Sumário 1 Sobre a Ciência 2 1.1 Medições científicas 3 Como Eratóstenes mediu o tamanho da Terra O tamanho da Lua A distância da Lua A distância do Sol O tamanho do Sol Matemática: a linguagem da ciência 3 4 5 6 7 8 Os métodos científicos 8 1.2 A atitude científica 1.3 1.4 1.5 1.6 Ciência, arte e religião 13 Ciência e tecnologia 14 䊏 Avaliação de riscos 14 Física: a ciência fundamental Em perspectiva 15 16 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.4 Aristóteles explica o movimento 21 Copérnico e o movimento da Terra 䊏 Aristóteles (384-322 a.C.) 22 23 Os experimentos de Galileu 23 A torre inclinada Os planos inclinados 䊏 Galileu Galilei (1564-1642) 23 23 24 Primeira lei de Newton do movimento 26 䊏 Experiência pessoal 27 Força resultante 28 Vetores força 29 A condição de equilíbrio 30 䊏 Praticando física 31 Força de apoio Equilíbrio de corpos em movimento O movimento da Terra 32 32 33 Rapidez instantânea Rapidez média 41 41 Velocidade 42 Velocidade constante Velocidade variável 43 43 Aceleração 43 45 Quão rápido Quanto cai 䊏 Tempo de voo Quão rapidamente muda a rapidez 46 48 50 50 Vetores velocidade 51 Segunda Lei de Newton do Movimento 57 4.4 4.5 4.6 5 40 40 46 4.1 4.2 4.3 20 O movimento é relativo Rapidez Queda livre 3.6 19 39 A aceleração nos planos inclinados de Galileu 3.5 4 Primeira Lei de Newton do Movimento – Inércia 2.1 3.3 8 䊏 Pseudociência Mecânica Movimento Retilíneo 3.1 3.2 12 PA RT E I 2 3 Força produz aceleração Atrito Massa e peso 58 59 61 Massa resiste à aceleração 63 Segunda lei de Newton do movimento 63 Quando a aceleração é g – queda livre 64 Quando a aceleração é menor do que g – queda não livre 65 Terceira Lei de Newton do Movimento 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 74 Forças e interações Terceira lei de Newton do movimento 75 Definindo nosso sistema 77 76 Ação e reação sobre massas diferentes 79 䊏 Praticando física: Cabo de guerra 81 Vetores e a terceira lei Resumo das três leis de Newton 82 85 XX 6 SUMÁRIO Momentum 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 8 Momentum Impulso O impulso modifica o momentum 91 92 93 Caso 1: Aumentando o momentum Caso 2: Diminuindo o momentum durante um tempo longo Caso 3: Diminuindo o momentum em um curto intervalo de tempo 93 Ricocheteio Conservação do momentum 96 97 䊏 Princípios de conservação 98 Colisões Colisões mais complicadas 99 102 Energia 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.7 8.8 Força centrífuga 147 Força centrífuga em um sistema de referência em rotação Gravidade simulada 147 148 Momentum angular Conservação do momentum angular 150 151 94 95 109 Trabalho 110 Potência Energia mecânica 112 113 Energia potencial Energia cinética O teorema trabalho-energia Conservação da energia 113 114 115 117 䊏 Energia e tecnologia 䊏 Física circense Reciclagem de energia 118 119 119 Máquinas Rendimento Fontes de energia 120 121 123 䊏 Ciência de refugo 125 Movimento de Rotação 8.6 90 132 Movimento circular 133 䊏 As rodas dos trens 135 Inércia rotacional 136 Torque 139 Centro de massa e centro de gravidade 140 Localizando o centro de gravidade Estabilidade 142 143 Força centrípeta 145 䊏 Praticando física: Girando um balde com água 146 9 Gravidade 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 160 Lei da gravitação universal A constante G da gravitação universal Gravidade e distância: a lei do inverso do quadrado Peso e imponderabilidade Marés 161 164 166 167 Marés na Terra e na atmosfera Bulbos de maré na Lua 170 170 163 Campos gravitacionais 170 Campo gravitacional dentro de um planeta A teoria de Einstein da gravitação 171 173 Buracos negros Gravitação universal 174 175 10 Movimento de Projéteis e de Satélites 10.1 Movimento de projéteis Projéteis lançados horizontalmente Projéteis lançados segundo um ângulo 䊏 Praticando física: Mãos à obra com contas em barbantes 䊏 Avaliação de riscos 10.2 Projéteis velozes – satélites 10.3 Órbitas circulares de satélites 10.4 Órbitas elípticas 䊏 O mundo monitorado por satélite 182 183 184 186 187 190 190 192 194 195 10.5 As leis de Kepler do movimento planetário 196 䊏 Descobrindo o caminho 197 10.6 Conservação da energia e movimento de satélites 10.7 Rapidez de escape 197 198 SUMÁRIO PA RT E I I Propriedades da Matéria 14 Gases 207 䊏 Alice em queda 11.2 Características dos átomos 11.3 Imagens atômicas 11.4 Estrutura atômica Os elementos 209 210 210 212 213 214 11.5 A tabela periódica dos elementos 215 Tamanhos relativos dos átomos 215 Isótopos Compostos e misturas Moléculas Antimatéria 218 219 220 221 Matéria escura 222 11.6 11.7 11.8 11.9 264 14.1 A atmosfera 14.2 Pressão atmosférica 265 266 O barômetro 268 11 A Natureza Atômica da Matéria 208 11.1 A hipótese atômica XXI 14.3 A lei de Boyle 14.4 O empuxo do ar 14.5 O princípio de Bernoulli Aplicações do princípio de Bernoulli 䊏 Praticando física 14.6 Plasmas Plasmas no mundo cotidiano A energia do plasma 270 271 272 274 275 276 276 277 PARTE I I I Calor 283 15 Temperatura, Calor e Dilatação 284 12 Sólidos 12.1 Estrutura cristalina 226 227 䊏 O poder dos cristais 229 12.2 Massa específica 12.3 Elasticidade 12.4 Tensão e compressão 229 230 232 䊏 Praticando física: A resistência do triângulo 12.5 Arcos 䊏 Manufatura aditiva ou impressão 3D 12.6 Mudanças de escala 13 Líquidos 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 Pressão Pressão em um líquido Empuxo O princípio de Arquimedes Por que um objeto afunda ou flutua? Flutuação 䊏 Montanhas flutuantes 13.7 O princípio de Pascal 13.8 Tensão superficial 13.9 Capilaridade 15.1 Temperatura 15.2 Calor Medindo calor 15.3 Calor específico 15.4 O grande calor específico da água 15.5 Dilatação térmica A dilatação da água 䊏 Vida nos extremos 233 285 287 289 289 290 291 293 295 234 235 236 244 245 246 249 250 251 253 254 255 256 258 16 Transferência de Calor 16.1 Condução 16.2 Convecção 䊏 Praticando física 16.3 Radiação 16.4 16.5 16.6 16.7 302 303 304 307 307 Emissão de energia radiante Absorção de energia radiante Reflexão de energia radiante Resfriamento noturno por radiação 308 309 310 310 A lei de Newton do resfriamento O efeito estufa Mudança climática Potência solar 311 312 313 314 䊏 Praticando física 16.8 Controlando a transferência de calor 315 315 XXII SUMÁRIO 17 Mudanças de Fase 17.1 Estados da matéria 17.2 Evaporação 17.3 Condensação Condensação na atmosfera Nevoeiro e nuvens 17.4 Ebulição Gêiseres A ebulição é um processo de resfriamento Ebulição e congelamento ao mesmo tempo 17.5 Fusão e congelamento Regelo 320 321 321 323 324 325 20 Som 326 326 327 A origem do som Meios que transmitem o som 20.2 O som no ar 䊏 Alto-falantes Velocidade do som no ar 䊏 Praticando física Energia de ondas sonoras 327 328 328 䊏 Praticando física 332 336 20.3 Reflexão do som 20.4 Refração do som 20.5 Vibrações forçadas Frequência natural 18.1 Termodinâmica 18.2 O zero absoluto 18.3 18.4 18.5 18.6 337 337 Energia interna 339 A primeira lei da termodinâmica Processos adiabáticos A meteorologia e a primeira lei A segunda lei da termodinâmica 339 340 341 344 Máquinas térmicas 䊏 A termodinâmica dramatizada! 344 346 18.7 A ordem tende para desordem 18.8 Entropia 347 349 PA RT E I V Som 355 19 Vibrações e Ondas 356 19.1 Boas vibrações A oscilação de um pêndulo 19.2 Descrição ondulatória 19.3 Movimento ondulatório 䊏 Praticando física Ondas transversais Ondas longitudinais 19.4 A rapidez da onda 19.5 Interferência Ondas estacionárias 357 358 358 360 361 361 361 362 363 364 20.6 Ressonância 20.7 Interferência 20.8 Batimentos 䊏 Transmissão por rádio 21 Sons Musicais 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 365 367 368 374 20.1 A natureza do som 325 17.6 Energia e mudanças de fase 18 Termodinâmica 19.6 Efeito Doppler 19.7 Ondas de proa 19.8 Ondas de choque Ruído e música Altura Intensidade sonora e volume de som Timbre Instrumentos musicais Análise de Fourier De analógico para o digital 375 375 376 376 378 378 379 379 379 380 382 382 382 384 385 386 391 392 393 394 395 396 397 399 PARTE V Eletricidade e Magnetismo 405 22 Eletricidade e Magnetismo 406 22.1 Eletricidade Forças elétricas 407 408 22.2 Cargas elétricas 22.3 Conservação da carga 408 409 䊏 Tecnologia eletrônica e descargas elétricas 410 22.4 Lei de Coulomb 411 SUMÁRIO 22.5 Condutores e isolantes Semicondutores Supercondutores 22.6 Eletrização Eletrização por atrito e por contato Eletrização por indução 22.7 Polarização da carga 22.8 Campo elétrico 䊏 Fornos de micro-ondas Blindagem eletrostática 22.9 Potencial elétrico Energia elétrica armazenada Gerador Van de Graaff 23 Corrente Elétrica 23.1 23.2 23.3 23.4 Sobre partículas carregadas em movimento Sobre fios percorridos por corrente Medidores elétricos Motores elétricos 412 412 413 413 413 414 24.8 O campo magnético terrestre 416 417 24.9 Biomagnetismo 418 419 421 Raios cósmicos 䊏 Imagem por ressonância magnética 25 Indução Eletromagnética 25.1 25.2 25.3 25.4 423 424 430 Fluxo de carga e corrente elétrica Fontes de voltagem Resistência elétrica A lei de Ohm 431 432 433 434 A lei de Ohm e o choque elétrico 435 25.5 25.6 25.7 25.8 XXIII 460 460 461 462 462 464 465 465 469 Indução eletromagnética A lei de Faraday Geradores e corrente alternada Produção de energia 470 472 473 474 Turbogerador de energia Energia MHD 474 475 Transformadores Autoindução Transmissão de energia Campo de indução 475 478 479 479 23.5 Corrente contínua e corrente alternada 437 Transformando CA em CC 23.6 Rapidez e fonte de elétrons em um circuito 23.7 Potência elétrica 23.8 Lâmpadas fluorescentes compactas (CFLs) 23.9 Circuitos elétricos Circuitos em série 䊏 Células de combustível Circuitos em paralelo Circuitos em paralelo e sobrecarga Fusíveis de segurança 24 Magnetismo 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 437 PARTE VI 438 440 Luz 485 441 441 26 Propriedades da Luz 486 442 442 443 445 445 452 Magnetismo Polos magnéticos Campos magnéticos Domínios magnéticos Correntes elétricas e campos magnéticos 453 454 455 456 䊏 Praticando física 458 24.6 Eletroímãs Eletroímãs supercondutores 24.7 Forças magnéticas 458 459 459 460 26.1 Ondas eletromagnéticas 26.2 Velocidade de ondas eletromagnéticas 26.3 O espectro eletromagnético 䊏 Antenas fractais 26.4 Materiais transparentes 26.5 Materiais opacos Sombras 26.6 Enxergando a luz – o olho 27 Cor 27.1 27.2 27.3 27.4 488 488 489 490 491 493 494 496 504 A cor em nosso mundo Reflexão seletiva Transmissão seletiva Misturando luzes coloridas 505 505 507 507 Cores primárias Cores complementares 508 509 27.5 Misturando pigmentos coloridos 509 XXIV SUMÁRIO 27.6 Por que o céu é azul 27.7 Por que o pôr do sol é vermelho 䊏 Praticando física 27.8 Por que as nuvens são brancas 27.9 Por que a água é azul-esverdeada 28 Reflexão e Refração 28.1 Reflexão O princípio do mínimo tempo 28.2 Lei da reflexão Espelhos planos Reflexão difusa 28.3 Refração 28.4 28.5 28.6 28.7 511 512 513 514 514 520 521 522 523 524 526 526 A origem da refração Dispersão e arco-íris Reflexão interna total Lentes 527 529 531 533 Formação de imagens por uma lente 䊏 Praticando física 534 535 537 29 Ondas Luminosas 544 Interferência monocromática em películas delgadas Cores de interferência 䊏 Praticando física 29.5 Polarização Visão tridimensional 29.6 Holografia 30 Emissão de Luz 30.1 30.2 30.3 30.4 30.5 Emissão luminosa Excitação Espectro de emissão Incandescência Espectro de absorção 30.9 O laser 570 571 572 572 572 573 573 574 520 Índice de refração Miragens O princípio de Huygens Difração Superposição e interferência Interferência monocromática em películas delgadas Lâmpadas incandescentes Lâmpadas fluorescentes Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL) Diodo emissor de luz (LED) 519 28.8 Defeitos em lentes 29.1 29.2 29.3 29.4 30.6 Fluorescência 30.7 Fosforescência 30.8 Lâmpadas 545 547 549 552 552 553 554 555 557 559 562 563 564 566 567 569 31 Os Quanta de Luz 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 O nascimento da teoria quântica A quantização e a constante de Planck O efeito fotoelétrico Dualidade onda-partícula O experimento da fenda dupla Partículas como ondas: difração de elétrons 31.7 O princípio da incerteza 31.8 Complementaridade 䊏 Previsibilidade e caos 582 583 584 585 588 588 590 592 595 596 PARTE VI I Física Atômica e Nuclear 601 32 O Átomo e o Quantum 602 32.1 A descoberta do núcleo atômico 603 32.2 A descoberta do elétron 32.3 Os espectros atômicos: pistas da estrutura atômica 32.4 O modelo atômico de Bohr 32.5 A explicação para os níveis de energia quantizada: ondas de elétrons 32.6 A mecânica quântica 32.7 O princípio da correspondência 604 606 607 608 610 611 䊏 O Bóson de Higgs 612 33 O Núcleo Atômico e a Radioatividade 615 33.1 Raios X e radioatividade 33.2 Radiações alfa, beta e gama 33.3 Radiação ambiental 616 617 619 SUMÁRIO Unidades de radiação Doses de radiação Traçadores radioativos 619 620 621 O núcleo atômico e a interação forte Meia-vida radioativa Detectores de radiação Transmutação de elementos 622 625 625 628 Transmutação natural Transmutação artificial 628 630 33.8 Datação radiológica 630 33.4 33.5 33.6 33.7 䊏 Irradiação dos alimentos 34 Fissão e Fusão Nucleares 34.1 Fissão nuclear 34.2 Reatores de fissão nuclear 䊏 O plutônio 34.3 O reator regenerador 34.4 Energia de fissão 34.5 Equivalência massa-energia 䊏 A física na segurança de aeroportos 34.6 Fusão nuclear 34.7 Fusão controlada 632 637 639 641 643 644 644 645 649 649 652 35.6 35.7 35.8 35.9 XXV 䊏 Saltando de século 675 Contração do comprimento Momentum relativístico Massa, energia e E = mc2 O princípio da correspondência 676 677 678 681 36 Teoria Geral da Relatividade 36.1 Princípio da equivalência 36.2 Desvio da luz pela gravidade 36.3 Gravidade e tempo: o desvio para o vermelho gravitacional 36.4 Gravidade e espaço: o movimento de Mercúrio 36.5 Gravidade, espaço e uma nova geometria 36.6 Ondas gravitacionais 36.7 Gravitação Newtoniana e gravitação Einsteniana Epílogo 686 687 689 691 694 694 696 697 701 Apêndice A Medições e conversão de unidades 703 Apêndice B Mais sobre o movimento PA RT E V I I I 657 Apêndice C 35 Teoria Especial da Relatividade 658 Apêndice D Relatividade 35.1 O movimento é relativo O experimento de Michelson-Morley 659 660 35.2 Os postulados da teoria especial da relatividade 661 35.3 Simultaneidade 662 35.4 O espaço-tempo e a dilatação temporal 663 䊏 Observando um relógio a partir de um bonde A viagem do gêmeo 667 668 35.5 Adição de velocidades 673 Viagens espaciais 673 Gráficos Aplicações de vetores 708 712 715 Apêndice E Crescimento exponencial e tempo de duplicação 718 Respostas dos exercícios ímpares 723 Glossário 761 Créditos 777 Índice 781
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