Dossier de experiências do Circo da Física Objectivo do dossier



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Dossier de experiências do Circo da Física


Objectivo do dossier:
Este dossier de experiências foi concebido com o objectivo de sintetizar toda a informação sobre as experiências de que o Circo disponibiliza. Para além de ser uma excelente forma de fornecer aos novos elementos do Circo a informação sobre o modo de funcionamento das experiências disponiveis, serve também como um guia de apoio, caso algo de errado venha a acontecer com as experiências. Como tal, qualquer excursão do Circo da Física deverá acompanhar-se deste dossier.
Versão 0.1b Em constante actualização.


Índice:




Mecânica

Pêndulo de Foucault

Momentos de inércia

Água parabólica

Massas e molas

Cama de pregos/balões



Termodinâmica

Hemisférios de Magdeburgo e ventosas

Termopar

Dilatação de metais

Rebenta latas

Barómetro

Caixa de vácuo

Lei de Boyle

Paradoxo Hidrostático

Electromagnetismo

Gerador de Van der Graaf

Lâmpadas em série e em paralelo

Transformadores



Óptica

Água colorida

Fibra óptica

Polaróides

Parabólica e ventoinha a luz solar




Mecânica:


Pêndulo de Foucault
Descrição da experiência: Esta experiência mostra como Foucault demonstrou o movimento de rotação da Terra, sem a utilização de dados astronómicos.
Material:


  • Pêndulo de Foucault

Procedimentos:




  1. Basta colocar o pêndulo de Foucault a oscilar e rodar a superfície de apoio de modo a simular o movimento de rotação da Terra.

Explicação científica:


Através da simulação do movimento de rotação da Terra, observamos que o pêndulo de Foucault vai alterando o seu plano de oscilação até descrever uma volta completa. No pêndulo de Foucault real, o período de rotação do plano de oscilação é precisamente 24 horas.
Nota histórica:
Jean Bernard Foucault nasceu em 1819, filho de um publisher francês. Desde pequeno que mostrava grande aptidão na construção de engenhos mecânicos. Iniciou os seus estudos em medicina mas mais tarde escolheu estudar as ciências físicas no Observatório de Paris. Foi reconhecido como um dos mais versáteis experimentalistas de todos os tempos.

Momentos de inércia


Descrição da experiência: Duas rodas com o mesmo peso, uma com toda a massa concentrada na periferia, outra com a massa uniformemente distribuída. Pondo as duas a rolar num plano inclinado, observa-se que a roda com a massa uniformemente distribuida chega primeiro à base.
Material:

Procedimentos:




  1. Basta colocar as rodas no topo de um plano inclinado e largar.

Explicação científica:


Basta observar que a inércia de rotação, ou seja, o momento de inércia da roda com a massa uniformemente distribuida é inferior ao momento de inércia da outra roda.

Água parabólica


Descrição da experiência: O recipiente da água é posta a rodar. Nestas condições, vemos que a superfície da água toma um aspecto parabólico.

Material:




  • Recipiente de centrifugação de água com eixos cartesianos.

Procedimentos:




  1. Pôr o recipiente a rodar e observar a curva descrita pela água.

Explicação científica:


Como a Força centrífuga depende do raio, o que acontece é que a água mais afastada do centro vai ser empurrada para as paredes do recipiente com mais força, descrevendo assim uma parábola.

Massas e molas


Descrição da experiência: Várias molas com pesos são penduradas numa barra. Com esta experiência podemos não só demonstrar a lei de Hooke (F=-k.x), mas também a transmissão de energia de vibração por simpatia de ressonância.

Material:




  • Massas;

  • Molas;

  • Dois suportes universais e barra metálica para uní-los.

Procedimentos:




  1. Colocar na barra as molas.

  2. Unir os suportes universais através da barra.

  3. Colocar as massas penduradas nas molas e fazê-las oscilar.

Explicação científica:


Se colocarmos apenas uma massa a oscilar vamos verificar que por transmissão de energia de vibração por simpatia as outras molas também oscilam.

Cama de pregos/balões


Descrição da experiência: Estas experiências ilustram de forma dramática a diferênça entre força e pressão. De facto, estando uma pessoa em cima da cama de balões estes não rebentam, e deitando-se na cama de pregos também não se magoa.
Material:


  • Balões;

  • Superfície(mesa ou cama de madeira);

  • Cama de pregos.

Procedimentos:




  1. Encher e colocar os balões debaixo da superfície ou mesa. Deitar-se em cima.

  2. Deitar-se lentamente e com cuidado na cama de pregos.

Cuidados a ter: É necessário ter cuidado com a cama de pregos. A practica de moche em cima de alguém deitado na cama de pregos é expressamente desaconselhada.


Explicação científica:
Como o nosso peso é distribuído pelos balões através da superfície ou mesa, a força em cada balão é insuficiente para que estes rebentem.

Quanto à cama de pregos, verifica-se o mesmo fenómeno. Não sentímos dor porque o nosso peso é distribuído pelos pregos.

Termodinâmica:
Hemisférios de Magdeburgo e ventosas
Descrição da experiência: Dois hemisférios ficam hermeticamente selados quando juntos, podendo-se separar facilmente. No entanto, quando se lhes retira o ar do interior, com uma bomba de vácuo, é impossível separá-los ! Várias pessoas podem puxar os hemisférios com cordas e mesmo assim não os separam.
Material:


  • Hemisférios de Magdeburgo;

  • Bomba de vácuo;

  • Ventosas.

Procedimentos:




  1. Juntar os hemisférios de Magdeburgo e abrir a válvula.(no caso das ventosas, basta juntá-las). Ligar o tubo de ar da bomba de vácua aos hemisférios.

  2. Ligar a bomba de vácuo durante uns segundos mantendo os hemisférios sempre unidos.

  3. Fechar a válvula dos hemisférios e desligar a bomba(e o tubo). Tentar separar os hemisférios.

  4. Para separar os hemisférios, basta abrir a vávula.

Explicação científica:


A razão pela qual é practicamente impossível separar os hemisférios está no facto de a pressão atmosférica não ser compensada pela pressão no interior, resultando numa grande força que une os hemisférios (Patm=1kg/cm^2).
Cuidados a ter: Certificar-se de que se está a agarrar bem os hemisférios antes de desligar a válvula pois estes danificam-se facilmente ao cair no chão.
Nota histórica:
Em 1654, Otto von Guericke (inventor da bomba de vácuo) uniu dois hemisférios de cobre vazios (chamados hemisférios de Magdeburg, a localidade onde a demonstração ocorreu) e retirou o ar dentro deles. Duas equipas de cavalos não os conseguiram separar. O objectivo da experiência era determinar se o ar “pesava”.

Termopar
Descrição da experiência: Um termopar é um aparelho que permite converter uma diferença de temperatura numa diferença de potencial. Mete-se uma perna em água morna e uma outra em azoto líquido (ou água fria) e a ventoinha roda.


Material:


  • Ventoinha eléctrica;

  • Termoelementos;

  • Azoto líquido ou água fria;

  • Fogão eléctrico para aquecer água;

  • Esferovite para colocar o azoto líquido(é importante).

Procedimentos:




  1. Aquecer água com o fogão eléctrico.

  2. Colocar um dos termoelementos na água morna e colocar o outro em água fria ou no azoto líquido(que se deita dentro do esferovite), e esperar até a ventoinha rodar.

Explicação científica:


Quando um condutor metálico é submetido a uma diferença de temperatura entre as suas extremidades surge uma força eletromotriz (Efeito termoeléctrico), cujo valor normalmente não excede a ordem de grandeza de milivolts, devido à redistribuição dos electrões no condutor quando estes são submetidos a um gradiente de temperatura. Os electrões redistribuem-se pois o aumento de temperatura vai conferir-lhes maior liberdade de movimento, enfraquecendo as ligações entre os núcleos e os electrões e provocando assim a redistribuição, sobretudo nas camadas exteriores do condutor. Verifica-se que quando os condutores são unidos numa das suas extremidades mede-se uma força eletromotriz entre as extremidades separadas cujo valor corresponde à diferença entre os valores da f.e.m. que surge em cada um dos metais. É esta f.e.m. que vai alimentar a ventoinha, fazendo-a rodar.

Dilatação de metais


Descrição da experiência: Uma tira de metal aparentemente normal curva-se inexplicávelmente quando aquecida. Quanto ao aro e à bola: inicialmente a bola passa facilmente pelo aro. Quando se aquece a bola esta já não passa pelo aro.
Material:


  • Tira de metal com pega;

  • Aro e bola com pega;

  • Fogão eléctrico, bico de bunsen, ou algo que aqueça.

Procedimentos:




  1. Para a tira de metal, aquecê-la a meio da tira com o fogão eléctrico, bico de bunsen ou o que se arranjar.

  2. Para o aro e a bola, mostrar que a bola passa pelo aro. Aquecer a bola e mostrar que já não pássa.

Explicação científica:


A razão pela qual a tira se curva deve-se ao facto desta ser composto por dois metais diferentes, com coeficientes de expansão térmica diferentes. Como um se dilata mais do que o outro, a tira é obrigada a curvar-se.

Na experiência do aro e da bola, o aquecimento da bola provoca a sua dilatação, o que impossibilita a sua passagem através do aro.


Rebenta latas


Descrição da experiência: Coloca-se um pouco de água numa lata e aquece-se até ferver. Aí, vira-se a lata de boca para baixo sobre um prato de água fria. A lata implode.
Material:



  • Latas, facilmente adquiridas no bar do central através do encorajamento do público a comprá-las e deixá-las após consumo do fluído nelas contido;

  • Fogão eléctrico;

  • Pinça;

  • Recipiente com água fria.

Procedimentos:




  1. Colocar água dentro de uma lata vazia e aquecer a lata até a água ferver.

  2. Com a pinça, pegar na lata, e rapidamente virá-la ao contrário para dentro do recipiente com a água fria.

Explicação científica:


A súbita descida de temperatura faz com que as paredes da lata sejam esmagadas pela pressão atmosférica.

Barómetro


Descrição da experiência: Um tubo cheio de água tem um frasco de boca para baixo no seu interior, de tal maneira que há ar dentro do frasco. A cobrir a boca do tubo, está uma membrana de borracha. Aumentando a pressão no tubo (premindo a membrana), o frasco desce. Diminuindo, o frasco sobe.
Material:



  • Tubo;

  • Frasco pequeno;

  • Balão para servir de membrana do tubo.

Procedimentos:




  1. Colocar água dentro do tubo e colocar o frasco de boca para baixo no seu interior de modo a deixar ar dentro do frasco.

  2. Cobrir o topo do tubo com o balão e fixar.

  3. Premir a membrana para baixar o frasco e descomprimir para que o frasco suba novamente.

Explicação científica:


*******Inserir explicação científica aqui.*******

Caixa de vácuo


Descrição da experiência: Dentro da caixa poder-se-á colocar um balão com a boca fechada, e meio cheio. Tirando o ar à caixa, o balão expande-se. Vemos ainda que um objecto imerso num fluido como o ar sofre impulsão. O pequeno peso e a bola de esferovite fazem com que os braços de uma balança fiquem equilibrados. Ao reduzirmos a pressão, vemos que na realidade a bola é mais pesada.
Material:


  • Caixa de vácuo;

  • Bomba de vácuo;

  • Balança com peso e bola de esferovite;

  • Balão.

Procedimentos:




  1. Ligar o tubo de ar da bomba de vácuo à caixa de vácuo.

  2. Colocar o balão cheio dentro da caixa, tapar a caixa e ligar a bomba de vácuo, observando a expensão do balão.

  3. Desligar a bomba e retirar o balão da caixa. Colocar no interior da caixa a balança e fechar a caixa novamente.

  4. Ligar a bomba de vácuo e observar que o esferovite é realmente mais pesado que o peso.

Explicação científica:


O balão expande-se porque ao retirar o ar de dentro da caixa a pressão exterior já não compensa a pressão interior do balão. Quanto à balança, na realidade o esferovite é mais pesado que o peso, mas aparentam ter o mesmo peso quando mergulhados no ar, dado que qualquer objecto imerso num fluido sente uma força de impulsão, apontada para cima. Esta força, que depende do volume do objecto, é suficiente para que a bola de esferovite equilíbre a balança.

Lei de Boyle


Descrição da experiência: Trata-se basicamente de um medidor de pressão.
Material:


  • Lei de Boyle.

Procedimentos:




  1. Mexendo na seringa, observa-se as alterações na pressão do ar dentro desta.

Explicação científica:


Mexendo na seringa alteramos o volume disponível ao ar dentro da redoma, e consequentemente a sua pressão varia segundo a lei PV=cte, ou seja, a lei de Boyle.

Paradoxo hidroestático


Descrição da experiência: Vasos comunicantes de diferentes grossuras e formas contêm diferentes volumes de líquido e consequentemente diferentes massas e pesos.
Material:


  • Vasos comunicantes.

Procedimentos:




  1. Simplesmente colocar água dentro dos vasos comunicantes.

Explicação científica:


A água fica toda ao mesmo nível de modo a que a pressão no topo de cada tubo seja a mesma. Isto só é possível devido aos vasos comunicantes.

Electromagnetismo:


Gerador de Van der Graaf
Descrição da experiência: Eléctriza-se uma semi-esféra metálica. Com ela, é possível realizar inúmeras experiências que ilustram os princípios da electrostática.
Material:


  • Gerador Van der Graaf e massa;

  • Gaióla e pequenas esferas;

  • Cadeira isolante.

Procedimentos:




  1. Ligar o gerador Van der Graaf e deixar a semi-esféra carregar.

  2. Colocar a gaióla com as esferas ao contrário, sobre a semi-esféra e observar a simulação de movimentos intermoleculares.

  3. Desligar o gerador e descarregá-lo com a massa(basta tocar com a massa na semi-esféra.

  4. Sentar-se na cadeira isolante(sem tocar no chão) e colocar as mãos na semi-esfera. Ligar o gerador. A partir do momento que a esféra está carregada, observa-se que os cabelos da pessoa ficam em pé. Pode-se também dar choques ao público(basta-lhes tocar enquanto se está isolado).

  5. Desligar e descarregar o gerador. Colocar um balão na rosca que segura a semi-esféra e de seguida ligar o gerador. Observa-se que o balão é repelido pela semi-esfera, flutuando no ar.

Explicação científica:


O mesmo fenómenos que acontece no caso das pequenas esferas com a gaiola acontece com o balão. O balão é colocado na rosca, inicialmente em contacto com a semi-esféra. A semi-esféra e o balão começam a carregar, ficando ambos electrizados, daí que o balão sinta uma repulsão em relação à semi-esféra metálica.

No caso da pessoa na cadeira isolante, o que acontece é que esta vai carregando à medida que a semi-esféra carrega. Assim, podemos dar choques ao público pois existe uma diferença de potencial entre a pessoa carregada e a vítima. Os cabelos ficam carregados, eriçam e afastam-se uns dos outros de modo a atingir um equilíbrio devido às repulsões entre si.

Lâmpadas em série e em paralelo
Descrição da experiência: São dois circuitos em que num temos lâmpadas dispostas em paralelo enquanto noutro estas estão ligadas em série.
Material:


  • Lâmpadas(fundidas e funcionais);

  • Os circuitos;

  • Gerador eléctrico manual.

Procedimentos:




  1. Colocar as lâmpadas nos circuitos.

  2. Aplicar uma tensão nos circuitos através do gerador manual, demonstrando as diferênças de luminosidade, e que no circuito em paralelo uma das lâmpadas pode estar fundida sem comprometer o funcionamento da outra lâmpada.

Explicação científica:


Como num circuito em paralelo a corrente que passa pelo circuito é dividida entre as lâmpadas, uma delas pode estar fundida sem comprometer o funcionamento da outra.

Transformadores


Descrição da experiência: Com um tranformador que é ligado à corrente e uma espira metálica podemos ferver água. Existe também uma bobine de 23000 espiras ligada a um par de ferros que usamos para observar pontes voltaicas e ainda um enrolamento de poucas espiras e grande grossura usado para derreter pregos.
Material:


  • Enrolamento de ligação à corrente e anel metálico;

  • Espira para ferver água;

  • Bobine ligada ao par de ferros;

  • Enrolamento para derreter pregos.

Procedimentos:




  1. Colocar o enrolamento de ligação à corrente no anel metálico, tal como a espira para derreter a água.

  2. Colocar água na espira e ligar o transformador, observando-se que a água evapóra. Desligar o transformador e retirar a espira.

  3. Colocar a bobine de 23000 espiras no anel metálico. Ligar o transformador e observar as pontes voltáicas. Desligar o transformador e retirar a bobine de 23000 espiras.

  4. Colocar o enrolamento para derreter pregos(com um prego já colocado) no anel metálico. Ligar o transformador e observar que o prego derrete. Podemos fundir o prego ou separá-lo. Desligar e desmontar.

Cuidados a ter: Levar sempre fusíveis para o enrolamento de ligação à corrente pois é frequente fundirem. Na experiência com a bobine de 23000 espira nunca tocar os dois ferros e não deixar o enrolamento ligado durante muito tempo.

Explicação científica:
Enrolamentos com diferentes números de espiras são colocados no anel metálico pois este serve para amplificar o campo magnético. Aquele que é ligado directamente à corrente designa-se por enrolamento primário enquanto que aquele no qual é induzida uma tensão se designa por enrolamento secundário.

Sabemos que a potência que entra num enrolamento vai ser sempre igual à potência que saí. Como na primeira experiência vamos ter uma unica espira como enrolamento secundário, a corrente que passa por esta vai ser suficientemente grande para evaporar a água.

Passa-se exactamente o mesmo com o enrolamento para derreter os pregos (por esta razão é que o enrolamento é de maior grossura). Como há menos espiras no enrolamento, a tensão vai ser pequena, mas a corrente vai ser suficientemente elevada para derreter o prego.

Finalmente, observa-se o caso inverso: com a bobine de 23000 espira a corrente é reduzida, mas a diferênça de potencial é tal que podemos observar as pontes voltáicas.

Óptica:
Água colorida
Descrição da experiência: Um feixe contínuo de água sai por uma caixa e é iluminado por um laser colocado atrás da caixa. Ao passarmos a mão pelo feixe, vemos que fica iluminada. O feixe “conduziu” o laser.
Material:


  • Uma caixa normal e outra com um pequeno furo;

  • Laser;

  • Bomba de água e tubo.

Procedimentos:




  1. Colocar a caixa com o furo num patamár superior e a outra caixa debaixo de modo a que a água que vai ser colocada na caixa superior caia para dentro da outra.

  2. Colocar a bomba de água na caixa inferior e ligar-lhe o tubo, colocando a sua outra extremidade na caixa superior. Ligar a bomba e encher a caixa superior de água até esta começar a escorrer pelo furo.

  3. Por detrás da caixa superior, apontar o laser em direcção do furo e pedir a alguém que interrompa o fluxo de água com a mão.

Explicação científica:


O que conduz o laser pelo feixe de água é a reflexão do laser nas paredes interiores do feixe de água, tal como o que acontece na fibra óptica.

Fibra óptica


Descrição da experiência: Mais uma vez a luz é “conduzida” da maneira que quisermos. Desde que iluminemos uma das pontas das fibras ópticas, podemos dobrá-las à vontade, certos de que a outra ponta também estará iluminada.
Material:


  • Fibras ópticas;

  • Laser.

Procedimentos:


1. Simplesmente fazer passar o laser através da fibra óptica e observar a luz que passa do outro lado. Podemos dobrar a fibra óptica que o resultado mantém-se.
Explicação científica:
O que conduz o laser pela fibra óptica é a reflexão do laser nas paredes interiores da fibra, tal como o que acontece no feixe de água. Estes condutores de luz são usados hoje em dia para comunicação em redes próprias, podendo trasmitir uma grande quantidade de informação à velocidade da luz.

Polaróides


Descrição da experiência: Observa-se que a conjunção de filtros em diferentes posições deixam passar luz de intensidade que varia com a posição destes.
Material:


  • Polaróides.

Procedimentos:


1. Observar a luz que passa através de um polaróide e de seguida colocar outro polaróide, sobrepondo o outro, e variando a sua posição(rodando). Observa-se que existe um ângulo tal que já não passa luz através dos polaróides.
Explicação científica:
A luz propaga-se por ondas especiais geradas por campos electromagnéticos oscilantes. Estes campos podem oscilar em diferentes direcções, desde que sejam perpendiculares à direcção de propagação. Normalmente a luz que está à nossa volta é não polarizada, isto é, não há nenhuma direcção de oscilação priveligiada. O que um polaróide faz é apenas deixar passar uma direcção muito específica de oscilação da luz. Diz-se então que a luz ficou polarizada. Quando em frente desta luz colocarmos um outro polaróide orientado de tal forma que só deixe passar luz que oscile numa direcção perpendicular à anterior, então deixa de passar luz e “vemos” escuro.

Parabólicas e ventoinha a luz solar


Descrição da experiência: Nesta experiência demonstramos o efeito de uma curva parabólica em raios de luz e também o funcionamento de uma célula fotoeléctrica e conversão da energia solar em energia eléctrica e mecânica.
Material:

Procedimentos:




  1. Montar as parabólicas nos suportes universais e colocá-las uma à frente da outra. Colocar a lâmpada na parabólica e ligá-la.

  2. Procurar o fóco com a célula fotoeléctrica até que a ventoinha róde.

Explicação científica:


Se iluminarmos uma das antenas no seu fóco, os raios irão ter à antena e sairão reflectidos paralelamente à mesma. Se agora colocarmos uma outra parabólica à sua frente, os raios paralelos serão novamente convergidos no fóco. Achamos o fóco com a célula fotoeléctrica.

Documento elaborado por: Pedro Costa, Miguel Paulos.
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