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  • Fsica para o Ensino Medio Integrado com Tecnico em

    Mecanica ou Eletroeletronica

    Termodinamica e Optica5o Modulo

    Fernando C. Guesser

    fernando.guesser@ifsc.edu.br

    20 de marco de 2013

    versao atualizada disponvel em www.joinville.ifsc.edu.br/fernando.guesser

  • Por que estudar Fsica no Ensino

    Medio Tecnico?

    Muita gente diz que nao gosta de fsica, mas voce ja parou para pensar o quanto esta ciencia colabora para

    o desenvolvimento tecnologico e cientifico, alem e claro, de tornar muitas tecnologias possveis de serem usadas.

    A fsica esta presente em todo lugar, pois todos os princpios de funcionamento das coisas sao regidos por

    fenomenos fsicos apresentados em experiencias laboratoriais ou observadas na natureza.

    E de extrema importancia o conhecimento de muitos conceitos fsicos para que os tecnicos das areas de

    tecnologia possam entender como funcionam os diversos recursos e projetar novos dispositivos.

    A fsica pode ser considerada como o bastidor da mecanica e eletroeletronica e das diversas areas da enge-

    nharia, pois muitas tecnologias e componentes empregados no chao de fabrica tais como, motores, solenoides,

    sensores, resistores, prensas e etc, utilizam princpios fsicos.

    - Por que quando desligamos um motor ele ainda continua o seu movimento?

    - O que e corrente eletrica?

    - Como funciona o termometro?

    - Como funciona um sensor?

    - Como e formado um campo magnetico?

    ...

    -Como as coisas funcionam?

    Vire a pagina e comece a desvendar as respostas ao longo do quarto volume deste livro.

    Nesse volume estudaremos Termodinamica e Optica e subdivide-se em:

    Termodinamica

    Temperatura

    Dilatacao Termica

    Calor

    Propagacao do Calor

    Estados Fsicos

    Gases

    Leis da Termodinamica

    Ciclos Termodinamicos

    Optica

    Ondas

    Propagacao do Som

    Otica Geometrica

    Reflexao

    Refracao

    Lentes e Retina

    Natureza da Luz

    Os outros volumes tratan de mecanica e eletromagnetismo.

    Figura 1: Maos a obra!

    i

  • A U L A

    2222A U L A

    Triiiimmm!! Toca o despertador, hora deacordar. Alberta rapidamente levanta e se prepara para sair de casa.

    - Vamos, Gaspar, que j est na hora! Voc vai se atrasar!Gaspar se move na cama, afundando mais entre os lenis:- Acho que estou com febre... Hoje vou ficar na cama...Alberta se aproxima. Pe a mo na testa de Gaspar e, depois, na sua. Repete

    a operao e arrisca um diagnstico:- Voc est quentinho, mas no acho que tenha febre... Vamos deixar

    de onda!

    O objetivo desta aula no discutir o que febre, tampouco as suas causas.Queremos discutir o que fazer para descobrir se estamos com febre, isto , qualo aparelho usado para esse fim e que conhecimentos da fsica esto por trs doseu funcionamento.

    bem conhecido o fato de que o corpo humano mantm a sua temperaturaem torno de 36C, salvo quando estamos com febre.

    Quando algum menciona a palavra temperaturatemperaturatemperaturatemperaturatemperatura, ns a compreendemos,mesmo sem jamais t-la estudado. Por exemplo: quando a previso do tempoafirma que a temperatura estar em torno de 32C, sabemos que o dia ser bemquente e que bom vestir roupas leves! Em outras palavras, sabemos que atemperatura est relacionada a quente e frio.

    Vamos voltar ao assunto da febre!

    Quando uma pessoa acha que est com febre, a primeira coisa que nos ocorre colocar a mo na testa dela, ou em seu pescoo, e arriscar um diagnstico. svezes tambm colocamos a mo na nossa prpria testa, para fazer umacomparaocomparaocomparaocomparaocomparao.

    Quando fazemos isso, podemos afirmar, no mximo, que a pessoa est maisou menos quente que ns. Mas isso no basta para dizer se ela est com febre!

    Gaspar acha que est com febre. Alberta acha que no. E a, como resolvera questo?

    Ser o nosso tato um bom instrumento para medir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturasmedir temperaturas?Vamos fazer uma experincia.

    Estou com febre?

  • A U L A

    22Testando o nosso tato...

    Para esta atividade voc vai precisar de quatro recipientes. Eles devem sersuficientemente grandes para conter gua, gelo e a sua mo.a)a)a)a)a) Coloque os recipientes 1, 2, 3 e 4 enfileirados sobre uma mesa, como indica

    a figura.b)b)b)b)b) Aquea um pouco de gua e coloque no recipiente 1. Cuidado para no

    aquecer demais e se queimar!c)c)c)c)c) Nos outros recipientes, coloque gua da torneira. Acrescente gelo ao reci-

    piente 4.

    Agora estamos prontos para iniciar as observaes.

    d)d)d)d)d) Coloque a mo esquerda no recipiente 2 e a direita, no recipiente 3. Aguardealguns instantes.

    e)e)e)e)e) Mude a mo esquerda para o recipiente 1 (com gua aquecida) e a direitapara o recipiente 4 (com gelo). Aguarde alguns instantes.

    f)f)f)f)f) Coloque as mos onde elas estavam anteriormente (item d).

    Agora responda: o que voc sentiu?Voc deve ter tido a sensao de que a gua do recipiente 2 est mais fria do

    que a gua do recipiente 3. Mas elas esto mesma temperatura, pois ambasforam recolhidas da torneira!

    Como voc pde ver, o nosso tato nos engana e por isso ns podemosconcluir que o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas o tato no um bom instrumento para medir temperaturas!

    Equilbrio: uma tendncia natural

    O que acontecer se deixarmos os quatro recipientes da experincia acimasobre a mesa, por um longo perodo de tempo?

    Quantas vezes ouvimos dizer: Venha se sentar, a sopa j est na mesa, vaiesfriar! Quantas vezes conversamos distraidamente e, quando percebemos, acerveja que est sobre a mesa ficou quente?

    Isso ocorre pois, quando dois ou mais objetos esto em contato, suastemperaturas tendem a se igualar e, ao final de um certo tempo, os dois objetostero a mesma temperatura.

    Nessa situao, isto , quando dois objetos esto mesma temperatura,dizemos que eles esto em equilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmico.

    A sopa ou a cerveja sobre a mesa esto em contato com o ar, que tem umacerta temperatura - chamada temperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambientetemperatura ambiente. Depois de certo tempo,

    gua + vapor(quente)

    gua temperaturaambiente

    gua + gelo(fria)

  • A U L A

    22todos estaro em equilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmico, temperatura ambiente! A sopa, queestava mais quente que o ar, vai esfriar, e a cerveja, que estava mais fria, vaiesquentar.

    Medindo temperaturas

    J que no possvel descobrir se h febre usando apenas o tato, precisamosrecorrer a um instrumento de medida mais preciso: o termmetro termmetro termmetro termmetro termmetro. O termmetroutilizado para medir a temperatura do corpo humano conhecido comotermmetro clnicotermmetro clnicotermmetro clnicotermmetro clnicotermmetro clnico (Figura 1). Seu princpio de funcionamento semelhante aode outros tipos de termmetro.

    Esse termmetro for-mado por um tubo devidro oco no qual de-senhada uma escala: aescala termomtricaescala termomtricaescala termomtricaescala termomtricaescala termomtrica.No interior desse tuboexiste um outro tubo,muito fino, chamado detubo capilartubo capilartubo capilartubo capilartubo capilar. O tubocapilar contm um l-quido, em geral merc-rio (nos termmetros clnicos) ou lcool colorido (nos termmetros de paredeusados para medir a temperatura ambiente).

    Quando colocamos a extremidade do termmetro clnico em contato com ocorpo, o lquido no interior do tubo capilar se desloca de acordo com atemperatura do corpo.

    importante notar que, aps colocar o termmetro sob o brao, precisamosesperar alguns minutos. Esse tempo necessrio para que se estabelea oequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmicoequilbrio trmico entre o corpo e o termmetro. Assim, o termmetro vaiindicar exatamente a temperatura do corpo. Para ler a temperatura, bastaverificar a altura da coluna de mercrio, utilizando a escala termomtrica.

    Podemos refletir agora sobre algumas questes importantes:

    Como funciona o termmetro, isto , por que o lquido se desloca? Como se constrem as escalas termomtricasescalas termomtricasescalas termomtricasescalas termomtricasescalas termomtricas?

    O objetivo das sees seguintes responder a essas duas questes.

    Aquecendo objetos

    O funcionamento do termmetro se baseia num fenmeno observado nasexperincias: em geral, os objetos aumentam de tamanho quando so aquecidos.Este aumento de tamanho chamado de dilataodilataodilataodilataodilatao. Por exemplo: nas constru-es que utilizam concreto armado, como pontes, estradas, caladas oumesmo edifcios, comum deixar um pequeno espao (as chamadas juntas dedilatao) entre as placas de concreto armado. A razo simples: as placas estoexpostas ao Sol e, quando aquecidas, dilatam-se. As juntas servem para impedirque ocorram rachaduras.

    Figura 1

  • A U L A

    22Outro exemplo encontrado nos trilhos dos trens: entre as barras de ferro

    que formam os trilhos existem espaos. Eles permitem que as barras se dilatemsem se sobrepor uma outra, como mostra a figura abaixo.

    Mais um exemplo do nosso dia-a-dia: quando est dificil remover a tampametlica de um frasco de vidro, basta aquec-la levemente. Assim, ela se dilatae sai com facilidade. Mas resta agora uma dvida:

    Por que os objetos aumentam de tamanho quando aquecidos?

    Para responder a essa questo, precisamos saber um pouco sobre a estruturados objetos. No vamos aqui entrar em detalhes, pois este ser o tema

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