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