigação experimental de:
a) a direcção e o sentido da força magnética que traduz a interacção entre um campo magnético uniforme e um elemento de corrente;
b) os factores que determinam o valor dessa força.
- Elaboração de painéis sobre o princípio de funcionamento de um galvanómetro de quadro móvel (amperímetros e voltímetros) e 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.

2.3.2. Movimento de cargas eléctricas num campo magnético uniforme
- Movimento de uma carga eléctrica sob a acção simultânea de um campo eléctrico e de um campo magnético.

Objectivos:
- Comparar os movimentos de uma carga eléctrica móvel, com velocidade inicial constante, num campo magnético uniforme e num campo eléctrico uniforme.
- Inferir que o campo magnético é um campo não conservativo.
- Aplicar a expressão da força que actua sobre uma carga móvel num campo electromagnético.

Sugestões de Actividades:
- Observação das trajectórias, circular e helicoidal, de um feixe de electrões em movimento no vazio, com velocidade constante quando entram num campo magnético uniforme.
- Dedução, no caso de um electrão descrever uma trajectória circular, das expressões que determinam o valor de:
- o raio da trajectória descrita;
- a frequência do movimento de electrão.
- 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 cargas eléctricas num campo electromagnético. (actividade obrigatória)
- Utilização de programas computacionais que permitam observar a simulação da trajectória de uma partícula carregada em:
- um ciclotrão;
- um espectrómetro de massa.
- 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.

2.3.3. Campo magnético de uma corrente rectilínea
- Permeabilidade de um meio.
- Interacção entre correntes eléctricas paralelas.

Objectivos:
- Identificar e aplicar a expressão do valor do campo magnético,

, nas vizinhanças de um fio condutor filiforme, longo, percorrido por corrente estacionária.
- Relacionar a constante de proporcionalidade entre |

| e I/r com a permeabilidade do meio.
- Interpretar, qualitativamente, a interacção entre dois condutores rectilíneos e paralelos percorridos por corrente eléctrica estancionária.
- Definir a unidade SI de intensidade de corrente eléctrica.

Sugestões de actividades:
- 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.
- Verificação experimental de que o valor do campo magnético nas vizinhanças de condutores longos e filiformes, percorridos por uma corrente, é proporcional a I/r .(actividade obrigatória)
- Estudo experimental das interacções entre correntes paralelas do mesmo sentido e de sentidos contrários.

b) duas cargas iguais em módulo e de sinais contrários (dipolo eléctrico);
c) duas cargas iguais em módulo e em sinal;
d) dois condutores planos e paralelos entre si com cargas de igual módulo e sinais contrários (condensador plano).
- Descrição sucinta e clara da experiência da 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 tubo de descarga ou tubo de Braun.
- Estudo analítico do movimento de um electrão que entra num campo eléctrico uniforme, com velocidade inicial,

, perpendicular à direcção do vector campo

, é (facultativo):

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