Prova de Física: Mecânica para o 3º Ano do Ensino Médio
Tema: MECANICA
Etapa/Série: 3º ano – Ensino Médio
Disciplina: Física
Questões: 5
Prova de Física – Tema: Mecânica
3º Ano – Ensino Médio
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Instruções:
– Responda a todas as questões de forma clara e objetiva.
– Utilize a linguagem técnica apropriada e justifique suas respostas sempre que necessário.
– O tempo para a realização da prova é de 2 horas.
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Questões Dissertativas
Questão 1: (2,0 pontos)
*Um carro está se movendo na estrada em uma velocidade constante de 60 km/h. O motorista decide acelerar, aumentando sua velocidade para 90 km/h. Considerando essa mudança de velocidade, explique os conceitos de aceleração e velocidade, e calcule a aceleração se essa mudança ocorreu em 10 segundos.*
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Questão 2: (3,0 pontos)
*Um estudante de Física está tentando entender a Lei da Conservação da Energia em um sistema mecânico. Ele faz um experimento com um pêndulo simples. Descreva a energia potencial e a energia cinética ao longo do movimento do pêndulo. Em sua resposta, inclua a formulação matemática dessas energias e como elas se interagem durante o movimento do pêndulo.*
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Questão 3: (2,5 pontos)
*Durante uma aula prática, um grupo de alunos solta um objeto a partir de uma altura de 20 metros. Considere a aceleração da gravidade como 9,81 m/s². Calcule o tempo que o objeto leva para atingir o solo e a velocidade com que ele chega ao chão. Justifique os passos da sua resolução utilizando as fórmulas da mecânica.*
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Questão 4: (3,5 pontos)
*Na análise do movimento circular, considere um carro que realiza uma curva com raio de 50 metros a uma velocidade de 72 km/h. Determine a força centrípeta necessária para manter o carro na curva. Quais as implicações da força centrípeta no movimento do carro? Discuta o impacto da velocidade e do raio sobre essa força, utilizando conceitos de dinâmica.*
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Questão 5: (4,0 pontos)
*Um bloco de massa 5 kg é puxado por uma força de 20 N em uma superfície horizontal, onde o coeficiente de atrito entre o bloco e a superfície é de 0,3. Calcule a aceleração do bloco e discorra sobre o papel da força de atrito nesta situação. Como ela afeta o movimento do bloco?*
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Gabarito Detalhado
Questão 1:
A aceleração é a variação da velocidade em relação ao tempo. A velocidade do carro muda de 60 km/h para 90 km/h, ou seja, Δv = 30 km/h = 8,33 m/s. Convertendo para SI e utilizando a fórmula de aceleração (a = Δv/Δt), temos:
[ a = frac{8,33 m/s}{10 s} = 0,833 m/s². ]
Justificativa: A aceleração é positiva, indicando que o carro está aumentando sua velocidade.
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Questão 2:
A energia potencial (Ep) em um pêndulo é máxima quando ele está na altura máxima, e é dada por:
[ Ep = m cdot g cdot h. ]
A energia cinética (Ec) é máxima no ponto mais baixo:
[ Ec = frac{1}{2} cdot m cdot v^2. ]
Durante o movimento, Ep se transforma em Ec e vice-versa, respeitando a conservação da energia.
Justificativa: As energias se interconvertem, mantendo a energia total de sistema constante.
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Questão 3:
Utilizando a fórmula de queda livre:
[ h = frac{1}{2} cdot g cdot t^2 Rightarrow 20 = frac{1}{2} cdot 9,81 cdot t^2. ]
Resolvendo, temos ( t approx 2,02 s ).
A velocidade ao atingir o solo é:
[ v = g cdot t = 9,81 cdot 2,02 approx 19,8 m/s. ]
Justificativa: A queda sob a influência da gravidade desacelera a energia potencial em energia cinética.
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Questão 4:
A força centrípeta (Fc) é dada por:
[ Fc = frac{mv^2}{r}. ]
Convertendo a velocidade para m/s: 72 km/h = 20 m/s, temos:
[ Fc = frac{m cdot (20)^2}{50} = frac{5 cdot 400}{50} = 40 N. ]
A força centrípeta permite que o carro mantenha a trajetória circular, demonstrando que um aumento na velocidade ou diminuição do raio aumentará a força centrípeta necessária.
Justificativa: Essa força é crucial para evitar que o carro saia da curva.
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Questão 5:
A força de atrito (F_atrito) é dada por:
[ F_{atrito} = mu cdot N = 0,3 cdot (m cdot g) = 0,3 cdot (5 cdot 9,81) = 14,715 N. ]
A força resultante (F_res) que causa a aceleração é:
[ F_{res} = F – F_{atrito} = 20 N – 14,715 N = 5,285 N. ]
Aplicando a Segunda Lei de Newton:
[ F_{res} = m cdot a Rightarrow 5,285 = 5 cdot a Rightarrow a approx 1,057 m/s². ]
Justificativa: A força de atrito atua contra o movimento e reduz a aceleração do bloco.
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Essas questões e o gabarito fornecem oportunidades de avaliação crítica e aplicativa, conforme esperado para o 3º ano do Ensino Médio, alinhadas com a BNCC que enfatiza habilidades como análise, resolução de problemas e aplicação de conceitos físicos em situações do cotidiano.
