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; - Trena;
- 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.
2) Caracterize os instrumentos de medida utilizados (trena, 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 nas posições 20, 40, 60, 80 e 100 cm. Verifique se o carrinho passará pelos sensores sem colisão e se a luz do sensor será cortada apenas pela placa superior do carrinho. 4) Coloque 50g de lastroem 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 (com o lastro) e do Porta-Massas (com a massa de 50g). Anote os valores na Folha de Dados.
7) Nivele o trilho de ar.
8) Utilize a fita métrica e meça a distância exata entre o primeiro sensor e os demais,ou seja, D01, D02, D03e D04. Iremos adotar um erro fixo de 2mmpara estas distâncias.
9) 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 da coluna “Posição (cm)” anote as medidas efetuadas no passo anterior, adotando o valor 0 (zero) para o primeiro sensor.
10) 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 dele deve ficar em torno de 90 cm do solo. Sem o ar ligado, eles ficam parados.
11) 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) empíricas.
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:
12) Segurando o carrinho em sua posição, ligue o compressor de ar. Aguarde 10 segundos e depois solte o carrinho.
13) 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.
14) Desligue o compressor de ar, retire o Porta-Massas do fio, recoloque o carrinho na extremidade oposta à roldana.
15) Reposicione os 5 sensores ópticos ao longo do trilho, em ordem crescente, nas posições 100, 120, 140, 160 e 180 cm.
16) Utilize a fita métrica e meça a distância exata entre o primeiro sensor e os demais,ou seja, D01, D02, D03e D04. Some a estas medidaso valor que consta na linha 5 da coluna “Posição (cm)” da Tabela 1. Cuidado com a operação de A.S. e propagação de erros.
17) Preencha as demais linhas da coluna “Posição (cm)”com as medidas feitas no passo anterior.
18) Prepare o cronômetropara nova medição e recoloque o Porta-Massas pendurado.
19) Repita o passo 12.
20) 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.
21) Construa a Tabela 2 na Folha de Dados com 2 colunas (“Tempo mediano (s)” e “Velocidade Média (cm/s)”) e 8 linhas de dados.
22) Calcule as medidas dos tempos medianos e das velocidades médias do carrinhoentre cada par adjacente de medidas de posição da Tabela 1. 23) Preencha a Tabela 2com as medidas calculadas no passo 22.
24) Faça um gráfico de pontos (no computador, nPlot) com os dados da Tabela 2, colocando no eixo X o tempo medidano e no eixo Y a velocidade média.
25) Disserte na Folha de Dadossobre 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.
26) Desenhe na Folha de Dados o diagrama de forças sobre o carrinho e calcule a aceleração teórica(g = 9,80665 m/s2) a que ele está submetido;
nas situações em que ele é puxado pela queda do Porta-Massas e após este ter tocado o solo. Compare com os valores obtidos pelo gráfico. 27) Repita o passo 14.
28) Retire as 50g do Porta-massas e meça a massaapenas dele, anotando o valor na Folha de Dados.
FAÇA e/ou ANOTE NA FOLHA DE DADOS:
29) Retire os lastros do carrinho e meça a massa apenas dele, anotando o valor na Folha de Dados.
30) Coloque 200g de lastroem cada lado do carrinho.
31) Reposicione os 5 sensores ópticos ao longo do trilho, em ordem crescente, nas posições 20, 35, 50, 65 e 80 cm.
32) Utilize a fita métrica e meça a distância exata ENTRE OS SENSORES, ou seja, D01, D12, D23e D34.
33) Construa a Tabela 3 na Folha de Dados, com 6 colunas (“∆s (cm)”, “∆t1(s)”, “∆t2(s)”, “∆t3(s)”, “∆t4(s)”, “∆t5(s)”) e 4 linhas de dados. Anote na coluna “∆s (cm)” os valores obtidos no passo anterior.
34) Repita os passos 18(sem nenhuma massa no Porta-massas) e 12. 35) Anote na coluna “∆∆∆∆t1 (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.
36) Repita os passos 34 e 35, preenchendo as demais colunas da Tabela 3, para as seguintes massas no Porta-Massas: 5g, 10g, 15g e 20g.
37) 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.
38) Para cada uma das 5 Tabelascriadas no passo 37, faça um gráfico de pontos(nPlot), com o tempo mediano no eixo X e a velocidade média no eixo Y. Ajuste uma reta e obtenha a aceleração, anotando-a na Folha de Dados.
39) Baseado no passo 26, expresse a força que movimenta o carrinho, considerando que a massa pendular é muito menor que a massa total do carrinho (carrinho + lastro).
40) Construa a Tabela 9 na Folha de Dados, com 2 colunas (“Força (N)”, “Aceleração (cm/s2)”) e 5 linhas de dados. A coluna “Força (N)” deve ser
preenchida de acordo com o passo 39 e as massas medidas. Já a coluna “Aceleração (cm/s2)” deve ser preenchida com os valores medidos no
passo 38.
41) Faça um gráfico de pontos (nPlot) com os dados da Tabela 9, colocando a Força no eixo X e a Aceleração no eixo Y. Ajuste uma reta aos pontos e anote os valores dos coeficientes medidos na Folha de Dados. 42) Disserte na Folha de Dados sobre o comportamento deste gráfico e o
significado dos coeficientes da reta ajustada, tendo como base a experiência executada e a Segunda Lei de Newton.
