Fundamentos de Física

Professor: Ricardo Noboru Igarashi

O que será visto no curso

Plano de ensino na unidade Web

Plano de ensino na unidade Web

Plano de ensino na unidade Web

Algarismos significativos

Plano de ensino na unidade Web

Plano de ensino na unidade Web

Plano de ensino na unidade Web

Plano de ensino na unidade Web

Plano de aulas na unidade web

21/03 – primeira prova N1

02/05 – segunda prova N1

16/05 – terceira prova N1

Quarta nota da N1 será por trabalhos em sala

de aula e laboratório

Menor nota descartada → média N1

20/06 – prova final

O ser humano sempre se preocupou em entende e dominar o Universo que o cerca

Explicação do som de um trovãoExplicação da luz de um relâmpago

Movimento da Terra em relação aos demais planetas

Movimento de um objeto sobre ação da gravidade

Todas essas questões, por mais diferentes que sejam, são estudadas em Física

A palavra Física (do grego: phys) significa Natureza. Em Física, como em toda ciência, qualquer acontecimento ou ocorrência é chamado fenômeno.

Ramos da Física

Estudo do movimento: Mecânica Estática

Relacionamento da luz com a capacidade de ver (Óptica)

Termodinâmica

Porque o navio não afunda? Empuxo

Circuitos elétricos

Mas para começar ...

Unidades de Medida e o Sistema

Internacional

Objetivo: Conhecer e compreender a importância de um sistema único de medidas.

A física se baseia em medições. Qual é o intervalo de temperatura entre dois estalidos de um contador? Qual é a temperatura que esta a sala? Qual é o comprimento da Avenida Paulista? Qual o valor da corrente elétrica em um fio?

Importância das medidas em física

Medir é o procedimento experimental através do qual o valor momentâneo de uma grandeza física (mensurando) é determinado como um múltiplo de uma unidade, estabelecida por um padrão, e reconhecida internacionalmente.

Medir

Como podemos descrever uma grandeza física?

Primeiro definimos uma unidade, isto é, uma medida da grandeza cujo valor é definido como exatamente 1,0. Em seguida definimos um padrão, ou seja, uma referência com a qual devem ser comparados todos os outros exemplos da grandeza.

Depois de escolhermos um padrão, devemos desenvolver métodos pelos quais qualquer medida possa ser expressa em termos do padrão. Exemplos: Raio de um átomo A distância entre dois pontos da sala.

Existem muitas grandezas físicas, contudo nem todas são independentes, por exemplo, a velocidade é uma razão entre uma distância e um tempo. Assim, escolhemos um pequeno número de grandezas físicas, como comprimento e tempo, e definimos padrões para essas grandezas.

Unidades baseadas na anatomia ...

A definição de padrões de medida, pelo menos as criadas até o século XVII, dependiam dos tamanhos da parte do corpo, tais como: o antebraço mão pé os dedos de uma mão aberta Determinada quantidade de passos.

Importância do SI

• Clareza de entendimentos internacionais (técnica, científica) ...

• Transações comerciais ...

• Garantia de coerência ao longo dos anos ...

• Coerência entre unidades simplificam equações da física ...

As sete unidades de base Grandeza unidade símbolo

• Comprimento metro m

• Massa quilograma kg

• Tempo segundo s

• Corrente elétrica ampere A

• Temperatura kelvin K

• Intensidade luminosa candela cd

• Quantidade de matéria mol mol

Muitas unidades secundárias são definidas em termos das unidades das grandezas fundamentais.

1 watt = 1 W = 1 kg.m2/s3

Quando lidamos com valore muito grandes ou muito pequenos, usamos os prefixos dados na tabela abaixo:

Alguns prefixos são muito comuns em nosso cotidiano: mililitro, centímetro, quilograma e megabyte.

Exemplos:

Regra de três simples é um processo prático para resolver problemas que envolvam quatro valores dos quais conhecemos três deles. Devemos, portanto, determinar um valor a partir dos três já conhecidos. Procedimentos na regra de três simples: 1º) Construir uma tabela, agrupando as grandezas da mesma espécie em colunas e mantendo na mesma linha as grandezas de espécies diferentes em correspondência. 2º) Montar a proporção e resolver a equação.

Mudanças de unidades

Exercícios

2) Quantos centímetros quadrados tem uma área de 6,0 km2? 3) Transforme 60 milhas/hora em pés/segundo?

Mudanças de unidades

Freqüentemente, precisamos mudar as unidades em que está expressa uma grandeza física . Para isso, usamos um método chamado de conversão em cadeia.

Fator de conversão: uma razão entre as unidades que é igual a unidade

Se por acaso introduzirmos o fator de conversão de tal forma que as unidades não se cancelem, simplesmente invertemos o fator. Lembre-se que as unidades obedecem às mesmas regras que os números e as varáveis algébricas.

Exercícios

1) O submarino de pesquisa Alvin está mergulhando com uma velocidade de 36,5 braças por minuto.

a) Expresse esta velocidade em metros por segundo. Uma braça (fath) vale exatemente

6 pés (ft) e 1m=3,28 ft b) Qual é a velocidade em milhas por hora? 1mi (milha)=5280ft c) Qual é a velocidade em anos-luz por ano? Um ano luz (al) é a distância que a luz viaja

em 1 ano 9,46 x 1012km.

O metro

• 1792: décima milionésima parte do quadrante do meridiano terrestre

• 1889: padrão de traços em barra de platina iridiada depositada no BIPM

• 1960: comprimento de onda da raia alaranjada do criptônio

• 1983: definição atual

O metro (m)

• É o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo

• Observações:

– assume valor exato para a velocidade da luz no vácuo c=299.792.458 m/s

– depende da definição do segundo

– incerteza atual de reprodução: 10-11 m

Comparações ...

• Se o mundo fosse ampliado de forma que 10-11 m se tornasse 1 mm:

– um glóbulo vermelho teria cerca de 700 m de diâmetro.

– o diâmetro de um fio de cabelo seria da ordem de 5 km.

– A espessura de uma folha de papel seria algo entre 10 e 14 km.

– Um fio de barba cresceria 200 mm/s.

4) Nas competições esportivas, a prova de corrida mais curta pode ser 100 metros (100 m) ou a de 100 jardas (100 yd).

a) Qual das duas é a mais longa? b) Qual é a diferença entre as duas distâncias em

metros? c) Qual é a diferença entre as duas distâncias em

ft?

Dados: 1 jarda = 0,9144 metro 1m = 3,28 ft

Tempo O tempo tem dois aspectos: -Nas aplicações da vida diária e para alguns fins científicos, estamos interessados em saber a hora do dia para podermos classificar os acontecimentos em ordem cronológica.

-Na maioria das aplicações científicas e tecnológicas, queremos conhecer o tempo de duração de um evento.

Duas perguntas devem ser respondidas: Quando aconteceu? Quando tempo durou?

Para atender à necessidade de um padrão de tempo mais preciso, vários países desenvolveram os chamados relógios atômicos

Baseado em uma freqüência característica do isótopo césio-133

O segundo (s) (1967)

• Um segundo é o tempo necessário para que haja 9.192.631.770 oscilações da luz (de um determinado comprimento de onda) emitida por um átomo de césio-133.

• Observações:

– Incerteza atual de reprodução: 3 . 10-14 s

Comparações ...

• Se a velocidade com que o tempo passa pudesse ser desacelerada de tal forma que 3 . 10-14 s se tornasse 1 s: – um avião a jato levaria pouco mais de 2 anos para

percorrer 1 mm.

– o tempo em que uma lâmpada de flash ficaria acesa seria da ordem de 10 anos.

– uma turbina de dentista levaria cerca de 20 anos para completar apenas uma rotação.

– um ser humano levaria cerca de 200 séculos para piscar o olho.

O quilograma (kg)

• é igual à massa do protótipo internacional do quilograma (cilindro de platina-íridio).

– incerteza atual de reprodução: 10-9 g

– busca-se uma melhor definição ...

Comparações ...

• Se as massas das coisas que nos cercam pudessem ser intensificadas de forma que 10-9 g se tornasse 1 g: – uma molécula d’água teria 3.10-16 g

– um vírus 10-11 g

– uma célula humana 1 mg

– um mosquito 1,5 kg

– uma moeda de R$ 0,01 teria 8 t

– a quantidade de álcool em um drinque seria de 24 t

As massas dos átomos podem ser comparadas entre si mais precisamente do que podem ser comparadas com o quilograma-padrão. Foi adotado um segundo padrão de massa: o átomo de carbono-12, ao qual foi atribuída uma massa de 12 unidades de massa atômica (u):

1 u= 1,6605402 x 10-27kg

Com uma incerteza de ±10 nas duas últimas casas decimais.

Exercício: 5) A Terra tem uma massa de 5,98 x 1024 kg. A massa média dos átomos que

compõem a Terra é 40 u. Quantos átomos existem na Terra?

Algumas unidades derivadas

Grandeza derivada Unidade derivada Símbolo

área

volume

velocidade

Aceleração

massa específica

metro quadrado

metro cúbico

metro por segundo

metro por segundo ao quadrado

quilogramas por metro cúbico

m2

m3

m/s

m/s2

kg/m3

A grafia correta

Grafia dos nomes das unidades

– Quando escritos por extenso, os nomes de unidades começam por letra minúscula, mesmo quando têm o nome de um cientista (por exemplo, ampere, kelvin, newton,etc.), exceto o graus Celsius.

– A respectiva unidade pode ser escrita por extenso ou representada pelo seu símbolo, não sendo admitidas combinações de partes escritas por extenso com partes expressas por símbolo.

O plural

• Quando pronunciado e escrito por extenso, o nome da unidade vai para o plural (5 newtons; 150 metros; 1,2 metros quadrados; 10 segundos).

• Os símbolos das unidades nunca vão para o plural ( 5N; 150 m; 1,2 m2; 10 s).

Os símbolos das unidades

• Os símbolos são invariáveis, não sendo admitido colocar, após o símbolo, seja ponto de abreviatura, seja "s" de plural, sejam sinais, letras ou índices.

• Multiplicação: pode ser formada pela justaposição dos símbolos se não causar anbigüidade (VA, kWh) ou colocando um ponto ou “x” entre os símbolos (m.N ou m x N)

• Divisão: são aceitas qualquer das três maneiras exemplificadas a seguir:

m/s m.s-1 m

s

Grafia dos números e símbolos

– Em português o separador decimal deve ser a vírgula.

– Os algarismos que compõem as partes inteira ou decimal podem opcionalmente ser separados em grupos de três por espaços, mas nunca por pontos.

– O espaço entre o número e o símbolo é opcional.

Alguns enganos

• Errado

– Km, Kg

–

– 2 hs, 15 seg

– 80 KM

– 250°K

– um Newton

• Correto

– km, kg

– m

– 2 h, 15 s

– 80 km/h

– 250 K

– um newton

Outros enganos

Tabela de conversão

TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES:

FORÇA

N kgf dyn lbf

1 Newton (N) 1 0,1 105 0,22

1 kilograma força (kgf) 9,81 1 980665 2,2

1 dina (dyn) 10-5 1,02x10-6 1 2,25 × 10-5

1 libra força (lbf) 4,45 0,45 444822,16 1

TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES:

PRESSÃO

Pa atm mmHg bar psi Tor

1 pascal (Pa) 1 9,87x10-6 0,01 10-5 1,45x10-4 0,01

1 atmosfera (atm) 101 325 1 760 1,01325 14,7 760

1 milímetro de Hg (mmHg) 133,32 1,32x10-3 1 1,33x10-3 0,02 1

1 bar (bar) 1,0 × 105 0,99 750,06 1 14,5 750,06

1 lbf/in2 (psi) 6894,76 0,07 51,72 0,07 1 51,72

1 Torr 133,32 1,32x10-3 1 1,33x10-3 0,02 1

1) Faça as seguintes conversões:

a) 3,2_______=3,2.10-9 m

b) 42________=4,2.10-2m

c) 7,3________=0,0073 g

d) 12,5_______=125mm

2) Complete o espaço branco com a unidade correta:

3) Um ônibus espacial está em orbita em torno da Terra a uma amplitude de 3000 km. A que distância se encontra da Terra em milhas. 4) Qual é a idade do universo em dias? O universo tem uma idade de 5 x 1017 segundos. 5) Expresse a velocidade da luz, 3,0x108 m/s em (a) pés por nanossegundo e (b) milímetros por picossegundo.