Questão 2ab: pergunta discursiva do exame de Física Avançada 1 de 2015

RKA2G Alguns alunos querem saber o que é consumido em uma lâmpada incandescente quando essa lâmpada é ligada em série com o resistor. Vai ser a corrente, a energia ou ambas? Então, eles fazem as duas questões a seguir. (1) A quantidade de elétrons que entra na lâmpada em um segundo é a mesma quantidade de elétrons que deixa a lâmpada no mesmo intervalo de tempo? (2) A energia potencial elétrica dos elétrons muda enquanto eles estão no interior da lâmpada? Os alunos têm uma fonte de alimentação ajustável, fio isolado, lâmpadas, resistências, interruptores, voltímetros, amperímetros e outros equipamentos padrão de laboratório. Suponha que a fonte de alimentação e os voltímetros possuem uma precisão igual a 0,1 volt e os amperímetros possuem uma precisão igual a 0,01 ampére. Letra (a): descreva um procedimento experimental que poderia ser utilizado para responder às perguntas (1) e (2). Em sua descrição, indicar as medidas que você faria e como você poderia utilizar os equipamentos. Inclua um diagrama rotulado de sua configuração. A primeira coisa que a gente vai fazer aqui é um diagrama esquematizando isso que os alunos estão fazendo. Eles querem responder duas perguntas: saber a quantidade de elétrons que entra na lâmpada em um segundo e se ela é a mesma quantidade de elétrons que deixa a lâmpada no mesmo intervalo de tempo. Uma coisa interessante que a gente pode discutir aqui é que a quantidade de elétrons em um segundo é a corrente elétrica, já que corrente elétrica se trata da quantidade de cargas elétricas que atravessa uma seção de um fio a cada unidade de tempo. E essas cargas, neste caso, serão os elétrons. Agora, a segunda pergunta, sobre a energia potencial elétrica desses elétrons, basta apenas a gente determinar a tensão ou, simplesmente, a diferença de potencial entre dois pontos do fio, para saber se houve uma mudança da energia potencial elétrica ou não. Vamos montar um esquema para responder a esta questão. A primeira coisa que a gente vai colocar aqui seria uma fonte de tensão, já que os alunos dispõem de uma fonte de tensão. Podemos vir e botar essa fonte de tensão. Lembrando que o lado maior é positivo e o menor é negativo. A gente termina de montar este circuito, vamos lá. Depois da fonte de tensão, os alunos também dispõem de um resistor. Podemos colocar o resistor aqui. Após o resistor, a gente coloca uma lâmpada incandescente aqui, afinal de contas, é o que a gente quer saber, tanto a corrente quanto a tensão nesta lâmpada. O símbolo que a gente coloca da lâmpada é este. Pronto, temos o esquema. A gente tem uma fonte de tensão e, para dizer que essa fonte de tensão é ajustável, já que o problema diz isso, a gente coloca uma seta aqui. Pronto, já temos uma fonte de tensão ajustável neste circuito. Temos uma fonte de tensão ajustável, fios condutores, um resistor e uma lâmpada incandescente. E um detalhe interessante é que, se a gente está interessado em determinar a corrente elétrica que atravessa esta lâmpada, a gente precisa lembrar que a convenção diz que a corrente elétrica é do positivo para o negativo, embora a gente saiba que os elétrons realmente se movimentam do terminal negativo para o terminal positivo. Mas, neste problema, a gente pode utilizar a convenção atual, em que a corrente elétrica vai do positivo para o negativo. Podemos colocar a corrente elétrica vindo do terminal positivo para o terminal negativo, neste sentido. Esta é a convenção atual para o sentido da corrente elétrica. Vamos voltar aqui em cima. A gente quer responder à primeira pergunta. A quantidade de elétrons que entram na lâmpada em um segundo é a mesma quantidade de elétrons que deixam a lâmpada no mesmo intervalo de tempo? Para saber a corrente elétrica que entra e a corrente elétrica que sai desta lâmpada, a gente precisa de dois amperímetros. Um que vai ser colocado no início, antes da lâmpada, e um que vai ser colocado depois da lâmpada. Lembrando que um amperímetro é um medidor de corrente elétrica. A gente pode colocar um amperímetro aqui e um amperímetro aqui. Estes dois amperímetros é que vão se encarregar de medir tanto a corrente elétrica que entra na lâmpada quanto a corrente elétrica que sai da lâmpada. Esse vai ser o objetivo destes dois amperímetros, medir a corrente elétrica que entra e a corrente elétrica que sai desta lâmpada. Mas a gente não está interessado apenas na corrente elétrica. A gente também está interessado em saber a energia potencial elétrica dos elétrons e se ela muda enquanto os elétrons estão no interior da lâmpada. Para fazer isso, basta medir a diferença de potencial entre a entrada da lâmpada e a saída da lâmpada. A gente vem e coloca o voltímetro aqui, lembrando que o amperímetro é sempre colocado em série no circuito e o voltímetro é sempre colocado em paralelo com algum elemento do circuito. E, neste caso, como a gente quer saber a diferença de potencial nesta lâmpada, a gente coloca um terminal do voltímetro antes da lâmpada e o outro terminal depois da lâmpada. O objetivo desse voltímetro vai ser determinar a diferença de potencial, ou seja, a diferença entre o potencial dos elétrons que entram e o potencial dos elétrons que saem desta lâmpada. Agora já temos todo o diagrama esquematizando o que os alunos vão fazer no laboratório para determinar tanto a corrente que entra e a corrente que sai da lâmpada quanto a diferença de potencial nesta lâmpada. Agora que já montamos o diagrama, vamos ver a letra (a). Descreva um procedimento experimental que poderia ser utilizado para responder a essas perguntas. Em sua descrição, indicar as medidas que você faria e como você poderia usar os equipamentos. Inclua um diagrama rotulado de sua configuração. A gente já fez o diagrama, mas vamos descrever o procedimento. O que a gente faria para determinar tanto a corrente quanto a energia potencial? Primeiro, a gente pode colocar estes dois amperímetros. Então, vamos colocar isso. A gente vai colocar dois amperímetros em série com a lâmpada, sendo que um dos amperímetros será colocado antes da lâmpada, enquanto que o outro amperímetro será colocado depois da lâmpada. Caso as correntes medidas sejam iguais, o número de elétrons por intervalo de tempo que entram na lâmpada será o mesmo que o número de elétrons que saem da lâmpada no mesmo intervalo de tempo. Caso as correntes sejam diferentes, o número de elétrons que entram e saem em um mesmo intervalo de tempo será diferente. Neste caso, estamos dizendo o que a gente fez para responder à primeira pergunta. Vamos até colocar aqui. Isto é o procedimento para a questão (1). Vamos agora ver qual seria o procedimento para responder à questão (2). A energia potencial elétrica dos elétrons muda enquanto eles estão no interior da lâmpada? Para responder à questão (2), a gente colocou este voltímetro em paralelo com a lâmpada. O que vamos fazer é o seguinte: nós vamos colocar o voltímetro em paralelo com a lâmpada. Caso a tensão, ou seja, a diferença de potencial, seja um número diferente de zero, significa que houve uma queda de energia potencial aqui. Então, na questão (2), a gente vai colocar um voltímetro em paralelo com a lâmpada e, caso a DDP seja diferente de zero, ou seja, caso a tensão seja diferente de zero, houve uma mudança na energia potencial elétrica dos elétrons. Caso contrário, não. Inclusive, a gente pode colocar essa informação aqui. Caso a DDP seja igual a zero, não houve mudança na energia potencial dos elétrons. Aqui já descrevemos quais serão os procedimentos para a gente responder tanto à primeira pergunta que os alunos fizeram quanto à segunda pergunta. Vamos para (b) agora: explique como os dados da experiência que você descreveu podem ser usados para responder à pergunta (1) acima. A pergunta foi a seguinte: a quantidade de elétrons que entram na lâmpada em um segundo é a mesma quantidade de elétrons que deixam a lâmpada no mesmo intervalo de tempo? A gente acabou até respondendo isso aqui. A gente tem a parte (b) nesta parte. Caso as correntes medidas sejam iguais... Começa, inclusive, com a (b). Caso as correntes medidas sejam iguais, o número de elétrons por intervalo de tempo que entram na lâmpada será o mesmo que o número de elétrons que saem da lâmpada no mesmo intervalo de tempo. Caso as correntes sejam diferentes, o número de elétrons que entram e saem em um mesmo intervalo de tempo será diferente. Então, a gente já mostrou como o nosso procedimento consegue responder à primeira pergunta. Da mesma forma, a gente também respondeu à segunda pergunta. Caso a DDP seja diferente de zero, houve uma mudança na energia potencial elétrica dos elétrons. Caso a DDP seja igual a zero, não houve uma mudança na energia potencial. Este procedimento consegue responder às duas questões colocadas pelos alunos. Na verdade, esta não é apenas a resposta da (a). É a resposta tanto da (a) quanto da (b).