Apostilas de Fís...o Telecurso 2000 - telecurso 2000 - fisica - volume 2

Apostilas de Fís...o Telecurso 2000 - telecurso 2000 - fisica - volume 2

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Bem-vindo ou bem-vinda! Este Ø o seu segundo volume do curso de Físicacurso de Físicacurso de Físicacurso de Físicacurso de Física! Apresentamos os principais conceitos estudados em Física. A maioria deles aparece em situaçıes que podem ser observadas no seu dia-a-dia, em casa, na rua, no trabalho, no cØu...

Com isso, buscamos mostrar a vocŒ que os fenômenos físicos ocorrem em todo lugar e a todo momentotodo lugar e a todo momentotodo lugar e a todo momentotodo lugar e a todo momentotodo lugar e a todo momento, e que os conhecimentos da Física estªo acessíveis a todas as pessoas que tŒm curiosidade em relaçªo a eles, mesmo as pessoas que estejam fora das universidades ou dos laboratórios científicos.

Essa maneira de expor idØias - por meio de situaçıes comuns, observando o que ocorre ao nosso redor - facilita a compreensªo dos conceitos científicos, muitas vezes abstratos, e ajuda a explicar os mais diversos fenômenos que ocorrem na natureza.

Seu livro de Física estÆ dividido em dois volumes. No primeiro, vocŒ aprende um pouco mais sobre os fenômenos físicos e de que modo essa ciŒncia estuda tais fenômenos. Observar fenômenos relacionados aos movimentosmovimentosmovimentosmovimentosmovimentos, analisa forçasforçasforçasforçasforças, verifica que existem diferentes formas de energia energia energia energia energia na natureza, descobre fenômenos que ocorrem, por exemplo, quando mergulhamos objetos em líquidos, e muitas outras questıes. Nesta parte da Física, a maioria dos fenômenos estudados sªo macroscópicosmacroscópicosmacroscópicosmacroscópicosmacroscópicos, isto Ø, sªo visíveis para todos nós.

No segundo volume, vocŒ aprende mais coisas sobre o calorcalorcalorcalorcalor e a temperatu-temperatu-temperatu-temperatu-temperaturarararara, sobre o somsomsomsomsom, sobre a luzluzluzluzluz e como ela se comporta, e estuda fenômenos relacionados à eletricidadeeletricidadeeletricidadeeletricidadeeletricidade. AlØm disso, vŒ alguns temas de Física ModernaFísica ModernaFísica ModernaFísica ModernaFísica Moderna, como a tªo falada Física NuclearFísica NuclearFísica NuclearFísica NuclearFísica Nuclear. Nessa parte, vocŒ estuda a interpretaçªo microscópicamicroscópicamicroscópicamicroscópicamicroscópica dos fenômenos, isto Ø, interpretaçªo daquilo que nªo Ø diretamente observado a olho nu. Os livros estªo organizados da seguinte maneira.

Cada aula abre com a seçªo Para começarPara começarPara começarPara começarPara começar. Ali vocŒ vai encontar uma introduçªo ao principal assunto tratado na aula. Apresentamos uma situaçªo, ou uma pergunta, relacionada aos conceitos que serªo discutidos.

A aula, propriamente dita, tem início na seçªo Fique li-Fique li-Fique li-Fique li-Fique ligadogadogadogadogado. Aí Ø bom ficar bem atento, pois serªo discutidos e explicados os conceitos novos.

Apresentaçªo

Outras duas seçıes vªo aparecer com freqüŒncia:

Com a mªo na massaCom a mªo na massaCom a mªo na massaCom a mªo na massaCom a mªo na massa, na qual sugerimos atividades ou exercícios para serem feitos no decorrer da aula.

Passo-a-passoPasso-a-passoPasso-a-passoPasso-a-passoPasso-a-passo, em que apresentamos exemplos ou exercícios resolvidos detalhadamente.

Para terminarPara terminarPara terminarPara terminarPara terminar,na qual apresentamos, de forma reduzi-

No final da aula existem mais duas seçıes importantes: da, os principais conceitos discutidos.

Finalmente, na seçªo Mªos à obraMªos à obraMªos à obraMªos à obraMªos à obra, vocŒ vai encontrar alguns exercícios que vªo ajudar a fortalecer seus estudos.

Esperamos que, a partir deste estudo, vocŒ, caro aluno ou cara aluna, passe a observar de outra forma a natureza que o[a] cerca, e mais do que isso, saiba que a ciŒncia Ø uma maneira mais organizada de estudar o que acontece na natureza, e que o conhecimento - que vem sendo acumulado durante sØculos e milŒnios - Ø fruto da curiosidade de vÆrias geraçıes de homens e de mulheres.

Compreendendo melhor a ciŒncia, Ø possível observar o mundo com outros olhos, com os olhos nªo apenas de um simples observador, mas de um cidadªo ou de uma cidadª que compreende muitas coisas e que pode participar da construçªo das transformaçıes que ocorrem no mundo de hoje e na nossa sociedade!

Desejamos a vocΠbons estudos!

AUTORIAAUTORIAAUTORIAAUTORIAAUTORIA Alberto Gaspar Cristiano Rodrigues de Mattos - coordenador Ernst W. Hamburger - supervisor Norberto Cardoso Ferreira Roberta Simonetti

APOIOAPOIOAPOIOAPOIOAPOIO Universidade de Sªo Paulo

Triiiimmm!! Toca o despertador, Ø hora de acordar. Alberta rapidamente levanta e se prepara para sair de casa.

-Acho que estou com febreHoje vou ficar na cama...
-VocŒ estÆ quentinho, mas nªo acho que tenha febreVamos deixar

-Vamos, Gaspar, que jÆ estÆ na hora! VocŒ vai se atrasar! Gaspar se move na cama, afundando mais entre os lençóis: Alberta se aproxima. Pıe a mªo na testa de Gaspar e, depois, na sua. Repete a operaçªo e arrisca um diagnóstico: de onda!

O objetivo desta aula nªo Ø discutir o que Ø febre, tampouco as suas causas.

Queremos discutir o que fazer para descobrir se estamos com febre, isto Ø, qual o aparelho usado para esse fim e que conhecimentos da física estªo por trÆs do seu funcionamento.

É bem conhecido o fato de que o corpo humano mantØm a sua temperatura em torno de 36”C, salvo quando estamos com febre.

Quando alguØm menciona a palavra temperaturatemperaturatemperaturatemperaturatemperatura, nós a compreendemos, mesmo sem jamais tŒ-la estudado. Por exemplo: quando a previsªo do tempo afirma que “a temperatura estarÆ em torno de 32”C”, sabemos que o dia serÆ bem quente e que Ø bom vestir roupas leves! Em outras palavras, sabemos que a temperatura estÆ relacionada a quente e frio.

Vamos voltar ao assunto da febre!

Quando uma pessoa acha que estÆ com febre, a primeira coisa que nos ocorre

Ø colocar a mªo na testa dela, ou em seu pescoço, e arriscar um diagnóstico. Às vezes tambØm colocamos a mªo na nossa própria testa, para fazer uma comparaçªocomparaçªocomparaçªocomparaçªocomparaçªo.

Quando fazemos isso, podemos afirmar, no mÆximo, que a pessoa estÆ mais ou menos quente que nós. Mas isso nªo basta para dizer se ela estÆ com febre!

Gaspar acha que estÆ com febre. Alberta acha que nªo. E aí, como resolver a questªo?

SerÆ o nosso tato um bom instrumento para medir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturas? Vamos fazer uma experiŒncia.

Estou com febre?

AULA22Testando o nosso tato... Para esta atividade vocŒ vai precisar de quatro recipientes. Eles devem ser suficientemente grandes para conter Ægua, gelo e a sua mªo.

a)a)a)a)a)Coloque os recipientes 1, 2, 3 e 4 enfileirados sobre uma mesa, como indica a figura.

b)b)b)b)b)Aqueça um pouco de Ægua e coloque no recipiente 1. Cuidado para nªo aquecer demais e se queimar! c)c)c)c)c)Nos outros recipientes, coloque Ægua da torneira. Acrescente gelo ao recipiente 4.

Agora estamos prontos para iniciar as observaçıes.

d)d)d)d)d)Coloque a mªo esquerda no recipiente 2 e a direita, no recipiente 3. Aguarde alguns instantes.

e)e)e)e)e)Mude a mªo esquerda para o recipiente 1 (com Ægua aquecida) e a direita para o recipiente 4 (com gelo). Aguarde alguns instantes.

f)f)f)f)f)Coloque as mªos onde elas estavam anteriormente (item d).

Agora responda: o que vocŒ sentiu? VocŒ deve ter tido a sensaçªo de que a Ægua do recipiente 2 estÆ mais fria do que a Ægua do recipiente 3. Mas elas estªo à mesma temperatura, pois ambas foram recolhidas da torneira!

Como vocŒ pôde ver, o nosso tato nos engana e por isso nós podemos concluir que o tato nªo Ø um bom instrumento para medir temperaturas o tato nªo Ø um bom instrumento para medir temperaturas o tato nªo Ø um bom instrumento para medir temperaturas o tato nªo Ø um bom instrumento para medir temperaturas o tato nªo Ø um bom instrumento para medir temperaturas!

Equilíbrio: uma tendŒncia natural

O que acontecerÆ se deixarmos os quatro recipientes da experiŒncia acima sobre a mesa, por um longo período de tempo?

Quantas vezes ouvimos dizer: “Venha se sentar, a sopa jÆ estÆ na mesa, vai esfriar!” Quantas vezes conversamos distraidamente e, quando percebemos, a cerveja que estÆ sobre a mesa ficou quente?

Isso ocorre pois, quando dois ou mais objetos estªo em contato, suas temperaturas tendem a se igualar e, ao final de um certo tempo, os dois objetos terªo a mesma temperatura.

Nessa situaçªo, isto Ø, quando dois objetos estªo à mesma temperatura, dizemos que eles estªo em equilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmico.

A sopa ou a cerveja sobre a mesa estªo em contato com o ar, que tem uma certa temperatura - chamada temperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambiente. Depois de certo tempo, água + vapor(quente)água à temperaturaambienteágua + gelo (fria)

AULA22 todos estarªo em equilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmico, à temperatura ambiente! A sopa, que estava mais quente que o ar, vai esfriar, e a cerveja, que estava mais fria, vai esquentar.

Medindo temperaturas

JÆ que nªo Ø possível descobrir se hÆ febre usando apenas o tato, precisamos recorrer a um instrumento de medida mais preciso: o termômetro termômetro termômetro termômetro termômetro. O termômetro utilizado para medir a temperatura do corpo humano Ø conhecido como termômetro clínicotermômetro clínicotermômetro clínicotermômetro clínicotermômetro clínico (Figura 1). Seu princípio de funcionamento Ø semelhante ao de outros tipos de termômetro.

Esse termômetro Ø formado por um tubo de vidro oco no qual Ø desenhada uma escala: a escala termomØtricaescala termomØtricaescala termomØtricaescala termomØtricaescala termomØtrica. No interior desse tubo existe um outro tubo, muito fino, chamado de tubo capilartubo capilartubo capilartubo capilartubo capilar. O tubo capilar contØm um líquido, em geral mercœrio (nos termômetros clínicos) ou Ælcool colorido (nos termômetros de parede usados para medir a temperatura ambiente).

Quando colocamos a extremidade do termômetro clínico em contato com o corpo, o líquido no interior do tubo capilar se desloca de acordo com a temperatura do corpo.

É importante notar que, após colocar o termômetro sob o braço, precisamos esperar alguns minutos. Esse tempo Ø necessÆrio para que se estabeleça o equilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmicoequilíbrio tØrmico entre o corpo e o termômetro. Assim, o termômetro vai indicar exatamente a temperatura do corpo. Para “ler” a temperatura, basta verificar a altura da coluna de mercœrio, utilizando a escala termomØtrica. Podemos refletir agora sobre algumas questıes importantes:

•Como funciona o termômetro, isto Ø, por que o líquido se desloca? •Como se constróem as escalas termomØtricasescalas termomØtricasescalas termomØtricasescalas termomØtricasescalas termomØtricas?

O objetivo das seçıes seguintes Ø responder a essas duas questıes.

Aquecendo objetos

O funcionamento do termômetro se baseia num fenômeno observado nas experiŒncias: em geral, os objetos aumentam de tamanho quando sªo aquecidos. Este aumento de tamanho Ø chamado de dilataçªodilataçªodilataçªodilataçªodilataçªo. Por exemplo: nas construçıes que utilizam concreto armado, como pontes, estradas, calçadas ou mesmo edifícios, Ø comum deixar um pequeno espaço (as chamadas juntas de dilataçªo) entre as placas de concreto armado. A razªo Ø simples: as placas estªo expostas ao Sol e, quando aquecidas, dilatam-se. As juntas servem para impedir que ocorram rachaduras.

Figura 1

AULA22

Outro exemplo Ø encontrado nos trilhos dos trens: entre as barras de ferro que formam os trilhos existem espaços. Eles permitem que as barras se dilatem sem se sobrepor uma à outra, como mostra a figura abaixo.

Mais um exemplo do nosso dia-a-dia: quando estÆ dificil remover a tampa metÆlica de um frasco de vidro, basta aquecŒ-la levemente. Assim, ela se dilata e sai com facilidade. Mas resta agora uma dœvida:

Por que os objetos aumentam de tamanho quando aquecidos?

Para responder a essa questªo, precisamos saber um pouco sobre a estrutura dos objetos. Nªo vamos aqui entrar em detalhes, pois este serÆ o tema de uma outra aula. Por enquanto, basta saber que todos os objetos, independentemente do tipo de material de que sªo feitos, sªo formados por pequenas estruturas chamadas de Ætomos.Ætomos.Ætomos.Ætomos.Ætomos.

Sabemos que esses Ætomos estªo em constante movimento. VocŒ jÆ aprendeu que existe uma energia associada ao movimento de um objeto: a energia cinØticaenergia cinØticaenergia cinØticaenergia cinØticaenergia cinØtica. Aprendeu tambØm que ela Ø maior quanto maior Ø a velocidade do objeto em movimento.

Ao ser aquecido, um objeto recebe energia, que Ø transferida aos seus

Ætomos. Ganhando energia, os Ætomos que formam o objeto passam a se mover mais rapidamente. Nós jÆ sabemos que, quando aquecemos um objeto, sua temperatura aumenta.

Isso nos faz pensar que a temperatura de um objeto estÆ relacionada ao movimento de seus Ætomos. Assim chegamos a uma conclusªo importante:

A temperatura de um objetoA temperatura de um objetoA temperatura de um objetoA temperatura de um objetoA temperatura de um objeto

Ø uma grandeza que estÆ associadaØ uma grandeza que estÆ associadaØ uma grandeza que estÆ associadaØ uma grandeza que estÆ associadaØ uma grandeza que estÆ associada ao movimento de seus Ætomos.ao movimento de seus Ætomos.ao movimento de seus Ætomos.ao movimento de seus Ætomos.ao movimento de seus Ætomos.

Tendo mais energia, os Ætomos tendem a se afastar mais uns dos outros.

Conseqüentemente, a distância mØdiadistância mØdiadistância mØdiadistância mØdiadistância mØdia entre eles Ø maior. Isso explica porque os objetos, quando aquecidos, aumentam de tamanho, isto Ø, dilatam-se. Entªo, aprendemos outro fato importante:

DilataçªoDilataçªoDilataçªoDilataçªoDilataçªo Ø o aumento de tamanho de um objeto,Ø o aumento de tamanho de um objeto,Ø o aumento de tamanho de um objeto,Ø o aumento de tamanho de um objeto,Ø o aumento de tamanho de um objeto, quando ele Ø aquecido, em conseqüŒncia do aumentoquando ele Ø aquecido, em conseqüŒncia do aumentoquando ele Ø aquecido, em conseqüŒncia do aumentoquando ele Ø aquecido, em conseqüŒncia do aumentoquando ele Ø aquecido, em conseqüŒncia do aumento da distância mØdia entre os Ætomos que o formam.da distância mØdia entre os Ætomos que o formam.da distância mØdia entre os Ætomos que o formam.da distância mØdia entre os Ætomos que o formam.da distância mØdia entre os Ætomos que o formam.

AULA22Como calcular a dilataçªo de um objeto? Vamos imaginar uma barra de ferro de trilho de trem. Suponha que ela tem, inicialmente, um comprimento L0. Ao ser aquecida, a barra aumenta de tamanho: aumentam seu comprimen- to, sua largura e sua altura. Mas, inicialmente, vamos analisar apenas a variaçªo do comprimento comprimento comprimento comprimento comprimento da barra, que Ø bem maior do que a variaçªo das outras dimensıes, isto Ø, a largura e a altura. Veja a ilustraçªo abaixo.

As experiŒncias mostram que a variaçªo do comprimento variaçªo do comprimento variaçªo do comprimento variaçªo do comprimento variaçªo do comprimento (DL) Ø diretamente proporcional à variaçªo da sua temperatura diretamente proporcional à variaçªo da sua temperatura diretamente proporcional à variaçªo da sua temperatura diretamente proporcional à variaçªo da sua temperatura diretamente proporcional à variaçªo da sua temperatura (Dt) e ao seue ao seue ao seue ao seue ao seu comprimento inicial comprimento inicial comprimento inicial comprimento inicial comprimento inicial (L0), isto Ø:

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