Aula -1Introdução, Generalidades.

Profa. Viviane Galvãovivgalvao@gmail.com

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Introdução

• Relação da Física com outras ciências• O método científico• Quantidades Físicas

– Experimentador• Relógio• Régua• Balança

• Importância da Física.

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A Natureza e seus fenômenos• Entender a regularidade da Natureza tem estimulado a

curiosidade humana há milênios.• Desde os primórdios, também tem sido clara a

importância prática desse saber: prever as cheias do Nilo, por exemplo.

• Percepção de ordem, periodicidade: o mundo é previsível– Movimento de rotação da Terra: dia e noite.– Movimento da Lua em torno da Terra: mês.– Movimento da Terra ao redor do Sol: ciclo de 365 dias, estações.– Fenômenos biológicos, meteorológicos

“O que a natureza tem de mais incompreensível é o fato de ser compreensível”, Albert Einstein. 3

Relação com outras ciências• A matemática é a linguagem da Física:

• Os fenômenos são descritos matematicamente.• As leis físicas são formuladas como equações matemáticas.

• A Física é a ciência mais fundamental: os fenômenos químicos, biológicos, ... podem “em princípio” ser explicados pelas leis da Física

• Aplicações de avanços básicos da Física têm grande impacto em outras atividades:

• Engenharia• Tecnologia• Medicina• Computação• Matemática• Infelizmente, também aplicações militares. 4

Metas da Ciência

• Observar, descrever e entender a regularidade dos fenômenos naturais.

• Encontrar as leis gerais por trás das regularidades.

• Século XVI (Galileu Galilei): O Método Científico.

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O Método Científico

• Observação e experimentação (reprodutibilidade): teste crucial na formulação das leis naturais

• A Física parte de dados experimentais• Acordo com a experiência é o juiz supremo da validade

de qualquer teoria: não vale autoridade, hierarquia, iluminação divina.

• Abstração e indução: simplificar para entender, construir modelos.

• Leis e teorias (novas previsões)• Arma mais poderosa contra as pseudo-ciências, o

charlatanismo, a enganação. 6

Física Experimental

O Método Científico

ExperimentadorRelógio

Régua

Balança

Tempo

Espaço

Massa

OBSERVAÇÃO

EXPERIMENTAÇÃO

MODELAGEM

PREVISÃO

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O Método Científico

• Observação e experimentação: teste crucial na formulação das leis naturais. A física parte de dados experimentais

• Acordo com a experiência é o juiz supremo da validade de qualquer teoria

• Abstração e indução• Leis e teorias

• Relógio: qualquer movimento periódico– Nascer do sol: intervalo de um dia– Sucessão das estações: intervalo de um ano.– Outros movimentos celestes.– Galileu usou suas pulsações como relógio.– Movimento de um pêndulo.– Frequência da luz emitida por átomos.

• Decaimento radioativo, usado para medir tempo em escala geológica.• Irreversibilidade (nascimento morte): o tempo parece ter um sentido! (entropia).

O tempo

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Relógios precisos

• Determinação da longitude : fundamental para a navegação

• Comparar hora local (posição do Sol) com hora de Greenwich

• Terra gira 360o em 24 horas, variação de uma hora desvio de 15o de longitude.

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História da medição do tempo

Relógio de SolSéculo 16 AC no Egito

Clepsidra (relógio de água)Século 15 AC

Hora no verão diferente dahora no inverno.Em 263 AC, relógio trazido daCatânia para Roma apresentou tempo errado aos romanos por100 anos.

O pinga-pinga foi o precursor do tic-tac dos relógios

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História da medição do tempo

AmpulhetaSéculo 14 na EuropaUsado para marcar tempo de eventos como sermões, aulas...

Relógio de pêndulo1656 astrônomo holandês Cristiaan Huygens.Galileu, em 1580, foi o primeiro a ver a importância do pêndulo.

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História da medição do tempo

Relógio de molaSéculo 15 na EuropaImpreciso inicialmenteTornou o relógio miniaturizável.Tecnologia que reinou até o advento do relógio de quartzo.

Relógio de quartzo1927 J.W.Horton e W.A.MorrisonTinha o tamanho de uma salaPreciso: mostrou que o segundo como1/86.400 do ano médio era impreciso.

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História da medição do tempoRelógio Atômico

• Átomos de Césio 133 têm uma transição numa frequência de 9.192.631.770 ciclos /s (Hz)• Os átomos absorvem energia na cavidade de microondas e ficam em ressonância.• Átomos de Césio sempre emitem nesta mesma frequência: bom padrão de medida de tempo.• Em 1967, na 13a. Conferência Geral de Pesos e Medidas, foi definido como padrão de tempo:1s 9.192.631.770 ciclos de uma transição hiperfina do césio 133 14

Relógio atômico

• 1945: Idéia: Isidor Rabi (Univ. Columbia) baseado na Ressonância Magnética de Feixe Atômico (de 1930)

• 1949: primeiro relógio, molécula de amônia• 1952: Relógio de Césio 133 (NBS-1)• 1967: Definido padrão mundial de tempo• 1968: Relógio de Césio 133 (NBS-4)• 1999: NIST-F1, precisão de 1,7 partes em 1015 ou 1

segundo em 20 milhões de anos• Dez 2005: 1 segundo em 60 milhões de anos.

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Uma Aplicação: GPS

• O Global Positioning System (GPS) consiste de uma rede de mais de 24 satélites orbitando a 20.000 km de altitude

• Cada satélite tem um relógio atômico.

• Cada receptor tem apenas um relógio de quartzo.

• Precisão de poucos metros.

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Alguns tempos característicosTempos Segundos

Menor tempo conceptível na física atual, denominado tempo de Planck

10-43

Tempo para a luz atravessar o núcleo 10-23

Período de oscilação da luz visível 10-15

Período de oscilação de um rádio FM 10-8

Período do motor de um carro veloz 10-2

Período da batida cardíaca 100

Duração do dia 105

Duração do ano 107

Duração da vida humana 109

Desde o surgimento da escrita 1011

Desde o surgimento do homem 1013

Idade da Terra 1017

Idade do Universo 1018 17

Medida de tempos longos: datação com 14C.

• Meia vida do 14C: T1/2 = 5.730 anos• A fração de 14C (1 átomo para cada 7,8 x1011 de 12C) é

constante em organismos vivos pela constante troca de CO2 com o ambiente (fotossíntese).

• A fração de 12C não muda após a morte, porém existe desintegração do 14C.

• Comparando a relação 14C/12C em fósseis determina-se a sua idade.

• Espécimes da ordem de 20.000 anos podem ser datados.

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O comprimento• Os conceitos de tamanho e distância• A medida comparativa.• As partes do corpo humano; medidas imprecisas. O sistema inglês.• A necessidade de se estabelecer um padrão de comprimento; o padrão deveria ser uma constante!• As medidas de comprimento

O metro Padrão• 1791- International System (SI) Metro, 1 m =

10 -7 da distância do polo norte ao equador

(meridiano de Paris)

• 1797- Barra de platina

• 1859- Maxwell propõe o comprimento de

onda da linha espectral amarela do sódio.

• 1983- Distância percorrida pela luz no vácuo

em 1/299.792.458 de segundo. A velocidade

da luz é definida como c = 299.792.458 m/s.

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• Pequenas distâncias:• Microscópios: ótico, eletrônico, de força atômica, de tunelamento (escala atômica). Limitação natural na medida de comprimento: Difração

da luz (ótico) e Princípio da incerteza de Heisenberg (eletrônico).

Medidas de comprimento

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Alguns comprimentos característicos

Luminosidade

Microscopia ótica

Microscopia eletrônica

Métodos indiretos

Métodos diretos

Comprimentos Metros

Menor distância conceptível na física atual, denominada comprimento de Planck

10-35

Menor dimensão já pesquisada 10-21

Dimensão do núcleo atômico 10-15

Dimensão do átomo 10-10

Dimensão de um vírus 10-8

Dimensão de uma bactéria 10-5

Comprimento de onda da luz 10-6

Altura do homem 100

Diâmetro da Terra 107

Distância até o Sol 1011

Distância até a estrela mais próxima 1016

Dimensão da Via Láctea 1021

Distância até Andrômeda 1022

Dimensão do Universo 1026

Video: “Powers of Ten” http://www.youtube.com/watch?v=L5L7K0pbU4I22

O Quilograma Padrão

• 1889: a 1a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas definiu o protótipo do quilograma como uma peça de Platina-Irídio colocada no IBWM.

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Algumas massas característicasMassas Quilogramas

Massa do elétron 10-30

Massa do próton 10-27

Massa de um vírus 10-21

Massa de uma bactéria 10-12

Massa de uma pulga 10-7

Massa do homem 102

Massa do Pão de Açúcar 1010

Massa da atmosfera 1019

Massa dos oceanos 1021

Massa da Terra 1025

Massa do Sol 1030

Massa da Via Láctea 1041 a 1042

Massa do Universo 1053 a 1054

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Unidades SI

UNIDADES SINome Símbolo Grandezametro m Comprimentokilograma kg Massasegundo s Tempoampere A Corrente elétricakelvin K Temperatura termodinâmicamole mol Quantidade de substânciacandela cd Intensidade luminosa

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Sistemas de Unidades

oscarsantos@utfpr.edu.br

• Algumas unidades fundamentais:Grandeza Sistema Internacional - SI CGS

Comprimento Metro TempoMassa

Carga elétrica

Metro – mSegundo – s

Quilograma – kgCoulomb - C

Centímetro – cmSegundo – s

Grama - g

• Algumas unidades derivadas:Grandeza Sistema Internacional - SI CGS

VelocidadeAceleração

ForçaEnergia

m/sm/s2

kg.m/s2 = Newtonkg.m2/s2 = Joule

cm/scm/s2

g.cm/s2 = Dina

Alguns prefixosFator Prefixo Símbolo

1018 exa E1015 peta P1012 tera T109 giga G106 mega M103 quilo k102 hecto h101 deca da

Fator Prefixo Símbolo

10-1 deci d10-2 centi c10-3 mili m10-6 micro 10-9 nano n10-12 pico p10-15 femto f10 18‑ atto a

Microscópio

Nanotubo

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Grandeza Símbolo Dimensão Unidade

Área A L2 m2

Volume V L3 m3

Velocidade v L/T m/s

Aceleração a L/T2 m/s2

Força F ML/T2 kg.m/s2

Pressão (F/A) p M/LT2 kg/m.s2

Densidade (M/V) ρ M/L3 kg/m3

Energia E ML2/T2 kg.m2/s2

Potência (E/T) P ML2/T3 kg.m2/s3

DIMENSÕES DAS GRANDEZAS FÍSICAS:As dimensões das grandezas físicas dependem das dimensões das grandezas fundamentais envolvidas:

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Análise Dimensional• A palavra DIMENSÃO tem um significado especial em física denota a natureza física de uma grandeza

• Não importa se uma distância é medida em metros ou em pés, ela é uma distância e dizemos que a sua dimensão é o COMPRIMENTO

• Três grandezas fundamentais dimensão de comprimento L, dimensão de massa M e dimensão de tempo T.

L, M, T

dimensões das grandezas de base da Mecânica

Expoentes dimensionais γβ, α,

1TML 000 V Grandeza adimensional

• Se os expoentes forem nulos a grandeza é adimensional

Equação dimensional da velocidade.

Através dela você pode concluir que a

unidade de velocidade no sistema

SI é m/s.

A grandeza velocidade expressa a distância percorrida ΔS por unidade de tempo Δt:

tS

v

TL

tempoTt

ocomprimentLS

v

)(

)(

No sistema SI as unidades fundamentais para o comprimento, a massa e o tempo são, respectivamente o metro, o quilograma e o segundo.

Análise Dimensional

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• As dimensões de uma grandeza derivada determinam-se a partir da sua equação de definição através das substituições:

comprimento L, massa M e tempo T

Exemplos:

Grandeza Símbolo Equação de definição

Dimensão

Área A A = l1 x l2 L x L = L2

Velocidade v v = l / t L / T = L T-1

Aceleração a a = v / t L T-1 / T = L T-

2

Força F F = m a M L T -2

Análise Dimensional