Física Geral II: 2013

Onda

Bem-vindo! Este blog foi criado para abordagem e discussão de tópicos da Física do Ensino Médio. Pretende se colocar como um espaço de expressão, troca e construção coletiva de conhecimento.

A ideia de criá-lo surgiu em 2013, movida pela intenção de propiciar aos alunos da disciplina Física Geral II, do curso de Licenciatura em Matemática do IBILCE/UNESP, uma experiência positiva com o uso de tecnologias, que seja significativa, do ponto de vista pedagógico.

Aqui você encontra aulas de Física com tecnologias para o Ensino Médio, criadas e comentadas por esses alunos (Aula 1, Aula 2 etc.), além de um breve debate sobre o tema “Por que integrar tecnologias às aulas de Física da escola básica?”, uma seleção de artigos sobre o mesmo e um apanhado de conceitos de Física postados pelos professor.

Destaque:

Veja a atividade proposta.
Veja as leituras sugeridas de apoio para o Debate, na terceira etapa da atividade, sobre as atividades postadas no blog.
Tira-dúvidas.

Possível dúvida: Como deve aparecer o conteúdo na aula? Deve ser apenas indicado?

Resumo do conteúdo ministrado na sala de aula

Começamos o curso estudando ondas. As ondas (mecânicas) são perturbações na matéria elástica que transmitem energia (mas não matéria).
Quanto à direção de de vibração, as ondas podem ser classificadas como longitudinal ou transversal. As ondas sonoras, como mostra a animação abaixo, se propagam longitudinalmente: a direção de propagação é a mesma da direção da perturbação.
Quanto à direção de propagação, as ondas são uni-, bi- ou tridimensionais. A onda em uma corda é unidimensional; a onda na superfície da água é bidimensional; a luz e o som são ondas tridimensionais.
Tipicamente, uma onda é caracterizada por uma frequência, um comprimento de onda e uma amplitude. A velocidade de uma onda é dada pelo produto da frequência pelo comprimento de onda.
Se a fonte está em movimento com relação ao receptor, o comprimento de onda e, portanto, a frequência varia de modo a manter a velocidade constante. Este fenômeno é conhecido como efeito Doppler (descoberto por Christian Doppler).

Animação 1: Efeito Doppler.


Animação 2: Efeito Doppler.


Animação 3: Outro experimento do efeito Doppler

Christian Doppler (1803-1853)

Animação 4: onda sonora longitudinal.


Animação 5: Ondas na superfície da água são ondas transversais.


Vimos também que as ondas eletromagnéticas não requerem um meio material para se propagar. As ondas eletromagnéticas são perturbações no campo elétrico e no campo magnético que se propagam com a velocidade da luz (300.000 km/s). A luz é, portanto uma radiação eletromagnética.

Radiação eletromagnética

James Clerk Maxwell deu forma final à teoria moderna do eletromagnetismo, que unifica a eletricidade, o magnetismo e a ótica.
Estudamos também o fenômeno de dualidade onda-partícula. Vimos que a luz, inicialmente tratada como partícula por Sir Isaac Newton, passou a ser tratada como onda por Huygens e seguidores. Posteriormente, Albert Einstein, usando a ideia de Max Planck sobre quantização da energia, verificou que a luz (radiação eletromagnética) deve ser considerada como partículas (quanta de luz) para explicar satisfatoriamente o efeito fotoelétrico. Na mesma época, o físico (e príncipe) francês Luis de Broglie propôs que matéria também pode se comportar como onda.

Atividade 1: Quais foram as principais contribuições dos cientistas abaixo (Newton, Einstein e Planck) para a Dualidade Onda-Partícula? Cite um cientista que, na sua opinião, contribuiu, assim como Newton, Einstein e Planck, para o estudo da natureza dual da luz e da matéria (dualidade onda-partícula). Justifique a sua resposta!

         
 Isaac Newton       Albert Einstein         Max Planck          Quem?

Em seguida, passamos a estudar alguns conceitos de Termodinâmica.

Termodinâmica
A Termodinâmica é o estudo dos efeitos do trabalho, calor e energia sobre um sistema. A Termodinâmica está relacionada a observações em larga escala.
Na escala microscópica, a teoria cinética dos gases, considerada um complemento da Termodinâmica, descreve a interação entre as moléculas do gás.
A base da Termodinâmica pode ser descrita por três (ou quatro) leis, cujos principais conceitos são listados abaixo:
Lei Zero: equilíbrio termodinâmico e temperatura
Primeira lei: Calor, trabalho e energia
Segunda lei: Entropia
Nota: Existe a Terceira Lei da Termodinâmica, desenvolvida pelo físico-químico alemão Walther Hermann Nernst, entre 1906 e 1912, segundo a qual, quando a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto, cessam todos os processos e a entropia deste sistema é mínimo. Este tópico, entretanto, está fora do conteúdo da nossa aula.

Transferência de calor por trasfecção.

Enunciado das leis da Termodinâmica

Lei Zero da Termodinâmica: Quado dois objetos estão separadamente em equilíbrio termodinâmico com um terceiro objeto, eles estão em equilíbrio entre si.
A Lei Zero começa com a definição de equilíbrio termodinâmico. Algumas propriedades de um objeto podem variar quando ele é aquecido ou resfriado. Se dois desses objetos são colocados em contato, inicialmente suas propriedades podem mudar, mas eventualmente as propriedades param de variar quando o objeto atinge o equilíbrio termodinâmico.
O equilíbrio termodinâmico leva à definição de temperatura. Dois objeto à mesma temperatura estão em equilíbrio termodinâmico. No processo de alcançar o equilíbrio térmico, calor, que é uma forma de energia, é transferida entre os objetos.
O resultado desta transferência de energia é discutido pela Primeira e pela Segunda Leis da Termodinâmica.
Nota: Objetos em equilíbrio termodinâmico têm mesma temperatura.

  

Celsius, Fahreheit e Kelvin: dispensam apresentação!

Lei Zero da Thermodinâmica

Animação da Lei Zero da Termodinâmica

A Lei Zero da Termodinâmica permite a definição de uma escala de temperatura, como por exemplo, as escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Réaumur, Rankine, Newton e Leiden. Dentre essas e outras escalas de temperatura existentes, as escalas Celsius, Kelvin e Fahrenheit são as mais usadas tanto do nosso dia-a-dia, como em pesquisa científica.

Conversor de Temperatura: Kelvin, Celsius e Fahrenheit
Conversor de Temperatura 2: Kelvin, Celsius e Fahrenheit
Termômetro: apresentação em Flash sobre termômetro.

Primeira Lei da Termodinâmica: Todo sistema termodinâmico possui uma função de estado de equilíbrio, denominada energia interna U. Entre dois estados de equilíbrio quaisquer, a variação da energia interna, ΔU, é igual à diferença de transferência de calor ΔQ para o sistema, mais o trabalho  W realizado pelo sistema.
Matematicamente,

ΔU = ΔQ - W

Máquina de Movimento Perpétuo

A primeira lei da Termodinâmica não permite a existência de máquinas de movimento perpétuo, como a mostrada na animação acima. Até agora, esta lei ainda não foi violada, exceto no nível microscópico da mecânica quântica, onde a energia e o tempo obedecem o Princípio da Incerteza de Heisenberg.

Segunda Lei da Termodinâmica: Existe uma função de estado termodinâmico, denominada entropia S. Um processo natural que inicia em um estado de equilíbrio e termina em outro estado de equilíbrio, irá na direção que causa a entropia do sistema mais a do ambiente aumentar para um processo irreversível e permanecer constante em um processo reversível, ou seja, DS = 0 no processo reversível e DS > 0 no processo irreversível.
A variação na entropia é igual à quantidade de calor transferida dividida pela temperatura. Matematicamente,

ΔS = ΔQ/T

Enquanto a Primeira Lei da Termodinâmica estabelece a conservação da energia em qualquer transformação, a Segunta Lei da Termodinâmica estabelece condições para que essas transformações ocorrerem.

Animação: Ciclo de Carnot

A Termodinâmica é um dos tópicos desta disciplina. Lord Kelvin é considerado o pioneiro da Termodinâmica. Quais outros cientistas se destacaram no desenvolvimento das leis da Termodinâmica?

Lord Kelvin

Ludwig Boltmann (1844-1906) foi um grande físico austríaco, cujo trabalho mudou radicalmente diversos ramos da Física. Boltmann é mais conhecido pelo seu papel no desenvolvimento da Mecânica Estatística e a explicação estatística para a Segunda Lei da Termodinâmica.

Ludwig Boltzmann


Energia Térmica

Material de apoio:

• Blog na Educação & Manual Básico do Blogger
• Calculadora científica
• Conversor de unidades físicas