Física Geral I - F-128 Segundo Semestre, 2010
Aula -1 Introdução, Generalidades.
Introdução Relação da Física com outras ciências O método científico Quantidades Físicas Experimentador Relógio Régua Balança Importância da Física.
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.
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.
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: Atenção, isso quase nunca pode ser feito na prática, pois as equações a serem resolvidas são complexas demais. Aplicações de avanços básicos da Física têm grande impacto em outras atividades: Engenharia Tecnologia Medicina Computação Matemática Infelizmente, também aplicações militares. Entender e dominar a Física é uma questão de cidadania!
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.
O Método Científico OBSERVAÇÃO EXPERIMENTAÇÃO MODELAGEM PREVISÃO Física Experimental Experimentador Relógio Régua Balança Tempo Espaço Massa
O tempo 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).
Relógios precisos Determinação da longitude : fundamental para a navegação Comparar hora local (posição do Sol) com hora de Greenwich Terra gira 360 o em 24 horas, variação de uma hora desvio de 15 o de longitude. John Harrison, carpinteiro, século XVIII: melhora na metalurgia, melhores molas para relógios, 1 parte em 10 5.
Padrão do tempo Até 1956, 1 s =1/86400 do dia solar médio (média sobre o ano de um dia) 1956: padrão baseado no ano solar. 1967: 13 a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas definiu 1s como 9.162.631.770 períodos da radiação de uma transição atômica do Césio 133 (definição do relógio atômico). 1999: NIST-F1, Padrão atual
História da medição do tempo Relógio de Sol Século 16 AC no Egito Hora no verão diferente da hora no inverno Em 263 AC, relógio trazido da Catânia para Roma apresentou tempo errado aos romanos por 100 anos. Clepsidra (relógio de água) Século 15 AC O pinga-pinga foi o precursor do tic-tac dos relógios
História da medição do tempo Ampulheta Século 14 na Europa Usado para marcar tempo de eventos como sermões, aulas... Relógio de pêndulo 1656 astrônomo holandês Cristiaan Huygens. Galileu, em 1580, foi o primeiro a ver a importância do pêndulo.
História da medição do tempo Relógio de mola Século 15 na Europa Impreciso inicialmente Tornou o relógio miniaturizável. Tecnologia que reinou até o advento do relógio de quartzo. Relógio de quartzo 1927 J.W.Horton e W.A.Morrison Tinha o tamanho de uma sala Preciso: mostrou que o segundo como 1/86.400 do ano médio era impreciso.
Relógio Atômico História da medição do tempo 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
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 10 15 ou 1 segundo em 20 milhões de anos Dez 2005: 1 segundo em 60 milhões de anos.
Relógio Atômico: evolução da precisão
História do tempo 1999 - NIST-F1 Cesium Fountain Clock Padrão mundial de tempo Esquema do NIST-F1 NIST-F1 e seus construtores
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.
Alguns tempos característicos
Medida de tempos longos: datação com 14 C. Meia vida do 14 C: T 1/2 = 5.730 anos Equilíbrio dinâmico na atmosfera 14 N 14 C (raios cósmicos), A fração de 14 C (1 átomo para cada 7,8 x10 11 de 12 C) é constante em organismos vivos pela constante troca de CO 2 com o ambiente (fotossíntese). A fração de 12 C não muda após a morte, porém existe desintegração do 14 C. Comparando a relação 14 C/ 12 C em fósseis determinase a sua idade. Espécimes da ordem de 20.000 anos podem ser datados.
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. 1875- Tratado do metro. IBWM 1960- CGPM: 1.650.763,73 comprimentos de onda da transição 2p 10-5d 5 do kriptônio (massa 86) 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.
Medidas de comprimento 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 Grandes distâncias (astronômicas): Método de triangulação (até» 10 anos-luz). Luminosidade aparente X luminosidade intrínseca: a luminosidade aparente cai com o inverso do quadrado da distância. Velas padrão: Cefeidas variáveis: relação entre o período e a luminosidade absoluta. Supernovas de tipo IA (pico de luminosidade bem definido).
Alguns comprimentos característicos Métodos indiretos Microscopia eletrônica Microscopia ótica Métodos diretos Luminosidade
O Quilograma Padrão 1889: a 1 a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas definiu o protótipo do quilograma como uma peça de Platina-Irídio colocada no IBWM.
Algumas massas características
Unidades SI UNIDADES SI Nome Símbolo Grandeza metro m Comprimento kilograma kg Massa segundo s Tempo ampere A Corrente elétrica kelvin K Temperatura termodinâmica mole mol Quantidade de substância candela cd Intensidade luminosa
Alguns prefixos
Análise Dimensional A análise dimensional é a área da Física que se interessa pelas unidades de medida das grandezas físicas. Ela tem grande utilidade na previsão, verificação e resolução de equações que relacionam as grandezas físicas, garantindo sua correção e homogeneidade. A análise dimensional usa o fato de que as dimensões podem ser tratadas como grandezas algébricas, isto é, podemos somar ou subtrair grandezas nas equações somente quando elas possuem as mesmas dimensões. Uma equação só pode ser fisicamente verdadeira se ela for dimensionalmente homogênea. Em análise dimensional utilizamos apenas três grandezas: massa, comprimento e tempo, que são representadas pelas letras M, L e T respectivamente. Podemos, a partir dessas grandezas, determinar uma série de outras.
Exemplo: Num movimento oscilatório, a abscissa (x) de uma partícula é dada em função do tempo (t) por: x = A + B cos ( C onde A, B e C são parâmetros constantes não nulos. Adotando como fundamentais as dimensões M (massa), L (comprimento) e T (tempo), obtenha as fórmulas dimensionais de A, B e C. Resolução: Levando-se em conta o princípio da homogeneidade dimensional, deve-se ter: [ A] = [ x] = L [ A]= M t), 0 LT Como a função cosseno é aplicada a números puros: 0 0 0 [ C ][]= t M L T => [ C]= M L [ B ][ cos( Ct) ] = [ x] = L [ B] = [ x]= 0 T 0 0 1 M 0 LT 0