Atividades de Transformações e Conservações em Sistemas para o ENEM com gabarito

Quando preparo uma sequência de Física para o ENEM, procuro aproximar a conservação de energia de situações reconhecíveis: uma esfera em queda, um carrinho descendo, um objeto lançado para cima ou um aparelho que transforma energia elétrica em calor. Na sala, percebo que a dificuldade nem sempre está em lembrar uma fórmula; muitas vezes, está em escolher o sistema, identificar o que se transforma e acompanhar unidades e grandezas até o resultado.

Por isso, gosto de combinar questões conceituais com cálculos curtos e de pedir que a turma explique cada etapa. Nesta proposta reuni oito questões sobre transformações e conservações em sistemas, potência, rendimento e força. Elas permitem trabalhar leitura de dados, modelagem e análise de distratores, além de oferecer um gabarito comentado que pode apoiar uma revisão, uma atividade diagnóstica ou a montagem de uma prova para o ENEM.

O que o aluno de ENEM precisa saber sobre Transformações e Conservações em Sistemas

Para resolver questões desse tema, o estudante precisa reconhecer que uma grandeza pode mudar de forma sem que a energia total do sistema deixe de obedecer ao princípio de conservação. Em situações idealizadas, como a queda sem resistência do ar ou a descida sem atrito, a energia potencial gravitacional pode se transformar em energia cinética; a igualdade entre as energias permite encontrar a velocidade. Em aparelhos reais, o rendimento indica que apenas uma fração da energia recebida se converte na forma útil desejada. Também é necessário distinguir energia de potência: energia descreve uma quantidade transferida ou transformada, enquanto potência informa a taxa dessa transferência. A análise inclui identificar dados relevantes, converter unidades, usar porcentagens como números decimais e verificar se a resposta tem unidade coerente. Em questões de movimento, relacionar força resultante, massa e aceleração ajuda a interpretar como a interação altera o estado do sistema. Mais do que substituir valores, o aluno deve explicitar as hipóteses do modelo e conferir se o resultado faz sentido.

O que ele precisa saber antes

As questões deste conjunto pressupõem alguns conhecimentos que vale a pena retomar antes da avaliação. Para a placa fotovoltaica e o aquecedor, o aluno precisa converter porcentagem em decimal, multiplicar grandezas com unidades e reconhecer que potência vezes tempo fornece energia. Também é importante distinguir energia total recebida de energia útil.

Nas questões de queda, montanha-russa e lançamento vertical, entram as expressões da energia potencial gravitacional e da energia cinética, além da conservação de energia mecânica no modelo sem perdas. As relações de movimento uniformemente variado podem oferecer outro caminho para a altura máxima. Já os problemas do ciclista e dos carros exigem cálculo de potência, componente vertical da velocidade, aceleração média e aplicação da segunda lei de Newton, incluindo a identificação da força resultante. Uma revisão breve dessas relações reduz a chance de o estudante escolher uma fórmula apenas porque reconhece uma palavra do enunciado.

Onde os alunos mais erram

Nos cálculos de energia, um erro recorrente é esquecer o fator 1/2 na energia cinética ou não extrair a raiz quadrada ao isolar a velocidade. Isso explica resultados como usar diretamente 2gh como velocidade, ou omitir o fator 2 dentro da raiz. Também é comum confundir altura máxima com distância total percorrida no lançamento vertical; no ponto mais alto, a velocidade instantânea é zero, mas a altura deve ser calculada a partir da velocidade inicial e da gravidade.

Em potência e rendimento, os distratores mostram duas confusões importantes: tratar a potência incidente como potência elétrica gerada sem aplicar a eficiência, ou usar energia total como se fosse energia útil. No caso do ciclista, calcular apenas força ou dividir pela distância sem considerar a componente vertical da velocidade não responde ao que foi pedido: potência é trabalho por tempo. Nas questões de força, o risco é aplicar a fórmula sem primeiro obter a aceleração ou interpretar força como sinônimo de massa. Eu peço que a turma escreva a relação usada, substitua os valores com unidades e só então faça a conta; assim fica mais fácil localizar se o equívoco foi conceitual, algébrico ou de unidade.

Como trabalhar em sala

1. Comece pela previsão qualitativa. Antes de calcular, peça que os estudantes indiquem o que acontece com a energia potencial e a cinética na queda ou na subida. Em seguida, discutam quais hipóteses tornam válida a conservação da energia mecânica e o que mudaria se houvesse resistência do ar ou atrito.

2. Organize os dados e as unidades. Em duplas, os alunos podem marcar no enunciado massa, altura, tempo, potência e rendimento. Antes de usar a fórmula, convertem 10 minutos para 600 segundos e 18% para 0,18. Essa rotina simples torna visíveis as conversões necessárias.

3. Compare dois caminhos de resolução. Para a altura máxima do lançamento vertical, compare a equação do movimento com a conservação de energia. Oriente a turma a verificar que ambos os métodos levam ao mesmo resultado dentro das hipóteses do problema.

4. Use os distratores como diagnóstico. Após responder, peça que cada grupo escolha uma alternativa errada e explique qual etapa poderia ter levado a ela. O objetivo não é apenas apontar o erro, mas relacioná-lo a uma decisão concreta, como omitir a raiz ou esquecer o rendimento.

5. Feche com uma checagem de plausibilidade. Peça que confiram unidade, ordem de grandeza e significado físico. Por exemplo, uma velocidade não deve ser apresentada em joules, e a energia útil de um aparelho com rendimento inferior a 100% não pode superar a energia total recebida.

Questões prontas de Transformações e Conservações em Sistemas para o ENEM (com gabarito comentado)

As questões abaixo podem ser usadas como lista de revisão ou adaptadas para uma avaliação. Em cada item, recomendo que os estudantes registrem o raciocínio antes de consultar o comentário do gabarito.

1. Potência elétrica de uma placa fotovoltaica

Uma placa fotovoltaica de área A = 1,50 m² recebe irradiância solar I = 800 W/m² em um dado instante. A eficiência de conversão elétrica da placa é η = 18% (sem perdas adicionais). Usando P = η·I·A, calcule a potência elétrica gerada pela placa.

• ❌ A) 0,18·800·1,50² = 648 W. Errada: a área não deve ser elevada ao quadrado; a relação pede multiplicá-la uma única vez.
• ❌ B) 0,01·800·1,50 = 12 W. Errada: 18% corresponde a 0,18, não a 0,01.
• ❌ C) 0,18·1,50 = 0,27 W. Errada: o cálculo omite a irradiância recebida por unidade de área.
• ❌ D) 800·1,50 = 1200 W. Errada: esse é o valor da potência solar incidente; ainda é necessário aplicar a eficiência da placa.
• ✅ E) 0,18·800·1,50 = 216 W. Correta: a potência incidente é I·A e a fração convertida em eletricidade é 0,18. Portanto, P = 216 W.

2. Velocidade de uma esfera em queda

Uma esfera de aço, de massa 0,200 kg, é solta do repouso a 1,08 m do solo. Despreze a resistência do ar e considere g = 10 m/s². Pela conservação da energia mecânica, qual é a velocidade imediatamente antes de atingir o solo?

• ❌ A) 3,29 m/s. Errada: corresponde a calcular √(gh), deixando de considerar o fator 2 que aparece ao igualar mgh a ½mv².
• ❌ B) 10,8 m/s. Errada: gh tem unidade de velocidade ao quadrado; não fornece diretamente a velocidade.
• ❌ C) 21,6 m/s. Errada: esse valor resulta de calcular 2gh, mas falta obter a raiz quadrada para encontrar v.
• ✅ D) 4,65 m/s. Correta: mgh = ½mv². A massa se cancela e v = √(2gh) = √21,6 ≈ 4,65 m/s.
• ❌ E) 0,465 m/s. Errada: a vírgula foi deslocada, reduzindo o resultado correto por um fator de dez.

3. Potência fornecida por um ciclista na subida

Um ciclista e sua bicicleta têm massa total m = 80 kg e sobem com velocidade constante v = 3,0 m/s por uma estrada de comprimento L = 500 m, cuja elevação vertical é h = 40 m. Usando g = 10 m/s², calcule a potência média fornecida contra a gravidade.

• ❌ A) 80 W. Errada: potência não é força; é a taxa de realização de trabalho ou de transferência de energia.
• ❌ B) 500 W. Errada: a distância da estrada, por si só, não determina a potência; é preciso considerar o ganho de altura e o tempo, ou a velocidade vertical.
• ❌ C) 32 W. Errada: esse resultado é associado a uma interpretação inadequada da energia cinética, que não representa o trabalho contra a gravidade nesta subida a velocidade constante.
• ❌ D) 240 W. Errada: não se deve dobrar o resultado; a componente vertical da velocidade é determinada pela razão h/L.
• ✅ E) 192 W. Correta: v_vertical = (h/L)·v = (40/500)·3,0 = 0,24 m/s. Assim, P = m·g·v_vertical = 80·10·0,24 = 192 W.

4. Carrinho de montanha-russa sem atrito

Um carrinho de montanha-russa de massa 50 kg parte do repouso no topo de um trecho a 8,0 m de altura. Despreze atrito e resistência do ar e use g = 10 m/s². Qual é sua velocidade ao nível mais baixo do trecho?

• ❌ A) 20,0 m/s. Errada: resulta de uma manipulação incorreta, tratando mgh como se fosse igual a mv e ignorando a relação quadrática da energia cinética.
• ❌ B) 8,0 m/s. Errada: omite o fator 2 na expressão v = √(2gh).
• ❌ C) 17,9 m/s. Errada: introduz um fator extra ao multiplicar por 2 fora da raiz.
• ❌ D) 25,3 m/s. Errada: dobra aproximadamente o valor correto, sem justificativa na conservação de energia.
• ✅ E) 12,6 m/s. Correta: mgh = ½mv², então v = √(2gh) = √160 ≈ 12,6 m/s. A massa se cancela.

5. Altura máxima de uma bola lançada para cima

Uma bola de 0,15 kg é lançada verticalmente para cima com velocidade inicial de 25 m/s. Determine a altura máxima atingida, considerando g = 10 m/s².

• ❌ A) 15 m. Errada: não corresponde ao resultado obtido ao relacionar a velocidade inicial com a gravidade.
• ✅ B) 31,25 m. Correta: no ponto mais alto, a velocidade é zero. Pela relação h = v_i²/(2g), h = 25²/20 = 31,25 m.
• ❌ C) 62,5 m. Errada: é o dobro da altura calculada; o denominador 2g não pode ser omitido.
• ❌ D) 10 m. Errada: não resulta da aplicação da relação entre velocidade inicial, gravidade e altura máxima.
• ❌ E) 20 m. Errada: a substituição dos dados na expressão h = v_i²/(2g) não leva a esse valor.

6. Força necessária para acelerar um carro

Um carro de 1000 kg acelera uniformemente a 2 m/s². Qual é a força resultante média necessária para produzir essa aceleração?

• ❌ A) 1000 N. Errada: esse valor não corresponde ao produto entre a massa e a aceleração informadas.
• ❌ B) 1500 N. Errada: há erro no cálculo da multiplicação.
• ✅ C) 2000 N. Correta: pela segunda lei de Newton, F = ma = 1000·2 = 2000 N.
• ❌ D) 2500 N. Errada: é maior que o resultado exigido pelos dados e não decorre de F = ma.
• ❌ E) 3000 N. Errada: não considera corretamente o produto da massa pela aceleração dada.

O enunciado informa a aceleração, portanto não é necessário calculá-la a partir de uma variação de velocidade. A força obtida é a resultante na direção do movimento.

7. Força média a partir da variação da velocidade

Um carro de 1200 kg acelera de 0 a 20 m/s em 5 segundos. Qual é a força média resultante aplicada ao carro?

• ❌ A) 2400 N. Errada: corresponde a usar a massa sem aplicar corretamente a aceleração média obtida com a variação de velocidade.
• ✅ B) 4800 N. Correta: a = (20 − 0)/5 = 4 m/s². Logo, F = ma = 1200·4 = 4800 N.
• ❌ C) 6000 N. Errada: não corresponde ao produto da massa pela aceleração calculada a partir dos dados.
• ❌ D) 5000 N. Errada: esse valor não resulta da aplicação de F = ma com a aceleração média de 4 m/s².
• ❌ E) 3600 N. Errada: é incompatível com a aceleração média e a massa informadas.

Este item permite destacar a diferença entre aceleração e velocidade: a aceleração média vem da mudança de velocidade dividida pelo intervalo de tempo.

8. Energia útil de um aquecedor elétrico

Um aquecedor elétrico fornece potência P = 2000 W durante t = 10 min. Se o rendimento é 80%, qual é a energia útil transferida como calor? Use unidades do SI e considere 1 min = 60 s.

• ❌ A) 3,2 × 10⁵ J. Errada: não representa 80% da energia total calculada para 600 segundos.
• ❌ B) 9,0 × 10⁵ J. Errada: não corresponde à aplicação exata do rendimento ao total de energia; não é adequado arredondar para esse valor.
• ✅ C) 9,6 × 10⁵ J. Correta: primeiro, t = 600 s e E_total = P·t = 2000·600 = 1 200 000 J. A energia útil é 0,80·E_total = 960 000 J.
• ❌ D) 4,8 × 10⁵ J. Errada: equivale a considerar uma fração menor do total, não o rendimento de 80% informado.
• ❌ E) 1,2 × 10⁶ J. Errada: é a energia elétrica total fornecida, antes de aplicar o rendimento para obter a parte útil.

Próximos passos para sua sequência de Física

Você pode aplicar os itens em blocos, começando pelas transformações de energia e avançando para rendimento, potência e força. Depois, use as respostas para decidir se a turma precisa de uma retomada conceitual ou de mais prática com unidades e relações matemáticas. Para ampliar o repertório, consulte também questões da habilidade EM13CNT106, questões da habilidade EM13CNT204 e questões da habilidade EM13CNT101. Você também pode montar uma avaliação personalizada no gerador de provas do GeraProva e iniciar pelo cadastro grátis.

Use as questões como ponto de partida e ajuste a sequência ao que sua turma já estudou. No GeraProva, você pode criar e organizar atividades de Física para apoiar sua próxima aula ou avaliação.