Compreendendo a Física - Vol. 3 - Eletromagnetismo e Física Moderna - Alberto Gaspar

Compreendendo a Física - Vol. 3 - Eletromagnetismo e Física Moderna - Alberto...

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compreendendo a

Física eletromagnetismo e física moderna físi ca ensi no médio alberto gaspar manual do professor

compreendendo a

Física eletromagnetismo e física moderna 3 ensi no médio alberto gaspar Livre-docente em Didática e Prática de Ensino pela Unesp (Universidade Estadual Paulista) Doutor em Educação pela Universidade de São Paulo Mestre em Ensino de Física pela Universidade de São Paulo Licenciado em Física pela Universidade de São Paulo Professor de Física da Unesp – Campus de Guaratinguetá

Física 2a edição São Paulo - 2013 manual do professor

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Gaspar, Alberto

Compreendendo a física / Alberto Gaspar. – 2. ed. – São Paulo : Ática, 2013. Conteúdo: v. 1. Mecânica v. 2. Ondas, óptica, termodinâmica v. 3. Eletromagnetismo e física moderna.

Bibliografia 1. Física (Ensino médio) I. Título.

Índice para catálogo sistemático: 1. Física : Ensino médio 530.07

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Física, além de buscar o conhecimento do Universo, está presente em todos os ramos da atividade humana. Por ser uma ciência abrangente e com implicações importan tes na nossa vida, o livro de Física deve apresentar um conteúdo básico, mas também permitir a constante atua lização desse conteúdo, de suas implicações tecnológicas e da própria compreensão de como os conhecimentos físicos têm sido adquiridos.

Esta coleção se propõe a auxiliar você a iniciar seus estudos nes sa ciência que tanto tem contribuído para o contínuo avanço tecnológi co do mundo que vivemos. Aqui você entenderá alguns fenômenos físicos, ao mesmo tempo que vai conhecer aspectos históricos de suas descobertas e dos cientistas que para elas contribuíram, o que tornará seu estudo agradável e desafiador, conduzindo o à consolidação de seu entendimento.

Esperamos que você possa usufruir desta coleção de forma pra zerosa e proveitosa. Para que isso aconteça, procure lembrar se sem pre de que você só pode apreciar aquilo que conhece e de que conhe cimento só se adquire com estudo, esforço e persistência.

O autor ao alu no

Corrente elétrica H

1 Eletrostática

ABERTURA DE UNIDADE Cada unidade começa com uma página dupla, ilustrada por algum fenômeno natural ou construção humana que mostra a importância do conteúdo a ser estudado. ABERTURA DE CAPÍTULO

Os capítulos se iniciam com uma imagem de abertura acompanhada de um breve texto, que funciona como ponto de partida para o estudo do conteúdo.

Conheça seu livro Entenda como está organizado o seu livro de Física.

TEXTO PRINCIPAL, EXERCÍCIOS RESOLVIDOS, EXERCÍCIOS PROPOSTOS E BOXES COMPLEMENTARES O texto básico do conteúdo é apresentado em linguagem simples e acessível, sem prejuízo do rigor necessário à abordagem de uma disciplina científica. Nesse texto básico foram intercalados exercícios detalhadamente resolvidos seguidos de exercícios propostos (chamados simplesmente de Exercícios) para que você possa refletir sobre o que está estudando e avaliar sua compreensão do que lê. Como complemento, apresentamos alguns boxes junto ao texto, com fundo colorido, relacionados a algum termo do texto principal (que também vem destacado com uma cor diferente).

Aberturas de unidade instigantes ilustram os conceitos que serão estudados.

Texto simples e acessível acompanhado de exercícios e boxes.

conex ões

SEÇÃO CONEXÕES Cada unidade é encerrada por um texto de caráter interdisciplinar que aprofunda algum tópico abordado na unidade, relacionando-o com uma ou mais áreas do conhecimento humano. O texto é complementado por perguntas por meio das quais você poderá pesquisar e discutir com seus colegas os assuntos tratados. Esses textos podem contribuir tanto para ampliar sua visão da Física como de outras disciplinas, estabelecendo conexões entre conteúdos e auxiliando-o a perceber que o conhecimento está em constante e permanente diálogo, o que contribui para sua conduta consciente e cidadã no mundo.

BOXE CONEXÕES Ao longo do texto principal, há vários momentos que permitem estabelecer relações com outras disciplinas do conhecimento. Alguns deles são destacados por meio de boxes que ressaltam com quais áreas determinado conteúdo está dialogando.

ATIVIDADES PRÁTICAS No fim de cada capítulo, sugerimos atividades experimentais cujo objetivo é levar você a refletir sobre os fenômenos tratados. Realizados com a orientação do professor, esses experimentos vão auxiliar você a compreender melhor os conteúdos apresentados.

QUESTÕES DO ENEM E DE VESTIBULARES Ao final de cada unidade, você vai encontrar um conjunto atualizado de questões extraídas do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) e dos principais vestibulares do país, todas referentes ao conteúdo abordado.

Conteúdos interdisciplinares que promovem a ampliação do conhecimento.

Este ícone indica Objetos Educacionais Digitais relacionados aos conteúdos do livro.

UNIDADE 1 ELETROSTÁTICA 10 capítulo 1 Introdução à Eletricidade 12

1. Um pouco de história 13 2. A carga elétrica e a eletrização 14 3. Condutores, isolantes e os processos de eletrização 15 4. Detectores eletrostáticos 19 5. A lei de Coulomb – a medida da carga elétrica 24 Atividade prática 30 capítulo 2 Campo elétrico: descrição vetorial 31

1. Conceito de campo 32 2. Grandezas associadas ao campo elétrico 3 3. Campo de uma partícula eletricamente carregada 34 4. Linhas de força do campo elétrico 38 5. Campo de um condutor esférico carregado 41 6. Campo de uma placa uniformemente carregada 43 7. Linhas de força de condutores eletricamente carregados 45 Atividade prática 46 capítulo 3 Campo elétrico: descrição escalar 47

1. Energia potencial elétrica 48 2. Potencial elétrico em campo gerado por partícula pontual 50 3. Diferença de potencial elétrico 54 4. Potencial elétrico em campo uniforme 58 5. Superfícies equipotenciais 60 6. Potencial elétrico de condutores 62 Atividade prática 64 capítulo 4 Capacidade, capacitores e dielétricos 65

1. Conceito de capacidade 6 2. Capacitores 71 3. Associação de capacitores 78 Atividades práticas 83 Questões do Enem e de vestibulares 85 Conexões 86

Sumário

UNIDADE 2 ELETRODINÂMICA 8 capítulo 5 Corrente elétrica 90

1. Introdução 91 2. Intensidade da corrente elétrica 92 3. Sentido da corrente elétrica e gráfico intensidade × tempo 93 4. Diferença de potencial, resistência elétrica e lei de Ohm 96 5. Resistores e curva característica 97 Atividade prática 102 capítulo 6 Potência elétrica, associação de resistores e resistividade 103

1. Potência elétrica dissipada num resistor 104 2. Associação de resistores 107 3. Resistividade 110 Atividades práticas 114 capítulo 7 Geradores e circuitos elétricos 116

1. Da eletricidade animal à pilha de Volta 117 2. Geradores químicos e força eletromotriz 119 3. Equação do gerador 120 4. Potência e rendimento de um gerador 123 5. Circuitos elétricos 124 6. A matemática dos circuitos de corrente contínua 129 7. Associação de geradores 135 Atividades práticas 138 Questões do Enem e de vestibulares 140 Conexões 142

UNIDADE 3 ELETROMAGNETISMO 144 capítulo 8 Campo magnético 146

1. Breve história do magnetismo 147 2. Magnetismo e ímãs 149 3. Campo magnético 152 4. O vetor campo magnético B= 155 5. Força sobre condutores percorridos por corrente elétrica 160 6. Espira percorrida por corrente elétrica – o efeito motor 163 Atividades práticas 165 capítulo 9 Campo magnético e corrente elétrica 166

1. Introdução 167 2. Lei de Ampère 169 3. Interação eletromagnética entre condutores paralelos 172 4. Ampère, unidade fundamental de eletricidade 173 5. Espiras e solenoides 174 Atividades práticas 179 capítulo 10 Indução eletromagnética 180

3. As leis de Faraday e Lenz185

1. A indução eletromagnética 181 2. Fluxo do campo magnético 182 4. Geradores eletromagnéticos e corrente alternada 189 5. O transformador 192 6. A era da eletricidade e suas primeiras aplicações 196 Atividade prática 198 capítulo 1 Das ondas eletromagnéticas aos fótons 199

1. Introdução 200 2. As equações de Maxwell e as ondas eletromagnéticas 202 3. Energia e quantidade de movimento de ondas eletromagnéticas 206 4. A natureza corpuscular das ondas eletromagnéticas 209 5. A dualidade onda partícula 214 6. O Eletromagnetismo, a Óptica e os fótons 219 Atividades práticas 220 Questões do Enem e de vestibulares 221 Conexões 2

UNIDADE 4 FÍSICA MODERNA 224 capítulo 12 Relatividade 226

7. A contração dos comprimentos236

8. Quantidade de movimento relativística 240 9. Energia relativística 242 10. Teoria da relatividade geral 246 1. Conclusão 251 Atividade prática 252 capítulo 13 Origens da Física quântica 253

1. Descargas em tubos com gases rarefeitos e espectroscopia 254 2. Raios catódicos, raios beta e elétron 256 3. Radiação térmica 260 4. O enigma do espectro da radiação térmica 263 5. As hipóteses de Wien e Rayleigh Jeans 266 6. O quantum de ação 267 7. Os raios X e a radioatividade 268 8. O átomo de Rutherford 271 9. O espectro do átomo de hidrogênio 273 10. O átomo de Bohr 275 Atividades práticas 278 capítulo 14 A nova Física 279

1. O spin do elétron 280 2. Pauli e o princípio da exclusão 281 3. As ondas de matéria 281 4. A Mecânica ondulatória 283 5. O princípio da incerteza 284 6. O nêutron e o pósitron 287 7. O neutrino e a conservação da energia 289 8. O núcleo atômico e a energia nuclear 291 9. Um novo tipo de partícula 297 10. A Física de partículas 300 1. Conclusão 305 Atividades práticas 306 Questões do Enem e de vestibulares 307 Conexões 308

Glossário 310 Respostas 313 Leituras complementares 316 Bibliografia 318 Índice remissivo 319

Claud B./Shut unid ade 1

Eletrostática

Há milhões de anos, nossos antepassados já contemplavam assustados os relâmpagos que cortavam os céus. Milhares de anos depois, outro ser humano percebeu, intrigado, que algumas resinas esfregadas com a pele de animais tornavam-se capazes de atrair pequeninas folhas e gravetos. Mas só há cerca de três séculos compreendemos que essas eram apenas diferentes faces do mesmo fascinante fenômeno: a eletricidade.

Introdução à Eletricidade

O âmbar, resina sólida fossilizada das árvores, provavelmente possibilitou algumas das primeiras experiências científicas que o ser humano realizou. Quando se esfrega um pedaço de âmbar em pele de animal ou em um pedaço de lã, ele se torna capaz de atrair objetos leves, como a pena que aparece na foto. essa atração, estranha propriedade adquirida pelo âmbar (elektron, em grego), foi a origem de uma nova área da Física — a eletricidade. o estudo das propriedades iniciais da eletricidade e da lei que descreve a interação eletrostática é o assunto deste capítulo.

CaPÍTuL O 1

Atração eletrostática entre um pedaço de âmbar e uma pena.

capítulo 1 – introdução à eletricidade 13

1. Um pouco de história

Os fenômenos de natureza elétrica são conhecidos há séculos. Como vimos na abertura deste capítulo, o termo eletricidade se origina da palavra elektron, nome grego do âmbar, resina que se petrifica séculos depois de ser secretada por algumas árvores. É bem provável que não tenham sido os gregos os primeiros a descobrir os fenômenos elétricos, mas parece certo que foram deles as primeiras explicações, a maioria delas dadas por Tales de Mileto, matemático e filósofo grego do século VI a.C., que atribuía a causa da atração elétrica a sentimentos humanos dos corpos atritados.

Mas foi só em 1600 que o inglês William Gilbert (1544- -1603), médico da rainha da Inglaterra, procurou refazer experiências e revisar as explicações de outros autores e pesquisadores. Reuniu suas conclusões no livro De magnete, um dos primeiros clássicos da literatura científica.

Depois de Gilbert começaram a ocorrer observações mais cuidadosas e a surgir explicações menos animistas da eletricidade. Em 1729, o físico inglês Stephen Gray (1666?-1736) conseguiu conduzir a eletricidade de um corpo para outro através de fios de linho e verificou que alguns materiais conduzem bem a eletricidade — são condutores — e outros não — são isolantes. Essas observações consolidavam a ideia de que a eletricidade seria um fluido (explicação semelhante à da natureza do calor), algo que estivesse contido em alguns corpos e que podia ser canalizado ou conduzido de um corpo para outro. Eram feitas inclusive demonstrações públicas, como a da figura abaixo.

Os papeizinhos atraídos pelas mãos e pés do menino mostravam que a eletricidade passa por ele e pelos fios em que está pendurado.

Em 1733, o químico francês Charles du Fay (1698- -1739) propôs a existência de duas espécies de eletricidade. Uma delas era do tipo da carga elétrica adquirida pelo vidro atritado com seda, chamada vítrea, e a outra era a carga elétrica adquirida por materiais resinosos, como o âmbar, atritados com lã, chamada resinosa.

Essas conclusões levaram à hipótese da existência de dois fluidos elétricos: o fluido vítreo e o fluido resinoso. Os corpos teriam, normalmente, quantidades iguais desses fluidos, por isso eram eletricamente neutros. Quando eletrizados, havia transferência de fluido de um a outro e essas quantidades deixariam de ser iguais. A eletricidade resultante contida num corpo corresponderia à do fluido que ele contivesse em excesso.

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