Física 1

Física 1

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compreendendo a

Física mec âni ca 1 físi ca ensi no médio alberto gaspar manual do professor

alberto gaspar Livre-docente em Didática e Prática de Ensino pela Unesp (Universidade Estadual Paulista) Doutor em Educação pela Universidade de São Paulo Mestre em Ensino de Física pela Universidade de São Paulo Licenciado em Física pela Universidade de São Paulo Professor de Física da Unesp – Campus de Guaratinguetá

Física 2a edição São Paulo - 2013 compreendendo a

Física mec âni ca 1 ensi no médio manual do professor

Diretoria editorial: Angélica Pizzutto Pozzani

Gerência de produção editorial: Hélia de Jesus Gonsaga

Editoria de Matemática, Ciências da Natureza e suas Tecnologias: Cármen Matricardi

Editor assistente: Rodrigo Andrade da Silva; Letícia Mancini Martins e Luiz Paulo Gati de Cerqueira Cesar (estags.)

Supervisão de arte e produção: Sérgio Yutaka

Editor de arte: André Gomes Vitale Diagramador: Wander Camargo

Supervisão de criação: Didier Moraes

Design gráfico: Paula Astiz Design (capa e miolo)

Revisão: Rosângela Muricy (coord.), Ana Carolina Nitto (prep.),

Ana Paula Chabaribery Malfa, Arnaldo R. Arruda, Luís Maurício Bôa Nova e Gabriela Macedo de Andrade (estag.)

Supervisão de iconografia: Sílvio Kligin

Pesquisadores iconográficos: Caio Mazzilli e Roberta Freire Lacerda

Cartografia: Juliana Medeiros de Albuquerque e Márcio Santos de Souza

Tratamento de imagem: Cesar Wolf e Fernanda Crevin

Fotos da capa: John Rensten/Getty Images e Connie Coleman/Getty Images

Ilustrações: Cláudio Chiyo, Formato Comunicação, Paulo Manzi e Sidnei Moura

Direitos desta edição cedidos à Editora Ática S.A.

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Tel.: 4003-3061 w.atica.com.br/editora@atica.com.br

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Gaspar, Alberto

Compreendendo a física / Alberto Gaspar. – 2. ed. – São Paulo : Ática, 2013. Conteúdo: v. 1. Mecânica v. 2. Ondas, óptica, termodinâmica v. 3. Eletromagnetismo e física moderna.

Bibliografia 1. Física (Ensino médio) I. Título.

Índice para catálogo sistemático: 1. Física : Ensino médio 530.07

Uma publicação

Versão digital

Diretoria de tecnologia de educação: Ana Teresa Ralston Gerência de desenvolvimento digital: Mário Matsukura

Gerência de inovação: Guilherme Molina

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Drielly Galvão Sales da Silva, José Victor de Abreu e Michelle Yara Urcci Gonçalves

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Desenvolvimento dos objetos digitais: Agência GR8, Atômica Studio, Cricket Design, Daccord e Mídias Educativas

Desenvolvimento do livro digital: Digital Pages

Física, além de buscar o conhecimento do Universo, está presente em todos os ramos da atividade humana. Por ser uma ciência abrangente e com implicações importan tes na nossa vida, o livro de Física deve apresentar um conteúdo básico, mas também permitir a constante atua lização desse conteúdo, de suas implicações tecnológicas e da própria compreensão de como os conhecimentos físicos têm sido adquiridos.

Esta coleção se propõe a auxiliar você a iniciar seus estudos nes sa ciência que tanto tem contribuído para o contínuo avanço tecnológi co do mundo que vivemos. Aqui você entenderá alguns fenômenos físicos, ao mesmo tempo que vai conhecer aspectos históricos de suas descobertas e dos cientistas que para elas contribuíram, o que tornará seu estudo agradável e desafiador, conduzindo o à consolidação de seu entendimento.

Esperamos que você possa usufruir desta coleção de forma pra zerosa e proveitosa. Para que isso aconteça, procure lembrar se sem pre de que você só pode apreciar aquilo que conhece e de que conhe cimento só se adquire com estudo, esforço e persistência.

O autor ao alu no

Conservação da energia F

Gravitação e fluidos

ABERTURA DE UNIDADE Cada unidade começa com uma página dupla, ilustrada por algum fenômeno natural ou construção humana que mostra a importância do conteúdo a ser estudado. ABERTURA DE CAPÍTULO

Os capítulos se iniciam com uma imagem de abertura acompanhada de um breve texto, que funciona como ponto de partida para o estudo do conteúdo.

Conheça seu livro Entenda como está organizado o seu livro de Física.

TEXTO PRINCIPAL, EXERCÍCIOS RESOLVIDOS, EXERCÍCIOS PROPOSTOS E BOXES COMPLEMENTARES O texto básico do conteúdo é apresentado em linguagem simples e acessível, sem prejuízo do rigor necessário à abordagem de uma disciplina científica. Nesse texto básico foram intercalados exercícios detalhadamente resolvidos seguidos de exercícios propostos (chamados simplesmente de Exercícios) para que você possa refletir sobre o que está estudando e avaliar sua compreensão do que lê. Como complemento, apresentamos alguns boxes junto ao texto, com fundo colorido, relacionados a algum termo do texto principal (que também vem destacado com uma cor diferente).

Aberturas de unidade instigantes ilustram os conceitos que serão estudados.

Texto simples e acessível acompanhado de exercícios e boxes.

conex ões

SEÇÃO CONEXÕES Cada unidade é encerrada por um texto de caráter interdisciplinar que aprofunda algum tópico abordado na unidade, relacionando-o com uma ou mais áreas do conhecimento humano. O texto é complementado por perguntas por meio das quais você poderá pesquisar e discutir com seus colegas os assuntos tratados. Esses textos podem contribuir tanto para ampliar sua visão da Física como de outras disciplinas, estabelecendo conexões entre conteúdos e auxiliando-o a perceber que o conhecimento está em constante e permanente diálogo, o que contribui para sua conduta consciente e cidadã no mundo.

BOXE CONEXÕES Ao longo do texto principal, há vários momentos que permitem estabelecer relações com outras disciplinas do conhecimento. Alguns deles são destacados por meio de boxes que ressaltam com quais áreas determinado conteúdo está dialogando.

ATIVIDADES PRÁTICAS No fim de cada capítulo, sugerimos atividades experimentais cujo objetivo é levar você a refletir sobre os fenômenos tratados. Realizados com a orientação do professor, esses experimentos vão auxiliar você a compreender melhor os conteúdos apresentados.

QUESTÕES DO ENEM E DE VESTIBULARES Ao final de cada unidade, você vai encontrar um conjunto atualizado de questões extraídas do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) e dos principais vestibulares do país, todas referentes ao conteúdo abordado.

Conteúdos interdisciplinares que promovem a ampliação do conhecimento.

1. Velocidade angular

Objeto Educacional Digital

Este ícone indica Objetos Educacionais Digitais relacionados aos conteúdos do livro.

UNIDADE 1 INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA FÍSICA 10

1 O que é Física? 12

1. Profecias e previsões científicas: a magia e a ciência 13 2. A Física: uma construção humana 14 3. Como a Física funciona 16 4. Conceitos, princípios, leis, modelos e teorias 16 5. Áreas de atuação da Física 18 6. Aplicações tecnológicas 18 7. A Física e as civilizações extraterrestres 20 8. Concluindo: O que é Física? 21 Atividades práticas 2

2 Grandezas escalares e vetoriais 23

1. Grandezas e medidas 24 2. Grandezas fundamentais e derivadas 24 3. Sistema Internacional de Unidades (SI) 24 4. Notação científica 25 5. Ordem de grandeza 27 6. Grandezas escalares e vetoriais 28 7. Representação de grandezas vetoriais: vetor 30 8. Soma de grandezas vetoriais 31 9. Decomposição de vetores 34 Atividade prática 36 Questões do Enem e de vestibulares 37 Conexões 38

UNIDADE 2 ESTUDO DOS MOVIMENTOS 40

3 Introdução ao estudo dos movimentos 42

1. Conceito de movimento 43 2. Espaço percorrido e velocidade escalar 43 3. Ponto material e referencial 47 4. Trajetória 49

Atividades práticas 50

4 Movimentos retilíneos 51

1. Movimentos retilíneos 52 2. Posição e deslocamento 52 3. Velocidade média e instantânea 54 4. Aceleração média e instantânea 56 5. Funções e gráficos: a descrição matemática dos movimentos 59

Atividade prática 63

5 Movimento retilíneo uniforme 65

1. Movimento retilíneo uniforme (MRU) 6 2. Função da posição em relação ao tempo 6 3. Estudo gráfico do MRU 68

Atividades práticas 73

6 Movimento retilíneo uniformemente variado 75

1. Movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV) 76 2. Função da velocidade em relação ao tempo 7 3. Gráfico velocidade versus tempo 79 4. Função da posição em relação ao tempo 80 5. Gráfico posição versus tempo 82 6. Gráfico aceleração versus tempo 82 7. Função da velocidade em relação à posição — “equação” de Torricelli 84 8. Velocidade média no MRUV 86

Atividade prática 87

1. Introdução 89 2. Funções do movimento de queda livre 89 3. Lançamento oblíquo de projéteis 95

Atividades práticas 98 Questões do Enem e de vestibulares 100 Conexões 104

Sumário

UNIDADE 3 FORÇA E MOVIMENTO 106

1. Conceito de força 109 2. Inércia: a primeira lei de Newton 110 3. Força, massa e aceleração: a segunda lei de Newton 112 4. Ação e reação: a terceira lei de Newton 114 5. Newton: unidade de força do SI 115 Atividades práticas 117

1. Massa e peso 119 2. Equilíbrio do ponto material 122 3. Momento de uma força 125 4. Equilíbrio de corpos rígidos 126 5. Centro de gravidade 127 Atividades práticas 129

10 Aplicações das leis de Newton 131

1. Da Cinemática à Dinâmica 132 2. Forças de interação: aplicações da terceira lei de Newton 136 Atividade prática 142

1. Forças e movimento em um plano inclinado 144 2. Atrito 147 3. A força de atrito como força motora 154 Atividades práticas 157

12 Movimento circular uniforme 158

1. Velocidade angular 159 2. Movimento circular uniforme (MCU) 161 3. Frequência e período no MCU 162 4. Período, frequência, velocidade e velocidade angular no MCU 163 Atividade prática 165

13 Movimento circular e força centrípeta 166

1. Aceleração centrípeta 167 2. Força centrípeta 168 Atividade prática 174 Questões do Enem e de vestibulares 175 Conexões 178

UNIDADE 4 LEIS DE CONSERVAÇÃO 180

1. Conceito de trabalho 183 2. Trabalho de força constante 184 3. Unidade de trabalho no SI – o joule (J) 185 4. Trabalho de força de módulo variável 187 5. Potência 188 6. Potência e velocidade 190

7. Rendimento 192 Atividades práticas 193

1. A energia e suas formas 196 2. Energia cinética 197

3. Energia potencial 201 Atividades práticas 205

1. Energia mecânica 207 2. Conservação da energia mecânica 208

3. Trabalho de forças dissipativas 214 Atividades práticas 216

17 Impulso e quantidade de movimento 217

1. Introdução 218 2. Impulso de força variável: determinação gráfica 221 3. Força média no impulso 223

4. Conservação da quantidade de movimento 225 Atividade prática 230 Questões do Enem e de vestibulares 231 Conexões 236

UNIDADE 5 GRAVITAÇÃO E FLUIDOS 238

1. Introdução 241 2. As leis de Kepler 242 3. A lei da gravitação universal 244 4. Campo gravitacional 247

5. O vetor g& 248 6. Planetas e satélites: a terceira lei de Kepler e a velocidade orbital 250 Atividades práticas 252

19 Introdução à Hidrostática 254

1. Líquidos — natureza, forma e propriedades 255 2. Densidade 258 3. Pressão 260 4. Pressão no interior de um líquido em repouso — lei de Stevin 262 5. Consequências da lei de Stevin 264 Atividades práticas 268

20 Pressão e empuxo 270

1. Princípio de Pascal 271 2. Princípio de Arquimedes 273 3. Peso aparente e flutuação dos corpos 274 Atividades práticas 279 Questões do Enem e de vestibulares 281 Conexões 284

Glossário 286

Respostas 290

Leituras complementares 296

Significado das siglas 298

Bibliografia 299 Índice remissivo 301

unid ade 1

Introdução ao estudo da Física

Claud B./Shut

Por muitos e muitos séculos, fomos incapazes de compreender vários fenômenos naturais, como a sucessão dos dias e das noites, as fases da Lua ou o arco-íris. No entanto, a regularidade com que eles ocorrem nos levou a perceber que a natureza tem regras ou leis que nos permitiriam começar a entendê-la. Essa percepção nos levou a construir a ciência, em particular, a Física. Iniciamos esta unidade apresentando no capítulo 1 uma breve história e um panorama da Física, ciência que agora você começa a estudar. Em seguida, no capítulo 2, complementamos essa introdução apresentando o objeto básico de trabalho da Física: as grandezas e suas medidas.

O que é Física?

Os eclipses do Sol são fenômenos naturais cuja descrição científica implica em algumas coincidências extraordinárias. A mais intrigante delas diz respeito ao diâmetro aparente do Sol e da Lua. Vistos da Terra, os dois têm praticamente o mesmo tamanho, o que tanto pode gerar a ocultação completa do Sol como dar origem a um fino anel de luz em torno dele, como mostra a foto acima.

Outra coincidência importante: os planos das órbitas da Terra e da Lua se interceptam e, de tempos em tempos, a Lua se interpõe exatamente entre a Terra e o Sol. Nessas ocasiões, quando o eclipse é total, uma faixa da sombra da luz do Sol, projetada pela Lua, percorre a superfície terrestre e, nos lugares por ela atingidos, o dia transforma-se em noite por alguns minutos. A Física não sabe dizer se essas coincidências são, de fato, coincidências ou se há uma causa maior que as determine. Também não sabe nem espera poder saber todos os porquês dos fenômenos que conhecemos. No entanto, a Física é capaz de entender, com extraordinária precisão, como esses fenômenos funcionam, bem como é capaz de aplicar esse conhecimento com notável eficiência.

capítul o 1

Sequência de fotos do eclipse lunar ocorrido em 21 de maio de 2012, visto de Tóquio (Japão).

cApíTuLO 1 – O que é FíSicA? 13

1. Profecias e previsões científicas: a magia e a ciência

“Em 1896 há de rebanhos mil correr da praia para o sertão; então o sertão virará praia e a praia virará sertão.” Assim Euclides da Cunha, autor de Os Sertões, narra uma das muitas profecias de Antônio Conselheiro (1830-1897), beato, misto de sacerdote e chefe de jagunços, que, no final do século XIX, liderou cerca de 30 mil sertanejos que viviam em Canudos, arraial localizado ao norte da Bahia, até serem massacrados por tropas do governo federal.

De onde Antônio Conselheiro tirava suas profecias?

Que diferença há entre profecias e previsões científicas? Essa é, sem dúvida, uma das primeiras noções que devem estar muito claras para qualquer pessoa que tenha interesse em ciência ou pretenda se dedicar à carreira científica.

Às vezes essa diferença parece óbvia, pois algumas profecias expressam ideias absurdas ou mirabolantes, mas não é esse o aspecto que as diferencia das previsões científicas — muitas previsões científicas também podem nos parecer absurdas ou mirabolantes.

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