GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 1
OBJETOS QUE COMPÕEM O NOSSO MUNDO: SEMELHANÇAS E DIFERENÇAS
Problematizando e classificando
Página 4
As respostas e orientações relativas a todas as perguntas propostas nos roteiros de atividades são apresentadas no Caderno do Professor. Novas respostas serão inseridas no caso de existirem novas questões ou questões modificadas!
Leitura e Análise de Texto
Página 5
1. Vimos que, se o núcleo de um átomo de hidrogênio fosse do tamanho da cabeça de um alfinete (1 mm), então o elétron estaria, aproximadamente, a uns 70 metros de distância. Assim, podemos escrever a seguinte relação de proporção: 1x10.3 m tamanho da casa
. .
70m distância do vizinho
Então, sabendo o tamanho da casa (“núcleo do átomo de hidrogênio”), pode-se obter a distância do vizinho (“o elétron”).
VOCÊ APRENDEU? Página 7
1. A transparência e opacidade são características que dependem da organização espacial dos átomos que compõem os materiais. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
2. A classificação se vincula com informações comuns a todos os átomos de um determinado material, por exemplo, número de elétrons, número de prótons e de nêutrons, etc. 3. O estado físico de um corpo está associado com o potencial de ligação entre seus átomos e moléculas. Usando a água como exemplo, tem-se que no estado sólido (gelo), o potencial de ligação é representado como se as moléculas fossem ligadas por uma mola: elas podem vibrar em conjunto, cada qual em uma posição de equilíbrio. No estado líquido, esse potencial é mais fraco, mas ainda suficiente para manter as moléculas ligadas umas às outras, a maior liberdade de movimentação explica a fluidez da água. No estado gasoso (vapor), o potencial de ligação entre as moléculas pode ser considerado nulo e por isso uma molécula pode se movimentar de forma independente da outra. 4. Basta lembrar que uma cabeça de alfinete tem 1mm = 10-3m e que na espessura de uma folha de papel A4 (75 g/cm3), há, aproximadamente, 1.000.000 de átomos. Logo, se um átomo fosse do tamanho de uma cabeça de alfinete, a espessura da folha de papel teria: 1.000.000x10.3 m . 1.000m . 1km . LIÇÃO DE CASA Página 7
1. O quanto um determinado objeto conduz bem o calor depende das ligações em sua estrutura atômica ou molecular. A condução de calor ocorre por meio de colisões atômicas e eletrônicas. Os metais possuem os elétrons externos mais “fracamente” ligados, que são livres para transportar energia por meio de colisões através do metal. Por essa razão eles são excelentes condutores de calor e de eletricidade. Lã, madeira, papel, cortiça e isopor, por outro lado, são maus condutores de calor. Os elétrons mais externos dos átomos desses materiais estão firmemente ligados. Os maus condutores são denominados isolantes. 2. Aqui, basta calcular a massa de uma colherzinha de café e usar o valor da densidade de uma barra de ferro (7,86 g/cm3) para obter o seu volume. Sabendo que em um GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
volume de V= 1,183 x 10–29m3 existe um átomo de ferro, o número de átomos de ferro presentes na colherzinha será obtido dividindo-se o volume da colher por 1,183 x 10–29m3.
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SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 2 COMO PODEMOS “VER” UM ÁTOMO?
VOCÊ APRENDEU? Página 12
1. No modelo atômico de Rutherford, o átomo não é maciço, mas formado por uma região central, denominada núcleo, muito pequeno em relação ao diâmetro atômico. Esse núcleo concentra praticamente toda a massa do átomo e é dotado de carga elétrica positiva, onde estão os prótons. Na região ao redor do núcleo, denominada de eletrosfera, estão girando em órbitas circulares os elétrons (partículas muito mais leves que os prótons), neutralizando a carga nuclear. 2. Porque o núcleo é muito menor que o átomo. Existem “grandes vazios” entre os núcleos dos átomos que constituem a folha, assim, na experiência de Rutherford, a maioria das partículas atravessa a folha sem sofrer desvio. LIÇÃO DE CASA Página 12
1. A ideia é pesquisar os modelos de Dalton, Thomsom e Rutherford, destacando suas principais diferenças e o que cada um propõe em relação às cargas elétricas. 2. As partículas alfas possuem carga elétrica positiva, assim, quando elas passam perto do núcleo (que também tem carga positiva) sofrem repulsão elétrica, o que causa desvio de trajetória. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 3 DADOS QUÂNTICOS
Leitura e Análise de Texto Página 14
• Basta utilizar a expressão dos níveis de energia do hidrogênio En ..13,602 eV n
NIVEL 1: E1 ..13,602 eV ..13,60eV ;
1
NIVEL 2: E2 ..13,602 eV ..6,8eV ;
2
NIVEL 3: E3 ..13,602 eV ..4,53eV ;
3
NIVEL 4: E4 ..13,602 eV ..3,4eV ;
4
NIVEL 5: E5 ..13,602 eV ..2,72eV .
5
VOCÊ APRENDEU? Página 17
1. O problema era que, segundo a eletrodinâmica clássica, toda partícula carregada em movimento deveria emitir energia. Desta forma, o elétron do modelo atômico, proposto por Rutherford, deveria ir perdendo energia, diminuindo sua velocidade e GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
indo em direção ao núcleo, em um movimento espiralado. No entanto, isso não acontecia.
2. Porque as quantidades de energias absorvidas e emitidas por um átomo, de acordo com o modelo de Bohr, são bem determinadas, específicas e “quantizadas”. 3. É necessário que o elétron absorva determinada quantidade de energia, cujo valor deve corresponder exatamente à diferença de energia entre o nível mais energético e o menos energético. LIÇÃO DE CASA Página 17
1. a) Ao realizar esse “salto”, o elétron emitiu energia. Para calcular o valor dessa energia, basta utilizar os valores obtidos anteriormente: E . E3 . E1 ..4,53eV . (.13,60eV ) . 9,07eV . b) Sabendo que 1eV . 1,6x10.19 J , temos que 9,07eV . 1,45x10.18 J . Lembrando que E . h . f , onde h . 6,626 .10.34 J . s (constante de Planck) e f é a frequência do
fóton, tem-se: f. 1,45 .10.18 J . 2,18 .1015 . s.1 ( ou Hz).
6,626 .10.34 J . s
2. A ideia é utilizar a simulação como objeto de aprendizagem virtual. 3. O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por uma superfície metálica atingida por radiação eletromagnética. Nos metais, os elétrons mais externos (os que absorvem a energia da radiação eletromagnética) estão ligados de maneira mais “fraca”, ou seja, facilitando a ocorrência do efeito fotoelétrico. Logo, o efeito fotoelétrico acontece, preferencialmente, em superfícies metálicas. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 4 IDENTIFICANDO OS ELEMENTOS QUÍMICOS DOS MATERIAIS
Leitura e Análise de Texto Página 19
1. A importância se deve à possibilidade de se determinar a composição material do Sol e das estrelas fixas com o mesmo grau de certeza com que podemos constatar com nossos reagentes a presença de óxido de enxofre e cloro. Por esse método (análise das linhas escuras de um espectro) também é possível determinar a composição da matéria terrestre, distinguindo as partes componentes, com a mesma facilidade com que se distingue a matéria contida no Sol. 2. Pela possibilidade de determinar um grande número de substâncias em uma amostra, através da mera observação (análise do espectro). Leitura e Análise de Texto
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1. Chama-se “espectro” a faixa de comprimentos de onda de uma determinada radiação. A luz visível, por exemplo, possui um espectro que vai do vermelho (656 .10.9 m)até o violeta (410 .10.9 m). 2. Com o uso dos espectros, é possível saber precisamente a composição de um corpo por meio da análise espectral de sua radiação. Assim, é possível estudar a composição de objetos distantes e “inacessíveis”, como o sol. 3. Se um espectro contínuo passar por um gás à temperatura mais baixa, o gás frio causa a presença de linhas escuras (absorção). O número e a posição destas linhas (espectro de absorção) dependem dos elementos químicos presentes no gás. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
LIÇÃO DE CASA Página 21
1. Oxigênio e Carbono. 2. No espectro de emissão, um gás transparente produz um espectro de linhas brilhantes (de emissão). Já no espectro de absorção, se um espectro contínuo passar por um gás à temperatura mais baixa, o gás frio causa a presença de linhas escuras (absorção). As figuras no texto “Leis de Kirchhoff” ilustram os dois processos. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 5 UM EQUIPAMENTO ASTRONÔMICO
Leitura e Análise de Texto Página 24
1. Podemos obter o espectro da luz visível fazendo a luz do sol ou de uma lâmpada comum (de filamento incandescente) passar através de um prisma, assim ela será decomposta em várias cores. A essas cores (popularmente conhecidas como arco-íris), damos o nome de espectro da luz visível. 2. Se fizermos a luz proveniente de uma lâmpada de gás atravessar um prisma, não obteremos um espectro completo. Apenas algumas linhas estarão presentes, correspondendo somente a algumas frequências das ondas de luz visível. Essas linhas formam o espectro de linhas ou espectro atômico. Logo, espectros de linhas e espectros atômicos representam a mesma coisa. LIÇÃO DE CASA Página 26
1. A cor de uma lâmpada depende do tipo gás que se encontra no seu interior. A luz apresentará cor característica para cada elemento químico. 2. Um espectroscópio é um aparelho que serve para estudar a luz proveniente de vários objetos. 3. De acordo com o modelo de Bohr, os elétrons, ao serem excitados por uma fonte externa de energia, saltam para um nível de energia maior e, ao retornarem aos níveis de menor energia, liberam energia na forma de luz (fótons). Utilizando uma chapa fotográfica, podemos registrar o espectro dessa luz. Como houve emissão de energia pelo átomo, esse espectro recebe o nome de espectro de emissão. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 6ASTRÔNOMO AMADOR
Leitura e Análise de Texto Página 28
A frequência do fóton emitido será:
.E . h . f . f ..E . E4 . E1 .. 3,4eV . (.13,60eV ) . f . 2,48 .1015 Hz .hh 4,1.10.15
VOCÊ APRENDEU? Página 30
1. Por meio das linhas presentes nos espectros de emissão das estrelas, é possível conhecer os elementos que as constituem. 2. Podemos saber com precisão que o Sol é composto de hidrogênio e hélio por meio da análise das linhas espectrais de emissão da luz emitida por ele. 3. Em geral, o espectro constitui-se de diferentes séries de linhas para um determinado elemento. Logo, os espectros funcionam como uma “impressão digital”, fornecendo informações sobre a composição química de determinado corpo. LIÇÃO DE CASA Página 30
1. O objetivo é que o aluno possa justificar o fato das raias, utilizando a série de Balmer. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 7 O PODEROSO LASER
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
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1. A luz emitida por um laser é monocromática. Já a luz emitida por uma lanterna é policromática. PESQUISA EM GRUPO
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• Um elétron é estimulado quando um fóton, cuja energia é suficiente para proporcionar um salto quântico entre os níveis de energia permitido, é absorvido por ele. VOCÊ APRENDEU? Página 35
• Um feixe de laser é coerente, monocromático e colimado. Essas são suas principais características. LIÇÃO DE CASA Página 35
1. Sabemos que a energia de um fóton é dada por E = h x f, logo, a energia de n fótons será E = n(fótons) x h x f. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
E . n( fótons) . h . f (luzverde) . 1J . n( fótons) . 6,63.10.34 J . s .5,5 .1014 Hz.n( fótons) . 6,63.10.34 J 1 . Js .5,5 .1014 Hz . 2,7 .1018 fótons
E . n( fótons) . h . f (luzvermelha) . 1J . n( fótons) . 6,63.10.34 J . s . 4,57 .1014 . Hz . n( fótons) . 6,63.10.34 J . 1 sJ . 4,57 .1014 . Hz . 3,3.1018 fótons
E . n( fótons) . h . f (luzaul) . 1J . n( fótons) . 6,63.10.34 J . s . 6,91.1014 Hz.n( fótons) . 6,63.10.34 J . 1 sJ . 6,91.1014 Hz . 2,18 .1018 fótons
2. Explorar a animação sobre laser. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 8 FORMAÇÃO NUCLEAR
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
Página 37
1. Do ponto de vista da Física, a mola representa a repulsão elétrica, que só ocorre com cargas de mesmo sinal. Por isso, colocamos uma mola apenas entre dois prótons e não entre um próton e um nêutron. 2. Espera-se que seja dito que foi no arranjo onde existe a ligação entre nêutron e próton, onde não há uma mola (“repulsão elétrica”) para dificultar a união do núcleo. 3. Espera-se que seja dito que a importância do nêutron esteja relacionada com a estabilidade nuclear. No núcleo, os nêutrons “isolam” os prótons, diminuindo a repulsão elétrica entre eles e tornando o núcleo mais estável. Leitura e Análise de Texto
Página 39
1. Sim, existe. A estabilidade do núcleo se deve a uma força de atração chamada força forte. Esta força une as partículas presentes no núcleo, agindo entre prótons, entre nêutrons ou entre prótons e nêutrons. 2. A diferença entre a interação nuclear e as interações gravitacionais, elétricas e magnéticas é que a interação nuclear é muito mais intensa que as demais (como seu próprio nome diz), mas tem curto alcance, agindo somente nas partículas que constituem o núcleo do átomo. Já as outras interações possuem um longo alcance, no entanto, sua intensidade diminui com o quadrado da distância. 3. O raio r do núcleo depende do número de massa A e pode ser determinado aproximadamente por meio da seguinte expressão: GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
r . (1.2 .10.15) . 3
A . Assim, tem-se, Raio do núcleo do hidrogênio (A=1): r . (1,2 .10.15) . 31 .1,2 .10.15 m ;
Raio do núcleo do bismuto (A= 209): r . (1,2 .10.15) . 3 209 . 7,12 .10.15 m .
Leitura e Análise de Texto
Página 40
1. Para que um núcleo seja estável, é preciso que a repulsão elétrica entre os prótons seja compensada pela atração entre os núcleons devido à interação nuclear forte, assim, elementos com número de nêutrons e número de prótons iguais são mais estáveis. Um átomo é instável quando o número de prótons supera em muito o número de nêutrons ou vice-versa. Isso torna o núcleo instável e suscetível de emitir partículas e energia por decaimento radioativo, até que o núcleo adquira estabilidade. 2. Estáveis Instáveis 1. Platina (Pt): Z=78 1. Rádio (Ra): Z = 88 2. Enxofre (S): Z=16 2. Tório (Th): Z = 90 3. Alumínio (Al): Z=13 3. Urânio (U): Z = 92 4. Oxigênio (O): Z=8 4. Polônio (Po): Z=84 5. Ouro ( Au): Z = 79 5. Plutônio (Pu): Z=94
3. É mais fácil remover um elétron, pois esse está unido ao núcleo por meio de uma interação elétrica (força de atração elétrica). Já o próton, está unido ao núcleo atômico por meio da interação forte (força forte), que tem pouco alcance, mas é muito mais forte do que a força elétrica. Assim, é mais fácil remover elétrons do que prótons. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
VOCÊ APRENDEU? Página 42
1. Porque existe uma força de atração entre o núcleons que mantém essas partículas unidas. Essa força de atração chama-se força forte. 2. O nêutron ajuda a equilibrar o balanço entre a força forte, que é atrativa, e a força elétrica, repulsiva, pois ele é sensível somente à força forte. LIÇÃO DE CASA Página 42
Em 26 de dezembro de 1898, Pierre e Marie Curie anunciaram a descoberta do elemento rádio. Tempos depois, com a contribuição de outros cientistas, como Becquerel, Thomson e Ernest Rutherford, foi percebido que o rádio emitia radiação, enviando partículas subatômicas: minúsculos elétrons e partículas com cargas positivas, que hoje sabemos serem núcleos de hélio, bem como raios gama (onda eletromagnética de comprimentos de onda muito mais curtos do que a luz visível). Assim, os elementos que exibem esse comportamento passaram a ser chamados de radiativos e ao processo de emissão de partículas e energia por esses elementos, de radioatividade. Ambos os termos derivaram do nome do elemento rádio.
Todos os elementos mais pesados, como se verifica, são inerentemente instáveis e se acham em contínua transmutação. Um átomo de urânio ou rádio altera a si mesmo repetidamente, algumas vezes após segundos ou minutos e, em outras vezes, após milhares de anos. Agora chamamos este processo de "decaimento radioativo” e temos um conhecimento detalhado de cadeias de decaimento. Por exemplo:
Urânio . Tório . Rádio . Radônio . Polônio . Chumbo
A mudança, a transmutação, é o que causa a radiação.
GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 9
DECAIMENTOS NUCLEARES: UMA FAMÍLIA MUITO ESTRANHA
ROTEIRO DE EXPERIMENTAÇÃO
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1. Alternativa e. Como no decaimento alfa, o elemento perde duas unidades no número atômico, que define o elemento, e quatro unidades no número de massa, o núcleo resultante é o Tório 234. 2. Alternativa b. A diminuição do número atômico ocorre quando um próton se transforma em nêutron e emite um pósitron ß+. 3. Em muitos casos é necessária uma determinada quantidade de emissões para que o núcleo se estabilize. Essas emissões são chamadas de Famílias Radioativas ou Série de Decaimentos. Existem na natureza três séries naturais, nas quais os elementos radioativos, Urânio ou Tório, se estabilizam em algum isótopo de chumbo. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
SITUAÇÃO DE APRENDIZAGEM 10DESVENDANDO O QUE HÁ POR DENTRO DA “CAIXA-PRETA”
Leitura e Análise de Texto Página 46
1. O número de prótons dentro do núcleo determina o elemento. Por exemplo, um carbono sempre terá 6 prótons e um nitrogênio sempre terá 7 prótons. Agora o número de nêutrons dentro do núcleo pode variar. Então o carbono pode ter 6, 7 e possivelmente 8 nêutrons, mas sempre 6 prótons. Um isótopo é qualquer uma das diferentes formas de um elemento, cada uma tendo um número diferente de nêutrons. Neste caso o Carbono-14 (6 prótons e 8 nêutrons) é um isótopo do Carbono-12 (6 prótons e 6 nêutrons), que é o carbono mais comum. Alguns isótopos são instáveis e eles podem, espontaneamente, se transformar num outro tipo de átomo por meio de um decaimento radioativo, o que os torna radioativos. No caso do Carbono-14, como este processo acontece num índice conhecido, os geologistas tentam usá-lo como um relógio para dizer quanto tempo atrás uma rocha ou um fóssil foi formado. O Carbono-14, então, pode ser usado para datar os fósseis e também as rochas para determinar a idade da Terra. 2. Os “traçadores” radioativos são substâncias radioativas que podem ser ingeridas ou injetadas na corrente sanguínea. Elas correm no sangue e se alojam nas estruturas que serão analisadas. Por meio desses traçadores, diversas anormalidades podem ser detectadas. 3. I. Isótopo radioativo fósforo-32: tumores cancerígenos. II. Iodo radioativo: a glândula tireóide. GABARITO Caderno do Aluno Física – 3a série – Volume 3
VOCÊ APRENDEU? Página 48
1. As afirmações corretas são as que representam a relação entre a energia de uma radiação eletromagnética, sua frequência e seu comprimento de onda: .E . E final . Einicial . h . f . h .. c , o que indica a alternativa d como correta.
2. Sabemos que a fonte radioativa emite 100 vezes mais que o tolerável e que a meia-vida do material (tempo necessário para que a taxa de emissão se reduza à metade) é de 6 meses, assim, chamando E de emissão e T de nível tolerável, queremos saber o tempo mínimo (t), em anos, necessário para que E=T: t
E . 100 .T ... 1 .. 12 . 100 .T ... 1 ..2t . 100 .T ... 12t .. . 100 .T ... 1 t .. , assim, para que . 2 .. 2 .. 2 .. 4 . E=T, basta fazer: 11 2
.. 100 . 4t . 2 . log4t . 2 . t . log4 . t .. 3,321
100 4t log4.t . 3,321 anos
LIÇÃO DE CASA Página 48
1. No processo de obtenção de imagem por tomografia computadorizada, isótopos de elementos comuns que emitem pósitrons como o carbono, o nitrogênio e o oxigênio são injetados no paciente. Quando um pósitron encontra um elétron, eles se aniquilam, produzindo dois fótons de raios .. Esses fótons são detectados por uma rede circular de detectores e uma imagem da região que está sendo analisada é construída por um computador. 2. Pesquisa sobre aplicações do laser na Medicina.
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