3 Movimento Retilíneo O movimento é relativo Rapidez Velocidade Aceleração Queda livre 46

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1 Sumário 1 Sobre a Ciência Medições científicas 3 Como Eratóstenes mediu o tamanho da Terra 3 O tamanho da Lua 4 A distância da Lua 5 A distância do Sol 6 O tamanho do Sol 7 Matemática: a linguagem da ciência Os métodos científicos 8 A atitude científica Ciência, arte e religião 12 Pseudociência Ciência e tecnologia 14 Avaliação de riscos Física: a ciência fundamental Em perspectiva 16 3 Movimento Retilíneo O movimento é relativo Rapidez 40 Rapidez instantânea 41 Rapidez média Velocidade 42 Velocidade constante 43 Velocidade variável Aceleração 43 A aceleração nos planos inclinados de Galileu Queda livre 46 Quão rápido 46 Quanto cai 48 Tempo de voo 50 Quão rapidamente muda a rapidez Vetores velocidade 51 PARTE I Mecânica 19 2 Primeira Lei de Newton do Movimento Inércia Aristóteles explica o movimento 21 Copérnico e o movimento da Terra 22 Aristóteles ( a.c.) Os experimentos de Galileu 23 A torre inclinada 23 Os planos inclinados 23 Galileu Galilei ( ) Primeira lei de Newton do movimento 26 Experiência pessoal Força resultante 28 Vetores força A condição de equilíbrio 30 Praticando física Força de apoio Equilíbrio de corpos em movimento O movimento da Terra 33 4 Segunda Lei de Newton do Movimento Força produz aceleração Atrito Massa e peso 61 Massa resiste à aceleração Segunda lei de Newton do movimento Quando a aceleração é g queda livre Quando a aceleração é menor do que g queda não livre 65 5 Terceira Lei de Newton do Movimento Forças e interações Terceira lei de Newton do movimento 76 Definindo nosso sistema Ação e reação sobre massas diferentes 79 Praticando física: Cabo de guerra Vetores e a terceira lei Resumo das três leis de Newton 85

2 XX SUMÁRIO 6 Momentum Momentum Impulso O impulso modifica o momentum 93 Caso 1: Aumentando o momentum 93 Caso 2: Diminuindo o momentum durante um tempo longo 94 Caso 3: Diminuindo o momentum em um curto intervalo de tempo Ricocheteio Conservação do momentum 97 Princípios de conservação Colisões Colisões mais complicadas Energia Trabalho 110 Potência 112 Energia mecânica Energia potencial Energia cinética O teorema trabalho-energia Conservação da energia 117 Energia e tecnologia 118 Física circense 119 Reciclagem de energia Máquinas Rendimento Fontes de energia 123 Ciência de refugo Movimento de Rotação Movimento circular 133 As rodas dos trens Inércia rotacional Torque Centro de massa e centro de gravidade 140 Localizando o centro de gravidade 142 Estabilidade Força centrípeta 145 Praticando física: Girando um balde com água Força centrífuga 147 Força centrífuga em um sistema de referência em rotação 147 Gravidade simulada Momentum angular Conservação do momentum angular Gravidade Lei da gravitação universal A constante G da gravitação universal Gravidade e distância: a lei do inverso do quadrado Peso e imponderabilidade Marés 167 Marés na Terra e na atmosfera 170 Bulbos de maré na Lua Campos gravitacionais 170 Campo gravitacional dentro de um planeta 171 A teoria de Einstein da gravitação Buracos negros Gravitação universal Movimento de Projéteis e de Satélites Movimento de projéteis 183 Projéteis lançados horizontalmente 184 Projéteis lançados segundo um ângulo 186 Praticando física: Mãos à obra com contas em barbantes 187 Avaliação de riscos Projéteis velozes satélites Órbitas circulares de satélites Órbitas elípticas 194 O mundo monitorado por satélite As leis de Kepler do movimento planetário 196 Descobrindo o caminho Conservação da energia e movimento de satélites Rapidez de escape 198

3 SUMÁRIO XXI PARTE II Propriedades da Matéria A Natureza Atômica da Matéria A hipótese atômica 209 Alice em queda Características dos átomos Imagens atômicas Estrutura atômica 213 Os elementos A tabela periódica dos elementos 215 Tamanhos relativos dos átomos Isótopos Compostos e misturas Moléculas Antimatéria 221 Matéria escura Sólidos Estrutura cristalina 227 O poder dos cristais Massa específica Elasticidade Tensão e compressão 232 Praticando física: A resistência do triângulo Arcos 234 Manufatura aditiva ou impressão 3D Mudanças de escala Líquidos Pressão Pressão em um líquido Empuxo O princípio de Arquimedes Por que um objeto afunda ou flutua? Flutuação 253 Montanhas flutuantes O princípio de Pascal Tensão superficial Capilaridade Gases A atmosfera Pressão atmosférica 266 O barômetro A lei de Boyle O empuxo do ar O princípio de Bernoulli 272 Aplicações do princípio de Bernoulli 274 Praticando física Plasmas 276 Plasmas no mundo cotidiano 276 A energia do plasma 277 PARTE III Calor Temperatura, Calor e Dilatação Temperatura Calor 287 Medindo calor Calor específico O grande calor específico da água Dilatação térmica 291 A dilatação da água 293 Vida nos extremos Transferência de Calor Condução Convecção 304 Praticando física Radiação 307 Emissão de energia radiante 308 Absorção de energia radiante 309 Reflexão de energia radiante 310 Resfriamento noturno por radiação A lei de Newton do resfriamento O efeito estufa Mudança climática Potência solar 314 Praticando física Controlando a transferência de calor 315

4 XXII SUMÁRIO 17 Mudanças de Fase Estados da matéria Evaporação Condensação 323 Condensação na atmosfera 324 Nevoeiro e nuvens Ebulição 325 Gêiseres 326 A ebulição é um processo de resfriamento 326 Ebulição e congelamento ao mesmo tempo Fusão e congelamento 327 Regelo Energia e mudanças de fase 328 Praticando física Termodinâmica Termodinâmica O zero absoluto 337 Energia interna A primeira lei da termodinâmica Processos adiabáticos A meteorologia e a primeira lei A segunda lei da termodinâmica 344 Máquinas térmicas 344 A termodinâmica dramatizada! A ordem tende para desordem Entropia 349 PARTE IV Som Vibrações e Ondas Boas vibrações 357 A oscilação de um pêndulo Descrição ondulatória Movimento ondulatório 360 Praticando física 361 Ondas transversais 361 Ondas longitudinais A rapidez da onda Interferência 363 Ondas estacionárias Efeito Doppler Ondas de proa Ondas de choque Som A natureza do som 375 A origem do som 375 Meios que transmitem o som O som no ar 376 Alto-falantes 378 Velocidade do som no ar 378 Praticando física 379 Energia de ondas sonoras Reflexão do som Refração do som Vibrações forçadas 382 Frequência natural Ressonância Interferência Batimentos 385 Transmissão por rádio Sons Musicais Ruído e música Altura Intensidade sonora e volume de som Timbre Instrumentos musicais Análise de Fourier De analógico para o digital 399 PARTE V Eletricidade e Magnetismo Eletricidade e Magnetismo Eletricidade 407 Forças elétricas Cargas elétricas Conservação da carga 409 Tecnologia eletrônica e descargas elétricas Lei de Coulomb 411

5 SUMÁRIO XXIII 22.5 Condutores e isolantes 412 Semicondutores 412 Supercondutores Eletrização 413 Eletrização por atrito e por contato 413 Eletrização por indução Polarização da carga Campo elétrico 417 Fornos de micro-ondas 418 Blindagem eletrostática Potencial elétrico 421 Energia elétrica armazenada 423 Gerador Van de Graaff Corrente Elétrica Fluxo de carga e corrente elétrica Fontes de voltagem Resistência elétrica A lei de Ohm 434 A lei de Ohm e o choque elétrico Corrente contínua e corrente alternada 437 Transformando CA em CC Rapidez e fonte de elétrons em um circuito Potência elétrica Lâmpadas fluorescentes compactas (CFLs) Circuitos elétricos 441 Circuitos em série 442 Células de combustível 442 Circuitos em paralelo 443 Circuitos em paralelo e sobrecarga 445 Fusíveis de segurança Magnetismo Magnetismo Polos magnéticos Campos magnéticos Domínios magnéticos Correntes elétricas e campos magnéticos 458 Praticando física Eletroímãs 459 Eletroímãs supercondutores Forças magnéticas 460 Sobre partículas carregadas em movimento 460 Sobre fios percorridos por corrente 460 Medidores elétricos 461 Motores elétricos O campo magnético terrestre 462 Raios cósmicos Biomagnetismo 465 Imagem por ressonância magnética Indução Eletromagnética Indução eletromagnética A lei de Faraday Geradores e corrente alternada Produção de energia 474 Turbogerador de energia 474 Energia MHD Transformadores Autoindução Transmissão de energia Campo de indução 479 PARTE VI Luz Propriedades da Luz Ondas eletromagnéticas Velocidade de ondas eletromagnéticas O espectro eletromagnético 489 Antenas fractais Materiais transparentes Materiais opacos 493 Sombras Enxergando a luz o olho Cor A cor em nosso mundo Reflexão seletiva Transmissão seletiva Misturando luzes coloridas 507 Cores primárias 508 Cores complementares Misturando pigmentos coloridos 509

6 XXIV SUMÁRIO 27.6 Por que o céu é azul Por que o pôr do sol é vermelho 512 Praticando física Por que as nuvens são brancas Por que a água é azul-esverdeada Reflexão e Refração Reflexão 520 O princípio do mínimo tempo Lei da reflexão 521 Espelhos planos 522 Reflexão difusa Refração 524 Índice de refração 526 Miragens A origem da refração Dispersão e arco-íris Reflexão interna total Lentes 533 Formação de imagens por uma lente 534 Praticando física Defeitos em lentes Ondas Luminosas O princípio de Huygens Difração Superposição e interferência Interferência monocromática em películas delgadas 552 Interferência monocromática em películas delgadas 552 Cores de interferência 553 Praticando física Polarização 555 Visão tridimensional Holografia Emissão de Luz Emissão luminosa Excitação Espectro de emissão Incandescência Espectro de absorção Fluorescência Fosforescência Lâmpadas 572 Lâmpadas incandescentes 572 Lâmpadas fluorescentes 572 Lâmpadas fluorescentes compactas (CFL) 573 Diodo emissor de luz (LED) O laser Os Quanta de Luz O nascimento da teoria quântica A quantização e a constante de Planck O efeito fotoelétrico Dualidade onda-partícula O experimento da fenda dupla Partículas como ondas: difração de elétrons O princípio da incerteza Complementaridade 595 Previsibilidade e caos 596 PARTE VII Física Atômica e Nuclear O Átomo e o Quantum A descoberta do núcleo atômico A descoberta do elétron Os espectros atômicos: pistas da estrutura atômica O modelo atômico de Bohr A explicação para os níveis de energia quantizada: ondas de elétrons A mecânica quântica O princípio da correspondência 611 O Bóson de Higgs O Núcleo Atômico e a Radioatividade Raios X e radioatividade Radiações alfa, beta e gama Radiação ambiental 619

7 SUMÁRIO XXV Unidades de radiação 619 Doses de radiação 620 Traçadores radioativos O núcleo atômico e a interação forte Meia-vida radioativa Detectores de radiação Transmutação de elementos 628 Transmutação natural 628 Transmutação artificial Datação radiológica 630 Irradiação dos alimentos Fissão e Fusão Nucleares Fissão nuclear Reatores de fissão nuclear 641 O plutônio O reator regenerador Energia de fissão Equivalência massa-energia 645 A física na segurança de aeroportos Fusão nuclear Fusão controlada 652 PARTE VIII Relatividade Teoria Especial da Relatividade O movimento é relativo 659 O experimento de Michelson-Morley Os postulados da teoria especial da relatividade Simultaneidade O espaço-tempo e a dilatação temporal 663 Observando um relógio a partir de um bonde 667 A viagem do gêmeo Adição de velocidades 673 Viagens espaciais 673 Saltando de século Contração do comprimento Momentum relativístico Massa, energia e E = mc O princípio da correspondência Teoria Geral da Relatividade Princípio da equivalência Desvio da luz pela gravidade Gravidade e tempo: o desvio para o vermelho gravitacional Gravidade e espaço: o movimento de Mercúrio Gravidade, espaço e uma nova geometria Ondas gravitacionais Gravitação Newtoniana e gravitação Einsteniana 697 Epílogo 701 Apêndice A Medições e conversão de unidades 703 Apêndice B Mais sobre o movimento 708 Apêndice C Gráficos 712 Apêndice D Aplicações de vetores 715 Apêndice E Crescimento exponencial e tempo de duplicação 718 Respostas dos exercícios ímpares 723 Glossário 761 Créditos 777 Índice 781