Laboratório 3
Leis de Newton
Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Física & Química
Disciplina de Física I
Embora as causas do movimento dos corpos já sejam objeto de análise desde a antiga Grécia, somente na segunda metade do século XVII é que Isaac Newton propôs um modelo físico-matemático que relaciona as equações de movimento (já conhecidas à época) com o conceito de Força. O modelo de Newton baseava-se em 3 leis:
Materiais:
- Trilho de ar metálico de 2 metros de comprimento com compressor de ar; - Carrinho metálico para o trilho (elemento de movimento);
- Oito massas de 50g para lastro do carrinho;
- Cronômetro Multifuncional digital, com aquisição de dados; - Cinco Sensores ópticos de passagem com suportes; - Fio, Roldana e Porta-Massas;
- Massas pendulares: uma de 50g, duas de 10g e uma de 5g; - Balança.
FAÇA e/ou ANOTE NA FOLHA DE DADOS:
1) Descreva de forma sucinta o aparato do seu experimento na Folha de Dados. Pode-se usar um desenho esquemático para auxiliar. Faça uma foto para o relatório.
2) Caracterize os instrumentos de medida utilizados (balança e cronômetro), anotando na sua Folha de Dados: a) Marca e modelo; b) faixa nominal, precisão e erro (ver DICAS para o cronômetro).
3) Posicione os 5 sensores ópticos ao longo do trilho.Use a escala do próprio trilho como guia. Eles devem ficar exatamente nas posições 20, 40, 60, 80 e 100 cm. Para tanto, quando a luz do sensor for cortada pela placa superior do carrinho, o meio dele (marcado pelo pino de encaixe das massas) deve estar exatamente nestas posições. Iremos adotar um erro fixo de ±±±±3 mm para as posições dos sensores.
4) Coloque 100g de lastro, sendo 50g em cada lado do carrinho. 5) Retire o Porta-Massasdo fio e coloque a massa de 50gnele.
6) Tare a balança e meça as massas do carrinho “mc1”(com o lastro) e do Porta-Massas “mp1” (com a massa de 50g). Anote os valores na Folha de Dados.
7) Nivele o trilho de ar.
8) Construa a Tabela 1 na Folha de Dados com 2 colunas (“Posição (cm)” e “Tempo (s)”) e 9 linhas de dados. Para as 5 primeiras linhas de dados da coluna “Posição (cm)” anote as medidas indicadas no passo 3.
9) Desligue o compressor de ar e posicione o carrinhona extremidade oposta à roldana. Coloque o Porta-Massasna outra extremidade do fio. A altura da base do Porta-Massas deve ficar em torno de 90 cm do solo. Sem o ar ligado, eles ficam parados.
10) Ligue e prepare o cronômetromultifuncional para medição.
Experiência Proposta
Objetivos:
- Verificar as Leis de Newton experimentalmente;
- Efetuar medidas primárias de deslocamento, tempo e massa;
- Derivar medidas secundárias de velocidade, aceleração e força;
- Compreender e explicitar equações de movimento;
- Construir e analisar gráficos de grandezas cinemáticas.
- Obter leis físicas (para o movimento) de forma empírica.
I – (Lei da Inércia) Na ausência de força resultante externa, todo corpo permanece em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.
FAÇA e/ou ANOTE NA FOLHA DE DADOS:
11) Segurando o carrinho em sua posição, ligue o compressor de ar. Aguarde 10 segundos e depois solte o carrinho.
12) Anote nas cinco primeiras linhas da coluna “Tempo (s)” da Tabela 1 as medidas dos tempos de passagem por cada sensor, adotando t = 0 s para o primeiro sensor.
13) Desligue o compressor de ar, retire o Porta-Massas do fio e recoloque o carrinho na extremidade oposta à roldana.
14) Reposicione os 5 sensores ópticosao longo do trilho, na mesma ordem crescente, exatamente nas posições 100, 120, 140, 160 e 180 cm, procedendo como ensinado no passo 3. O primeiro sensor deve estar na posição 100 cm.
15) Use as medidas indicadas no passo 14 e complete a coluna “Posição (cm)” da Tabela 1.
16) Repita os passos 9 a 11.
17) Complete as linhas da coluna “Tempo (s)” da Tabela 1com as medidas dos tempos de passagem por cada sensor, somados ao valor que consta na linha 5 desta coluna. Cuidado com a operação de A.S. e propagação de erros.
18) Construa a Tabela 2 na Folha de Dados com 2 colunas (“Tempo mediano (s)” e “Velocidade Média (cm/s)”) e 8 linhas de dados.
19) Calcule as medidas dos tempos medianos, tmi,i+1 = (ti + ti+1)/2; e das velocidades médias, vmi,i+1 = (Si+1 −−−− Si)/(ti+1 −−−− ti); do carrinho, entre cada par adjacente de medidas de posição e tempo da Tabela 1. Atente para as operações com A.S. e propagação de erros.
20) Preencha a Tabela 2com as medidas calculadas no passo 19.
21) Faça um gráfico de pontos (no computador, usando o “SciDAVis”) com os dados da Tabela 2, colocando no eixo X o tempo medidano e no eixo Y a velocidade média.
22) (relatório) Disserte sobre o comportamento da velocidade média do carrinho ao longo do tempo, tendo como base a experiência executada, a Primeira e a Terceira Lei de Newton.
23) (relatório) Desenhe o diagrama de forças sobre o carrinho e calcule a aceleração teóricaa que ele está submetido (supondo que
g
= 9,78520 m/s2); nas situações em que ele é puxado pela queda do Porta-Massas eapós este ter tocado o solo. Compare com os valores obtidos pelo gráfico (ajuste de retas deve ser feito para cada situação).
24) Retire as 50g do Porta-Massas e meça a massa “mp” apenas dele, anotando o valor na Folha de Dados.
25) Coloque 200g de lastro em cada lado do carrinho (total de 400g) e meça a massa “mc2”dele, anotando o valor na Folha de Dados.
FAÇA e/ou ANOTE NA FOLHA DE DADOS:
29) Reposicione os 5 sensores ópticos ao longo do trilho, em ordem crescente, exatamente nas posições 20, 35, 50, 65 e 80 cm.
30) Construa a Tabela 3 na Folha de Dados, com 6 colunas (“∆S (cm)”, “∆tm1 (s)”, “∆tm2 (s)”, “∆tm3 (s)”, “∆tm4 (s)”, “∆tm5 (s)”) e 4 linhas de dados. Anote na coluna “∆S (cm)” as medidas obtidas no passo 29.
31) Repita os passos 9 a 11 (sem nenhuma massa adicional no Porta-Massas).
32) Anote na coluna “∆∆∆∆tm1 (s)” da Tabela 3, as medidas dos tempos transcorridos da passagem do carrinho pelos sensores adjacentes, ou seja, t0-1, t1-2, t2-3 e t3-4, fornecidos pelo cronômetro.
33) Repita os passos 31 e 32, preenchendo as demais colunas da Tabela 3, para as seguintes massas adicionais no Porta-Massas: 5g, 10g, 15g e 20g.
34) Para cada um dos 5 ensaios executados, variando a massa do Porta-Massas, crie uma Tabela na Folha de Dados com as medidas dos tempos medianos e as velocidades médias entre cada par de sensor óptico, como ensinado no passo 19. Serão 5 Tabelas (4, 5, 6, 7 e 8).
35) Para cada uma das 5 Tabelascriadas no passo 34, faça um gráfico de pontos(SciDAVis), com o tempo mediano no eixo X e a velocidade média no eixo Y. Ajuste uma reta e obtenha a aceleração para cada ensaio, anotando-as na Folha de Dados.
36) (relatório) Baseado no passo 23, expresse a força que movimenta o carrinho, considerando que a massa pendular (no Porta-Massas) é muito menor que a massa total do carrinho (carrinho + lastro).
37) (relatório) Construa a Tabela 9, com 2 colunas (“Força Externa (N)”, “Aceleração (cm/s2)”) e 5 linhas de dados. A coluna “Força Externa (N)”
deve ser preenchida de acordo com a elaboração no passo 36 e as massas medidas para o Porta-Massas. Já a coluna “Aceleração (cm/s2)”
deve ser preenchida com os valores medidos no passo 35.
38) (relatório) Faça um gráfico de pontos (SciDAVis) com os dados da Tabela 9, colocando a Força Externa no eixo X e a Aceleração no eixo Y. Ajuste uma reta aos pontos e escreva as medidas dos coeficientes medidos.
39) (relatório) Disserte sobre o comportamento do gráfico feito no passo 38 e o significado dos coeficientes da reta ajustada, tendo como base a experiência executada e a Segunda Lei de Newton.
DICAS:
