Tópicos de física-módulo 2

Tópicos de física-módulo 2

(Parte 1 de 9)

Autora: Adriana Maria Penna Revisão atualizada segundo o novo acordo ortográfico: Profª. Fernanda Pinheiro

Coordenação Pedagógica INSTITUTO PROMINAS

MÓDULO – 2

Impressão e Editoração

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UNIDADE 1 - INTRODUÇÃO3
UNIDADE 2 - MECÂNICA6
UNIDADE 3 - TERMOLOGIA10
UNIDADE 4 - ONDULATÓRIA16
UNIDADE 5 - ÓPTICA GEOMÉTRICA21
UNIDADE 6 - ELETRICIDADE27
UNIDADE 7 - FÍSICA MODERNA32
UNIDADE 8 - ANÁLISE DIMENSIONAL47
REFERÊNCIAS62

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3 UNIDADE 1 - INTRODUÇÃO

Começaremos nossa apostila de Tópicos de Física com uma frase elementar e muito pertinente ao estudo em questão: “a ausência de certeza em relação às coisas, e às teorias, é o que move a ciência”, entretanto, para muitas pessoas, principalmente estudantes do ensino médio, esta disciplina não chega com a praticidade que deveria.

Para ponderarmos sobre a assertiva acima, no XVIII Simpósio Nacional de

Ensino de Física, ocorrido em 2009, na cidade de Vitória – ES, uma pesquisa apresentada por Fernandes e Filgueira intitulada: “Por que ensinar e por que estudar física? O que pensam os futuros professores e os estudantes do ensino médio?”, chamou atenção, a qual nos serve de base para comerçarmos este estudo.

Necessariamente, o ensino de física faz parte da educação básica na formação do cidadão e deve atender tanto àquelas pessoas que darão continuidade aos seus estudos, quanto àquelas que depois do ensino médio não terão mais contato escolar com esta disciplina. Segundo os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+ Ensino Médio):

a Física deve apresentar-se, portanto, como um conjunto de competências específicas que permitam perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo distante, a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos. Isso implica, também, a introdução à linguagem própria da Física, que faz uso de conceitos e terminologia bem definidos, além de suas formas de expressão que envolvem, muitas vezes, tabelas, gráficos ou relações matemáticas (BRASIL, 2002, p.59).

É importante que professores e alunos reconheçam a importância do conhecimento em física na formação básica de qualquer indivíduo, porém, isso nem sempre acontece. Para os alunos essa disciplina é vista como difícil e desvinculada da realidade.

Embora Fernandes e Filgueira (2009) digam que para os professores a disciplina é fácil, diretamente relacionada ao cotidiano, e geralmente atribuem as

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Relacionar as leis da física ao cotidiano é uma das maneiras mais efetivas de mostrar a importância da disciplina para os alunos.

Dentre os resultados obtidos pela pesquisa dos autores citados acima, a maior concordância encontrada foi com relação à percepção do conhecimento de física como uma importante ferramenta para compreender e explicar fenômenos naturais, fenômenos cotidianos e o funcionamento de aparelhos que fazem parte do aparato tecnológico moderno.

Existe uma visão partilhada de que vivemos em uma sociedade tecnológica, que convivemos o tempo todo com aparelhos elétricos e que o conhecimento em física é essencial para entendermos e desfrutarmos dessa tecnologia. Além disso, alunos do curso de licenciatura em física e alunos do ensino médio veem a física como a disciplina escolar capaz de explicar todos os tipos de fenômenos naturais, mas principalmente aqueles presentes no seu cotidiano imediato. Entre os estudantes do ensino médio essa visão é mais forte, talvez porque parece existir a crença de que a ciência é completa, perfeita, fechada e, portanto, tudo o que é tido como cientificamente comprovado ou é cientificamente explicado passa a ser verdade absoluta.

Outro ponto de vista bem comum entre os grupos diz respeito ao fato de o conhecimento em física contribuir para uma forma de pensar científico. Para os estudantes do ensino médio, esse pensar se relaciona à aplicação do pensamento racional no dia-a-dia. De certa forma, essa visão envolve a explicação de fenômenos, porém a partir da aplicação direta do conhecimento científico. Os estudantes do curso de licenciatura vão um pouco mais além. O pensar científico nesse caso promove o rompimento com crenças, conhecimentos intuitivos e pensamentos sem fundamentação teórica.

Argumentos a respeito do desenvolvimento da ciência e a transformação dos indivíduos e da sociedade foram exclusivos dos estudantes de licenciatura. Acredita-

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Em relação aos estudantes do ensino médio verificou-se ainda uma visão lúdica da física, capaz de explicar questões que fazem parte da vida de toda criança quando começa a descobrir o mundo. Segundo os argumentos utilizados pelos alunos as respostas a essas questões encontradas na física ativam a nossa curiosidade e nos faz procurar por mais “porquês”. Acredita-se que esse pensamento muito comum dos alunos, se deve ao fato de ser o primeiro contato mais aprofundado com essa disciplina. É no primeiro ano que os alunos começam a estudar física e assim começam a descobri-la. Antes disso, as respostas para seus questionamentos, quando havia, ficavam soltas sem explicações mais consistentes.

Pretendemos com esta breve introdução levá-los a refletir sobre a importância de ensinar física, refletir sobre o contexto em que inserem os seus alunos, refletir sobre sua práxis.

Procurou-se utilizar além de referências atualizadas, artigos que utilizassem de uma linguagem simples, no entanto, alguns assuntos merecem voltar a publicações mais antigas justificando que existem certos autores os quais não se pode furtar ao seu conhecimento.

Salientamos que este trabalho é uma compilação de artigos de vários autores e material do que entendemos ser o mais importante em termos de tópicos de física. Dúvidas podem surgir e pedimos desculpas por eventuais lacunas, mas para sanálas, ao final da apostila estão diversas referências que foram utilizadas, pelas quais poderão aprofundar algum conhecimento que chame a atenção ou tenha despertado dúvida.

Desejamos a todos uma boa leitura e bons estudos!

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6 UNIDADE 2 - MECÂNICA

O movimento é talvez a melhor forma de descrever a mecânica, ou seja, o estudo de qualquer movimento é o objeto da mecânica. Associada a Newton com a famosa história da queda da maçã na sua cabeça, após a teoria da relatividade de Einstein, veio a ter a sua atualização histórica. Sem grandes preocupações na explicação da sua origem, o movimento é tudo, usando mesmo aproximações que podem parecer grosseiras, como idealizar objetos reais em pontos. No entanto, as previsões sempre dão resultado. Graças à mecânica é que o Homem foi à lua e hoje quer ir muito mais longe.

Na Física, a Mecânica é o estudo do movimento das partículas e dos fluidos.

Para efeitos didáticos, a Mecânica pode ser dividida em três partes: a Cinemática, Dinâmica e Estática.

Uma parte da Mecânica, a Clássica, também é conhecida como Mecânica de Newton, pois as leis de Newton formam a base deste estudo.

A cinemática é o estudo descrito dos corpos em movimento, sem se preocupar com as causas destes movimentos.

Dá-se o nome de Cinemática à parte da Mecânica que se ocupa do estudo do movimento dos corpos. Aqui se encontra explicitada não só a forma como é feita a descrição do movimento, mas também a forma como observadores independentes podem comparar as suas observações de um mesmo fenômeno.

Nesta parte da física são introduzidos conceitos essenciais como referencial, vetor de posição, velocidade ou aceleração. São ainda introduzidas noções muito mais abstratas como referencial inercial e não inercial, conceitos que ao longo da história da Física foram sendo refinados e sujeitos a alterações profundas. Nesta primeira abordagem fixaremos a nossa atenção à abordagem clássica (Galileana) do tema, deixando para mais adiante a reformulação mais moderna dos conceitos.

A primeira tarefa com que nos deparamos ao tentar estudar um movimento é encontrar uma representação que nos permita descrevê-lo matematicamente. Existem duas boas razões para esse fazer: em primeiro lugar, essa descrição pode

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1. Princípio da objetividade: o que é visto por um observador tem de o ser por qualquer outro que esteja em condições de presenciar o mesmo fenômeno. Todavia, cada observador tem liberdade de escolher qual o referencial que mais lhe convém. O princípio da objetividade implica que tem que haver uma forma de relacionar as observações de todos eles.

2. Princípio da causalidade: A efeitos iguais correspondem causas iguais ou, inversamente, a causas iguais correspondem efeitos iguais. Os conceitos de previsibilidade e reversibilidade estão contidos, respectivamente, na primeira e segunda proposições. A primeira diz-nos que se conhecermos o efeito E1 e a causa C1 e sabemos que a causa C2 = C1 então o seu efeito E2 = E1. A segunda diz-nos que se conhecermos dois efeitos iguais E1 = E2 e que a um deles corresponde a causa C1 então a causa C2 = C1.

Antes desse processo de descrição procede-se, em geral, a uma análise da situação em estudo de forma a simplificar o problema e a eliminar efeitos pouco relevantes para o que pretendemos descrever. Desta forma, fazemos ressaltar as características mais importantes do movimento. O objeto que se move toma então a designação genérica de corpo.

À medida que o corpo se move, descreve uma trajetória. Na nossa descrição, o que pretendemos é indicar onde ele se encontra a cada momento. Assim, a trajetória corresponde a uma função matemática que nos fornece para cada instante de tempo a posição do corpo.

O tempo é outro conceito importante em Física. Ele mede-se experimentalmente, como se sabe, com um relógio e a unidade de medida é o segundo (abreviadamente s). A distância (espaço) percorrida pelo corpo mede-se com uma régua em relação a um ponto de referência escolhido pelo observador. A unidade de medida é o metro (abreviadamente m).

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