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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
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FísicaSem Mistério
Stan Gibilisco
Tradução da 2ª edição
Rio de Janeiro, 2013
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Para Samuel, Tony e Timdo tio Stan
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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FísicaSem Mistério
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Parte I
Física Clássica
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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.
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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
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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:
BOOK - PRODUTO FINAL de DTP - 04-06-13.indb 5 10/06/2013 17:54:06
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
BOOK - PRODUTO FINAL de DTP - 04-06-13.indb 10 10/06/2013 17:54:07
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