UDESC Joinville Universidade Do Estado De Santa Catarina Centro De Ciências Tecnológicas Depto. de Física Grupo de Dinâmica Não-Linear Professor Luciano Camargo Martins PLANO DE ENSINO 1 Identificação Disciplina Física Geral I Sigla FGE1001 Cursos Lic. em Física, Química e Matemática Ano 2015 Semestre letivo 2015/02 Carga horária total 108 hora-aula Aulas teóricas 108 hora-aula Aulas práticas 000 hora-aula 2 Ementa Grandezas físicas. Representação vetorial. Sistemas de unidades. Cinemática e dinâmica da partícula. Trabalho e energia. Conservação de energia. Sistemas de partículas. Colisões. Cinemática e dinâmica de rotações. Equilíbrio de corpos rígidos. Gravitação. 3 Conteúdo Programático 1. Unidades, Grandezas Físicas e Vetores 1.1. Introdução. 1.2. A natureza da Física. 1.3. Modelos idealizados. 1.4. Padrões e unidades. 1.5. Coerência e conversão de unidades. 1.6. Incertezas e algarismos significativos. 1.7. Estimativa e ordens de grandeza. 1.8. Vetores e soma vetorial. 1.9. Componentes de vetores. 1.10. Vetores unitários. 1.11. Produtos de vetores. 2. Movimento Retilíneo 2.1. Introdução. 2.2. Deslocamento, tempo e velocidade média. 2.3. Velocidade instantânea. 2.4. Aceleração instantânea e aceleração média. 2.5. Movimento e aceleração constante.
3 CONTEÚDO PROGRAMÁTICO 2 2.6. Queda livre dos corpos. 3. Movimento em Duas e Três Dimensões 3.1. Introdução. 3.2. Vetor posição e vetor velocidade. 3.3. Vetor aceleração. 3.4. Movimento de um projétil. 3.5. Movimento Circular. 3.6. Velocidade relativa. 4. Leis de Newton do Movimento 4.1. Introdução. 4.2. Força e interações. 4.3. Primeira Lei de Newton. 4.4. Segunda Lei de Newton. 4.5. Massa e peso. 4.6. Terceira Lei de Newton. 5. Aplicações das Leis de Newton 5.1. Introdução. 5.2. Partículas em equilíbrio. 5.3. Dinâmica das partículas. 5.4. Forças de atrito. 5.5. Dinâmica do movimento circular. 5.6. Movimento de projéteis. 6. Trabalho e Energia Cinética 6.1. Introdução. 6.2. Trabalho. 6.3. Trabalho e energia cinética. 6.4. Trabalho e energia com forças variáveis. 6.5. Potência. 7. Energia Potencial e Conservação da Energia 7.1. Introdução. 7.2. Energia potencial gravitacional. 7.3. Energia potencial elástica. 7.4. Forças conservativas e não-conservativas. 7.5. Força e energia potencial. 7.6. Diagramas de energia. 8. Momento Linear, Impulso e Colisões 8.1. Introdução. 8.2. Momento linear e impulso.
3 CONTEÚDO PROGRAMÁTICO 3 8.3. Conservação do momento linear. 8.4. Colisões inelásticas. 8.5. Colisões elásticas. 8.6. Centro de massa. 9. Rotação de Corpos Rígidos 9.1. Introdução. 9.2. Velocidade angular e aceleração angular. 9.3. Rotação com aceleração angular constante. 9.4. Relações entre a cinemática angular e a cinemática linear. 9.5. Energia no movimento de rotação. 9.6. Teorema dos Eixos Paralelos. 10. Dinâmica do Movimento de Rotação 10.1. Introdução. 10.2. Torque. 10.3. Torque e aceleração angular de um corpo rígido. 10.4. Rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo. 10.5. Trabalho e potência no movimento de rotação. 10.6. Momento angular. 10.7. Conservação de momento angular. 10.8. Precessão. 11. Equilíbrio e Elasticidade 11.1. Introdução. 11.2. Condições de equilíbrio. 11.3. Centro de gravidade. 11.4. Equilíbrio de corpos rígidos. 11.5. Tensão, deformação e módulos de elasticidade. 11.6. Tensão e deformação volumétrica. 11.7. Tensão e deformação de cisalhamento. 11.8. Elasticidade e plasticidade. 12. Gravitação 12.1. Introdução. 12.2. Lei de Newton para a gravitação. 12.3. Peso. 12.4. Energia potencial gravitacional. 12.5. Movimento de satélites. 12.6. Leis de Kepler. 12.7. Movimento de planetas.
4 OBJETIVO GERAL 4 4 Objetivo Geral Estudar e aplicar conceitos e métodos básicos da Mecânica, através do uso dos métodos algébricos, do cálculo vetorial, diferencial e integral em aplicações físicas de interesse didático ou prático. 5 Objetivos Específicos UNIDADE I: Definir e estudar as grandezas físicas fundamentais, escalares e vetoriais, padrões e unidades de medida. Verificar a coerência dimensional na conversão de unidades. Uso correto de múltiplos e submúltiplos de unidades, incertezas e algarismos significativos. Estimar ordens de grandeza. Introduzir o aluno ao uso básico de vetores na Física. Estudar o movimento, definir posição, deslocamento, tempo, velocidades média e instantânea. Definir a aceleração e estudar a cinemática do movimento uniformemente acelerado, e a queda livre dos corpos. Obter a posição e a velocidade de um corpo por integração algébrica; UNIDADE II: Estudar o movimento da partícula em duas e três dimensões. Definir vetor posição, velocidade e aceleração. Estudar o movimento de um projétil, movimento circular e velocidade relativa. Enunciar e aplicar as leis de Newton, determinar as forças sobre um corpo. Definição de inércia, massa e peso. Desenho de diagramas de corpo livre; UNIDADE III: Aplicar as leis de Newton para partículas em equilíbrio ou movimento. Conceito de força de atrito. Estudar o movimento circular. Classificar as forças fundamentais da natureza. Conceito de trabalho mecânico, energia cinética e potência; UNIDADE IV: Definição e tipos de energia potencial, conservação da energia. Sistemas conservativos e dissipativos. Diagramas de energia. Momento Linear, impulso e colisões. Conservação do momento linear. Definição e cálculo do centro de massa e suas aplicações. UNIDADE V: Estudo da rotação de corpos rígidos. Definição da velocidade angular e aceleração angular. Relações entre a cinemática angular e a cinemática linear. Cálculo da energia no movimento de rotação. Teorema dos eixos paralelos. Cálculo de momentos de inércia. Dinâmica do movimento de rotação, torque e aceleração angular de um corpo rígido. Rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo. Trabalho e potência no movimento de rotação. Momento angular. Conservação de momento angular. UNIDADE VI: Estudo do equilíbrio de corpos rígidos e da elasticidade de corpos deformáveis. Condições de equilíbrio. Centro de gravidade. Tensão, deformação e módulos de elasticidade, deformação volumétrica, deformação de cisalhamento. Elasticidade e plasticidade. Lei de Newton para a gravitação. Peso. Energia potencial gravitacional. Movimento de satélites. Leis de Kepler e movimento de planetas. Distribuição esférica de massa. Peso aparente e rotação da Terra. Conceitos modernos e colapsos gravitacionais: anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros. Recomenda-se fortemente que cada aluno reveja a suas provas (e exame) logo após a publicação da nota, a fim de rever suas soluções e conferir os comentários anotados na prova pelo professor.
6 SISTEMA DE AULAS 5 6 Sistema de Aulas Sendo um curso teórico, a metodologia utilizada será a da aula expositiva e, eventualmente, a da demonstração prática feita através de experimentos ilustrativos realizados pelo professor em sala de aula. Durante as aulas, os alunos terão liberdade para fazer perguntas e levantar questões pertinentes aos conteúdos programados ou correlatos, a serem abordados em cada aula, conforme o cronograma de atividades acima. A presença pontual e participação do aluno às aulas e horários de atendimento extra-classe é de fundamental importância para o cumprimento dos objetivos da disciplina. Fora da sala de aula, o aluno terá à sua disposição a assistência individual do professor para elucidar suas eventuais dúvidas e também para conferência das suas soluções para os problemas e exercícios do livro texto. Para esta atividade extra-classe específica serão destinadas várias horas semanais de atividade do professor, e o atendimento ao aluno será feito no Departamento de Física, na sala do professor. 7 Sistema de Avaliação A avaliação do aluno será feita através da sua média semestral (MS), MS = (P1+P2+P3+P4+P5+P6)/6 que é a média aritmética das notas obtidas nas SEIS avaliações escritas, individuais e sem consulta, a serem realizadas em sala de aula, e em horários de aula, conforme o calendário de atividades. As condições para a aprovação ou reprovação do aluno são as previstas no regimento desta Universidade. 8 Calendário de Provas e Exames Unidade Conteúdo Programático 1 Carga Horária Data da Prova Dia da Semana I Capítulos 1, 2 e 3 18 hora-aula 19/08/2015 quarta-feira II Capítulos 4 e 5 18 hora-aula 11/09/2015 sexta-feira III Capítulos 6 e 7 18 hora-aula 02/10/2015 sexta-feira IV Capítulos 8 e 9 18 hora-aula 23/10/2015 sexta-feira V Capítulos 10 e 11 18 hora-aula 18/11/2015 quarta-feira VI Capítulos 12 e 13 18 hora-aula 07/12/2015 segunda-feira EXAME Capítulos 1 a 12 14/12/2015 segunda-feira 1 Conforme o livro texto adotado na disciplina, referência bibliográfica [1]. 9 Observações Importantes 1. Não será permitido o uso de celulares ou similares, ou calculadoras com memória alfa-numérica e ou programáveis do tipo HP, CASIO, etc., durante as provas e exames, podendo o aluno
10 LISTA DE PROBLEMAS SUGERIDOS DO LIVRO TEXTO, 8A. EDIÇÃO 6 fazer uso apenas de calculadoras científicas (com funções trigonométricas e transcendentes); 2. Recomenda-se fortemente que cada aluno reveja a suas provas (e exame) logo após a publicação da nota, a fim de rever suas soluções e conferir os comentários anotados na prova pelo professor. 10 Lista de Problemas Sugeridos do Livro Texto, 8a. edição Cap. 1: 01, 05, 07, 10, 13, 14, 15, 20, 21, 23, 24, 28, 30, 31, 37, 40, 47, 50, 54, 55. Cap. 2: 02, 03, 05, 06, 09, 15, 16, 19, 20, 23, 25, 29, 33, 41, 44, 45, 46, 67, 74, 80. Cap. 3: 01, 04, 06, 08, 09, 21, 25, 28, 31, 33, 37, 47, 51, 58, 64, 66, 68, 69, 70, 71. Cap. 4: 01, 02, 05, 07, 11, 13, 15, 17, 21, 23, 26, 27, 35, 38, 57, 58, 70, 71, 74, 79. Cap. 5: 01, 03, 06, 11, 20, 24, 27, 32, 35, 38, 39, 41, 51, 52, 54, 55, 59, 75, 86, 95. Cap. 6: 01, 03, 06, 09, 17, 18, 25, 26, 33, 36, 38, 41, 47, 51, 57, 60, 65, 66, 87, 105. Cap. 7: 02, 05, 09, 10, 12, 13, 14, 17, 20, 23, 27, 36, 38, 41, 43, 45, 46, 51, 65, 79. Cap. 8: 01, 02, 04, 08, 18, 20, 23, 25, 30, 34, 39, 41, 42, 47, 51, 59, 69, 70, 75, 93. Cap. 9: 02, 03, 04, 07, 09, 11, 13, 15, 19, 24, 27, 30, 35, 45, 53, 61, 63, 66, 77, 109. Cap. 10: 02, 04, 09, 11, 20, 24, 33, 34, 38, 47, 51, 55, 59, 63, 66, 69, 71, 90, 93, 114. Cap. 11: 03, 05, 08, 10, 11, 13, 17, 23, 27, 29, 33, 35, 37, 41, 39, 43, 49, 51, 58, 69. Cap. 12: 03, 05, 08, 11, 15, 19, 21, 25, 27, 37, 43, 46, 57, 63, 66, 71, 72, 79, 85, 86. Cap. 13: 01, 03, 04, 05, 06, 11, 13, 17, 19, 20, 25, 27, 33, 41, 43, 45, 46, 52, 53, 81. Após a solução escrita de alguns exercícios, sugerimos que o aluno apresente ao professor a solução proposta, para análise e correção. Com essa prática, o aluno já poderá observar o que será cobrado quanto à solução de problemas pelo professor. 11 Referências Bibliográficas [1] HALLIDAY, D, RENSICK, R. e WALKER, J. Fundamentos de Física, volumes 1 e 2, 8a. edição, Rio de Janeiro: LTC, 2009. [2] YOUNG, H. D. e FREEDMAN, R. A. Sears-Zemansky Física Universitária, volumes 1 e 2, 10a. edição, São Paulo: Pearson, 2003. [3] NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica, volume 1, 5a. edição, São Paulo: Edgard Blücher, 2014. [4] GROTCH, H e MCKELVEY, John P. Física, volume 1, 1a. edição, São paulo: Harper & Row do Brasil, 1978. Bibliografia Complementar [5] EISBERG, Robert M. Física, Fundamentos e Aplicações, volume 1, 1a. Edição, São Paulo: McGraw-Hill, 1983. [6] OREAR, Jay. Fundamentos de Física, volume 1, 1a. edição, Rio de janeiro: LTC, 1982.
11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7 [7] TIPLER, P. A. Física. 3a. edição, volume 1. Rio de Janeiro, Rio de janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1995. [8] SERWAY, R. A., JEWETT Jr, J. W. Princípios de Física, volume 1, 3a. edição, São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005. [9] KITTEL, C. e KNIGHT, W. D. R. Curso de Física de Berkeley, vol. 1, São Paulo: Ed. Edgard Blücher, 1970. Joinville-SC, 27 de julho de 2015 Professor Luciano Camargo Martins e-mail: luciano.martins@udesc.br Arquivo: fge1001-pe.tex v.2.4 de 22/07/2015 e cronograma gerado por CRON v.5.1 de 22/07/2015
12 CRONOGRAMA DAS AULAS DE FGE1001 PARA 2015/02 8 12 Cronograma das Aulas de FGE1001 para 2015/02 Aula Data Tópicos / Seções do Livro Texto [1] 1 03/08 seg Apesentação do Plano de Ensino de FGE1001 Capítulo 1 Medição 1-2 Medindo Grandezas 1-3 O Sistema Internacional de Unidades 1-4 Mundança de Unidades 2 05/08 qua 1-5 Comprimento 1-6 Tempo 1-7 Massa 3 07/08 sex Capítulo 2 Movimento Retilíneo 2-2 Movimento 2-3 Posição e Deslocamento 2-4 Velocidade Média e Velocidade Escalar Média 2-5 Velocidade Instantênea e Velocidade Escalar Instantânea 4 10/08 seg 2-6 Aceleração 2-7 Aceleração Constante: Um Caso Especial 2-8 Mais sobre Aceleração Constante 5 12/08 qua 2-9 Aceleração em Queda Livre 2-10 Integração de Gráficos em Análise de Movimento 6 14/08 sex Capítulo 3 Vetores 3-2 Vetores e Escalares 3-3 Soma Geométrica de Vetores 3-4 Componentes de Vetores 7 15/08 SÁB 3-5 Vetores Unitários 3-6 Adição de Vetores através de suas componentes 3-7 Vetores e as Leis da Física 8 17/08 seg 3-8 Multiplicação de Vetores 9 19/08 qua PROVA I 10 21/08 sex Capítulo 4 Movimento em Duas e Três Dimensões 4-2 Posição e Deslocamento 4-3 Velocidade Média e Velocidade Instantânea 4-4 Aceleração Média e Aceleração Instantânea 11 24/08 seg 4-5 Movimento de Projéteis 4-6 Análise do Movimento de um Projétil 12 26/08 qua 4-7 Movimento Circular Uniforme 13 28/08 sex 4-8 Movimento Relativo em Uma Dimensão 4-9 Movimento Relativo em Duas Dimensões 14 31/08 seg Capítulo 5 Força e Movimento - I 5-2 Mecânica Newtoniana 5-3 A Primeira Lei de Newton 5-4 Força 5-5 Massa
12 CRONOGRAMA DAS AULAS DE FGE1001 PARA 2015/02 9 Aula Data Tópicos / Seções do Livro Texto [1] 15 02/09 qua 5-6 A Segunda Lei de Newton 5-7 Algumas Forças Especiais 16 04/09 sex 5-8 A Terceira Lei de Newton 5-9 Aplicando as Leis de Newton 07/09 seg *** Feriado Nacional Independência *** 17 09/09 qua Aplicando as Leis de Newton (revisão) 18 11/09 sex PROVA II 19 14/09 seg Capítulo 6 Força e Movimento - II 6-2 Atrito 6-3 Propriedades do Atrito 20 16/09 qua 6-4 Força de Arrasto e Velocidade Terminal 21 18/09 sex 6-5 Movimento Circular Uniforme 22 21/09 seg Capítulo 7 Energia Cinética e Trabalho 7-3 Energia Cinética 23 23/09 qua 7-4 Trabalho 7-5 Trabalho e Energia Cinética 7-6 Trabalho Realizado pela Força Gravitacional 24 25/09 sex 7-7 Trabalho Realizado por uma Força Elástica 25 28/09 seg 7-8 Trabalho Realizadoa por uma Força Variável Genérica 26 30/09 qua 7-9 Potência Exercícios de Revisão 27 02/10 sex PROVA III 28 05/10 seg Capítulo 8 Energia Potencial e Conservação da Energia 8-2 Trabalho e Energia Potencial 8-3 Independência da Trajetória para o Trabalho de Forças Conservativas 8-4 Determinação de Valores de Energia Potencial 29 07/10 qua 8-5 Conservação da Energia Mecânica 8-6 Interpretalção de uma Curva de Energia Potencial 30 09/10 sex 8-7 Trabalho Realizado por uma Força Externa sobre um Sistema 8-8 Conservação de Energia 12/10 seg *** Feriado Nacional N. Sra. Apar. *** 31 14/10 qua Capítulo 9 Centro de Massa e Momento Linear 9-2 O Centro de Massa 32 16/10 sex 9-3 A Segunda Lei de Newton para um Sistema de Partículas 9-4 Momento Linear 9-5 O Momento Linear de um Sistema de Partículas 33 17/10 SÁB 9-6 Colisão e Impulso 9-7 Conservação do Momento Linear 9-8 Momento e Energia Cinética em Colisões 34 19/10 seg 9-9 Colisões Inelásticas em Uma Dimensão 9-10 Colisões Elásticas em Uma Dimensão 35 21/10 qua 9-11 Colisões em Duas Dimensões 9-12 Sistemas com Massa Variável: Um Foguete 36 23/10 sex PROVA IV
12 CRONOGRAMA DAS AULAS DE FGE1001 PARA 2015/02 10 Aula Data Tópicos / Seções do Livro Texto [1] 37 26/10 seg Capítulo 10 Rotação 10-2 As Variáveis da Rotação 10-4 Rotação com Aceleração Angular Constante 10-5 Relacionando as Variáveis Lineares e Angulares 10-6 Energia Cinética de Rotação 38 28/10 qua 10-7 Cálculo do Momento de Inércia 30/10 sex *** Feriado Escolar Func. Público *** 02/11 seg *** Feriado Nacional Finados *** 39 04/11 qua 10-8 Torque 10-9 A Segunda Lei de Newton para a Rotação 40 06/11 sex 10-10 Trabalho e Energia Cinética de Rotação 41 09/11 seg Capítulo 11 Rolamento, Torque e Momento Angular 11-2 Rolamento como uma Combinação de Translação e Rotação 11-3 A Energia Cinética de Rolamento 42 11/11 qua 11-4 As Forças do Rolamento 11-5 O Ioiô 11-6 Revisão do Torque 11-7 Momento Angular 11-8 Segunda Lei de Newton para Rotações 43 13/11 sex 11-9 O Momento Angular de um Sistema de Partículas 11-10 O Momento Angular de um Corpo Rígido Girando em Torno de um Eixo Fixo 11-11 Conservação do Momento Angular 44 16/11 seg 11-12 Precessão de um Giroscópio 45 18/11 qua PROVA V 46 20/11 sex Capítulo 12 Equilíbrio e Elasticidade 12-2 Equilíbrio 12-3 As Condições de Equilíbrio 12-4 O Centro de Gravidade 47 23/11 seg 12-5 Alguns Exemplos de Equilíbrio Estático 12-6 Estruturas Indeterminadas 48 25/11 qua 12-7 Elasticidade 49 27/11 sex Capítulo 13 Gravitação 13-2 A Lei da Gravitação de Newton 13-3 Gravitação e o Princípio de Superposição 50 30/11 seg 13-4 A Gravitação nas Proximidades da Superfície da Terra 13-5 A Gravitação no Interior da Terra 13-6 Energia Potencial Gravitacional 51 02/12 qua 13-7 Planetas e Satélites: As Leis de Kepler 52 04/12 sex 13-8 Satélites: Órbitas e Energia 53 05/12 SÁB 13-9 Einstein e a Gravitação 54 07/12 seg PROVA VI 14/12 qua EXAME FINAL