Aula -1 Introdução, Generalidades. Profa. Viviane Galvão vivgalvao@gmail.com

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.

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.

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.

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.

Física Experimental O Método Científico Experimentador OBSERVAÇÃO EXPERIMENTAÇÃO MODELAGEM PREVISÃO Física Experimental Relógio Tempo Experimentador Régua Espaço Balança Massa

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

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 360o em 24 horas, variação de uma hora  desvio de 15o de longitude.

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.

História da medição do tempo Relógio 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

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.

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 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

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.

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.

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).

Alguns comprimentos característicos 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 Métodos indiretos Microscopia eletrônica Microscopia ótica Métodos diretos Luminosidade Video: “Powers of Ten” http://www.youtube.com/watch?v=L5L7K0pbU4I

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.

Algumas massas características 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

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

Sistema Internacional - SI Sistema Internacional - SI Sistemas de Unidades Algumas unidades fundamentais: Grandeza Sistema Internacional - SI CGS Comprimento Metro Tempo Massa Carga elétrica Metro – m Segundo – s Quilograma – kg Coulomb - C Centímetro – cm Grama - g Algumas unidades derivadas: Grandeza Sistema Internacional - SI CGS Velocidade Aceleração Força Energia m/s m/s2 kg.m/s2 = Newton kg.m2/s2 = Joule cm/s cm/s2 g.cm/s2 = Dina oscarsantos@utfpr.edu.br

Alguns prefixos Fator Prefixo Símbolo 1018 exa E 1015 peta P 1012 tera 109 giga G 106 mega M 103 quilo k 102 hecto h 101 deca da Microscópio Nanotubo Fator Prefixo Símbolo 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 mili m 10-6 micro 10-9 nano n 10-12 pico p 10-15 femto f 10‑18 atto a

Grandeza Símbolo Dimensão Unidade Área A L2 m2 Volume V L3 m3 DIMENSÕES DAS GRANDEZAS FÍSICAS: As dimensões das grandezas físicas dependem das dimensões das grandezas fundamentais envolvidas: 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

Análise Dimensional L, M, T 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 Se os expoentes forem nulos a grandeza é adimensional Grandeza adimensional

Análise Dimensional A grandeza velocidade expressa a distância percorrida ΔS por unidade de tempo Δt: Equação dimensional da velocidade. Através dela você pode concluir que a unidade de velocidade no sistema SI é m/s. No sistema SI as unidades fundamentais para o comprimento, a massa e o tempo são, respectivamente o metro, o quilograma e o segundo.

comprimento  L, massa  M e tempo  T Análise Dimensional 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