BOOK - PRODUTO FINAL de DTP - 04-06-13 · Conversação em Francês Sem Mistério Conversação em...

FísicaSem Mistério

BOOK - PRODUTO FINAL de DTP - 04-06-13.indb 1 10/06/2013 17:54:03

Série Sem MistérioAlemão Sem Mistério

Álgebra Sem Mistério

Cálculo Sem Mistério

Conversação em Alemão Sem Mistério

Conversação em Espanhol Sem Mistério

Conversação em Francês Sem Mistério

Conversação em Italiano Sem Mistério

Espanhol Sem Mistério

Francês Sem Mistério

Geometria Sem Mistério

Gramática Inglesa Sem Mistério

Italiano Sem Mistério

Pré-Álgebra Sem Mistério

Pré-Cálculo Sem Mistério

Química Orgânica Sem Mistério

Química Sem Mistério



Stan Gibilisco

Tradução da 2ª edição

Rio de Janeiro, 2013


Para Samuel, Tony e Timdo tio Stan


Sobre o AutorStan Gibilisco, engenheiro eletrônico, pesquisador e matemático, é autor de vá-rios títulos da série Demystified, da McGraw-Hill (no Brasil, Sem Mistério, da Alta Books), assim como de outros inúmeros livros técnicos e dezenas de artigos em revistas. Suas obras foram traduzidas para várias línguas.


vii

Sumário

Agradecimentos xi

Como utilizar este livro xiii

parte I Física Clássica 1

Capítulo 0 Revisão de Notação Científica 3Subscritos e sobrescritos 4

Potência de 10 5

Regras para o Uso 8

Aproximação, Erro e Precedência 12

Algarismos Significativos 15

Teste Rápido 20

Capítulo 1 unidades e Constantes 23Sistemas de Unidades 24

Unidades Fundamentais 25

Unidades Derivadas 30

Constantes 37

Conversão de Unidades 42

Teste Rápido 46

Capítulo 2 Massa, Força e Movimento 49Massa 50

Força 54

Deslocamento 56

Velocidade Escalar 57

Velocidade 60

Aceleração 62


viii FÍSICA SeM MiSTéRio

Leis do Movimento de Newton 68

Teste Rápido 71

Capítulo 3 Momento, trabalho, Energia e potência 73Momento Linear 74

Colisão 78

Trabalho 86

Energia 89

Potência 95

Teste Rápido 100

Capítulo 4 partículas da Matéria 103Primeiras Teorias 104

O Núcleo 105

Fora do Núcleo 109

Energia da Matéria 113

Compostos 117

Teste Rápido 122

Capítulo 5 Estados Básicos da Matéria 125A Fase Sólida 126

A Fase Líquida 135

A Fase Gasosa 144

Teste Rápido 149

Capítulo 6 temperatura, pressão e Mudança de Estado 153O que é Calor? 154

Temperatura 158

Alguns Efeitos da Temperatura 164

Temperatura e Estados da Matéria 167

Teste Rápido 173

teste: parte I 175

parte II Eletricidade, Magnetismo, e Eletrônica 189

Capítulo 7 Corrente Contínua 191O Que a Eletricidade Faz 192

Diagramas Elétricos 199

Voltagem, Corrente e Circuitos Resistivos 202

Como as Resistências Combinam 207

Leis de Kirchhoff 218 Teste Rápido 222


SuMÁrIO ix

Capítulo 8 Corrente alternada 225Definição de Corrente Alternada 226

Formas de Onda 228

Frações de um Ciclo 234

Amplitude 239

Ângulo de Fase 244

Teste Rápido 251

Capítulo 9 Magnetismo 255Geomagnetismo 256

Força Magnética 257

Intensidade do Campo Magnético 262

Eletroímãs 266

Materiais Magnéticos 270

Máquinas Magnéticas 275

Teste Rápido 281

Capítulo 10 Mais sobre Correntes alternadas 283Indutância 284

Reatância Indutiva 288

Capacitância 293

Reatância Capacitiva 299

Gráficos de Impedância Complexa 305

Teste Rápido 311

Capítulo 11 Semicondutores 315O Díodo 316

O Transistor Bipolar 324

Como um Transistor Bipolar Amplifica Sinais 329

O Transistor de Campo Efetivo 332

Como o JFET Amplia os Sinais 334

O MOSFET 338

Circuitos Integrados 342

Teste Rápido 344

teste: parte II 347

part III ondas, partículas, Espaço e tempo 361

Capítulo 12 Fenômenos ondulatórios 363Ondas Intangíveis 365

Propriedades Fundamentais 367

Interação entre as Ondas 376


x FÍSICA SeM MiSTéRio

Mistérios das Ondas 384

Onda ou Partícula? 389

Teste Rápido 394

Capítulo 13 Formas de Radiação 397Campos Eletromagnéticos 398

Campos ELF 403

Ondas RF 405

Além do Espectro de Rádio 413

Radioatividade 422

Teste Rápido 431

Capítulo 14 Óptica 433Como a Luz se Comporta 434

Lente e Espelhos 444

Telescópios Refratores 448

Telescópios Refratórios 451

Especificações do Telescópio 453

O Microscópio Composto 458

Teste Rápido 464

Capítulo 15 teoria da Relatividade 467Contando o Tempo 468

Dilatação do Tempo 472

Distorção Espacial 478

Distorção da Massa 480

Relatividade Geral 483

Teste Rápido 492

teste: parte III 495

Teste Final 509

Respostas para os Testes, Testes das partes e Teste final 539

Sugestão de Leitura Adicional 543

Índice 545


xi

AgradecimentosAgradeço ao meu sobrinho Tim Boutelle, formando da Universidade de

Chicago, que passou muitas horas me ajudando a revisar o manuscrito e ofereceu ideias e sugestões do ponto de vista do público-alvo.


xiii

Como Utilizar Este LivroEste livro pode ajudá-lo a aprender física básica sem fazer um curso formal. Ele também pode servir como um texto complementar em ambientes de sala de aula, reforço escolar ou ensino domiciliar.

Para aprender física, você precisa ter alguma habilidade em matemática, já que constitui a linguagem primordial da física. Se dissesse outra coisa, eu estaria men-tindo para você. A matemática deste livro não vai além do nível de ensino médio. Se você precisa fazer uma revisão, pode selecionar entre vários livros da série Sem Mistério dedicados a temas matemáticos. Se você quer construir uma base forte em matemática, recomendo que leia Álgebra Sem Mistério e O Guia Completo para Quem Não É C.D.F. — Pré-Cálculo antes de iniciar este curso.

Este livro contém muitas questões de múltipla escolha apresentadas no formato de testes padronizados. Você encontrará um teste com “consulta livre” no final de cada capítulo. Você pode (e deve!) utilizar os textos do capítulo como referência para resolver esses testes. Escreva suas respostas, e depois entregue-as a um amigo. Peça-lhe para passar para você sua pontuação, sem, contudo, lhe dizer quais perguntas você errou. As respostas corretas aparecem no final do livro. Continue no capítulo até que você consiga responder a maioria das respostas do teste corretamente.

Este livro contém três seções principais. Um teste com questões de múltipla escolha encerra cada seção. Faça-os ao terminar as respectivas seções e após ter feito o teste de todos os capítulos. Não consulte o texto quando fizer o teste de cada seção. Eles são mais fáceis do que os testes no final do capítulo e não exigem que você memorize coisas triviais. Um resultado satisfatório é de pelo menos 35 a 40 acertos para 50 perguntas. As respostas estão no final do livro.

Você encontrará um teste no final do curso. As perguntas envolvem menos matemática do que os testes. O teste final contém perguntas retiradas igualmente de todos os capítulos, com exceção do Capítulo 0. Faça-o quando você tiver termi-nado todas as seções, todos os testes das seções, e os testes de todos os capítulos. Um resultado satisfatório é de no mínimo 75 acertos para 100 perguntas.


xiv FÍSICA SeM MiSTéRio

Com os testes de seção e o teste final, assim como com os testes, peça a um amigo para lhe dizer sua pontuação sem informar quais questões você errou. Des-sa maneira, você não irá memorizar as respostas inconscientemente. Talvez você queira responder cada teste e o teste final duas ou três vezes. Quando conseguir uma pontuação que lhe agrade, você pode (e deve!) verificar o teste para saber os seus pontos fortes e fracos.

Esforce-se para completar um capítulo a cada semana ou dez dias. Uma a duas horas diárias são suficientes. Não se apresse. Dê tempo para que sua mente possa absorver o material. Mas também não seja muito lento. Prossiga num passo estável e o mantenha. (Apesar de desejarmos diferente, nada pode substituir “bons hábitos de estudo”.) Você completará o curso em alguns meses. Ao concluí-lo, você poderá utilizar este livro como uma referência permanente.

Eu aceito e aprecio suas sugestões para edições futuras.

Stan Gibilisco


Parte I

Física Clássica


3

Capítulo 0Revisão de Notação Científica

Os físicos e engenheiros frequentemente se deparam com números minúsculos ou gigantescos. Quantos átomos compõem nossa galáxia? Qual é a razão entre o volume de uma bola de gude e o volume do universo como o conhecemos? Se tentarmos denotar números como esses de forma normal, precisaremos rabiscar sequências enormes de numerais. Existe uma maneira melhor! Podemos tirar van-tagem da notação científica. Vamos revisar essa técnica.

OBJETIVOS DO CAPÍTULO

Neste capítulo, você vai:

• expressar quantidades com potências de 10.

• efetuar operações aritméticas com potências de 10.

• Realizar aproximações numéricas.

• determinar graus de precisão.

• truncar ou arredondar quantidades.


4 FÍSICA SeM MiSTéRio

Subscritos e Sobrescritos

Podemos utilizar subscritos para modificar os significados das unidades, constantes e variáveis. Sobrescritos geralmente representam expoentes (elevação a uma potên-cia). Letras minúsculas em itálico da segunda metade do alfabeto (n a z) denotam expoentes variáveis.

Exemplos de SubscritosSubscritos numéricos nunca são em itálico, mas em alguns casos pode ser interes-sante colocar em itálico subscritos alfabéticos. Por exemplo:

Zo lido “Z sob zero”;

representa impedância característica da linha de transmissãoR

saída lido “R sob saída”;

representa resistência de saída em um circuito eletrônicoy

n lido “y sob n”;

representa uma variável

Algumas constantes físicas incluem subscritos por convenção. Por exemplo, me

representa a massa de um elétron em repouso (sem movimento em relação ao ob-servador). Os subscritos de coordenadas podem nos ajudar a identificar pontos no espaço multidimensional. Por exemplo, podemos designar um ponto Q em espaço retangular 11 como:

Q = (q1, q

2, q

3, .... q

11)

Exemplos de SobrescritosAssim como os subscritos, os sobrescritos numéricos não são em itálico. Porém, normalmente utilizamos itálicos em sobrescritos alfabéticos. Por exemplo:

23 lido “dois ao cubo”; representa 2 × 2 × 2ex lido “e elevado à potência x”; representa a base-e e função exponencial de xy1/2 lido “y elevado a um meio”; representa a raiz quadrada positiva de y


Capítulo 0 Revisão de Notação CieNtífiCa 5

Ainda com Dif iculdades?você pode facilmente confundir sobrescritos e subscritos. se você tiver qualquer dúvida sobre o significado de uma expressão específica, verifique o contexto cuidadosamente. Um subscrito normalmente lhe diz como pensar em uma quantidade ou variável, enquanto um sobrescrito quase sempre lhe diz o que você deve fazer com ele.

?

Potência de 10

Cientistas e engenheiros expressam valores numéricos extremos usando potências de 10. É isso que normalmente “notação científica” significa na prática.

Forma PadrãoDenotamos um número em padrão de potência de 10 da seguinte maneira:

m,n × 10z

onde a vírgula é escrita na linha de base. Chamamos isso de vírgula decimal. A va-riável m (à esquerda da vírgula) representa um número do conjunto {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}. A variável z, que representa a potência de 10, pode ser qualquer número: positivo, negativo, ou zero. Por exemplo:

2,56 × 106

representa 2,56 vezes exatamente 1.000.000 ou 2.560.000

8,0773 × 10-8

representa exatamente 8,0773 vezes 0,00000001 ou 0,000000080773

1,000 × 100

representa 1,000 vezes exatamente 1 ou 1,000

Forma AlternativaEm alguns países, os cientistas usam uma variação do tema anterior. A potência alternativa de 10 requer m = 0. Quando expressamos as quantidades previamente descritas dessa maneira, elas aparecem como frações decimais maiores que 0, mas menores que 1, e o valor do expoente aumenta de 1 quando comparado com a forma padrão. Portanto, temos o seguinte:


10 FÍSICA SeM MiSTéRio

(3,045 × 10-4) × (6,853 × 10-7)

= (3,045 × 6,853) × (10-4 × 10-7)

= 20,867385 × 10[-4+(-7)]

= 20,867385 × 10-11

= 2,0867385 × 10-10

(3,045 × 105) × (6,853 × 10-7)

= (3,045 × 6,853) × (105 × 10-7)

= 20,867385 × 10[5+(-7)]

= 20,867385 × 10-2

= 2,0867385 × 10-1

= 0,20867385

Podemos escrever o último número na forma decimal simples porque, em notação científica, o seu expoente encontra-se incluído dentro do intervalo de -3 e 3.

DivisãoQuando dividirmos duas quantidades com potência de 10, começamos pelo cálcu-lo do quociente entre os coeficientes. Depois subtraímos a segunda potência de 10 da primeira. E finalmente colocamos a expressão na forma científica convencional. Seguem três exemplos:

(3,045 × 105) / (6,853 × 106)

= (3,045 / 6,853) × (105 / 106)

≈ 0,444331 × 10(5-6)

≈ 0,444331 × 10-1

≈ 0,0444331

(3,045 × 10-4) / (6,853 × 10-7)

= (3,045 / 6,853) × (10-4 / 10-7)

≈ 0,444331 × 10[-4-(-7)]

≈ 0,444331 × 103

≈ 4,44331 × 102

≈ 444,331

(3,045 × 105) × (6,853 × 10-7)

= (3,045 / 6,853) × (105 / 10-7)

≈ 0,444331 × 10[5-(-7)]

≈ 0,444331 × 1012

≈ 4,44331 × 1011


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