Os Fundamentos da Física - Vol. 3 - Eletricidade, Física Moderna, Análise Dimensional - Ramalho, Nicolau, Toledo

Os Fundamentos da Física - Vol. 3 - Eletricidade, Física Moderna, Análise...

(Parte 1 de 7)

Moderna PLUS

Francisco Ramalho Junior Professor de Física em cursos pré-vestibulares.

Nicolau Gilberto Ferraro

Licenciado em Física pelo Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP). Engenheiro metalurgista pela Escola Politécnica da USP. Professor de Física em cursos pré-vestibulares e em escolas do Ensino Médio e Superior.

Paulo Antônio de Toledo Soares

Médico diplomado pela Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (FMUSP). Professor de Física em cursos pré-vestibulares e em escolas do Ensino Médio.

FÍSICA 3 oS FundAmentoS dA FÍSICA RAMALHO • NICOLAU • TOLEDO

© Francisco Ramalho Junior, Nicolau Gilberto Ferraro, Paulo Antônio de Toledo Soares, 2009

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. Todos os direitos reservados

Rua Padre Adelino, 758 - Belenzinho São Paulo - SP - Brasil - CEP 03303-904

Vendas e Atendimento: Tel. (0_ _11) 2602-5510

Impresso n

ISBN 978-85-16-07415-9

Moderna PLUS

Coordenação de Projeto e Inovação: Sérgio Quadros, Sandra Homma Coordenação editorial: Rita Helena Bröckelmann Edição de texto: Alexandre Braga D’Avila (coordenação), Edna Emiko Nomura, Tomas Masatsugui Hirayama, Erich Gonçalves da Silva, Eugenio Dalle Olle, Horácio Nakazone, Luciana Ribeiro Guimarães, Caio Alencar de Matos Assistência editorial: Denise Minematsu, Paula Paschoalick Coordenação de design e projetos visuais: Sandra Homma Projeto gráfico e capa: Everson de Paula, Marta Cerqueira Leite

Foto: Telescópio Hubble - © Dorling Kindersley/ Getty images

Coordenação de produção gráfica: André Monteiro, Maria de Lourdes Rodrigues Coordenação de revisão: Elaine C. del Nero Revisão: Alexandra Costa, José Alessandre da Silva Neto, Márcia Leme, Nelson de Camargo Coordenação de arte: Wilson Gazzoni Agostinho Edição de arte: Fernanda Fencz, A+ Comunicação Ilustrações: Adilson Secco, Éber Evangelista, Nelson Matsuda, Studio Caparroz Assessoria de projetos visuais: William Hiroshi Taciro Edição de infografia: Erich Gonçalves da Silva, Alexandre Braga D‘Avila, Tomas Masatsugui Hirayama, Eugenio Dalle Olle Cartografia: Alessandro Passos da Costa Editoração eletrônica: Grapho Editoração Coordenação de pesquisa iconográfica: Ana Lucia Soares Pesquisa iconográfica: Angélica Nakamura, Camila DAngelo, Flávia Aline de Morais, Thais R. Semprebom, Vera Lucia Barrionuevo As imagens identificadas com a sigla CID foram fornecidas pelo Centro de Informação e Documentação da Editora Moderna Coordenação de bureau: Américo Jesus Tratamento de imagens: Alexandre Petreca, Fabio N. Precendo, Rubens N. Rodrigues Pré-impressão: Everton L. de Oliveira, Helio P. de Souza Filho, Marcio H. Kamoto Coordenação de produção industrial: Wilson Aparecido Troque

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

Ramalho Junior, Francisco

Os Fundamentos da Física / Francisco Ramalho

Junior, Nicolau Gilberto Ferraro, Paulo Antônio de Toledo Soares. — 10. ed. — São Paulo : Moderna, 2009.

Conteúdo: V. 1. Mecânica — V. 2. Termologia, óptica e ondas — V. 3. Eletricidade, introdução à física moderna e análise dimensional. Bibliografia.

1. Física (Ensino médio) 2. Física (Ensino médio) –

Problemas, exercícios etc. I. Ferraro, Nicolau Gilberto. I. Soares, Paulo Antônio de Toledo. II. Título.

1. Física : Estudo e ensino530.7

Índices para catálogo sistemático:

Apresentação

Nesta coleção, a Física é apresentada como uma ciência moderna e profundamente inserida em sua vida. Estudá-la, paralelamente às demais disciplinas, é um compromisso que você tem consigo mesmo, a fim de se desenvolver como cidadão, apto a contribuir, com seus conhecimentos e uma formação científica bem estruturada, para o progresso da sociedade em que vive.

Além de desenvolver o conteúdo básico de Física estabelecido para o Ensino Médio, procura-se nesta obra relacionar as leis e os fenômenos físicos ao dia a dia e ao desenvolvimento de processos tecnológicos. A exposição teórica de um assunto vem sempre acompanhada por exercícios resolvidos, cuja finalidade é analisar, elucidar e mesmo ampliar a teoria apresentada. Com objetivo semelhante ao dos exercícios resolvidos, há exercícios propostos, para que você possa exercitar e assimilar os itens teóricos. Há ainda Exercícios propostos de recapitulação, que, além de um grau de dificuldade maior que os anteriores, têm por objetivo revisar e complementar os assuntos abordados. No final de cada capítulo, você encontra os testes propostos, ordenados de acordo com a exposição da teoria. Exercícios especiais, presentes em alguns capítulos, têm outra finalidade: aprofundar ainda mais os conteúdos e relacioná-los com conceitos vistos anteriormente. Além disso, em toda a obra são incluídas questões de vestibulares, do Enem e das Olimpíadas de Física.

Acompanhando a evolução tecnológica de nossa sociedade, em cada capítulo indicamos endereços eletrônicos (Entre na rede), onde você poderá obter informações sobre os diversos assuntos desenvolvidos e trabalhar com animações e simulações de alguns fenômenos estudados.

No Portal Moderna Plus, você, aluno, encontra:

• Textos sobre História da Física, que situam no tempo os cientistas e seus feitos, com a descrição de seus estudos, suas pesquisas e suas descobertas, revelando que a ciência está em constante desenvolvimento. Complementando a biografia, criamos o item Enquanto isso..., em que fazemos breves considerações a respeito de personalidades importantes do período, em diferentes ramos de atividade.

• A Física em nosso Mundo, que são leituras especiais indicadas no final de cada capítulo, com a finalidade de mostrar que essa ciência está fortemente relacionada com a vida e o cotidiano do ser humano. Após cada uma dessas leituras, sugerimos novos exercícios em Teste sua leitura, para que você possa aplicar os conhecimentos apresentados no texto.

• Atividades experimentais. A intenção desses experimentos é propiciar a você que “ponha a mão na massa”, estabelecendo assim um vínculo mais profundo com a Física. Com isso, será mais fácil compreender os pilares dessa ciência e, assim o desejamos, fascinar-se com ela.

Ramalho, Nicolau e Toledo organização DiDática

Eletrização. Força elétrica

Abertura de Unidade

No início de cada

Unidade há indicação do tema sobre o qual os Capítulos que ela reúne serão trabalhados.

Abertura de Capítulo

Cada abertura de

Capítulo apresenta imagem retratando situações cotidianas com a Física ou que propicia a aquisição de informações sobre assuntos relacionados ao Capítulo.

Abertura de Parte

Cada Parte está organizada em Unidades, com seus respectivos Capítulos.

A Coleção Moderna Plus Física é composta de três livros. O conteúdo de cada ano letivo é encadernado separadamente em três partes: Parte I, Parte I e Parte II, que serão utilizadas em um ano letivo. Assim, você leva para a sala de aula apenas a Parte na qual está o conteúdo em estudo.

Há uma breve descrição do que será estudado no Capítulo e um foco (objetivo) para cada Seção do Capítulo.

Alguns temas foram destacados com infografias, criando oportunidade para você exercitar a leitura de imagens.

Cada infográfico apresenta algumas questões que possibilitam o estudo do tema proposto.

orgAnIzAção dIdátICA

Abertura de Seção

Cada Capítulo é organizado em seções. No início de cada Seção existe a descrição dos seus

Objetivos e também dos Termos e Conceitos que serão estudados nela. Os Termos e Conceitos serão retomados no Caderno do Estudante promovendo revisitação aos temas do Capítulo. Dessa maneira, você tem uma visão geral sobre a Seção que irá estudar.

Leitura Quadro com ampliação do tema com base em relatos históricos, aplicações e desenvolvimento tecnológico.

Entre na rede: sugestões de endereços eletrônicos com mais informações sobre o assunto do Capítulo, além de animações e simulações dos conteúdos trabalhados.

Conteúdo digital Moderna Plus: ícone com indicação de conteúdo digital no portal do Projeto Moderna Plus, como leituras complementares, animações, exercícios extras, simulações e vídeos relativos ao tema estudado.

Exercícios resolvidos: têm como função analisar, elucidar e ampliar a teoria apresentada.

Exercícios propostos: propõem o exercício e assimilação dos conteúdos teóricos.

Exercícios propostos de recapitulação: apresentam um grau de dificuldade maior e auxiliam na revisão e complementação dos assuntos abordados.

Testes propostos: questões das provas de vestibulares mais recentes ordenadas de acordo com a exposição da teoria. Exercícios especiais: questões de aprofundamento que se relacionam com conceitos vistos anteriormente.

SumárIo gerAl

I Seção

1.1 Eletrização por atrito. Noção de carga elétrica, 16

Leitura — A série triboelétrica _ 17 1.2 Princípios da Eletrostática, 18 1. Princípio da atração e repulsão _ 18 2. Princípio da conservação das cargas elétricas _ 18 3. Condutores e isolantes _ 19 1.3 Outras formas de eletrização, 21 1. Eletrização por contato _ 21 2. Eletrização por indução _ 23

Leitura — Gerador eletrostático de Van de Graaf _ 25 3. Eletroscópios _ 25 1.4 Forças entre cargas elétricas puntiformes: lei de Coulomb, 29

Leitura — A experiência de Coulomb _ 31 Leitura — A xerografia _ 37 Exercícios propostos de recapitulação, 38

Unidade A Cargas elétricas em repouso Capítulo 1 eletrização. Força elétrica 14

Seção

2.1 Conceito de campo elétrico, 48

Unidade de intensidade de campo elétrico, 50 2.2 Campo elétrico de cargas puntiformes, 51 1. Campo elétrico de uma carga puntiforme Q fixa _ 51

Intensidade, 51; Direção, 52; Sentido, 52 2. Campo elétrico de várias cargas puntiformes fixas _ 54 3. Linhas de força _ 57 2.3 Campo elétrico uniforme, 59

Leitura — As fotos das linhas de força _ 61 Exercícios propostos de recapitulação, 62

Capítulo 2 Campo elétrico 46

Seção

3.1 Trabalho da força elétrica, 68 1. Trabalho da força elétrica num campo uniforme _ 68 2. Trabalho da força elétrica num campo elétrico qualquer _ 69 3.2 Diferença de potencial elétrico, 70

Unidade de diferença de potencial, 70 1. Potencial elétrico num ponto de um campo elétrico qualquer _ 71 2. Potencial elétrico no campo de uma carga puntiforme _ 72 3. Potencial elétrico no campo de várias cargas _ 74 4. Energia potencial elétrica _ 75

A unidade elétron-volt, 76 5. Propriedades do potencial elétrico _ 7 3.3 Superfície equipotencial, 78 1. Superfície equipotencial em um campo elétrico uniforme _ 79 2. Diferença de potencial entre dois pontos de um campo elétrico uniforme _ 79

Exercícios propostos de recapitulação, 81 Exercícios especiais de trabalho e potencial elétrico, 86 Leitura — Dispositivos eletrostáticos _ 8

Capítulo 3 trabalho e potencial elétrico 67

Unidade B Cargas elétricas em movimento

Capítulo 5 Corrente elétrica 110

Seção

Unidade de intensidade de corrente elétrica, 114 2. Sentido convencional da corrente elétrica _ 114

5.3 Efeitos da corrente elétrica, 119

5.4 Energia e potência da corrente elétrica, 121 1o caso: Ep(A) . Ep(B), 121 2o caso: Ep(A) , Ep(B), 122 Unidades de energia e potência elétrica, 122 Leitura — O relógio da luz _ 124 Leitura — A conta de luz _ 125

Exercícios propostos de recapitulação, 126

Seção

condutor em equilíbrio eletrostático94

4.1 Propriedades dos condutores em equilíbrio eletrostático, 93 1. Distribuição das cargas elétricas em excesso num 2. Campo e potencial de um condutor esférico _ 94 3. Densidade elétrica superficial _ 96

4.2 Capacitância eletrostática de um condutor isolado, 9 1. Capacitância eletrostática de um condutor esférico _ 9

Unidade de capacitância eletrostática, 100 2. Equilíbrio elétrico de condutores _ 101

4.3 A Terra: potencial elétrico de referência, 103

Blindagem eletrostática _ 104 Leitura — A gaiola de Faraday _ 105

Exercícios propostos de recapitulação, 105

Capítulo 4 Condutores em equilíbrio eletrostático. Capacitância eletrostática 92

Capítulo 6 resistores 130

Seção

6.1 Considerações iniciais, 132 1. Efeito térmico ou efeito Joule _ 132 2. Resistores _ 132 Tipos de resistores, 133

6.2 Resistência elétrica. Lei de Ohm, 133

Unidade de resistência elétrica, 134 Curvas características de resistores ôhmicos e não ôhmicos _ 135

6.3 Lei de Joule, 137

6.4 Resistividade, 140 Leitura — Variação da resistividade com a temperatura _ 142

Exercícios propostos de recapitulação, 143

SumárIo gerAl

Capítulo 7 Associação de resistores 150

Seção

7.1 Resistor equivalente. Associação de resistores em série, 152 1. Associação de resistores em série _ 152 2. Reostatos _ 154 3. Aplicações do efeito Joule _ 156

Fusíveis, 156 Leitura — Disjuntores _ 157 Lâmpada incandescente, 157 Leitura — A emissão de luz na lâmpada incandescente _ 158

7.2 Associação de resistores em paralelo, 160 7.3 Associação mista de resistores, 164

7.4 Curto-circuito, 168 Leitura — O chuveiro elétrico _ 169

Exercícios propostos de recapitulação, 173 Exercícios especiais de associação de resistores, 181

Capítulo 8 medidas elétricas 183

Seção

8.2 Ponte de Wheatstone, 189 Leitura — O multímetro _ 194

Exercícios propostos de recapitulação, 194

Capítulo 9 geradores elétricos 200

Seção

9.1 Gerador. Força eletromotriz, 202 1. As potências e o rendimento elétrico de um gerador _ 204 2. Equação do gerador. Circuito aberto _ 204 3. Curto-circuito em um gerador _ 207 4. Curva característica de um gerador _ 208

9.2 Circuito simples. Lei de Pouillet, 210

9.3 Associação de geradores, 219 1. Associação em série _ 219 2. Associação em paralelo _ 220

9.4 Estudo gráfico da potência elétrica lançada por um gerador em um circuito, 223 Leitura — As pilhas secas _ 226

Exercícios propostos de recapitulação, 227

Capítulo 10 receptores elétricos 238

Seção

10.1 Receptor. Força contraeletromotriz, 240 1. As potências e o rendimento elétrico de um receptor _ 242 2. Equação do receptor _ 242

SumárIo gerAl

Capítulo 1 As leis de Kirchhoff 254

Seção 1.1 As leis de Kirchhoff, 256

1.2 Potenciômetro de Poggendorff, 260 Exercícios propostos de recapitulação, 262

Capítulo 12 Capacitores 265

Seção

12.1 Capacitor, 266

Capacitor plano _ 268 Leitura — A experiência de Millikan _ 273

12.2 Associação de capacitores, 274 1. Associação de capacitores em série _ 274 2. Associação de capacitores em paralelo _ 275

12.3 Energia potencial elétrica armazenada por um capacitor, 276 12.4 Carga e descarga de um capacitor, 282

12.5 Dielétricos, 284 1. Polarização do dielétrico _ 286 2. Rigidez dielétrica de um isolante _ 287 Leitura — O flash eletrônico _ 288

Exercícios propostos de recapitulação, 289

Capítulo 13 Campos magnéticos 298

Seção 13.1 Conceitos iniciais, 300

13.2 Campo magnético dos ímãs, 302 1. Vetor indução magnética _ 302

Direção e sentido de B; Intensidade de B _ 302 2. Linhas de indução _ 303

13.4 Campo magnético terrestre, 317 Elementos do campo magnético terrestre _ 318

Exercícios propostos de recapitulação, 320 Exercícios especiais de campo magnético, 330

PARTEII Unidade C Eletromagnetismo

3. Curva característica de um receptor _ 244 4. Gerador reversível _ 245

10.2 Circuito gerador-receptor e gerador-receptor-resistor, 246 Leitura — A bateria de chumbo _ 250

Exercícios propostos de recapitulação, 250

SumárIo gerAl

Unidade D Introdução à Física Moderna

Capítulo 17 ondas eletromagnéticas 410

Seção

17.1 Considerações iniciais, 412 1. Hipóteses de Maxwell _ 412 2. Características das ondas eletromagnéticas _ 412

(Parte 1 de 7)

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