PNLD 2026 EM - CAT 1 - COLEÇÃO POR TODA PARTE- FÍSICA by FTD Educação

EDITOR RESPONSÁVEL:

ÉVERTON AMIGONI CHINELLATO

MANUAL DO PROFESSOR

POR TODA

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PARTE

VOLUME

ÚNICO ENSINO MÉDIO

ÁREA DO CONHECIMENTO: CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS

EDITOR RESPONSÁVEL:

ÉVERTON AMIGONI CHINELLATO

VOLUME

Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Londrina (UEL-PR).

ÚNICO

Atuou como professor de Física em escolas da rede pública e particular de ensino.

ENSINO MÉDIO

Elaborador e editor de materiais didáticos. ÁREA DO CONHECIMENTO: CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS

1a edição São Paulo – 2024

06/11/2024 16:50:48

Copyright © FTD Educação, 2024. Elaboração de originais Éverton Amigoni Chinellato Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Londrina (UEL-PR). Atuou como professor de Física em escolas da rede pública e particular de ensino. Elaborador e editor de materiais didáticos. Bruno Barbagallo Fonseca Bacharel em Física pela Universidade de São Paulo (USP). Elaborador de materiais didáticos da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias. Kaio Fukahori Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Londrina (UEL-PR). Atua como professor de Física no Ensino Médio na rede particular de ensino. Coordenador Pedagógico no Ensino Médio. Elaborador e editor de materiais didáticos da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias. Rejane Cristina Dorn Licenciada em Física pela Universidade do Estado de Santa Catarina (Udesc). Mestra e doutora em Física pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Elaboradora de materiais didáticos.

Direção-geral Ricardo Tavares de Oliveira Direção de Conteúdo e Negócios Cayube Galas Direção editorial adjunta Luiz Tonolli Gerência editorial Roberto Henrique Lopes da Silva e Nubia de Cassia de M. Andrade e Silva Coordenação editorial Valquiria Baddini Tronolone Preparação e Revisão Maria Clara Paes (coord.) Produção de conteúdo digital João Paulo Bortoluci Gerência de produção e arte Ricardo Borges Design Andréa Dellamagna (coord.) Sergio Cândido (criação), Ana Carolina Orsolin, Andréa Lasserre Projeto de capa Sergio Cândido Imagem de capa MirageC/Getty Images Coordenação de imagens e textos Elaine Bueno Koga Edição Éverton Amigoni Chinellato, Maira Balestri Assistência editorial Angélica Tieme Ishikawa, Érika Fernanda Rodrigues, Julio Del Anhol De Azevedo, Mariane Ferrarini Andrade Leitura crítica Prof. Dr. Julio César Queiroz de Carvalho Revisão técnica Prof. Dr. Amancio Cesar Santos Friaça Preparação e Revisão Equipe Scriba Gerência de produção editorial Camila Rumiko Minaki Hoshi Supervisão de produção editorial Priscilla de Freitas Cornelsen Rosa Assistente de produção editorial Lorena França Fernandes Pelisson Edição de arte Camila Ferreira, Keithy Mostachi, Natanaele Bilmaia, Tamires Azevedo, Tatiane Galheiro, Vinícius Costa Diagramação Avits Estúdio Gráfico Ltda., Formato Comunicação Ltda., Laryssa Dias Almeron dos Santos, Leda Cristina Silva Teodorico Autorização de recursos João Henrique Pedrão Feliciano Iconografia André Silva Rodrigues, Vinícius Costa (trat. imagens)

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Física por toda parte : ensino médio : volume único / [organizadora FTD Educação] ; editor responsável Éverton Amigoni Chinellato. -1. ed. -- São Paulo : FTD, 2024. Componente curricular: Física. Área do conhecimento: Ciências da natureza e suas tecnologias. ISBN 978-85-96-04698-5 (livro do estudante) ISBN 978-85-96-04699-2 (manual do professor) ISBN 978-85-96-04700-5 (livro do estudante HTML5) ISBN 978-85-96-04701-2 (manual do professor HTML5) 1. Física (Ensino médio) I. Chinellato, Éverton Amigoni. 24-228338

CDD-530.7 Índices para catálogo sistemático:

1. Física : Ensino médio

530.7

EDITORA FTD. Rua Rui Barbosa, 156 – Bela Vista – São Paulo – SP CEP 01326-010 – Tel. 0800 772 2300 Caixa Postal 65149 – CEP da Caixa Postal 01390-970 www.ftd.com.br central.relacionamento@ftd.com.br

Em respeito ao meio ambiente, as folhas deste livro foram produzidas com fibras obtidas de árvores de florestas plantadas, com origem certificada.

Impresso no Parque Gráfico da Editora FTD CNPJ 61.186.490/0016-33 Avenida Antonio Bardella, 300 Guarulhos-SP – CEP 07220-020 Tel. (11) 3545-8600 e Fax (11) 2412-5375

06/11/2024 11:30:33

Apresentação Você já parou para pensar na quantidade de notícias relacionadas à Ciência que vemos e ouvimos diariamente? Estamos cercados por avanços tecnológicos, novas doenças que impactam a humanidade, desafios ambientais, poluição e necessidade de utilizar nossos recursos de maneira mais consciente. Para entender e se posicionar criticamente com relação a tudo isso, é fundamental que você conheça os princípios científicos envolvidos nos fenômenos ao seu redor. Assim, este livro tem como objetivo proporcionar a você a chance de analisar criticamente as situações do dia a dia, fundamentando-se no conhecimento científico e em sua interação com a sociedade. Nele, você poderá explorar, refletir e expressar suas opiniões sobre temas importantes por meio de uma linguagem acessível, acompanhada de imagens e textos que se conectam à realidade. Convidamos você a participar com dedicação das propostas de estudo deste livro e esperamos que ele o ajude de forma significativa em suas experiências escolares.

Para conhecer seu livro Confira a seguir a organização do seu livro e como isso vai ajudá-lo nos estudos dos assuntos de Física.

Abertura de unidade Cada unidade se inicia com duas páginas de abertura, que apresentam imagens e textos relacionados aos conteúdos que você vai estudar. Nelas, você terá a oportunidade de expor o que sabe do assunto e trocar ideias sobre essas imagens e esses conteúdos por meio de questões. Para facilitar a organização de seus estudos, essas páginas contêm uma lista dos principais conteúdos que serão abordados em cada unidade.

Nesta unidade, vamos estudar... • máquinas a vapor e motores a combustão interna; • transformações gasosas; • lei geral dos gases; • trabalho em transformações gasosas; • energia interna de um gás; • primeira e segunda leis da termodinâmica; • ciclos termodinâmicos; • ondas sonoras; • características e propriedades do som; • fenômenos e instrumentos sonoros; • luz e saúde dos olhos; • alterações da visão e suas correções.

Peter R Foster IDMA/Shutterstock.com

UNIDADE

A FÍSICA NA RELAÇÃO ENTRE O SER HUMANO E O AMBIENTE

As primeiras máquinas a vapor foram desenvolvidas para bombeamento de água. No entanto, a partir do desenvolvimento tecnológico e dos estudos teóricos sobre o funcionamento dessas máquinas, novos tipos de máquinas a vapor foram criados, processo que resultou na Revolução Industrial no século XVIII. Para funcionar, as máquinas a vapor, como as locomotivas, necessitam da queima de um combustível, que pode ser carvão mineral, lenha ou óleo diesel. Dessa maneira, elas transformam o calor em movimento, realizando sua função. Porém, esse processo gera a emissão de resíduos poluentes na atmosfera. O aperfeiçoamento dessas máquinas levou ao surgimento dos motores a combustão interna, utilizados atualmente nos veículos, ampliando o uso de combustíveis fósseis derivados do petróleo, o que, por sua vez, ocasionou o aumento de poluentes na atmosfera terrestre e as alterações climáticas vistas atualmente. a ) Cite algumas vantagens e desvantagens do surgimento das máquinas térmicas. b ) O que é necessário para que o motor a combustão interna de um veículo funcione? c ) Qual é a principal diferença entre o funcionamento de uma locomotiva a vapor e do motor a combustão interna de um veículo?

Locomotiva a vapor em Bridgnorth, na Inglaterra, em 2024.

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Os sites indicados nesta obra podem apresentar imagens e eventuais textos publicitários junto ao conteúdo de referência, o que não condiz com o objetivo didático da coleção. Não há controle sobre esses conteúdos, pois eles estão estritamente relacionados ao histórico de pesquisa de cada usuário e à dinâmica dos meios digitais.

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2. Um agricultor possui um poço em seu sítio e pre-

A nova imagem do buraco negro localizado no centro da Via Láctea revelou um campo magnético com uma estrutura muito semelhante à do que está situado no centro da galáxia M87, sugerindo que campos magnéticos intensos podem ser comuns a todos os buracos negros ASTRÔNOMOS descobrem campos magnéticos em espiral nas bordas de buraco negro da Via Láctea. Jornal da USP, 29 mar. 2024. Disponível em: https:// jornal.usp.br/ciencias/astronomos-descobrem-campos-magneticos-em-espiral-nas-bordas-de-buraco-negro-da-via-lactea/. Acesso em: 22 jul. 2024.

a ) O que você sabe sobre os buracos negros? Comente com os colegas.

1. Você é capaz de imaginar exemplos de ferramentas e máquinas simples que tenham rodas, polias, planos inclinados ou alavancas e que sejam utilizadas na sociedade moderna? Cite exemplos de aplicações dessas máquinas.

No interior das estrelas, após o início da fusão nuclear durante seu nascimento, há uma disputa entre a força gravitacional, que tenta comprimir toda a massa estelar, e a pressão interna gerada pela reação de fusão, que tenta expandir a estrela. Na juventude da estrela, quando há combustível para manter as fusões nucleares, o equilíbrio entre essas forças garante sua existência. No fim da vida da estrela, faltam elementos químicos leves para manter as reações de fusão nuclear. Com isso, as forças internas desse corpo celeste se desequilibram, levando-a a um colapso.

Caminhão com guindaste.

Parte da massa da estrela que passou pela fase de supernova é ejetada para o espaço. No entanto, outra parte dessa estrela pode se contrair, formando um núcleo pequeno, com grande massa, que pode evoluir em uma estrela de nêutrons ou em um buraco negro.

Museu da Evolução Humana, Burgos, Espanha/Tolo Balaguer/Alamy/Fotoarena

Algumas das ferramentas mais antigas, encontradas por pesquisadores na Etiópia, eram feitas de rochas e têm idade estimada de 2,6 milhões de anos. A fabricação dessas ferramentas foi atribuída ao Homo habilis, uma das espécies de hominíneos relacionada ao surgimento do Homo sapiens (ser humano moderno). Embora essa espécie de hominíneo ainda seja considerada precursora do desenvolvimento de ferramentas, foram descobertos no Quênia artefatos de rocha ainda mais antigos, produzidos há cerca de 3,3 milhões de anos pelos Kenyanthropus platyops (cerca de 700 mil anos antes daqueles encontrados na Etiópia). A descoberta desses artefatos sugere que hominíneos primitivos eram capazes de produzir ferramentas muito tempo antes do que se acreditava e que membros do gênero Homo não foram os primeiros a criar ferramentas de rocha.

Astro (dimensão) Pulsar de Vela: aproximadamente 20 km de diâmetro e localizada a cerca de 1 000 anos-luz da Terra.

b ) Que tipos de estrelas podem resultar em supernovas? c ) O Sol poderá se transformar em um buraco negro um dia? Explique sua resposta. d ) Qual é a importância dos estudos sobre as supernovas? Exponha suas opiniões para os colegas.

Modelo de uma fêmea de H. habilis manipulando ferramentas de rocha.

Estrela de nêutrons Pulsar de Vela.

06/11/2024 16:36:12

Conteúdos

UNIDADE

tampa

Steve Cymro/Shutterstock.com

UNIDADE

7. Observe a montagem a seguir.

-se uma corda que passa por uma polia fixa presa em um suporte no alto do mastro. Explique a importância da utilização da polia nesse sistema: como seria a tarefa de hastear uma bandeira sem usar uma polia?

5. Para decorar uma festa, foi pendurada uma es-

trela com massa de 5 kg que ficou suspensa por dois fios inextensíveis fixos um em cada lado da parede, com a decoração no meio. Os fios formaram um ângulo de 60 graus com a horizontal. Para que a estrela fique pendurada e não caia, qual deve ser a tensão individual de cada fio? Considere g = 10 m / s 2.

Representação de um sistema de corpos em uma associação de polias.

Sabendo que o corpo A tem massa de 24 kg e que o sistema está em equilíbrio, determine a massa do corpo B.

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Atividades Nessa seção, por meio de diversos tipos de atividades, você terá a oportunidade de aprofundar seus conhecimentos, recorrendo aos conhecimentos científicos para analisar, investigar, formular e resolver problemas. Algumas dessas atividades permitem relacionar os conteúdos que estudou aos de componentes de outras áreas do conhecimento.

Atividades resolvidas Esse boxe dá dicas e soluções que podem auxiliar a relacionar os conceitos que você estudou à resolução de situações abordadas em algumas atividades.

As paredes espelhadas evitam a troca de calor com o ambiente por meio da radiação térmica. Já as paredes isolantes e o ar rarefeito evitam a troca de calor pela condução e pela convecção térmica.

Representação de uma garrafa térmica.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Supondo que a pessoa esteja aplicando uma força de 200 N para manter o sistema em equilíbrio, determine a massa M.

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Esse boxe apresenta mais informações sobre o que você está estudando ou outros assuntos que estão relacionados aos conteúdos do capítulo. Nele, você também poderá refletir e expor suas ideias sobre essas informações complementares.

3 A garrafa térmica, por exemplo, tem um recipiente interno com as paredes interna e externa espelhadas, contendo ar rarefeito entre elas. Envolto ao recipiente espelhado, há uma proteção com paredes isolantes e uma tampa para vedação.

Representação de uma pessoa segurando um corpo por meio de associação de polias.

Boxe complementar

No início e no decorrer de cada capítulo, você entrará em contato com situações de que já ouviu falar ou que fazem parte de seu cotidiano. Nesses momentos, terá a oportunidade de expor seus conhecimentos acerca dessas situações e refletir sobre como elas se relacionam com os conteúdos que você está estudando.

um corpo de massa M suspenso por um sistema de polias contendo três polias móveis e uma fixa, presa ao teto. Considere a aceleração da gravidade sendo g = 10,0 m/s 2 e responda às questões.

4. Para erguer uma bandeira em um mastro, utiliza-

As estrelas de nêutrons se formam tendo como base estrelas com massa entre 8 e 25 · M ⊙. Já os buracos negros se formam com a morte de estrelas com massas superiores a 25 · M ⊙.

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Imagem sem proporção e em cores fantasia.

sobre associação de polias decidiu fazer um desafio para seu primo: erguer um saco de areia com massa de 70,0 kg. O primo topou o desafio, mas foi incapaz de levantar o corpo com tamanha massa. A garota então pegou um sistema composto de cabos passando por uma polia fixa e algumas polias móveis, prendeu uma das extremidades do cabo no saco de areia e segurou a outra extremidade. Começou a puxar a carga com apenas uma mão, erguendo-a sem muitas dificuldades. Considere a aceleração da gravidade dada por g = 10,0 m/s 2 e responda às questões a seguir. a ) Supondo que a estudante seja capaz de erguer até 15,0 kg com apenas uma mão, determine a quantidade mínima de polias móveis presentes no sistema. b ) Considere que o sistema seja composto de quatro polias móveis e que a garota ergueu o saco de areia com velocidade constante. Calcule a vantagem mecânica desse sistema.

As supernovas também podem surgir de sistemas binários de estrelas, nos quais uma estrela absorve massa da companheira e explode. Durante a explosão de uma supernova, ocorrem altos fluxos de nêutrons, que contribuem para a formação de elementos químicos mais pesados do que o ferro, como o zinco (Zn) e o cobre (Cu).

As máquinas simples são dispositivos desenvolvidos com o objetivo de facilitar a execução de tarefas do cotidiano, alterando a força aplicada sobre diversos objetos, seja na intensidade, na orientação ou em ambos os fatores.

cisa coletar água dele manualmente, utilizando um balde. Ele pensou em prender uma corda no balde, mergulhá-lo no poço e em seguida puxá-lo para cima, cheio de água. Contudo, seu filho, que é um bom estudante de Física, explicou-lhe que essa tarefa pode se tornar perigosa ao se aproximar demais da borda do poço, pois pode cair dentro dele enquanto puxa a corda para cima. Então, ele sugeriu que seu pai utilizasse uma polia fixa para essa tarefa, diminuindo os riscos. Explique como a utilização de uma polia fixa pode ajudar o agricultor a realizar a atividade de modo mais seguro.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

6. Na figura a seguir, uma pessoa está segurando

3. Uma estudante que acabou de ter aula de Física

Imagem produzida pelo Event Horizon Telescope (ETH) da estrutura do campo magnético ao redor do buraco negro da Via Láctea, próximo à borda de Sagitário A*.

O desenvolvimento dos elementos aplicados nas máquinas simples provavelmente teve início com as primeiras espécies de hominíneos, que utilizaram rochas a fim de criar ferramentas.

EHT Collaboration

Em notícias e em diversos filmes de ficção científica, provavelmente você já ouviu falar em buracos negros. Na fotografia, podemos ver a região ao redor de um buraco negro.

Confira a imagem a seguir. Watcharapol Amprasert/Shutterstock.com

venção da roda para o desenvolvimento das máquinas simples, como as polias e as engrenagens.

Astrônomos descobrem campos magnéticos em espiral nas bordas de buraco negro da Via Láctea

Desenvolvimento de ferramentas e máquinas simples

1. Explique, com suas palavras, a importância da in-

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

Ferramentas e máquinas simples

5 ATIVIDADES

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Formação dos buracos negros e supernovas

NG Images/Alamy/Fotoarena

UNIDADE

1 CAPÍTULO

paredes espelhadas

ar rarefeito

parede isolante

ATIVIDADES RESOLVIDAS

belece que nenhuma pizza deve ser entregue ao cliente com temperatura inferior a 37 °C.

UNIDADE

R2. Uma pizzaria se preocupa com a qualidade dos produtos e com a satisfação do consumidor. Para isso, esta-

PRÁTICA CIENTÍFICA

Eletroscópio de folhas

a ) Supondo que a caixa seja um sistema termodinâmico isolado, qual foi a temperatura medida no momento da entrega?

Por dentro do contexto O eletroscópio é um dispositivo utilizado para detectar a presença de cargas elétricas, sendo uma ferramenta importante no estudo da eletricidade estática. Ele auxilia a visualização de conceitos fundamentais sobre cargas, como atração e repulsão, e a compreensão de como os objetos podem ser eletricamente carregados.

b ) Após entregar a primeira pizza, o entregador constatou um problema que impedia de vedar completamente a caixa. Então, concluiu que a segunda entrega deveria ser efetuada rapidamente, antes que a temperatura da pizza ultrapassasse o valor mínimo estabelecido pela empresa. Supondo que o valor da temperatura da segunda pizza na caixa térmica diminua a uma taxa constante de 1,1 °C/min, quanto tempo haveria para entregá-la conforme as normas da empresa?

Materiais

• pote de maionese limpo e seco • fio de cobre (aproximadamente 15 cm de comprimento) • papel-alumínio • tesoura com pontas arredondadas • estilete

a ) Considerando a caixa térmica como um sistema isolado, a temperatura no seu interior é constante, pois não há troca de calor com o ambiente. Assim, a temperatura é 47 °C. b ) Considerando a taxa de diminuição da temperatura constante, tem-se uma função de primeiro grau, do tipo T(t) = T 0 − 1,1 · t, em que T(t) é a temperatura em função do tempo, T 0 é a temperatura inicial e t é o tempo. Assim, para que a entrega seja realizada na temperatura adequada, tem-se:

Prática científica

37 − 47 10 T(t) = T 0 − 1,1 · t ⇒ 37 = 47 − 1,1 · t ⇒ t = _ = _ ∴ t ≃ 9 min (− 1,1) 1,1

c ) Utilizando a lei da função definida no item anterior, após 8 minutos, tem-se: T(t) = T 0 − 1,1 · t ⇒ T(8) = 47 − 1,1 · 8 ⇒ T(8) = 47 − 8,8 ∴ T(8) = 38,2 °C

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Essa seção possibilita investigar fenômenos e propriedades por meio da realização de atividades práticas. Nela, você vai elaborar e testar hipóteses, analisar resultados e trocar ideias com os colegas para chegar a uma conclusão. Também poderá divulgar os resultados e as conclusões aos colegas.

• pano de lã • bastão de vidro • papel sulfite • canudo plástico

Como proceder

Cuidado

A. Faça um pequeno furo no centro da tampa do pote utilizando o estilete. O diâmetro do furo deve ser suficiente para passar o fio de cobre.

Somente um adulto deve manipular o estilete. Peça a ele que realize a etapa A.

B. Em seguida, retire a capa plástica de aproximadamente 2 cm de cada uma das extremidades do fio de cobre. Insira o fio de cobre pelo furo na tampa do pote, ajustando-o para que fique bem fixo no furo e dobre a extremidade do fio que ficará dentro do pote, fazendo uma espécie de gancho. C. Faça uma esfera amassando o papel-alumínio e coloque-a na extremidade do fio de cobre que ficará para fora do pote.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

c ) Sabendo que após a primeira entrega se passaram mais 8 minutos para entregar a segunda, qual é a temperatura da pizza no momento dessa entrega? Resolução:

D. Para as folhas do eletroscópio, recorte duas tiras de papel-alumínio com aproximadamente 3 cm de comprimento e 1 cm de largura. Em seguida, faça um pequeno furo em uma das extremidades de cada folha e as pendure na extremidade do fio que foi dobrado em formato de gancho, de modo que possam se mover livremente. Tampe o pote. E. Esfregue um bastão de vidro com um pano de lã para eletrizá-lo e o aproxime da esfera de alumínio do eletroscópio. Repita o processo utilizando um canudo plástico atritato com o papel sulfite. F. Repita o processo anterior, mas, agora, toque o bastão na esfera do eletroscópio.

Eletroscópio.

Análise e divulgação 1. Ao aproximar o bastão de vidro carregado do eletroscópio, o que acontece com as folhas metálicas? O que isso indica sobre o tipo de carga presente no bastão e no eletroscópio?

2. Após tocar o bastão eletrizado na esfera do eletroscópio, as folhas metálicas permaneceram afastadas. O que esse comportamento revela sobre a transferência de cargas entre o bastão e o eletroscópio?

3. Compare os resultados obtidos ao aproximar o bastão de vidro eletrizado e o bastão de plástico eletriza-

do do eletroscópio. Como as folhas reagem a cada um dos bastões e o que isso indica sobre a natureza das cargas presentes em cada material?

4. Explique por que as folhas metálicas do eletroscópio se afastam quando ele está carregado. Qual é o papel da repulsão eletrostática no movimento das folhas?

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LIGADO NO TEMA

CONEXÕES com ... Esse cenário de transformação contínua e de inovação tecnológica estabelecido pela Terceira Revolução Industrial provocou a Quarta Revolução Industrial, a partir de meados de 2010. À medida que o uso de computadores e a automação foram intensificados, houve uma evolução das tecnologias digitais, combinada com avanços na inteligência artificial (IA), internet das coisas (IoT), big data e robótica, moldando uma nova era industrial, chamada de Indústria 4.0.

No final do século XVIII, a indústria têxtil da Inglaterra estava com problemas para produzir em larga escala, de forma mais rápida e com menos custos para mercados consumidores em crescimento, pois o processo de produção dependia da força humana, animal ou de fontes naturais de energia, como a água ou o vento, para movimentar as máquinas de fiar.

PESQUISAS de 6G das teles apontam para interação “física” com hologramas. O Estado de S. Paulo, São Paulo, 4 mar. 2022. Economia & Negócios, p. B15.

a ) Junte-se a um colega para debater quais são os principais desafios técnicos e éticos que as empresas e os governos podem enfrentar ao implementarem a rede 6G e como esses desafios podem ser abordados para garantir uma transição bem-sucedida.

IM Imagery/Shutterstock.com

De Luan/Alamy/Fotoarena

O antigo modelo de produção caseira foi substituído por um sistema de fábricas com máquinas movidas por motores a vapor. Essas máquinas podiam realizar a função de muitos operários, aumentando a capacidade produtiva das indústrias. O desenvolvimento das máquinas a vapor também permitiu o surgimento de novas formas de transporte, como trens e barcos a vapor. Houve ainda o aparecimento das mineradoras e das siderúrgicas para prover combustíveis e materiais para a produção das máquinas a vapor, respectivamente.

Quase um século depois, entre 1860 e 1914, ocorreu a Segunda Revolução Industrial, com a invenção de novas tecnologias, como motor de combustão interna e tecnologias de geração e transmissão de energia elétrica, além de aparelhos de comunicação como telégrafo, telefone e rádio.

A necessidade de se comunicar a longas distâncias levou ao desenvolvimento da telecomunicação, área da Engenharia que se dedica a projetar, desenvolver e implementar sistemas de comunicação. Apesar de parecer um termo moderno, sua origem é muito antiga, pois sinais de fumaça e de luz foram usados por povos da Antiguidade para suprir a necessidade de comunicação a longa distância. No entanto, podemos considerar que o desenvolvimento tecnológico da telecomunicação teve início com os telégrafos no final do século XIX. A comunicação por telégrafos dependia da instalação da infraestrutura de linhas telegráficas formadas por cabos que conectavam o emissor ao receptor. Por exemplo, o cabo submarino instalado em 1858 que conectou o continente europeu ao americano. Contudo, foi o próprio telégrafo um dos primeiros dispositivos a se comunicar sem a necessidade de fios.

Braços robóticos em uma indústria moderna.

Ada Lovelace é considerada a primeira programadora da história. Ela foi responsável por descrever um algoritmo para ser processado por uma máquina analítica, gerando uma sequência numérica por meio de alguns cálculos. Sua visão sobre como uma máquina poderia ser programada para realizar operações complexas contribuiu para a computação moderna. Esses princípios são essenciais para o funcionamento de máquinas CNC, robôs industriais e impressoras 3D. Já Grace Hopper foi pioneira no desenvolvimento de linguagens de programação, na qual o computador interpretava comandos em inglês no lugar de números ou símbolos. Essa abordagem tornou a programação mais acessível, abrindo caminho para linguagens de programação utilizadas atualmente e teve um papel importante na integração dos computadores na indústria.

tcareob72/Shutterstock.com

Leia o trecho de reportagem a seguir. Enquanto o sinal do 5G é ativado mundo afora, a indústria de telecomunicações começa a dar os primeiros passos nas pesquisas que abrirão as portas para a nova geração de internet móvel: o 6G. A expectativa é que a nova tecnologia seja realidade no fim da década. [...]

Na indústria, o controle numérico computadorizado (CNC) aumentou a precisão e a produtividade na fabricação de produtos. Diferente dos métodos manuais, as máquinas e robôs CNC são programados para executar tarefas específicas com exatidão e repetibilidade consistentes. Isso resulta em produtos de alta qualidade com menos defeitos. Outra técnica atual é a impressão 3D (três dimensões), que permite a produção de objetos complexos e personalizados, diretamente com base em modelos digitais, utilizando softwares baseados em algoritmos avançados para garantir a precisão e a qualidade das peças produzidas.

A invenção da máquina a vapor, nessa mesma época, foi um dos catalisadores para a Primeira Revolução Industrial, trazendo mudanças significativas nas práticas tradicionais de agricultura, manufatura e transporte.

Gravura representando a utilização de teares mecânicos na industrialização da tecelagem no século XIX.

Uso de ondas eletromagnéticas no cotidiano

O desenvolvimento de biomateriais e a biorrobótica abriu novas fronteiras na Medicina e na produção industrial. A fabricação de próteses avançadas usando biomateriais compatíveis com o corpo humano e a biorrobótica, que busca integrar sistemas robóticos e biológicos, com dispositivos que interagem de forma natural com o corpo humano, promoveram maior qualidade de vida de pessoas com deficiência.

Revoluções industriais

Já a Terceira Revolução Industrial tem início na década de 1970, um período caracterizado pela integração de tecnologias avançadas, como a eletrônica, a computação, a criação da internet e a invenção da robótica. O uso de computadores e as melhorias em telecomunicações aumentaram a produtividade industrial. Os avanços da biotecnologia na indústria alimentícia transformaram a estrutura da agricultura em vários países.

Telégrafo.

a ) Como a produção em massa e a mecanização do trabalho contribuíram para a concentração de riqueza e o aumento das desigualdades sociais ao longo das revoluções industriais? b ) Qual é o papel da Ciência e da pesquisa no desenvolvimento das tecnologias que impulsionaram cada Revolução Industrial? c ) Como os sistemas cada vez mais automatizados e a inteligência artificial podem impactar o mercado de trabalho? E quais são as novas habilidades e competências que serão demandadas dos profissionais do futuro? d ) Com as revoluções industriais acontecendo de maneira cada vez mais rápida e diante de novas formas de trabalho, quais são as habilidades humanas que não podem ser replicadas pelas máquinas?

Além disso, inovações em sistemas de transporte e comunicação tornaram possível que empresas multinacionais instalassem fábricas em diferentes países, expandindo o comércio e padronizando certos bens e hábitos de consumo. Placas de circuito eletrônico.

jrtwynam/Shutterstock.com

HISTÓRIA e SOCIOLOGIA

Para acompanhar todo esse desenvolvimento proporcionado pela telecomunicação, dispositivos elétricos e eletrônicos, como válvulas e transistores, foram criados e deram origem aos primeiros computadores, em meados da década de 1940. Os computadores consolidaram de vez a transição dos dispositivos de comunicação que necessitavam de cabos para dispositivos que não precisavam de fios, também chamados dispositivos wireless (sem fio, em inglês).

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Conexões com…

Ligado no tema

Essa seção reforça as conexões entre alguns conteúdos que você estudou e outros componentes curriculares da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, além de componentes de outras áreas de conhecimento.

Nessa seção, você poderá refletir e conversar com os colegas sobre temas relevantes na sociedade, percebendo como os conhecimentos científicos estão presentes e influenciam nosso cotidiano. Alguns dos temas abordados nessa seção permitem uma reflexão sobre aspectos que envolvem valores, direitos e cidadania.

MAIS QUESTÕES

b ) campos elétrico e magnético se propagando no espaço assumindo valores máximos e mínimos periodicamente. c ) um campo magnético constante no espaço e no tempo e, um campo elétrico que varia no tempo. d ) variações de pressão mecânica no material. e ) oscilações longitudinais e transversais simultâneas do meio material.

2. (UEPG-PR) O físico escocês James Clerk Maxwell

(1831-1879) foi responsável pela descrição teórica e matemática do Eletromagnetismo. Com suas equações, foi possível prever a existência de ondas eletromagnéticas. Os diversos tipos de ondas eletromagnéticas recebem diferentes nomes, conforme os intervalos de frequência ou de como são produzidas. Sobre o espectro eletromagnético, assinale o que for correto. 01 ) O único tipo de radiação eletromagnética vinda do Sol que ultrapassa a atmosfera terrestre é a do tipo Infravermelha, responsável por sentirmos o calor do Sol. 02 ) Raios X e raios gama são exemplos de radiações ionizantes, pois são capazes de alterar a estrutura da molécula e átomos. 04 ) As ondas eletromagnéticas possuem no vácuo uma velocidade de propagação de aproximadamente 3 · 10 8 m / s. 08 ) Uma onda eletromagnética com comprimento de onda de 750 · 10 −9 m terá uma frequência de 4 · 10 4 Hz, no vácuo.

3. (Enem/MEC) Um professor percebeu que seu

apontador a laser, de luz monocromática, estava com o brilho pouco intenso. Ele trocou as baterias do apontador e notou que a intensidade luminosa aumentou sem que a cor do laser se alterasse. Sabe-se que a luz é uma onda eletromagnética e apresenta propriedades como amplitude, comprimento de onda, fase, frequência e velocidade.

a ) amplitude. b ) frequência. c ) fase da onda. d ) velocidade da onda. e ) comprimento de onda.

4. (UFRGS-RS) Assinale a alternativa que preenche

ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

1. Considere uma caixa-d’água com volume de

259,2 m 3 inicialmente vazia. Calcule o tempo necessário para enchê-la completamente com o auxílio de uma mangueira de vazão igual a 72 L/s.

5. Para irrigar um campo de futebol na temporada

de pouca chuva, o sistema de irrigação utiliza diferentes tubulações. A figura a seguir representa parte delas. A1

2. Um fluido escoa por um condutor de área de sec-

ção transversal igual a 20 cm 2 com velocidade de 5 m/s. Calcule a vazão dele.

b ) paralelos – do campo magnético c ) perpendiculares – de propagação

3. A aterosclerose é um problema de saúde em que

d ) perpendiculares – do campo elétrico e ) perpendiculares – do campo magnético

5. (UEMG) “É que minha neta, Alice, de 15 meses,

está vivendo essa fase e eu fico imaginando se ela guardará na memória a emoção que sente ao perceber pela primeira vez que uma chave serve para abrir a porta, ... que o controle remoto liga a televisão (...)” VENTURA, 2012, p. 37.

O controle remoto utiliza a tecnologia do infravermelho. Três candidatos ao vestibular da UEMG fizeram afirmações sobre essa tecnologia: Candidato 1: a luz infravermelha é visível pelo olho humano, sendo um tipo de onda eletromagnética. Candidato 2: no vácuo, a luz infravermelha tem uma velocidade menor que a da luz vermelha, embora sua frequência seja menor. Candidato 3: o comprimento de onda da luz infravermelha é menor que o comprimento de onda da luz vermelha, embora a velocidade das duas seja a mesma. Fizeram afirmações CORRETAS:

placas contendo colesterol se depositam nas artérias. A aorta é a artéria mais importante do corpo humano, com secção transversal de 2,5 cm 2, pela qual o sangue atravessa a velocidade de 30 cm. a ) Qual é o tempo necessário para que 1 cm 3 de sangue passe pela secção transversal da artéria saudável? b ) Considere que a artéria esteja obstruída por uma placa de colesterol e sua secção transversal seja 2 cm 2. Qual é a velocidade do fluxo de sangue na artéria que apresenta deposição de colesterol?

4. Um sistema de captação de água da chuva é liga-

do a diversos reservatórios. Um desses reservatórios possui capacidade de 1 000 L e, em um dia chuvoso, levou 200 min para ficar completamente cheio. Em relação à essa situação, calcule: a ) A vazão da tubulação utilizada para encher o reservatório. b ) A velocidade de escoamento, sabendo que a tubulação possui um diâmetro de 10 cm.

Representação de um tubo com diferença na secção transversal.

Conheça mais Para ler O Universo numa casca de noz, de Stephen Hawking. Rio de Janeiro: Intrínseca, 2018. Nesse livro, Stephen Hawking busca guiar o leitor pelo microcosmo quântico e macrocosmo universal, discutindo as extraordinárias leis que regem o cosmos e as principais teorias atualmente debatidas. Para isso, são apresentados conceitos relacionados à Física teórica e propostas mais relevantes que desafiam nosso entendimento do Universo.

O tubo tem área de secção transversal A 1 = 6,0 cm 2 e velocidade v 1 = 5 m/s, e a área de secção transversal do tubo secundário é A2 = 3,0 cm2. Calcule a velocidade v2 da água quando passar pela secção transversal secundária.

Isaac Newton e sua maçã, de Kjartan Poskitt. São Paulo: Seguinte, 2001. Esse livro conta a história de Isaac Newton e suas formulações matemáticas com uma linguagem simples e intuitiva, com um tom leve e humorístico, discutindo motivos que levavam Newton a enfiar coisas embaixo do globo ocular, como ele conseguiu decompor a luz e por que ele sempre queria guardar para si suas brilhantes descobertas.

6. A falta de água potável é um problema que,

futuramente, poderá afetar toda a população mundial. Para tentar evitá-lo, é necessário tomar medidas contra o desperdício de água. Se uma torneira mal regulada deixa cair 40 gotas por minuto, mesmo estando fechada, qual quantidade de água será desperdiçada por ela em 1 mês? Considere cada gota com formato esférico e volume de 6,5 · 10 −5 L.

Física em 12 lições, de Richard P. Feynman. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 2021. Nesse livro, você terá acesso aos pensamentos profundos de Feynman sobre os fundamentos da Física, explorando conceitos abstratos de maneira única, trazendo uma nova perspectiva para o entendimento do Universo. Cada uma das 12 lições apresentadas no livro revela um aspecto fascinante da Física e permite a você mergulhar no conhecimento científico. Astrofísica para apressados, de Neil deGrasse Tyson. São Paulo: Planeta, 2020. O aclamado astrofísico e pesquisador Neil deGrasse Tyson, nesse livro, responde a perguntas que certamente todos já fizeram sobre o Universo. O autor traduz o cosmos numa obra organizada em capítulos enxutos, escritos para quem tem pressa, mas que oferecem conhecimentos fundamentais sobre todas as principais ideias e descobertas relacionadas ao Universo.

7. Explique o que um jogador de futebol ou de tê-

nis deve fazer com a bola a fim de que ela realize uma trajetória curva durante seu deslocamento, até atingir o alvo desejado.

O livro da física: as grandes ideias de todos os tempos. São Paulo: Globo Livros, 2021. Composto de vários autores, esse livro tem como objetivo trazer a Física em uma linguagem simples e acessível, com ilustrações e infográficos, deixando menos maçante e mais visual o aprendizado, descomplicando teorias complexas e brincando com nossa compreensão da Física.

RETOME O QUE ESTUDOU

a ) Todos os candidatos. b ) Apenas os candidatos 1 e 2.

Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir.

c ) Apenas o candidato 3.

1. O Sol emite diferentes tipos de ondas eletromagnéticas e uma parte delas chega à Terra. Qual faixa do es-

E se?: respostas científicas para perguntas absurdas, de Randall Munroe. São Paulo: Capa do livro Astrofísica para Companhia das Letras, 2014. apressados, de Neil deGrasse Tyson. Esse livro apresenta humor e divulgação científica lado a lado. Para isso, o autor responde a perguntas que sempre queríamos fazer, mas tínhamos vergonha, por considerá-las absurdas demais.

pectro eletromagnético é emitida em maior quantidade pelo Sol e como a percebemos?

d ) Nenhum dos candidatos.

2. Em um período de dois minutos, escreva em pedaços de papel alguns termos que descrevam os efeitos da

absorção ou da perda de calor por uma substância. Em seguida, explique por que estruturas como viadutos precisam de juntas de dilatação.

228

Do átomo ao buraco negro: para descomplicar a astronomia, de Schwarza. São Paulo: Outro Planeta, 2018. Nesse o livro, o autor aborda os principais temas do Universo observável, começando com conceitos atômicos até os buracos negros supermassivos, em uma linguagem simplificada para novos leitores e leigos na área de Física e Astronomia.

3. Explique qual é a diferença entre calor sensível e calor latente. 06/11/2024 16:49:17

4. Explique o que é um sistema termodinâmico. 5. Elabore um esquema que explique os tipos de sistemas termodinâmico, diferenciando-os, caracterizando-

Mais questões Nessa seção, você entrará em contato com questões dos principais exames de larga escala do Brasil que abordam alguns conteúdos estudados na unidade. Além de retomar esses conteúdos, você terá a oportunidade de se familiarizar com as estruturas de atividades comumente praticadas nesses exames.

Editora Planeta

a ) um campo elétrico constante no espaço e no tempo e um campo magnético que varia no tempo.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Dentre as propriedades de ondas citadas, aquela associada ao aumento do brilho do laser é o(a)

UNIDADE

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

1. (UCS-RS) Um cenário que começa a preocupar os

-os e citando exemplos do cotidiano para cada um deles. Utilize textos e imagens para isso.

Albert Einstein e seu Universo inflável, de Dr. Mike Goldsmith. São Paulo: Seguinte, 2002.

6. Se colocarmos uma folha de papel sobre a boca de um copo com água e virarmos esse copo com a boca

O autor tem como objetivo nesse livro contar a história de Albert Einstein e suas descobertas, utilizando-se de uma maneira simples para se comunicar com o leitor. Assim, discute as dificuldades na carreira de Einstein e como ele se tornou um dos maiores gênios da humanidade, fazendo uso de tirinhas e quadros para aliviar temas mais complexos, facilitando a compreensão da Física moderna.

para baixo, a água não escoa. Qual é a relação dessa situação com o experimento de Torricelli?

227

06/11/2024 16:51:44

Retome o que estudou Nessa seção, localizada ao final de cada unidade, você fará uma autoavaliação do que aprendeu ao estudar os conteúdos da unidade, retomando alguns conceitos abordados.

O Circo Voador da física, de Jearl Walker. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Nesse livro, o autor discute algumas questões e curiosidades da Física que já foram tópicos de muitas discussões, como se é melhor correr ou andar na chuva e caminhar sobre o fogo. Os assuntos vão desde mecânica até eletromagnetismo. O menino que descobriu o vento, de William Kamkwamba e Bryan Mealer. São Paulo: Principis, 2021. Livro que narra a história de um menino que, após um período de seca em sua aldeia, começa a explorar livros de Ciência e acaba construindo um moinho de vento para gerar eletricidade para sua casa.

439

06/11/2024 16:14:20

Conheça mais Nessa seção, há indicações de referências complementares, como filmes, livros e sites, que abordam temas que você estudou nas unidades do volume.

07/11/2024 08:49:20

Respostas

em: https://www.ufjf.br/fisica/files/2010/03/ Labfismodroteiro.pdf. Acesso em: 16 out. 2024.

Confira a seguir as respostas das atividades que envolvem cálculos.

6. Alternativa a.

Unidade 1 A Ciência do Universo

9. Soma: 01 + 04 + 08 = 13.

Capítulo 2

Apostila contendo tópicos experimentais relacionados à Física moderna, além de teoria, experimentos e exercícios.

8. g = 7,8 m/s 2, aproximadamente. 11. g p = 12,25 m/s 2

12. v = 6,86 · 10 4 m/s

Página 35 8. a ) m = 3,00 · 10 −29 kg b ) P = 4 · 10 26 W

Capítulo 3 Página 41

Capítulo 5 Página 82

Esse site apresenta informações completas sobre o Sol, com suas características e estrutura.

2. v = 1 746 km/h. O valor é maior, pois se considera o corpo livre da ação de forças resistivas. 3. t ≃ 1,41 s v = 14,1 m/s

1. Alternativa b. 2. Soma 02 + 32 = 34. 3. a = −11m/s 2; retardado.

6. Alternativa d. Página 83 7. Soma: 01 + 02 + 08 = 11.

Página 45 4. Sim, estão de acordo. Como todos os valores T2 apresentados para a razão _3 são aproximadamente R iguais a 1, mantendo-se constante, podemos afirmar que eles estão de acordo com a terceira lei de Kepler.

8. x = 217, 5 m, portanto não é possível ocorrer o hole in one.

O material discute a dinâmica newtoniana em nosso cotidiano, focando em torques de um sistema mecânico.

MAIS QUESTÕES Páginas 84 a 87

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. O Big Bang. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/ fis02001/aulas/cosmo3.html. Acesso em: 16 out. 2024.

3. Alternativa d.

5. T J ≃ 11,85 anos.

4. Alternativa a.

Página 46 TN 1. b ) _ ≃ 164,3 T

12. Alternativa b.

Esse site apresenta o modelo padrão e as evidências observacionais do Big Bang, juntamente com a evolução do Universo e o mapeamento da radiação cósmica, bem como suposições sobre o futuro do Universo.

UNIVERSITY OF CALIFORNIA. Origin of the elements. Disponível em: https://www2.lbl.gov/abc/wallchart/ chapters/10/0.html. Acesso em: 16 out. 2024. Traz informações e atividades sobre Astronomia, Física e Química, como a origem cósmica dos elementos químicos, o Big Bang, os ciclos de vida das estrelas e os processos de fusão.

WILLIAMS, David R. Planetary Fact Sheet: ratio to Earth values. Disponível em: https://nssdc.gsfc.nasa. gov/planetary/factsheet/planet_table_ratio.html. Acesso em: 23 out. 2024. Esse site mostra dados planetários em comparação com o planeta Terra.

YOUNG, C. Alex. Wavelenghts of light. The Sun Today. Disponível em: https://www.thesuntoday.org/sun/ wavelengths/. Acesso em: 23 out. 2024. Nesse site, há imagens e discussões sobre a estrela de nosso Sistema Solar em diferentes comprimentos de onda.

7. Soma: 01 + 04 + 08 = 13.

2. Possíveis resoluções: 1 606 − 1530 = 76 1 835 − 1758 = 76 1 986 − 1 910 = 76 Tem velocidade maior no periélio, ponto mais próximo do Sol. 3. a ) A T = 1,75 · 10 22 m 2 4. T P = 64 anos.

Siglas

13. Alternativa c. 14. Alternativa a. 16. Alternativa a. 17. Alternativa a.

Unidade 2 A Física e a vida na Terra Capítulo 7 Páginas 112 e 113

Capítulo 4

5. B = 2,5 · 10 −6 T

Páginas 60 e 61

7. a ) B = 0,24 T

5. A estudante que afirma que o resultado da soma das forças depende de outras informações além do módulo está correta, pois as forças podem estar em sentidos opostos ou fazendo um ângulo entre si, de forma que o resultado da soma seja diferente de 28 N. 6. a = 40 m/s 2

8. B = 2,5 · 10 −5 T

10. F N = 60 000 N 17. 14 voltas, aproximadamente.

UEPG: Universidade Estadual de Ponta Grossa

EPCAR: Escola Preparatória de Cadetes do Ar

Uerj: Universidade do Estado do Rio de Janeiro

EsPCEx: Escola Preparatória de Cadetes do Exército

UERR: Universidade Estadual de Roraima

FCMSCSP: Faculdade de Ciências Médicas da Santa Casa de São Paulo

Uesb: Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia Ufam: Universidade Federal do Amazonas UFJF: Universidade Federal de Juiz de Fora

10. a ) B = 10 T

Capítulo 9

IME: Instituto Militar de Engenharia

UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Mack: Universidade Presbiteriana Mackenzie

UFSC: Universidade Federal de Santa Catarina

UCS: Universidade de Caxias do Sul

Unesp: Universidade Estadual Paulista

Udesc: Universidade do Estado de Santa Catarina

Unicamp: Universidade Estadual de Campinas

UEA: Universidade do Estado do Amazonas

Unioeste: Universidade Estadual do Oeste do Paraná

r = 60° b) ˆ

c ) 120°

Página 145

1. Alternativa e.

3. v Si = 0,9 · 10 8 m/s n Si = 3,33 n gelo ≃ 1,30

5. g p = 0,4 m/s 2 e F P = 10 N.

4. n z ≃ 1,67

Página 68

UEMG: Universidade do Estado de Minas Gerais

Enem: Exame Nacional do Ensino Médio

IFBA: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia

2. D = 4 m

Página 67

UEM: Universidade Estadual de Maringá

EEAR: Escola de Especialistas da Aeronáutica

Fuvest: Fundação Universitária para o Vestibular

9. II ) Verdadeira.

Página 132 1. a ) ˆi = 60°

9. a vazio = 6,25 m/s 2

EBMSP: Escola Bahiana de Medicina e Saúde Pública

441

UFPR: Universidade Federal do Paraná

Uece: Universidade Estadual do Ceará

UPE: Universidade de Pernambuco

UEL: Universidade Estadual de Londrina

UPF: Universidade de Passo Fundo

448

05/11/2024 14:51:41

05/11/2024 14:43:37

Respostas

Lista de siglas

Nessa seção, você tem as respostas das atividades que envolvem cálculos. Isso pode auxiliar na realização dessas atividades e em seus estudos.

Nessa seção, há o significado das siglas citadas no volume.

HEWITT, Paul G. Física conceitual. 13. ed. Porto Alegre: Bookman, 2022.

BUNCH, Bryan; HELLEMANS, Alexander. The history of science and technology: a browser’s guide to the great discoveries, inventions, and the people who made them from the dawn of time to today. Boston: Houghton Mifflin Harcourt, 2004.

Esse livro proporciona o ensino da Física com textos atraentes e bem-humorados, visando construir um sólido conhecimento conceitual.

Esse livro leva a uma compreensão do desenvolvimento científico e tecnológico e seu contexto histórico.

CARVALHO, Anna Maria P. de et al. (org.). Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. São Paulo: Cengage Learning, 2004. Esse livro apresenta inovações para o ensino, incentivando os estudantes a construir o conhecimento científico.

COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Tradução: Eduardo Neto Ferreira. Porto Alegre: Bookman, 2010. Livro completo, com todos os principais temas que envolvem Astronomia e Astrofísica.

DURAN, José Enrique R. Biofísica: conceitos e aplicações. 2. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011. Material completo com as últimas inovações e estudos nas áreas de Física aplicada, Fisiologia, Bioquímica e Biologia.

EISBERG, Robert; RESNICK, Robert. Física quântica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos e partículas. Tradução: Paulo C. Ribeiro e Enio F. Barroso. Rio de Janeiro: Elsevier, 1979. Esse livro apresenta as propriedades dos sistemas quânticos e seus fenômenos.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física. 12. ed. São Paulo: LTC, 2023. 4 v. Material enriquecedor para os fundamentos de física, na qual apresenta a teoria e exercícios ligados a aplicações práticas do mundo real.

KLEIDON, Axel. Thermodynamics Foundations of the Earth system. Cambridge: Cambridge University Press, 2016. Esse material descreve como as leis da Termodinâmica são aplicadas em diversos sistemas físicos.

MOURÃO, Ronaldo R. F. O livro de ouro do Universo: mistérios da astronomia e da ciência. São Paulo: HarperCollins, 2019. Esse livro apresenta uma síntese dos temas de Astronomia e do conhecimento de diversas civilizações.

NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2022. 2 v. Nessa coleção, Newton estudou e formulou suas teorias por meio de argumentos geométricos.

OKUNO, Emico; YOSHIMURA, Elisabeth. Física das radiações. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. Esse livro aborda, no geral, tanto a parte física das radiações como suas aplicações e seus efeitos biológicos.

PARKER, Steve. O livro do corpo humano: um guia ilustrado de sua estrutura, funções e disfunções. Barueri: Ciranda Cultural, 2007. Esse livro mostra os aspectos da anatomia do corpo humano e seu funcionamento.

RONAN, Colin A. História ilustrada da ciência: a ciência nos séculos XIX e XX. Rio de Janeiro: Zahar, 2002. v. 4. O livro aborda o desenvolvimento da ciência e do pensamento científico no mundo e apresenta o papel da ciência e da tecnologia na sociedade.

Referências bibliográficas comentadas Nessa seção, você encontrará as principais obras consultadas na elaboração do volume, com breve comentário a respeito de cada uma delas.

TEIXEIRA, Wilson et al. (org.). Decifrando a Terra. 2. ed. São Paulo: Companhia Editora Nacional, 2009.

HAYNES, W. M. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97. ed. Londres: CRC Press, 2017.

Esse material apresenta uma temática introdutória, porém ampla e moderna, acerca da dinâmica natural do planeta.

Uma das referências científicas mais acessadas e respeitadas das comunidades científica, técnica e médica, esse manual contém dados e recomendações internacionais de várias áreas.

TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física moderna. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

Neste volume, você também vai encontrar diversos boxes, como: COMPARTILHE IDEIAS: Esse boxe proporcionará a você a oportunidade de conversar com os colegas sobre diversos assuntos relacionados aos conteúdos que está estudando. Após a atividade proposta, você e seus colegas poderão divulgar suas ideias para a comunidade escolar e para fora da escola. DICA: Nesse boxe, há informações importantes que podem ajudá-lo na compreensão dos conteúdos e na realização das atividades sugeridas. CUIDADO: Quando encontrar esse boxe, fique atento aos cuidados sugeridos, principalmente na realização das atividades práticas.

Referências bibliográficas comentadas Livros

Boxes

Esse livro aborda diversos tópicos da Física moderna,

446

VOCABULÁRIO: Nesse boxe, há o significado de alguns termos destacados nos textos, o que vai ajudá-lo na compreensão dos conteúdos. MEDIDA: Nesse boxe, há as medidas dos seres vivos e as dimensões e distâncias aproximadas de astros do Universo citados nos capítulos.

05/11/2024 14:43:37

OBJETOS EDUCACIONAIS DIGITAIS Os ícones a seguir identificam os diferentes tipos de objetos educacionais digitais presentes neste volume. Esses materiais digitais apresentam assuntos complementares ao conteúdo trabalhado na obra, ampliando a aprendizagem.

vídeo

podcast

carrossel de imagens

infográfico

mapa clicável

07/11/2024 08:49:20

SUMÁRIO

Unidade 1 A ciência do Universo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Capítulo 1 História da Ciência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Evolução dos conceitos da Física.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Ligado no tema - Uso do método científico no cotidiano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Capítulo 5 Movimentos na Terra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 A ação da gravidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Queda livre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Lançamento vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Lançamento horizontal e oblíquo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Prática científica - Diferentes, mas iguais. Pode isso?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Capítulo 2 Origem e evolução do Universo. . . . . . . . 23

Conexões com... Biologia e Química Lixo espacial.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

A teoria do Big Bang.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

A evolução do Universo desde o Big Bang. . . . . . . . . . . 24

Retome o que estudou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Evolução estelar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Mais questões.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Estrutura estelar e fonte de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Formação de sistemas planetários. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Conexões com... Sociologia e Filosofia Origem do Universo em diferentes culturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Capítulo 3 Os astros no Universo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Movimento dos astros.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Movimento e repouso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Leis de Kepler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Prática científica - Construção de uma elipse. . . . 43 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Unidade 2 A Física e a vida na Terra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Capítulo 6 Campo magnético terrestre. . . . . . . . . . . . . . 90 Origem do campo magnético da Terra. . . . . . . . . . . . . . . . 90 Características do campo magnético terrestre.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Magnetismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Conexões com... História e Geografia Desenvolvimento da bússola e a expansão marítima europeia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Prática científica - Campo magnético. . . . . . . . . . . . . . . . 98 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Capítulo 4 Dinâmica do movimento dos corpos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Capítulo 7 Eletromagnetismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Leis de Newton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Campo magnético e corrente elétrica. . . . . . . . . . . . . . . 101

A força e seus efeitos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Campo magnético solar.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Ligado no tema - Segurança no trânsito. . . . . . . . . . . . 58 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Campo magnético de um fio retilíneo.. . . . . . . . . . . . . . 102 Campo magnético no centro de uma espira. . . . . . . 104

Lei da gravitação universal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Campo magnético em uma bobina.. . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Forças magnéticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

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Prática científica - Construção de um motor elétrico simples.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Conexões com... Biologia e Química Aplicações do eletromagnetismo na Medicina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Capítulo 8 Introdução à Óptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Unidade 3 Matéria e energia.. . . 150 Capítulo 10 Ondas eletromagnéticas. . . . . . . . . . . . . . 152 Espectro eletromagnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Ligado no tema - Uso de ondas eletromagnéticas no cotidiano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Instrumentos de observação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Capítulo 11 O espectro solar e a Terra.. . . . . . . . . . . . . 160

Observando as células.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Energia emitida pelo Sol.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Observando os astros do Universo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Luz visível. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Prática científica - Espectroscópio.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

A luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Radiação infravermelha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Radiação ultravioleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Princípios da Óptica Geométrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Meios físicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Fenômenos ópticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Conexões com... Biologia e Química Sustentabilidade e proteção contra a radiação solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Ligado no tema - Carros autônomos e o LIDAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Capítulo 12 Introdução à calorimetria. . . . . . . . . . . . . 175

Capítulo 9 Reflexão e refração da luz.. . . . . . . . . . . . . . 127

Temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Reflexão da luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Formação da imagem em espelhos planos. . . . . . . . 127

Conexões com... Matemática - Escalas de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Formação da imagem em espelhos esféricos. . . . . . 128

Calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Prática científica - Sensações do calor. . . . . . . . . . . . . 179

Refração da luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

As leis da refração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Processos de transferência de calor.. . . . . . . . . . . . . . . . . 181

Formação da imagem em lentes esféricas.. . . . . . . . . 137

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Prática científica - Imagens em lentes e espelhos esféricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Efeitos das trocas de calor.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

Conexões com... Geografia - Sistema de alerta de terremotos e tsunamis com fibra óptica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Dilatação térmica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Variação de temperatura.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Mudança de fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

Prática científica - Processo de troca de calor.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

Retome o que estudou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Ligado no tema - Biocombustíveis.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Mais questões.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

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Capítulo 13 A energia nos sistemas termodinâmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Capítulo 16 Transmissão de energia elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

Sistemas termodinâmicos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Introdução à eletricidade.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

Sistemas dissipativos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Sistemas conservativos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Carga e força elétricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

Prática científica - Trocas de calor em um calorímetro.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Capítulo 14 Hidrostática e hidrodinâmica.. . . . . . . 211 Propriedades dos fluidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Densidade dos fluidos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Pressão nos fluidos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Princípios de Pascal e Arquimedes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Prática científica - Construção de um elevador hidráulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Fluidos em movimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Princípio de Bernoulli e efeito Coandă. . . . . . . . . . . . . . 224

Conexões com... Biologia e Sociologia -

Prática científica - Eletroscópio de folhas.. . . . . . . . 247 Campo e potencial elétricos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Corrente elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Circuitos elétricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Resistência elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Prática científica - Uso seguro da eletricidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Conexões com... Biologia e Química Bioimpedância. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Potência elétrica e consumo de energia elétrica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Capítulo 17 Geração de energia elétrica. . . . . . . . . . 269 Geradores e transformadores elétricos. . . . . . . . . . . . . 269

Estudos dos efeitos provocados no solo pelas chuvas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Força eletromotriz induzida (fem). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Potência e rendimento de geradores elétricos. . . . 272

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

Prática científica - Transformação de energia.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

Retome o que estudou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Mais questões.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Capítulo 18 Reações nucleares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

Unidade 4 Energia e Sociedade.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

Fissão e fusão nuclear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

Capítulo 15 Energia elétrica e Sociedade. . . . . . . . . 234

Modelo padrão de partículas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

O uso da energia elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Usinas elétricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

Acidentes nucleares.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Ligado no tema - Desenvolvimento da bomba atômica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

Ligado no tema - Energias renováveis e geração de energia elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

Capítulo 19 Física contemporânea. . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

Introdução à Física contemporânea. . . . . . . . . . . . . . . . . 290

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Teoria da relatividade restrita. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Capítulo 21 Momento e torque.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

Postulados da teoria da relatividade restrita. . . . . . . 292 Relatividade do tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Relatividade do comprimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Momento de uma força. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

Teoria da relatividade geral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Conexões com... Arte - Teoria da relatividade em filmes e séries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Física quântica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Radiação térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

Equilíbrio de corpo extenso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

Prática científica - Equilíbrio em movimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Capítulo 22 Estudando os movimentos dos corpos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Prática de esportes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

Dualidade onda-partícula. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Movimento uniforme e movimento uniformemente variado.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Movimento circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

A nova teoria quântica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

Ligado no tema - Física quântica e as distorções de seus conceitos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

Capítulo 23 Energia e impulso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

Efeito fotoelétrico.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Retome o que estudou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Mais questões.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Unidade 5 Movimento e o ser humano.. . . . . . . . . . . . . . . . . 316

Trabalho.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Energias.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Potência e rendimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

Quantidade de movimento e impulso. . . . . . . . . . . . . . 359 Conservação da quantidade de movimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Conexões com... Biologia e Química Atividades físicas e saúde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

Capítulo 20 Ferramentas e máquinas simples.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

Desenvolvimento de ferramentas e máquinas simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

Mais questões.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

Máquinas simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Prática científica - O princípio das alavancas em instrumentos medievais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Conexões com... História Desenvolvimento de ferramentas e máquinas pelos hominíneos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

Retome o que estudou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

Unidade 6 A Física na relação entre o ser humano e o ambiente. . . . . . . . . . . . . . . 372 Capítulo 24 Queima de combustíveis fósseis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Máquinas a vapor e motores de combustão interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

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Conexões com... História e Sociologia Revoluções industriais.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

Conexões com... Biologia - Pair. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

Transformações gasosas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

Prática científica - Produção e propagação do som. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

Lei geral dos gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

Prática científica - Transformações gasosas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

Capítulo 27 Luz e visão humana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

Capítulo 25 Termodinâmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

Uso da tecnologia e olhos humanos. . . . . . . . . . . . . . . . . 428 Luz solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 Alterações da visão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

Trabalho em uma transformação gasosa. . . . . . . . . . . 390

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

Energia interna de um gás. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

Retome o que estudou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

Mais questões.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

Primeira lei da Termodinâmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 Segunda lei da Termodinâmica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Rendimento de uma máquina térmica e o ciclo de Carnot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Outros ciclos termodinâmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

Conheça mais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 Respostas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 Referências bibliográficas comentadas. . . . . . . . . . 446 Siglas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Capítulo 26 Sons e audição humana. . . . . . . . . . . . . . . 406

Objetos digitais

Ondas sonoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

Vídeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Características de uma onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 Velocidade de propagação de uma onda.. . . . . . . . . . 409 Características do som.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Propriedades do som. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Infográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Fenômenos sonoros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 Reflexão do som. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 Refração do som.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Difração do som. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Interferência das ondas sonoras.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Ressonância das ondas sonoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Efeito Doppler.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417

Infográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Podcast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Carrossel de imagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Infográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Mapa clicável.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Podcast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Infográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Carrossel de imagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Podcast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Atividades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

Vídeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

Instrumentos sonoros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

Infográfico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

Cordas sonoras.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 Tubos sonoros.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

Carrossel de imagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Vídeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

06/11/2024 15:41:43

UNIDADE

Nesta unidade, vamos estudar... • evolução dos conceitos da Física; • origem e evolução do Universo; • evolução estelar; • formação dos sistemas planetários; • leis de Kepler; • leis de Newton; • gravitação universal; • queda livre e lançamento de projéteis.

A CIÊNCIA DO UNIVERSO

O Universo, formado por diversos elementos fascinantes, sempre despertou curiosidade e muitas reflexões na humanidade. Do que ele é feito? Como surgiu e evoluiu? Como as estruturas do Universo se organizam? O que originou a vida? Algumas respostas para esses questionamentos foram construídas e modificadas ao longo do tempo à medida que a sociedade foi se desenvolvendo e a Ciência evoluindo. O avanço da Ciência, com auxílio de inovações tecnológicas, permitiu o desenvolvimento de instrumentos que podem ser colocados fora da atmosfera terrestre e são capazes de capturar imagens detalhadas de estruturas do Universo. Naturalmente, à medida que algumas questões são solucionadas, outras perguntas surgem, impulsionando e incentivando ainda mais os cientistas e estudiosos na busca de novas explicações. Nesta unidade, serão apresentadas uma breve evolução dos conceitos que levaram à formação da Ciência atual, a teoria do Big Bang e algumas leis relacionadas ao movimento dos objetos e dos planetas. Respostas nas Orientações para o professor.

a ) Em sua opinião, como a Ciência influencia a sociedade e como a sociedade influencia a Ciência? b ) Qual é a sua opinião sobre o surgimento do Universo? c ) Como você acha que o Sistema Solar se formou? Converse com seus colegas sobre o assunto. d ) Essa fotografia foi registrada por um telescópio espacial que orbita o Sol. Por que esse telescópio não se perde no espaço?

06/11/2024 15:43:36

ESA/CSA/STScI/NASA

Imagem obtida pelo telescópio James Webb do aglomerado de galáxias SMACS 0723.

06/11/2024 15:43:39

CAPÍTULO

Evolução dos conceitos da Física

Indícios históricos mostram que os povos observavam o céu e os astros para auxiliar em atividades do cotidiano como o plantio e a colheita de alimentos. Diversos povos observaram e registraram os fenômenos dos eclipses. Os Tupi-Guarani, por exemplo, acreditam que a Onça Celeste persegue os irmãos Sol e Lua e, por isso, fazem barulho nas ocasiões dos eclipses solares e lunares, para espantar a Onça, impedindo-a de devorar esses e outros astros e deixar a Terra na escuridão. Já alguns filósofos chineses explicavam os eclipses pelo crescimento ou diminuição das “forças” Yin (escuridão) e Yang (luz), apesar de alguns registros mostrarem que os chineses já associavam os eclipses aos movimentos do Sol, da Terra e da Lua.

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a refletir sobre a história da humanidade, incluindo a história da Ciência, para que possam compreender como determinado conceito é construído, ou modificado, chegando a sua definição nos dias atuais.

1. Qual é a importância

de conhecer as origens e a construção do conhecimento científico? Milton Buzon/Shutterstock.com

História da Ciência

Atualmente, sabemos que o eclipse solar ocorre quando a Lua se posiciona entre o Sol e a Terra, e o eclipse lunar umbral quando a Lua passa pelo cone de sombra projetado pelo planeta. Na Grécia antiga, por exemplo, os filósofos estudavam vários elementos ao seu redor e buscavam explicações para os fenômenos naturais. Assim, o Eclipse parcial do Sol em Araras conhecimento englobava diversas áreas. Atualmente a área do conhecimen(SP), em 2023. to que estuda e descreve os fenômenos naturais que ocorrem no Universo, tanto bióticos quanto abióticos, é denominada Ciências da Natureza. Essa área engloba várias áreas de estudo, entre elas a Química (do latim chimia = mistura), a Física (do grego physis = natureza) e a Biologia (do grego bios = vida e logia = estudo). Para chegarmos ao conhecimento científico atual, o pensamento e as explicações passaram por diversas modificações. Na Pré-História, período que se estende até por volta de 3500 a.C., os conhecimentos e as técnicas eram desenvolvidos de acordo com a necessidade de sobrevivência da época. Por exemplo, os povos indígenas brasileiros explicavam o fogo normalmente observado em terrenos pantanosos e cemitérios, por meio da lenda do boitatá (ou “serpente de fogo”, do tupi-guarani). Segundo essa lenda, o boitatá protege as matas das pessoas que provocam queimadas.

Percebemos, assim, que as explicações mitológica e científica para um mesmo fenômeno natural dependem do contexto em que o observador se encontra.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Adriel Contieri/ Arquivo da editora

A explicação científica para tal fenômeno é que a decomposição da matéria orgânica presente nos pântanos e cemitérios libera gases. Estes, na presença do gás oxigênio ( O2) do ar, entram em combustão espontânea, produzindo o chamado fogo-fátuo.

Representação do boitatá conforme lenda dos indígenas da região Norte do Brasil.

06/11/2024 15:43:40

A transição para o pensamento racional começou na Antiguidade (3500 a.C.-476 d.C.), quando diversas civilizações desenvolveram um padrão de pensamento um pouco mais distante da lógica mística, mas que ainda assim era marcado pela mitologia, ou seja, pensamentos racional e místico eram utilizados em conjunto.

Mística: sobrenatural; que tem causa misteriosa. Mitologia: conjunto dos mitos próprios de um povo, de uma civilização, de uma religião. Autor Desconhecido. c. 1940. Coleção Particular

Entre as civilizações da Antiguidade, a sociedade egípcia foi uma das mais surpreendentes em termos de conhecimento científico. De acordo com o físico, químico e historiador Cheikh Anta Diop (1923-1986), os povos do Egito, ou Kemet (terra negra ou terra de homens negros), já produziam conhecimento nas áreas da Medicina, Ciência, Filosofia e História muito antes dos filósofos gregos. Esses conhecimentos eram transmitidos em instituições chamadas Per Ankh (Casas da Vida), que funcionavam de modo semelhante a uma universidade, com arquivo, biblioteca e oficina de cópia de papiros. Alguns saberes do Egito antigo foram organizados para facilitar o dia a dia, como a padronização de pesos e medidas, a escrita por meio de hieróglifos e o domínio da Matemática. Esses conhecimentos permitiram, por exemplo, a construção de grandes monumentos, como as pirâmides, existentes até hoje.

UNIDADE

Cheikh Anta Diop, em 1940.

Cortyn/Shutterstock.com

Os egípcios realizavam o processo de mumificação, prática na qual um corpo era embalsamado para evitar sua decomposição. Acredita-se que essa técnica foi fundamental para o conhecimento da anatomia do corpo humano e do tratamento de doenças. Existem evidências que indicam que os egípcios antigos utilizavam próteses de membros e realizavam cirurgias cranianas e tratamentos dentários.

Pirâmide de Quéops no Cairo, no Egito, em 2019.

Já na Astronomia, o conhecimento egípcio relacionado aos planetas, às constelações e aos movimentos do Sol e da Lua era voltado, principalmente, para a medição do tempo. O calendário organizado pelos egípcios é considerado o mais avançado dos tempos antigos, prevendo as estações do ano e alguns eclipses. Além da sociedade egípcia, outras civilizações antigas, como a chinesa, a árabe, a indiana e a grega, contribuíram para a construção do conhecimento que temos hoje. Os chineses desenvolveram grande conhecimento sobre Astronomia, Geologia e Medicina. Eles consideravam que o Universo seria um grande ser vivo, composto de cinco elementos básicos: água, metal, madeira, fogo e terra. Entre as invenções chinesas utilizadas até hoje, destacam-se a bússola, os relógios e o papel.

2. Como a medição do

tempo, a previsão de fenômenos e tantas outras descobertas científicas influenciaram a organização das atividades diárias das sociedades?

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que, quando existe a possibilidade de reunir conhecimentos, organizá-los e, assim, prever a ocorrência de diversos fenômenos, as atividades diárias também podem ser organizadas.

06/11/2024 15:43:41

A cultura ocidental foi bastante influenciada pela cultura grega, pois uma de suas características foi a busca por racionalizar a compreensão do mundo e dos fenômenos naturais. Por sua vez, a civilização grega sofreu influência da cultura egípcia, em razão de viagens de filósofos e historiadores gregos ao Egito. Uma das figuras gregas mais significativas foi o filósofo Aristóteles (384 a.C. -322 a.C.), um dos primeiros a defender o método lógico de investigação em suas observações e a utilização de experiências sensoriais com o mundo real, necessárias para obter regras gerais ao descrever a natureza.

Panos Karas/Shutterstock.com

Assim, Aristóteles, além de observar os movimentos regulares dos astros no céu e de corpos na Terra, estudou os elementos fundamentais que formavam o Universo e contribuiu para outras áreas das Ciências da Natureza. Por exemplo, ele descreveu características de alguns animais e nomeou cerca de 500 espécies, além de estudar a vida marinha, a Embriologia e a anatomia humana e de outros animais. Imagens sem proporção.

Estátua de Aristóteles em Estagira, na Grécia, em 2017. Biblioteca Nacional da França, Paris

Os gregos também se dedicaram à Matemática. Pitágoras (por volta de 570 a.C.-490 a.C.) e seus seguidores, por exemplo, afirmavam que tudo poderia ser descrito por meio de números. Os pitagóricos desenvolveram estudos sobre as escalas musicais por meio de princípios matemáticos, quando notaram a relação entre o comprimento de uma corda vibrante ou de uma coluna de ar e as notas musicais. Uma corda com certo comprimento emitia uma nota, já a mesma corda com metade do comprimento emitia a mesma nota, mas uma oitava acima.

Ilustração representando os pitagóricos estudando escalas musicais com base em princípios matemáticos.

3. Em sua opinião, o

desenvolvimento e o aperfeiçoamento tecnológico são importantes para as Ciências? Justifique sua resposta.

A filósofa egípcia Hipátia de Alexandria (370-415) é considerada a primeira mulher matemática da história. Ela foi diretora de uma escola em Alexandria, onde se destacou em várias disciplinas, incluindo Matemática, Astronomia e Filosofia neoplatônica. Além de suas realizações acadêmicas, Hipátia é lembrada por seu papel como educadora e defensora do racionalismo e da investigação científica, atraindo estudantes de toda a região do mar Mediterrâneo. Durante sua vida, ela escreveu vários textos sobre Matemática e contribuiu com sua visão científica para diversas pesquisas astronômicas da época.

Entre os estudiosos das regiões atualmente conhecidas como Oriente Médio e Ásia, o filósofo persa Avicena (Ibn Sina) (980-1037) se destacou ao desenvolver um manuscrito sobre Medicina que se tornou referência na área durante vários séculos em todo o mundo. Na Índia, registros de mais de dois milênios indicam um amplo e diversificado conhecimento do corpo humano e seu funcionamento, reunidos sob a chamada medicina aiurvédica.

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que sim, pois a tecnologia fornece aos cientistas ferramentas práticas que possibilitam um maior aprofundamento das pesquisas científicas.

06/11/2024 15:43:42

UNIDADE

1 Dessa maneira, podemos perceber que o conhecimento a respeito da natureza se modificou ao longo do tempo, sendo construído por diferentes povos. No entanto, a revolução que impulsionou a visão científica ocidental como conhecemos hoje aconteceu na Idade Moderna (1453-1789). O Renascimento, período compreendido entre os séculos XIV e XVI, se iniciou na Itália e ao longo dos anos se estendeu pelo resto da Europa. Ele foi marcado pela retomada de muitos conhecimentos da Antiguidade grega e pela transformação da economia, da política, da Literatura, das Artes e das Ciências. Museu do Louvre, Paris, França

Nesse período, surgiram artistas reconhecidos no mundo todo, como os italianos Leonardo da Vinci (1452-1519), Michelangelo Buonarroti (1475-1564), Rafael Sanzio (1483-1520) e Lavinia Fontana (1552-1614). Além das Artes, vários acontecimentos estão relacionados ao período do Renascimento, como as Grandes Navegações, a invenção da imprensa e a abertura de universidades. Nessa época, ocorreram aperfeiçoamentos em diversas técnicas de navegação, o que permitiu, por exemplo, que as caravelas pudessem navegar contra os ventos com mais eficiência. Alguns instrumentos essenciais para a navegação tiveram melhorias tecnológicas, como a bússola, o astrolábio náutico e o quadrante. Mona Lisa, de Leonardo da Vinci. Óleo sobre madeira, 77 cm × 53 cm, 1505.

A bússola foi um dos instrumentos mais importantes para o desenvolvimento da navegação. Nela existe uma agulha magnetizada, que se alinha com o campo magnético da Terra, indicando a orientação norte-sul da Terra. O astrolábio é um instrumento que permite medir a altura dos astros no céu em relação ao horizonte. Ele é formado por um disco com a borda graduada, um anel de suspensão e uma espécie de ponteiro, e foi muito utilizado nas navegações como instrumento de orientação, baseando-se na determinação da posição das estrelas no céu para o cálculo da latitude dos navios. Já o quadrante foi um instrumento muito utilizado pelos navegantes portugueses por volta do século XV. Ele era um instrumento de formato de um quarto de círculo, com duas espécies de miras perfuradas na parte reta inferior e um fio de prumo preso ao centro do arco. O quadrante também era utilizado para medir a altura dos astros, auxiliando na orientação dos navegadores.

SSPL/UIG/Bridgeman Images/Easy Mediabank

Essas inovações permitiram que as embarcações pudessem navegar cada vez mais longe, possibilitando que os povos europeus chegassem a novas terras, como as Américas, a costa africana, a Ásia e o Pacífico, contribuindo para a expansão de seus domínios e seu comércio e para o acúmulo de capitais dos exploradores.

Wlad74/Shutterstock.com

Sergey Melnikov/Shutterstock.com

Imagens sem proporção.

Antiga bússola para navios.

Astrolábio náutico.

Quadrante.

06/11/2024 15:43:42

No contexto das Grandes Navegações, os portugueses estavam em disputa com a Espanha por territórios e rotas comerciais. Investindo nas navegações, o reino de Portugal acabou se tornando uma potência marítima, colonizando diversos territórios nas Américas, na África e na Ásia, incluindo o Brasil. A expedição dos portugueses desembarcou no Brasil em 22 de abril de 1500, em um local atualmente chamado Santa Cruz Cabrália, na Bahia, tendo contato com os indígenas.

Desembarque de Pedro Álvares Cabral em Porto Seguro em 1500, de Oscar Pereira da Silva. Óleo sobre tela, 190 cm × 330 cm, 1922. Museu Paulista da USP (SP).

O modelo heliocêntrico não foi aceito prontamente. Todavia, o desenvolvimento do telescópio e a contribuição de outros cientistas, como o astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601), o astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler (1571-1630) e o cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642), possibilitaram que o modelo heliocêntrico ganhasse força. O ano da morte de Galileu foi marcado pelo nascimento de outro importante nome da Ciência, o cientista inglês Isaac Newton (1643-1727). Newton se dedicou ao estudo da Matemática, Óptica, Mecânica, Química e Astronomia, descrevendo fundamentos de sua teoria da luz, da gravitação e dos movimentos planetários. Em 1687, lançou o livro Philosophiae naturalis principia mathematica, Princípios matemáticos da filosofia natural, ou simplesmente Principia, considerado uma das maiores obras científicas de todos os tempos. Nele, Newton descreveu toda a sua fundamentação teórica a respeito do que rege os corpos em movimento. A obra representa um dos pilares da chamada Física clássica.

Biblioteca Nacional da França, Paris

O astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) sugeriu outro modelo para o Sistema Solar no qual a Terra e os outros planetas executavam um movimento orbital circular ao redor do Sol, chamado de modelo heliocêntrico. Esse modelo também já havia sido proposto anteriormente, mas foi Copérnico quem o sistematizou e o popularizou.

Gravura representando o modelo heliocêntrico proposto por Copérnico. Imagem sem proporção e em cores fantasia. Coleção Particular/Bonhams

Até então, o modelo astronômico mais aceito entre os filósofos da época era o consolidado pelo matemático e geógrafo egípcio Ptolomeu (100-170), que ficou conhecido como modelo geocêntrico. Esse modelo já era conhecido por outros filósofos da Antiguidade, mas foi Ptolomeu o responsável por formalizar a teoria. Nela, as estrelas estariam fixas em uma esfera que gira em torno da Terra, além do Sol, da Lua e de outros astros conhecidos que também orbitariam ao redor da Terra.

Museu Paulista da USP, São Paulo, SP

Também durante o período do Renascimento ocorreu a chamada “revolução astronômica”, que redefiniu diversas propostas feitas na Antiguidade e modificou as concepções europeias acerca do Sol e do Sistema Solar.

Geocêntrico: do grego geo, que significa Terra, refere-se a um sistema que tem a Terra no centro. Heliocêntrico: do grego Helios, que representa o nome do deus Sol dos romanos, refere-se a um sistema que tem o Sol no centro. Retrato de de Isaac Newton, de M. Keynes. Óleo sobre tela, 125 cm × 99 cm, c. 1715-1720.

06/11/2024 15:45:19

UNIDADE

1 Essa confluência de exploração marítima e inovação científica marcou o início da era moderna, estabelecendo as bases para o desenvolvimento tecnológico e cultural que moldaria o mundo nos séculos seguintes. No final do século XIX, acreditava-se que todos os fenômenos naturais poderiam ser descritos pela Ciência desenvolvida até então. No entanto, alguns fenômenos continuavam sem explicação, como o efeito fotoelétrico e a emissão de radiação do corpo negro. A busca pela compreensão desses problemas abriu margens para descobertas inimagináveis até esse período, o que levou, no século XX, à chamada Física moderna, com proposições teóricas que se voltaram para o estudo dos fenômenos subatômicos, que contribuíram para o desenvolvimento das telecomunicações, a eletrônica e os estudos sobre o Universo. A Física moderna levou à fundamentação da teoria da relatividade Oren Jack Turner. 1947. Biblioteca do Congresso, Washington, D.C., EUA

e da teoria quântica. A teoria da relatividade, proposta em 1905 pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955), trata sobre o movimento relativo e os efeitos observados na matéria a altas velocidades, próximas à velocidade da luz, apresentando uma nova interpretação para o espaço e o tempo. Já a teoria quântica está relacionada ao estudo da matéria em escala atômica e subatômica. Essa teoria serve como base para outros campos de estudo da Física, como Física atômica, Física de partículas, Física nuclear e Física molecular, e campos da Química e da Computação.

Albert Einstein, em 1939.

O desenvolvimento de novas teorias é resultado do trabalho de cientistas, pesquisadores, entre outros profissionais. Entre eles, devemos valorizar a contribuição de inúmeras mulheres para a Ciência, que, infelizmente, tiveram seus trabalhos diminuídos ou invisibilizados ao longo da história.

Sarah Frances Whiting.

Annie Jump Cannon.

Historic Collection/Alamy/Fotoarena

Len Collection/Alamy/Fotoarena

Wellesley College. 1879. Coleção Particular

A física e astrônoma estadunidense Sarah Frances Whiting (1847-1927), por exemplo, foi a fundadora do primeiro laboratório de graduação em Física para mulheres nos Estados Unidos, trabalhando para incentivar o ingresso de mulheres no meio científico. Ela foi professora da astrônoma estadunidense Annie Jump Cannon (1893-1941), responsável pela criação do sistema de classificação de estrelas utilizado até hoje. Já a primeira brasileira a concluir um doutorado em Física foi Sonja Ashauer (1923-1948), defendendo uma tese na área de Eletrodinâmica quântica.

Sonja Ashauer.

Com a contribuição de inúmeros profissionais, homens e mulheres, para o seu desenvolvimento ao longo da história, a Ciência pode ser entendida como uma atividade humana construída com base na observação dos fenômenos naturais e na tentativa de explicá-los racionalmente. O conhecimento científico é passível de verificações, testes e substituições. Como toda atividade humana, a Ciência é dinâmica e está em constante evolução.

06/11/2024 15:45:20

LIGADO NO TEMA Uso do método científico no cotidiano O método científico é a análise sistemática praticada como processo de investigação sobre o funcionamento e/ou a causa de determinada situação. Esse método é muito utilizado na comunidade científica. Por exemplo, foi por meio desse método que o médico inglês John Snow (1813-1858) concluiu que a transmissão dos casos de cólera acontecia pela ingestão de água contaminada. No entanto, o método científico pode ser aplicado em diversas situações da vida cotidiana, como na resolução de um problema doméstico ou no desenvolvimento e melhoramento de um produto. Confira a situação a seguir. AYO Production/Shutterstock.com

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

a) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem a hipótese de existir algum problema na instalação dos itens que compõem a luminária, como fio rompido ou mau contato do interruptor.

Joana verificando uma luminária que não funcionou de maneira adequada.

Ao tentar acender a lâmpada de uma luminária, Joana verificou que ela não acendeu. 2. Com base nisso, Joana então

1. A fim de fazê-la funcionar

corretamente, Joana fez uma observação detalhada da luminária. Ela verificou se o interruptor estava na posição correta e se o cabo estava conectado na tomada.

Observação.

formulou a pergunta: por que a luminária não acendeu mesmo com o interruptor na posição correta e o cabo devidamente conectado na fonte de energia?

Pergunta.

Joana formulou uma hipótese: a lâmpada da luminária poderia estar queimada.

Elaboração de hipóteses.

ela decidiu substituir a lâmpada antiga por uma nova e ligou a luminária novamente, verificando que o problema havia sido resolvido, pois a luminária voltou a funcionar corretamente.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

4. Assim, testando essa hipótese, 3. Para responder à pergunta,

Teste experimental.

Por isso, por meio da análise baseada em evidências projetada pelo método científico, é possível obter conclusões mais confiáveis e mais assertivas, evitando, assim, conclusões precipitadas. a ) Quais seriam as outras possíveis hipóteses para o problema no funcionamento da luminária? b ) Caso Joana não houvesse corrigido o problema da luminária substituindo a lâmpada antiga por uma nova, qual seria a próxima etapa que ela deveria seguir? Resposta: Elaboração de novas hipóteses.

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ATIVIDADES

UNIDADE

1 NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. O filósofo grego Anaximandro (610 a.C.-547 a.C.) sugeriu, na Antiguidade, que os trovões eram causados pelos

ventos e que os raios eram produzidos quando nuvens se dividiam. Antes dessa proposição, raios e trovões eram comumente considerados manifestações místicas, de poderes ocultos. a ) Faça um comparativo entre as explicações dadas aos fenômenos naturais ao longo da Antiguidade. O que você conclui sobre a maneira como os fenômenos eram explicados? b ) Atualmente, qual é a explicação científica para a ocorrência de raios e trovões? Faça uma pesquisa na biblioteca da escola e/ou em sites da internet sobre esses fenômenos naturais para responder a esta Os raios são descargas elétricas entre nuvens ou entre nuvens e o solo, quando cargas elétricas questão. Resposta: acumuladas se deslocam emitindo luz. O ar ao redor do deslocamento das cargas elétricas é aquecido e se expande, causando o estrondo sonoro característico do trovão.

2. Pesquise na internet dois cientistas brasileiros e elabore uma pequena biografia de cada um. Cite os nomes, as idades e as áreas de pesquisa em que atuam ou atuaram e, se possível, algum trabalho de alta relevância Resposta pessoal. Incentive os estudantes a buscar por nomes de cientistas brasileiros, destacando que a de autoria deles. ciência brasileira desenvolve trabalhos significativos. Além disso, conduza a pesquisa de nomes de cientistas mulheres, já que poucos são mostrados na história.

3. Leia a seguir um trecho da entrevista com o historiador da Ciência, filósofo e físico francês Michel Paty (1938-). A entrevista foi realizada quando Paty visitou o Brasil, em novembro de 2013.

[...] Em seu trabalho, o senhor já explorou muito as ideias de Einstein e Poincaré a respeito da criatividade, do estilo científico e do papel da invenção na Ciência. Fazendo um paralelo com os dias atuais, qual o papel da criatividade e da invenção na Ciência contemporânea? Paty - A grande dificuldade para responder a essa pergunta está na forma que a pesquisa científica tomou a partir da segunda metade do século 20. No tipo de Ciência que temos hoje em domínios importantes, a Big Science, o trabalho é muito coletivo e as experiências são de alta tecnologia, tanto na Física, na Química e na Astronomia quanto na Biologia e na Neurociência. Há uma enorme mobilização de pesquisadores, instituições, equipamentos e recursos. Parece ser mais difícil perceber aqui uma originalidade de contribuição dos pesquisadores tomados individualmente. Porém, se olharmos os conhecimentos produzidos por esse tipo de pesquisa, eles não deixam de ter a mesma natureza de quando o trabalho científico era mais individual [...]. A CIÊNCIA criativa. Ciência Hoje, 11 dez. 2013. Disponível em: https://cienciahoje.org.br/a-ciencia-criativa/. Acesso em: 19 jul. 2024.

O que se pode concluir, com base na resposta de Paty, a respeito da diferença entre fazer Ciência atualmente e antes do século XX? Converse com seus colegas e elabore um texto argumentativo com suas conclusões. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que, em razão da globalização e da facilidade de comunicação entre as

4. Leia o trecho do texto apresentado e responda às questões. pessoas a nível mundial, as pesquisas adquirem um

caráter coletivo. 4. a) Resposta: Espera-se que, para o pensamento mitológico, os estudantes reescrevam: “Ele é um tipo de saber afetivo, coletivo e dogmático, trata-se de Pode-se concluir, então, que o mito é a primeira forma que o ser humano utilizou um relato, construído para dar sentido ao mundo. Ele é um tipo de saber afetivo, coletivo e dogmático, trata-se coletivamente, de um relato, construído coletivamente, ainda que sem a consciência dessa constru- ainda que sem a ção. [...] Mas, a partir de um dado momento do processo histórico, essa explicação mítica, consciência dessa essa forma de saber de si e do mundo, começa a ser questionada por aqueles construção”. E que seriam conhecidos como os filósofos, os pré-socráticos, preocupados em buscar para o pensamento a arkhé, o princípio fundamental das coisas. Doravante, são eles que buscam dar uma filosófico: “[...] buscam dar explicação sustentada em argumentos racionais para o existente. uma explicação FERNANDES, Vladimir. A transição do mito à filosofia e o processo político-formativo do cidadão grego. sustentada em Hipótese, Itapetininga, v. 2, n. 1, 2016. p. 86. Disponível em: https://revistahipotese.editoraiberoamericana. argumentos com/revista/article/view/108/100. Acesso em: 25 jul. 2024. racionais para o existente”.

1. a) Resposta: As percepções de que o mundo era controlado por forças místicas que se manifestavam sob a forma de trovões, raios, a ) Reescreva os trechos do texto que tratam da diferença entre os pensamentos mitológico e filosófico. enchentes, doenças, b ) Faça uma pesquisa e cite um fenômeno natural que tenha explicações mitológica e científica. Produza pessoal. Os estudantes podem citar, por entre outros um texto com essas informações e o apresente aos colegas. Resposta exemplo, o mito grego que explica as ondas de ressaca fenômenos, foram se transformando à medida que a ciência se desenvolveu, do mar como resultado da ação do deus Poseidon, levando à racionalização de diversas ideias que anteriormente recorriam a espetando o mar com seu tridente. explicações misteriosas.

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5. Leia o trecho do texto a seguir e responda às questões. 5. a) Resposta: Eles permitiram a criação dos calendários, sendo possível prever as estações do ano e quais seriam as melhores épocas para o plantio e a colheita. […]

Além da orientação geográfica, um dos principais objetivos práticos da astronomia indígena era sua utilização na agricultura. Os indígenas associavam as estações do ano e as fases da Lua com a biodiversidade local, para determinarem a época de plantio e da colheita, bem como para a melhoria da produção e o controle natural das pragas. Eles consideram que a melhor época para certas atividades, tais como, a caça, o plantio e o corte de madeira, é perto da lua nova, pois perto da lua cheia os animais se tornam mais agitados devido ao aumento de luminosidade, por exemplo, a incidência dos percevejos que atacam a lavoura. […] Os indígenas que habitam o litoral também conhecem a relação das fases da Lua com as marés. Eles associam as marés às estações do ano para a pesca artesanal. Em geral, quando saem para pescar, seja no rio ou no mar, já sabem quais as espécies de peixe mais abundantes, em função da época do ano e da fase da Lua. […] AFONSO, Germano Bruno. Astronomia indígena. In: REUNIÃO ANUAL DA SBPC, 61., 2009, Manaus. Anais... Manaus: UFAM, 2009. p. 2-3. Disponível em: https://www.sbpcnet.org.br/ livro/61ra/conferencias/co_germanoafonso.pdf. Acesso em: 24 jul. 2024.

a ) Como a observação do céu e o estudo dos fenômenos astronômicos puderam contribuir para o desenvolvimento da agricultura? b ) Como os antigos agricultores utilizavam as estrelas e os ciclos lunares para determinar os melhores períodos para plantar e colher suas culturas? c ) Como as tecnologias modernas de satélites e a observação astronômica contribuem para o monitoramento do clima e do solo, ajudando no desenvolvimento sustentável da agricultura? Resposta nas Orientações para o professor.

6. A proposta da existência do átomo se deu já no século V pelos filósofos gregos Leucipo (500 a.C.-430 a.C.) e Demócrito (460 a.C.-370 a.C.). A palavra átomo vem do grego a = não e tomo = partes, e significa “o que não pode ser cortado”. Para eles, toda a matéria seria formada por minúsculas partículas indivisíveis. Entretanto, essas ideias eram apenas hipóteses não testadas.

5. b) Resposta: Pela observação de padrões no céu, como o surgimento de certas constelações, que sinalizavam mudanças sazonais.

Em 1803, o químico inglês John Dalton (1766-1844) propôs que os átomos seriam partículas esféricas maciças. Os átomos de um tipo de elemento químico seriam todos iguais e os elementos se diferenciariam por terem átomos de massas e tamanhos diferentes. Apesar de o modelo atômico de Dalton ter auxiliado no avanço do conhecimento científico da época, ele foi refutado quando, em 1898, o físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) descobriu e identificou o elétron como subpartícula do átomo. Ele propôs um novo modelo para o átomo, onde o núcleo seria formado por uma esfera de carga elétrica positiva com os elétrons, de carga elétrica negativa, distribuídos dentro dela. Assim como o modelo de Dalton, os compostos seriam formados por átomos agrupados. Em 1908, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e seus estudantes, o físico alemão Hans Geiger (1882-1945) e o físico inglês Ernest Marsden (1889-1970), realizaram uma série de experimentos a fim de investigar a estrutura do átomo. Eles lançaram um feixe de partículas de carga positiva sobre uma folha muito fina feita de ouro. Grande parte dessas partículas atravessou a folha sem sofrer desvios em sua trajetória, uma pequena parte sofria pequenos desvios e poucas delas eram desviadas em grandes ângulos. O modelo atômico mais aceito até então, proposto por Thomson, não explica o experimento feito por Rutherford e seus estudantes. a ) Explique por que o modelo atômico de Thomson é incompatível com o experimento feito por Rutherford e seus estudantes. b ) Com base nos resultados dos experimentos da folha de ouro de Rutherford, quais conclusões sobre a estrutura atômica podem ser Resposta nas Orientações para o obtidas? professor.

7. A física, como ciência fundamental, desempe-

nha um papel crucial na interdisciplinaridade, integrando-se a diversas áreas do conhecimento. Essa interação entre diferentes áreas do saber possibilita a criação de mais tecnologias, a compreensão mais profunda dos processos naturais e o desenvolvimento de soluções inovadoras para os desafios da sociedade. Pesquise e cite exemplos em que a Física se conecta com outras disciplinas. Para cada exemplo, descreva como essa integração ocorre e qual é a importância dela. Resposta nas Orientações para o

professor. 6. a) Resposta: Caso a matéria fosse composta de átomos esféricos agrupados, não haveria espaço para que a maior parte das partículas positivas do feixe atravessasse a folha de ouro.

06/11/2024 15:45:21

CAPÍTULO

Science History Images/Alamy/Fotoarena

Origem e evolução do Universo

A teoria do Big Bang

Leia o trecho de reportagem a seguir sobre a pesquisa de um astrônomo brasileiro relacionada à formação do Sistema Solar.

Edwin Hubble.

GRANGER - Historical Picture Archive/Alamy/Fotoarena

A pesquisa [...] sugere que, nos primeiros milhares de anos durante o processo de formação do Sol, nossa estrela estaria circundada por três anéis concêntricos, repletos de detritos de gelo e poeira, com tamanhos e características distintos. Estes anéis, posteriormente, teriam dado origem aos diferentes corpos situados em diferentes regiões e que são responsáveis pela configuração, ou arquitetura, que observamos no Sistema Solar hoje. PALADINO, Guilherme. Existência de diversos anéis ao redor do Sol no passado pode explicar atual arquitetura do Sistema Solar, sugere pesquisa de astrônomo brasileiro. Jornal da Unesp, 9 maio 2022. Disponível em: https://jornal.unesp.br/2022/02/09/existencia-de-diversos-aneis-ao-redor-do-sol-no-passado-pode-explicar -atual-arquitetura-do-sistema-solar-sugere-pesquisa-de-astronomo-brasileiro/. Acesso em: 22 jul. 2024.

Entender a origem do Universo e do Sistema Solar é uma tarefa complexa, pois depende de observações que nos forneçam evidências indiretas de como esses eventos ocorreram.

Georges Lemaître.

Tal teoria sugere que o Universo se expandiu a partir de um ponto material extremamente quente e denso, o qual continha toda a energia existente no Universo atual. Essa teoria foi batizada de Big Bang por seus opositores de forma pejorativa, pois a ideia de que o Universo teve um início era rejeitada pela grande maioria da comunidade científica da época. Alguns conceitos da teoria do Big Bang foram apresentados pelo padre e físico belga Georges Lemaître (1894-1966), que usou modelos baseados nas equações do físico alemão Albert Einstein (1879-1955) para a relatividade geral. Lemaître propôs que o Universo tinha um tempo passado finito e que começou a partir de uma região pequena e compacta, a qual chamou de átomo primordial, que se expandiu e evoluiu com o tempo. A teoria do Big Bang foi aperfeiçoada pelo físico estadunidense George Gamow (1904-1968). Ele propôs que o estado inicial do Universo permitiria a síntese de todos os núcleos atômicos. Posteriormente, verificou-se que essa síntese inicial só produziria os núcleos mais simples, como o hidrogênio (H), o hélio (He) e o lítio (Li). Gamow também previu que o Big Bang deixaria uma radiação residual espalhada por todo o Universo.

Science History Images/Alamy/Fotoarena

A teoria mais aceita entre os cientistas para explicar a origem do Universo teve início com as descobertas do astrônomo estadunidense Edwin Hubble (1889-1953). Ele observou que as galáxias distantes se afastam umas das outras e que, quanto maior a distância entre elas, maior sua velocidade de afastamento.

Albert Einstein. Galáxias: grandes aglomerações de estrelas, planetas, gases e outros corpos celestes causadas pela força gravitacional. Relatividade geral: teoria que prevê as leis da Física sendo aplicadas em todos os sistemas de referência que se movem, com velocidade constante ou acelerada, e também para campos gravitacionais, relacionando a gravidade às propriedades de espaço-tempo. Radiação: emissão de energia por meio de ondas ou de partículas.

06/11/2024 15:48:40

A evolução do Universo desde o Big Bang De acordo com a teoria do Big Bang, cerca de 13,7 bilhões de anos atrás, todo o espaço, a energia e a matéria que conhecemos estavam concentrados em uma pequena região, com densidade e temperatura tendendo a infinito, a chamada singularidade. Em razão dessas condições, no início, somente a energia se manifestava e não havia matéria. Com a expansão e o resfriamento contínuo do Universo, formou-se a matéria que temos atualmente, com seus diversos componentes, como galáxias, estrelas e planetas. O esquema a seguir representa, de forma simplificada, os eventos que ocorreram após o Big Bang, em uma sequência temporal. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

1. 0 segundo: instante do Big Bang.

2. 10 −43 segundo: primeiro instante do qual conseguimos obter

informações. Nesse momento, é possível diferenciar a interação gravitacional das outras forças. Temperatura: 10 32 K.

VectorMine/Shutterstock.com

3. 10 −34 segundo: acontece a inflação, um período de curta duração no

qual a taxa de expansão do Universo foi incrivelmente alta. O tamanho do Universo é multiplicado por um fator da ordem de 10 30. Temperatura: 10 27 K.

4. 1 segundo: nesse momento, o Universo é formado por prótons, nêutrons

e elétrons espalhados em meio a fótons (partículas que compõem a luz) e outras partículas. Temperatura: 10 10 K.

5. 3 minutos: acaba a formação dos núcleos atômicos dos elementos leves,

como o hidrogênio, o hélio e o lítio. O Universo ficou repleto desses núcleos, que, com os elétrons, formavam um plasma. Temperatura: 10 9 K.

6. 379 000 anos: a temperatura do Universo cai e os elétrons se estabilizam ao redor dos núcleos atômicos, formando átomos completos. Com a formação dos átomos, a luz deixou de estar acoplada à matéria, o Universo se tornou transparente e uma grande quantidade de radiação foi liberada, formando a radiação cósmica de fundo que observamos até os dias atuais. Temperatura: 2 970 K.

7. 400 milhões de anos: ocorre a formação das primeiras estrelas, oriundas de nuvens de gases que se aglomeraram.

8. 500 milhões de anos: nesse período, foram originadas as primeiras 8.

galáxias. Temperatura: 20 K.

9. 13,7 bilhões de anos: estado atual do Universo. Estudos indicam que a

formação do Sistema Solar se iniciou há aproximadamente 4,6 bilhões de anos, proveniente de um condensado de gás e poeira, e evoluiu até chegar ao que conhecemos atualmente. Temperatura: 2,73 K.

Representação da formação do Universo e os principais eventos, segundo a teoria do Big Bang.

Imagem elaborada com base em: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. O Big Bang. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/ fis02001/aulas/cosmo3.html. UNIVERSITY OF CALIFORNIA. Origin of the elements. Disponível em: https://www2.lbl.gov/abc/ wallchart/chapters/10/0.html. Acessos em: 11 jul. 2024.

Interação gravitacional: tipo de força de atração entre partículas por causa de suas massas. Plasma: fase da matéria na qual os átomos de um gás estão ionizados em virtude da alta temperatura.

06/11/2024 15:48:41

Evolução estelar

1. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes expressem seus conhecimentos prévios sobre o nascimento das estrelas. Anote na lousa as respostas mais convenientes para discuti-las durante a leitura do texto.

Nos primeiros minutos logo após o Big Bang, o Universo era completamente diferente do atual. Em razão da sua expansão e do seu resfriamento contínuo, a matéria foi se formando, os átomos se organizando e originando as estruturas que compõem o Universo, como as estrelas.

1. O que você sabe sobre o nascimento de uma estrela?

O nascimento de estrelas geralmente ocorre em nebulosas, regiões do espaço com densas nuvens de gás e poeira interestelar. Os modelos atuais sugerem que as estrelas nascem da concentração de matéria, por causa de perturbações na vizinhança das nebulosas e da ação de forças gravitacionais.

Astro (dimensão) Nebulosa de Orion: aproximadamente 2,27 · 10  14km de diâmetro. J Marshall - Tribaleye Images/Alamy/Fotoarena

Durante esse processo, a atração gravitacional provoca o colapso gravitacional de pequenas regiões de gás e poeira dentro da nebulosa, formando núcleos que podem se tornar estrelas. Esses núcleos podem sofrer um aumento de massa e de temperatura em razão da atração gravitacional. Quando a temperatura do núcleo chega a 10 milhões de graus Celsius, inicia-se a fusão termonuclear do hidrogênio e a nova estrela passa a emitir energia. A formação e a evolução das estrelas são processos contínuos, que podem levar milhões ou bilhões de anos para se completar, passando por diferentes etapas. A imagem a seguir representa a evolução estelar em razão da massa inicial, considerando como referência a massa do Sol ( M⨀ = 1,99 · 10 30   kg) seguindo em ordem crescente de massas, de A até E. A.

Estrela com massa entre 0,08e 0,4 · M⨀ (Anã vermelha) Anã vermelha

Supergigante

Estrela com massa entre 8e 25 · M⨀ Protoestrela

Anã branca

Nebulosa planetária

Estrela gigante

Supernova

Estrela de nêutrons

Estrela gigante

Estrela com massa maior do que 25 · M⨀ Protoestrela Supergigante

Supernova

Buraco negro

Ilustrações: Alexandre de Souza/Arquivo da editora

Fusão termonuclear: reação em que núcleos de átomos leves se combinam a altíssimas temperaturas para formar um único núcleo, mais pesado, ocorrendo grande liberação de energia.

Supergigante vermelha

Estrela com massa entre 0,4 e 8 · M⨀ Protoestrela

Colapso gravitacional: concentração gradativa de matéria em regiões de maior densidade por causa da força gravitacional, diminuindo o volume da matéria e aumentando, de forma considerável, sua densidade.

Anã marrom

Protoestrela

Nebulosa de Orion. Imagem obtida pelo Telescópio Espacial James Webb.

Estrela com massa menor do que 0,08 · M⨀ (Anã marrom) Protoestrela

UNIDADE

1 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação da evolução estelar. Imagens elaboradas com base em: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 424.

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A cor, o tamanho, a massa e as linhas espectrais são propriedades utilizadas para caracterizar as estrelas. O núcleo das estrelas emite radiação em diversas faixas de frequência do espectro eletromagnético. Essa luz interage com os gases presentes nas camadas externas da estrela e algumas dessas faixas de frequência são absorvidas, dependendo da composição estelar. A análise das linhas espectrais permite saber os elementos químicos que constituem a estrela.

A classificação das estrelas usada atualmente tem como referência as linhas espectrais e foi estabelecida no início do século XIX pela astrônoma estadunidense Annie Jump Cannon (1863-1941) e pelos seus colegas do Harvard Observatory. Ela está ordenada de acordo com a temperatura da superfície estelar, utilizando as letras OBAFGKM. Confira a tabela apresentada.

World History Archive/ Alamy/Fotoarena

Ao estudar a abundância de elementos químicos por meio de linhas espectrais estelares, a astrônoma inglesa Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979) concluiu que o hidrogênio e o hélio são os elementos predominantes do Sol e de outras estrelas. Antes de sua descoberta, acreditava-se que as estrelas eram compostas de elementos químicos semelhantes aos da crosta terrestre. Confira a seguir as linhas de absorção de luz que indicam a Espectro de absorção do hidrogênio. presença do elemento hidrogênio no Sol. Propriedades estelares e classificação espectral Classe espectral

Cor

Temperatura ( K)

Azul-Violeta

30 000-50 000

Fonte de pesquisa: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 350.

Branca-Azul

11 000-30 000

Branca

7 500-11 000

Amarela-Branca

5 900-7 500

Amarela

5 200-5 900

Laranja

3 900-5 200

Vermelha-Laranja

2 500-3 900

O Sol é uma estrela de tamanho e temperatura médios. De acordo com a classificação atual, pertence à classe espectral G, com temperatura chegando a aproximadamente 5 500 °C (5 773 K) em sua superfície. Assim como as demais estrelas, o Sol tem um ciclo evolutivo.

Alexandre de Souza/ Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Protoestrela

Estrela amarela

Gigante vermelha

Anã branca Supergigante vermelha

Imagem elaborada com base em: F. COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Nebulosa Universo. 8. ed. Porto planetária Alegre: Bookman, 2010. p. 424.

Representação do ciclo de vida do Sol.

A. O acúmulo de matéria na região central

de uma nuvem de gás e poeira aumenta a densidade e eleva a temperatura dessa região.

B. Quando o núcleo da protoestrela atinge cerca de 10 milhões de graus, começam as reações termonucleares, e o Sol passa a ser uma estrela propriamente dita, com diâmetro de 13,9 · 10 5 km. Essa é sua fase atual. Desde o início de sua vida até hoje, são estimados por volta de 4,6 bilhões de anos.

C. Daqui cerca de 5,5 bilhões de anos, o Sol

será uma gigante vermelha. O hidrogênio do núcleo terá sido consumido e a estrela realizará fusão de hélio. Sua camada externa se expandirá, apresentando temperatura superficial aproximada de 3 500 K. Seu diâmetro aumentará em 100 vezes e seu brilho em 200 vezes.

D. O hélio do núcleo, quando for consumido, será transformado em

carbono ( C) e oxigênio ( O) na camada externa ao núcleo. Nessa fase, a estrela se expandirá ainda mais, aumentando também sua luminosidade, e seu diâmetro chegará a aproximadamente 300 milhões de km. Sua temperatura estará próxima de 3 000 K.

E. Quando a estrela perde massa e o material de suas camadas

externas é ejetado para o meio estelar, seu núcleo de carbono e oxigênio começa a ser exposto. Com tamanho equivalente ao da Terra e temperatura de 120 000 K, o núcleo brilhante ficará envolvido por poeira e gás em expansão.

F. O núcleo da nebulosa planetária remanescente do Sol se

transformará em uma estrela anã branca. Sua composição será basicamente de carbono e oxigênio e seu tamanho será aproximadamente o do planeta Terra. Linhas espectrais: linhas escuras ou brilhantes em comprimentos de onda específicos em um espectro. Espectro eletromagnético: intervalo completo de todas as possíveis frequências da radiação eletromagnética.

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UNIDADE

1 2. Resposta pessoal. O objetivo da questão é verificar se os estudantes relacionam a luz visível emitida pelo Sol à radiação gerada pelas reações termonucleares que ocorrem em seu interior, como acontece em outras estrelas.

Estrutura estelar e fonte de energia

De forma geral, as estrelas são corpos celestes esféricos constituídos predominantemente de hidrogênio e hélio em altas temperaturas, no estado de plasma. Elas têm como fonte de energia a fusão termonuclear.

2. Como você acha que o Sol emite luz?

O Sol é classificado como uma estrela típica: nem muito grande, nem muito pequena; não muito fraca, tampouco muito brilhante. É uma fonte de energia indispensável para a vida na Terra. Existem bilhões de estrelas como o Sol na Via Láctea, por isso seu estudo serve como base de conhecimento sobre outras estrelas. Considerando sua massa total, o Sol é composto de aproximadamente 70,6% de hidrogênio e 27,4% de hélio; o restante se divide entre oxigênio ( O),  carbono ( C),  nitrogênio ( N) , silício ( Si) , magnésio ( Mg) , neônio ( Ne) , ferro ( Fe) e enxofre ( S) . Sua massa é mantida unida por causa da atração gravitacional, produzindo imensa pressão e temperatura em seu núcleo. Além do núcleo, estudos evidenciam que o Sol possui mais cinco regiões que completam sua estrutura. Confira a seguir. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Região onde ocorre a fusão termonuclear, que libera a energia que alimenta o Sol. Nessa região, a temperatura chega a 15 milhões de graus Celsius e os átomos de hidrogênio se fundem para formar o átomo de hélio.

2. Zona radiativa Camada pela qual a energia do núcleo é transportada para regiões mais externas pela radiação.

Goddard/NASA

1. Núcleo

1. 5.

3. Zona convectiva Região onde ocorre a convecção térmica, responsável pelo transporte de energia do núcleo até as camadas externas do Sol. Nessa região, a temperatura cai para 2 milhões de graus Celsius, e grandes bolhas de plasma se movem para a parte externa.

Representação da estrutura do Sol.

4. Fotosfera É a camada visível do Sol, com temperatura de cerca de 5 500 °Ce espessura de cerca de 500 km. Quando os gases do interior do Sol chegam à fotosfera, irradiam energia para fora em direção ao espaço. Vemos essa energia como luz visível e outras radiações eletromagnéticas.

Imagem elaborada com base em: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 424.

5. Cromosfera Camada logo acima da fotosfera. Ela é menos densa e brilhante do que a fotosfera, por isso não é facilmente visível. Durante os eclipses solares totais, quando a Lua cobre a fotosfera, a cromosfera pode ser vista como uma borda vermelha ao redor do Sol.

6. Coroa Camada mais externa e rarefeita do Sol cuja temperatura aumenta com a altitude, chegando a 2 milhões de graus Celsius. Essa é a camada que pode ser mais bem observada durante os eclipses, formando uma coroa branca com numerosas tiras, que se estendem por milhões de quilômetros acima da superfície do Sol.

A explicação para a liberação de energia no núcleo das estrelas por meio de fusão termonuclear foi proposta pelo físico alemão Hans Albrecht Bethe (1906-2005) por volta de 1937. De acordo com Bethe, os elementos químicos se combinariam por meio de ciclos de reações que liberam energia, determinada pela diferença entre as massas dos núcleos reagentes e dos núcleos formados. No caso da fusão de hidrogênio em hélio, ao somar as massas dos núcleos de hidrogênio, encontra-se um valor maior do que a do núcleo do hélio que foi formado. Assim, uma pequena quantidade de massa é convertida na forma de energia. Essa reação pode ser representada por: 4 H1 → 1 He4 + e nergia

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A quantidade de energia liberada nas reações termonucleares ocorridas no núcleo do Sol, por exemplo, pode ser obtida por meio da teoria da relatividade, formulada por Albert Einstein, que fornece uma relação entre matéria e energia pela equação: E = m · c 2

em que: Eé a energia; mé a massa; e c 2 é a velocidade da luz ao quadrado.

ATIVIDADES RESOLVIDAS R1. Calcule a energia liberada na reação termonuclear do hidrogênio para a formação de um núcleo de hélio. Para isso, considere: • massa de 4 núcleos de hidrogênio: mH = 6,68 · 10 −27 kg • massa de 1 núcleo de hélio: mHe = 6,65 · 10 −27 kg

Resolução

A diferença de massa (Δm) entre os reagentes e o produto é:

Δm = m H − mHe ⇒ Δm = 6,68 · 10 −27− 6,65 · 10 −27∴ Δm = 0,03 · 10 −27 kg.

Portanto, a energia liberada na reação é dada por:

E = Δm · c 2⇒ E = 0,03 · 1 0 −27· ( 3 · 10 8) ∴ E = 2,7 · 10 −12 Jou E = 2,7 · 1 0 −12 W · s. 2

A luminosidade solar, que corresponde à energia total emitida pelo Sol por segundo, é aproximadamente 3,8 · 10 26W. Assim, para produzir tal luminosidade, ele converte 600 milhões de toneladas de hidrogênio em hélio em seu núcleo por segundo. Essa taxa só é possível porque o Sol tem grande suprimento de hidrogênio, o bastante para continuar a mesma emissão de energia por outros 5 bilhões de anos. Depois que todo o hidrogênio de seu núcleo for consumido, o Sol iniciará a fusão do hélio em carbono e em oxigênio, processo que também ocorre em outras estrelas.

Mark Garlick/ SPL/Fotoarena

Em estrelas com massas maiores do que 8 · M⨀, outros elementos mais pesados também são formados na fusão termonuclear. núcleo de ferro fusão de silício

Representação da fusão termonuclear nas regiões centrais de uma estrela Supergigante.

fusão de neônio fusão de hélio fusão de hidrogênio

Supergigante

Quando essas estrelas passam entre as fases Gigante e Supergigante, elas realizam fusão de hélio, carbono, oxigênio, neônio, magnésio e silício, até que seus núcleos se transformem em núcleos de ferro e o processo de fusão seja interrompido. O estágio final para estrelas de grande massa é uma violenta explosão, conhecida como supernova, em que a maior parte de sua matéria é lançada para o espaço com velocidade muito alta, contribuindo para a distribuição de elementos químicos pelo Universo. Posteriormente, esse material ejetado pode formar novos corpos celestes, como planetas, asteroides e estrelas.

Imagem elaborada com base em: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 409. Astro (dimensão) Supernova Cassiopeia A: aproximadamente 10 anos-luz de diâmetro. Moustapha kaba/Shutterstock.com

fusão de oxigênio

fusão de carbono

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Supernova Cassiopeia A, da constelação Cassiopeia.

06/11/2024 15:48:43

Formação dos buracos negros e supernovas

UNIDADE

1 a) Resposta pessoal. Eles podem citar que os buracos negros são o estágio final do ciclo da vida de estrelas de massa superior a 25 massas solares e que são corpos cujo campo gravitacional é muito intenso.

Astrônomos descobrem campos magnéticos em espiral nas bordas de buraco negro da Via Láctea A nova imagem do buraco negro localizado no centro da Via Láctea revelou um campo magnético com uma estrutura muito semelhante à do que está situado no centro da galáxia M87, sugerindo que campos magnéticos intensos podem ser comuns a todos os buracos negros ASTRÔNOMOS descobrem campos magnéticos em espiral nas bordas de buraco negro da Via Láctea. Jornal da USP, 29 mar. 2024. Disponível em: https:// jornal.usp.br/ciencias/astronomos-descobrem-campos-magneticos-em-espiral-nas-bordas-de-buraco-negro-da-via-lactea/. Acesso em: 22 jul. 2024. EHT Collaboration

Em notícias e em diversos filmes de ficção científica, provavelmente você já ouviu falar em buracos negros. Na fotografia, podemos ver a região ao redor de um buraco negro. a ) O que você sabe sobre os buracos negros? Comente com os colegas. No interior das estrelas, após o início da fusão nuclear durante seu nascimento, há uma disputa entre a força gravitacional, que tenta comprimir toda a massa estelar, e a pressão interna gerada pela reação de fusão, que tenta expandir a estrela. Na juventude da estrela, quando há combustível para manter as fusões nucleares, o equilíbrio entre essas forças garante sua existência. No fim da vida da estrela, faltam elementos químicos leves para manter as reações de fusão nuclear. Com isso, as forças internas desse corpo celeste se desequilibram, levando-a a um colapso.

Imagem produzida pelo Event Horizon Telescope (ETH) da estrutura do campo magnético ao redor do buraco negro da Via Láctea, próximo à borda de Sagitário A*.

Em uma estrela com massa acima de 8 · M⊙, quando falta combustível, a gravidade faz que ela se contraia rapidamente e exploda, liberando grande quantidade de energia. Essa explosão é conhecida como supernova. As supernovas também podem surgir de sistemas binários de estrelas, nos quais uma estrela absorve massa da companheira e explode. Durante a explosão de uma supernova, ocorrem altos fluxos de nêutrons, que contribuem para a formação de elementos químicos mais pesados do que o ferro, como o zinco (Zn)e o cobre ( Cu).  Parte da massa da estrela que passou pela fase de supernova é ejetada para o espaço. No entanto, outra parte dessa estrela pode se contrair, formando um núcleo pequeno, com grande massa, que pode evoluir em uma estrela de nêutrons ou em um buraco negro.

Astro (dimensão) Pulsar de Vela: aproximadamente 20 kmde diâmetro e localizada a cerca de 1 000 anos-luz da Terra. NG Images/Alamy/Fotoarena

As estrelas de nêutrons se formam tendo como base estrelas com massa entre 8 e 25 · M⊙. Já os buracos negros se formam com a morte de estrelas com massas superiores a 25 · M⊙. b ) Que tipos de estrelas podem resultar em supernovas? c ) O Sol poderá se transformar em um buraco negro um dia? Explique sua Resposta: Não. O Sol não tem a massa necessária para se transformar em um resposta. buraco negro. Estudos indicam que, futuramente, ele evoluirá para uma estrela classificada como anã branca.

d ) Qual é a importância dos estudos sobre as supernovas? Exponha suas opiniões para os colegas. b) Resposta: As supernovas podem ocorrer em estrelas que têm massa superior a 8 massas solares. A observação desse fenômeno em outras galáxias é mais frequente, pois a presença de poeira estelar dificulta a observação de supernovas na Via Láctea.

Estrela de nêutrons Pulsar de Vela.

d) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes citem que o estudo de uma supernova auxilia na compreensão da origem e evolução do Universo e também de como se formam e se distribuem os elementos químicos nos corpos celestes.

06/11/2024 15:48:44

3. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a reconhecer o Sistema Solar como um sistema planetário e relacionar esse termo a um conjunto de planetas e outros astros não estelares que orbitam uma estrela.

Formação de sistemas planetários Agora, confira o trecho de reportagem a seguir.

Cientista brasileiro pode ter descoberto novo planeta no Sistema Solar Possível planeta estaria localizado no chamado Cinturão de Kuiper

3. Converse com um colega sobre o

que vocês entendem por sistema planetário e citem o nome daquele a que o planeta Terra pertence.

A descoberta de novos sistemas planetários tem auxiliado a compreender como o Sistema Solar se formou. A explicação mais aceita atualmente indica que a origem dos sistemas planetários está ligada ao nascimento de estrelas provenientes de nuvens de gás e poeira interestelar, as nebulosas. Estima-se que a formação do Sistema Solar teve início há cerca de 4,5 bilhões de anos, na Via Láctea, entre os braços de Sagitário e Perseu, quando uma nuvem de gás e poeira interestelar começou a se contrair e girar em torno de um centro, tornando-se cada vez mais densa, em razão da força gravitacional entre as partículas que compõem a nuvem. Sol Com o passar do tempo, a massa de gás assumiu a forma de um disco, com uma região mais densa em seu centro, chamada de Representação da galáxia Via Láctea e a localização do Sol, estrela do Sistema Solar. protossol, da qual se originou o Sol. Os planetas, satélites e outras estruturas se formaram a partir do material presente no disco. A rotação das partículas da nebulosa teve grande importância na evolução do Sistema Solar, pois gerou um movimento que impediu o colapso das regiões mais exteriores ao protossol. As partes mais externas colapsaram na direção do centro mais lentamente, possibilitando, mais tarde, a formação dos planetas internos e externos. Confira o esquema a seguir.

NASA

PIMENTEL, Carolina. Cientista brasileiro pode ter descoberto novo planeta no Sistema Solar. Agência Brasil, 22 fev. 2024. Disponível em: https://agenciabrasil. ebc.com.br/geral/noticia/2024-02/cientista-brasileiro-pode-ter-descoberto-novo -planeta-no-sistema-solar. Acesso em: 22 jul. 2024.

Representação da formação do Sistema Solar.

Ilustrações: Alexandre de Souza/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Imagens elaboradas com base em: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 154.

06/11/2024 15:55:53

UNIDADE

1 A. No início da formação do Sistema Solar, uma nuvem de gás e poeira entra em lenta rotação e começa a se contrair. B. Em virtude da força gravitacional, as partículas da nuvem se deslocam em torno de um centro, onde se acumulam, dando origem ao chamado protossol, que começa a crescer. C. Outros corpos começam a se formar do material residual, que se concentrou na forma de um disco ao redor do protossol. Partículas de gelo e rocha colidem, iniciando a formação dos planetesimais. D. Enquanto os planetas telúricos acumulam matéria, o protossol torna-se quente o bastante para iniciar o processo de fusão termonuclear. E. O vento solar varre para longe as partículas de gás e poeira, deixando apenas planetas, luas, asteroides, entre outros corpos. F. Os planetas externos crescem por acúmulo de gás do disco externo, enquanto os planetas internos se aquecem, iniciando a diferenciação química. Os planetas rochosos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte) se formaram mais lentamente, em regiões próximas do Sol, que são mais quentes e menos ricas em gases. O acúmulo de massa ocorreu, principalmente, por meio de colisões graduais entre planetesimais, que formaram corpos cada vez maiores, até darem origem aos satélites e planetas. Além das colisões, a gravidade contribuiu para o aumento de massa desses corpos.

Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington/NASA

NASA/JPL

Os planetas gasosos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) se formaram mais rápido do que os rochosos, em um processo parecido com o da formação das estrelas. O crescimento rápido de suas massas e a força gravitacional atraiu matéria sólida e gases da região onde se formavam. Por estarem mais longe do Sol (uma região mais fria e rica em gases), apresentam composição gasosa.

Astro (dimensão) Mercúrio: aproximadamente 4 879 kmde diâmetro.

Mercúrio.

Astro (dimensão) Netuno: aproximadamente 4 9 492 kmde diâmetro.

Atualmente, são conhecidos mais de 5 000 sistemas planetários além do Sistema Solar, e mais de 8 000 planetas orbitando outras estrelas que não o Sol. A maioria desses planetas são gigantes gasosos, como Júpiter, e quase sempre são descobertos de modo indireto. Por exemplo, ao observarmos a luz emitida pelas estrelas que esses planetas orbitam, quando eles passam pela frente da estrela, há uma ligeira redução do brilho observado. A descoberta de outros sistemas planetários aumenta a compreensão sobre a formação do Sol, da Terra e dos outros planetas, com base no estudo de sistemas mais jovens, mais antigos ou da mesma idade que o nosso.

Netuno.

Planetesimais: objetos que deram origem a um planeta, como um asteroide. Planetas telúricos: planetas com composição química e densidade semelhantes às da Terra.

06/11/2024 15:55:53

CONEXÕES com ... SOCIOLOGIA e FILOSOFIA

Origem do Universo em diferentes culturas Ao longo da história da humanidade, compreender a origem do Universo tem sido uma tarefa que desperta o interesse do ser humano. Podemos perceber esse fato ao conhecer as diferentes explicações de diversas culturas sobre a origem do Universo e de alguns astros que o compõem. Os mitos, por meio da Filosofia, são o princípio para reflexões a respeito de fenômenos da natureza e da existência das coisas, incluindo o ser humano e suas relações com o divino. Além disso, os mitos personalizam as crenças individuais e os sistemas culturais, influenciando estruturas sociais e identidades coletivas estudadas pela Sociologia. Essas explicações influenciam a vida das pessoas, pois estão relacionadas a hábitos e crenças. Para muitos povos, a explicação para a origem do Universo estava no caos. É importante entender que a interpretação desses mitos deve ser feita levando em consideração a cultura a qual pertence, como menciona o físico brasileiro Marcelo Gleiser (1959-) em seu livro A dança do Universo.

[...] mitos de determinadas culturas podem parecer completamente sem sentido em outras. De fato, um erro bastante comum é usarmos valores ou símbolos da nossa cultura na interpretação de mitos de outras culturas. Outro erro grave é interpretar um mito cientificamente, ou tentar prover mitos com um conteúdo científico. Os mitos têm que ser entendidos dentro do contexto cultural do qual fazem parte. [...] GLEISER, Marcelo. A dança do Universo: dos mitos de criação ao Big Bang. São Paulo: Companhia das Letras, 2006. p. 20-21.

Vamos conhecer alguns mitos e lendas contados pelos povos.

Mitologia chinesa

Alexandre de Souza/Arquivo da editora

No começo, só havia o caos, do qual surgiu Panku, primeiro ser com consciência. Com um machado, ele dividiu o mundo entre o céu e terra. Ao morrer, seus olhos viraram o Sol e a Lua, o hálito se tornou vento e até os parasitas que viviam nele se transformaram nos animais que conhecemos. SALI, Felipe. Como é a mitologia chinesa? In: O grande livro das mitologias. São Paulo: Abril, 2018. p. 64. (Coleção Mundo Estranho).

Professor, professora: Na mitologia chinesa, o caos era como um ovo cósmico formado pelas energias primordiais yin e yang, e Panku teria nascido desse ovo cósmico

Representação da origem do Universo segundo a mitologia chinesa.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

06/11/2024 15:55:54

Povos indígenas brasileiros De acordo com a lenda indígena nheengatu, a origem do mundo teve como base a ação do ser sobrenatural Tupana.

Camila Ferreira/ Arquivo da editora

No princípio, contam, havia só água, céu. Tudo era vazio, tudo noite grande. Um dia, contam, Tupana desceu de cima no meio de vento grande, quando já queria encostar na água saiu do fundo uma terra pequena, pisou nela. Nesse momento Sol apareceu no tronco do céu, Tupana olhou para ele. Quando Sol chegou no meio do céu seu calor rachou a pele de Tupana, a pele de Tupana começou logo a escorregar pelas pernas dele abaixo. Quando Sol ia desaparecer para o outro lado do céu a pele de Tupana caiu do corpo dele, estendeu-se por cima da água para já ficar terra grande. No outro Sol [no dia seguinte] já havia terra, ainda não havia gente. Quando Sol chegou no meio do céu Tupana pegou em uma mão cheia de terra, amassou-a bem, depois fez uma figura de gente, soprou-lhe no nariz, deixou no chão. Essa figura de gente começou a engatinhar, não comia, não chorava, rolava à toa pelo chão. Ela foi crescendo, ficou grande como Tupana, ainda não sabia falar. Tupana, ao vê-lo já grande, soprou fumaça dentro da boca dele, então começou já querendo falar. No outro dia Tupana soprou também na boca dele, então, contam, ele falou. [...] MARTINS, Roberto de Andrade. O Universo: teorias sobre sua origem e evolução. São Paulo: Moderna, 1994.

Hinduísmo Na religião hindu, o Universo é cíclico, com criação e destruição, representado pela dança rítmica do tempo e a natureza efêmera do deus Xiva:

Representação da origem do Universo segundo a lenda indígena nheengatu. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

[...] Na noite do Brama (a essência de todas as coisas, a realidade absoluta, infinita e incompreensível), a Natureza é inerente e não pode dançar até que Xiva assim o deseje. O deus se alça de seu estupor e, através de sua dança, envia ondas pulsando com o som do despertar, e a matéria também dança, aparecendo gloriosamente à sua volta. Dançando, Ele sustenta seus infinitos fenômenos, e, quando o tempo se esgota, ainda dançando, Ele destrói todas as formas de nomes por meio do fogo e se põe de novo a descansar. [...] a) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes GLEISER, Marcelo. A dança do Universo: dos mitos de criação ao Big Bang. respondam que os mitos contados fazem parte da identidade cultural São Paulo: Companhia das Letras, 2006. p. 23-24. dos diferentes povos e exercem acentuada influência na vida das pessoas, pois estão relacionados a muitos hábitos, valores e crenças.

a ) Como estudamos, a teoria do Big Bang é a mais aceita pelos cientistas. No entanto, conhecemos vários mitos de diferentes povos que tentam explicar a origem do Universo. Em sua opinião, qual é a importância desses mitos para esses povos? b ) Junte-se a quatro colegas e pesquisem em livros e na internet outro mito a respeito da origem do Universo, dos astros ou de elementos da Terra. Em seguida, montem uma apresentação sobre esse mito e a importância dessa narrativa para os povos. Por fim, apresentem os resultados da pesquisa aos colegas da turma e à comunidade escolar.

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é incentivar a autonomia dos estudantes ao realizar pesquisas, além de levá-los a conhecer outros mitos a respeito da origem do Universo e perceber a importância da valorização e do respeito à cultura dos diferentes povos.

06/11/2024 15:55:54

ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. De acordo com a teoria mais aceita entre os cien-

tistas sobre a origem do Universo, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. a ) A teoria do Big Bang é a mais aceita pela comunidade científica para explicar a origem do Universo. Resposta: Verdadeira. b ) A teoria do Big Bang foi baseada, em parte, na teoria da relatividade de Albert Einstein e nos estudos do astrônomo Edwin Hubble. Resposta: Verdadeira. c ) O Universo não é estático e as galáxias estão se aproximando umas das outras, sugerindo que em algum período elas deveriam estar mais distantes. Resposta: Falsa. Comentários nas Orientações para o professor.

2. A formação do Sistema Solar é um dos eventos de

interesse da Cosmologia, envolvendo processos complexos que ocorreram há aproximadamente 4,6 bilhões de anos. De acordo com a teoria atualmente aceita sobre a formação do Sistema Solar, qual dos seguintes processos descreve melhor como nosso sistema planetário se originou? a ) O Sistema Solar formou-se a partir da fusão de várias estrelas próximas, que eventualmente se consolidaram em um único sistema. b ) Uma nuvem de gás e poeira interestelar começou a se contrair por causa da gravidade, formando um disco protoplanetário em torno de uma jovem estrela. c ) Impactos catastróficos entre planetas já formados levaram à criação de corpos menores, como asteroides e cometas. d ) A formação dos planetas foi um processo aleatório, influenciado principalmente pela radiação cósmica e eventos de supernova. e ) O Sistema Solar surgiu em virtude de um processo de captura gravitacional de corpos celestes errantes na Via Láctea. Resposta: Alternativa b.

3. Por muito tempo, a origem da energia irradiada pe-

Astro (dimensão) Sol: aproximadamente 1 390 000 kmde diâmetro.

Sol visto do espaço.

SDO/Goddard Space Flight Center/NASA

lo Sol era desconhecida. Atualmente, com o auxílio de teorias que explicam a evolução das estrelas, sabe-se que a energia solar provém de processos que ocorrem no interior dessa estrela, envolvendo núcleos de elementos leves. Que processo é esse? Explique como ele ocorre.

4. O ciclo de evolução das estrelas envolve diversas

etapas que dependem de diferentes características das estrelas. Utilizando seus conhecimentos sobre o nascimento e a morte das estrelas, analise as afirmações a seguir. I ) Os elementos químicos básicos de uma estrela são o hidrogênio ( H) e o hélio ( He).

II ) Acredita-se que o último estágio da vida do Sol seja na fase de anã vermelha.

III ) A explosão causada pela morte de uma estrela com massa maior do que 8 vezes a massa do Sol é chamada supernova. IV ) A fusão termonuclear do hidrogênio se inicia no interior de uma estrela em formação quando seu núcleo atinge cerca de 10 milhões de graus Celsius. Está correto o que se afirma em: a ) apenas I.

d ) I, III e IV.

b ) II e III.

e ) todas as afirmativas.

Resposta: Alternativa d. No ciclo de evolução do c ) I e III. Sol, acredita-se que, por conta de sua massa, seu último estágio seja na fase de anã branca.

5. Leia a manchete a seguir.

Cientistas resolvem mistério da Nebulosa de Anel Azul Disponível em: https://agenciabrasil.ebc.com. br/internacional/noticia/2020-11/cientistas -resolvem-misterio-da-nebulosa-de-anel-azul. Acesso em: 2 ago. 2024.

A manchete trata de um estudo para tentar entender a origem e a estrutura de uma nebulosa. Mas o que é uma nebulosa? Escreva em seu caderno a alternativa que responde corretamente a esta questão. a ) São regiões com alta concentração de poeira interestelar e gases, nas quais pode haver o nascimento de estrelas. b ) São corpos celestes iluminados, que orbitam os planetas e têm dimensões menores do que eles. c ) São corpos celestes iluminados, sem luz própria, que refletem a luz de outras estrelas. d ) São sistemas planetários, como o Sistema Solar, com apenas uma estrela central. e ) São corpos celestes esféricos constituídos predominantemente por hidrogênio e hélio em altas temperaturas. Resposta: Alternativa a.

Resposta: Fusão termonuclear. A alta temperatura e a alta pressão no interior do Sol provocam a fusão de núcleos de hidrogênio, formando núcleos de hélio. Nesse processo, ocorre grande liberação de energia.

06/11/2024 15:55:54

6. Nosso Sistema Solar é composto de uma estrela central, o Sol, e todos os corpos celestes que orbitam ao seu redor, incluindo planetas, asteroides, cometas e outros objetos menores. Os principais tipos de planetas no Sistema Solar são os rochosos e os gasosos. Além deles, astrônomos descobriram milhares de exoplanetas orbitando outras estrelas na Via Láctea.

Considerando o trecho citado anteriormente, assinale a alternativa ou as alternativas que correspondem corretamente à formação dos planetas do nosso Sistema Solar e exoplanetas. 01 ) Os planetas rochosos se formaram mais rapidamente do que os planetas gasosos. 02 ) A formação dos planetas rochosos ocorreu em regiões mais próximas do Sol. 04 ) Os planetas gasosos apresentam uma composição sólida por causa de sua formação rápida. 6. Resposta: Soma: 01 + 02 + 16 = 19. 08 ) A maioria dos planetas fora do Sistema Solar são descobertos de forma direta, observando-se diretamente sua luz. 16 ) A descoberta de outros sistemas planetários ajuda a entender a formação do Sistema Solar.

7. Qual é a sequência correta que associa as infor-

No Sol, cujo núcleo é composto principalmente de hidrogênio a altas temperaturas, há colisões com velocidades tão elevadas que ocorre a fusão termonuclear. A energia liberada nessas colisões no núcleo do Sol é a responsável por possibilitar o desenvolvimento de vida no planeta Terra.

UNIDADE

Professor, professora: Oriente os estudantes a resolver as questões de vestibular cujas alternativas são numeradas. Os valores das alternativas que respondem corretamente à questão devem ser somados, e a resposta é o resultado da somatória.

a ) Sabe-se que a massa do núcleo de hidrogênio e de hélio é, respectivamente, 1 ,67 · 10  −27 kg −27 e 6,65 · 10  kg. Determine a diferença de massa resultante de uma reação de fusão de hidrogênio que ocorre no núcleo do Sol, caso em que quatro núcleos de hidrogênio se combinam para formar um núcleo de hélio. 8 Resposta: −29 Considere que c = 3,00 · 10  m/s.

3,00 · 10

kg. Resolução nas Orientações para o professor.

b ) Considerando que as fusões ocorrem a uma taxa de 1,5 · 1 0  38por segundo, determine a potência gerada no núcleo do Sol. Resposta:

4 · 10  26 W. Resolução nas Orientações para o professor.

Dica Para calcular a potência solar gerada, considere que ela corresponde à taxa (razão) da energia por unidade de tempo; nesse caso, de 1 segundo.

9. Leia o trecho da obra Viagem ao céu, de Monteiro Lobato, que narra o diálogo entre o personagem Pedrinho e seu burro.

mações dos dois quadros?

I. Satélite natural que gira ao redor da Terra. II. Galáxia na qual está localizado o Sistema Solar com bilhões de outras estrelas. III. Planeta que gira ao redor do Sol e ocupa a terceira posição em ordem de afastamento do astro. IV. Conjunto de todos os astros, bem como de toda a matéria e todas as formas de energia existentes. V. Conjunto formado por diversos planetas, satélites e cometas que giram ao redor do Sol. A. Via Láctea.

D. Terra.

B. Lua.

E. Universo.

C. Sistema Solar. Resposta: I − B; II − A; III − D; IV − E; V − C.

8. Diversos fenômenos ocorrem no Universo por causa da ação de forças gravitacionais. Essas forças, ao longo de bilhões de anos, transformaram nuvens de hidrogênio em grandes corpos estelares, nos quais ocorrem inúmeras colisões e reações de seus núcleos, liberando energia.

[...] — E qual é a sua opinião, burro, sobre a formação da Lua? Há várias hipóteses. — Sim. Uns sábios acham que a Lua foi um pedaço de Terra que se desprendeu no tempo em que a Terra ainda estava incandescente. Outros acham que o planeta Saturno foi vítima duma tremenda explosão causada pelo choque dum astro errante. Fragmentos de Saturno ficaram soltos no céu, atraídos por este ou aquele astro. Um dos fragmentos foi atraído pela Terra e ficou a girar ao seu redor. [...] LOBATO, Monteiro. Viagem ao céu. São Paulo: Brasiliense, 1970. v. 4. p. 214.

Errante: que anda sem destino certo.

Respostas nas Orientações para o professor.

a ) Forme um grupo de 3 ou 4 integrantes e façam uma pesquisa referente a outras hipóteses de como ocorreu a formação da Lua, além das mencionadas no texto.

b ) Debatam e elejam a hipótese que o grupo julga mais adequada e elenquem argumentos que refutem as demais. c ) Apresentem a hipótese escolhida e as ideias formuladas pelo grupo à turma.

06/11/2024 15:55:55

CAPÍTULO

Os astros no Universo

Movimento dos astros

1. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a perceber que as linhas curvas da fotografia representam o movimento dos astros no céu por causa do movimento de rotação da Terra.

1. Analise a fotografia a

Algumas pessoas têm interesse em registrar astros do Universo por meio de fotografias. Essa tarefa exige experiência do fotógrafo, um local apropriado para registrar as imagens e o uso de algumas técnicas.

seguir. O que as linhas pontilhadas curvas representam?

Além da Terra, outros astros do Universo estão em constante movimento, até mesmo galáxias distantes, como verificado pelo astrônomo estadunidense Edwin Powell Hubble (1889-1953). Ao estudar a luz emitida pelas galáxias, ele percebeu que elas se afastam umas das outras e que, quanto maior a distância entre elas, maior a velocidade de afastamento. Os corpos celestes que fazem parte do Sistema Solar também estão em constante movimento em relação ao Sol e ao centro da Via Láctea, por exemplo. Os planetas se movimentam ao redor do Sol e de si mesmos, com os satélites naturais orbitando ao seu redor. O movimento de rotação da Terra, no qual o planeta gira em torno do próprio eixo, é responsável pelo ciclo dia-noite, que tem duração de 24 horas. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Sari ONeal/Shutterstock.com

Na fotografia da paisagem ficou registrado o movimento aparente de alguns astros no céu em uma noite com poucas nuvens, sem visibilidade da Lua, que é consequência do movimento de rotação da Terra em torno do próprio eixo.

Fotografia de longa exposição registrando o céu noturno em Oklahoma, nos Estados Unidos, em 2023.

Dica Com o professor e os colegas, providenciem um globo terrestre e uma lanterna e simulem a ocorrência dos dias e das noites. Para isso, em um local com pouca luminosidade (se for na sala de aula, apaguem as luzes), liguem a lanterna, posicionando-a em frente ao globo com o feixe de luz apontado para a sua superfície. Girem o globo lentamente e verifiquem os locais que recebem luz da lanterna diretamente (dia) e os que não recebem (noite). Lembrem-se de que a Terra gira de oeste para leste.

O movimento de revolução da Terra em relação ao Sol e a inclinação de seu eixo em relação ao plano de sua órbita estão vinculados, entre outros fatores, à ocorrência das estações do ano. Representação do Sistema Solar.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Já o movimento de revolução, em que a Terra descreve uma órbita elíptica em torno do Sol, ocorre em aproximadamente 365 dias e 6 horas e está relacionado à marcação dos anos.

06/11/2024 15:56:36

UNIDADE

Movimento e repouso Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Leia a tirinha a seguir.

2. Qual movimento

da Terra pode ser associado ao nascer do Sol, citado na tirinha? Resposta:

Movimento de rotação.

3. De que maneira SCHULZ, Charles M. Minduim. O Estado de S. Paulo, 19 nov. 2019, caderno 2, p. 30.

a personagem conseguiria perceber a movimentação da Terra em relação ao Sol?

Você já estudou que a Terra e outros astros estão em movimento em relação ao Sol. Note que nessa frase descrevemos o movimento da Terra em relação a outro astro, no caso, o Sol. 3. Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que a personagem deve acordar cedo e observar o movimento aparente do Sol no céu, que é resultado do movimento de rotação da Terra.

Ilustrações: Rubens Tavares Lima Filho/ Arquivo da editora

Para verificar se um corpo está em movimento ou em repouso, bem como definir sua localização, é necessário adotar um sistema de referência, isto é, um referencial. Confira as imagens apresentadas.

Veículo na posição 1.

Veículo na posição 2.

Como mencionado anteriormente, a definição de movimento está relacionada ao referencial. Portanto, adotando como referencial a árvore, é o automóvel que está em movimento. Isso se deve ao fato de o automóvel alterar sua posição com relação à árvore, afastando-se dela. No entanto, caso o referencial seja um dos ocupantes do veículo, o que está em movimento, afastando-se dele próprio, é a árvore. Além disso, é correto afirmar que os dois ocupantes do mesmo veículo estão em repouso, já que a distância entre eles não se altera. Assim, pode-se dizer que eles estão em repouso um em relação ao outro e em relação ao veículo.

Para movimentos unidimensionais, é possível escrever o deslocamento sem a notação vetorial da seguinte forma: Δs = s − s0

Dica Vetores são quantidades definidas por uma magnitude, uma direção e um sentido. Costumam ser representados por segmentos de reta orientados, com o comprimento indicando a magnitude. Confira a seguir.

sentido direção

comprimento

Carlos Borin/Arquivo da editora

Portanto, um corpo em movimento é aquele que varia suas posições no decorrer do tempo em relação ao referencial adotado. Caso contrário, isto é, se o corpo mantém sua posição, dizemos que ele está em repouso. → A posição ( s ) de um corpo é uma grandeza vetorial cujo módulo indica a distância a que ele está em relação à origem ( s = 0) do sistema de referência escolhido. A variação das posições de um móvel em relação a um referencial é denomi→ nada deslocamento, que é definido pela diferença entre sua posição final (s )e → sua posição inicial (s 0) . Isto é: → → → Δs = s − s 0

Representação de um vetor.

Nesse caso, o valor Δsequivale ao módulo do vetor deslocamento e o sinal, positivo ou negativo, indica o sentido do deslocamento, sendo positivo quando o movimento é a favor do sentido de crescimento das posições (progressivo) e negativo quando o movimento é contrário (retrógrado).

06/11/2024 15:56:37

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

Confira o esquema a seguir.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Júlia está passeando em um parque. Primeiro, ela vai a um bebedouro buscar água, saindo da posição 1 e indo para a posição 2, caminhando 10 m. Depois, retorna para a posição 3, percorrendo 5 m. Ela, então, vira para a esquerda e caminha 6 mpara chegar até um vendedor de pipoca, na posição 4. Por fim, caminha mais 6 mpara chegar até o chafariz, na posição 5.

∆ s 12

∆ s 23 3

∆ s 45

∆ s 34

∆ s total

Representação do trajeto de Júlia durante um passeio no parque.

Na imagem, cada segmento do trajeto de Júlia está representado pelos veto→ → → → res deslocamento Δ s 12, Δ s 23, Δ s 34 e Δ s 45. Como o deslocamento é resultado de uma operação vetorial, é possível analisar o deslocamento de Júlia em fragmentos e/ou total. Por exemplo, considerando o trajeto de 1 a 3, o deslocamento é dado pela seguinte relação.

∆ s 23 ∆ s 12

→ → → Δ s 13 = Δ s 12 + Δ s 23

∆ s 13

Como os dois vetores deslocamento são unidimensionais com sentidos opostos, consideramos um sentido com módulo positivo e outro negativo. Assim, podemos calcular o módulo do deslocamento entre os pontos 1 e 3 da seguinte forma.

Representação do deslocamento resultante entre os pontos 1 e 3.

Δ s13 = Δ s12 − Δ s23 ⇒ Δ s 13 = 10 − 5 ∴ Δ s13 = 5 m Isto é, no trajeto de 1 a 3, o deslocamento de Júlia corresponde a 5 m, vertical e para cima. Analisando o trajeto de 3 a 5, há dois vetores unidimensionais com sentidos → iguais. Portanto, o deslocamento nesse trecho ( Δ s 35) pode ser obtido pela soma

∆ s 34

dos módulos dos vetores deslocamento da seguinte maneira.

∆ s 45 ∆ s 35

Representação do deslocamento resultante entre os pontos 3 e 5.

→ → → Δ s 35 = Δ s 34 + Δ s 45 ⇒ Δ s35 = Δ s34 + Δ s45 ⇒ ∴ Δ s35 = 12 m ⇒ Δ s 35 = 6 + 6

Por fim, considerando o trajeto total de Júlia (de 1 a 5), o deslocamento total → →

(Δ s total) é→dado pela soma de dois vetores ortogonais, ∆ s 13 = 5 m, vertical para

12 m, horizontal para a direita. Assim, podemos obter o módulo cima, e ∆ s 35 = do vetor deslocamento total utilizando o Teorema de Pitágoras. (∆ stotal) = ( ∆ s13) + ( ∆ s35) = 5 2+ 12 2= 169 ∴ ∆ stotal = 13 m 2

Ilustrações: Ohanna Schmitt/ Arquivo da editora

Isto é, no trajeto de 3 a 5, o deslocamento de Júlia corresponde a 12 m, horizontal e para a direita.

∆ s 35 ∆ s 13

∆ s total

Representação do deslocamento resultante entre os pontos 1 e 5.

Isto é, no trajeto de 1 a 5, o deslocamento total de Júlia corresponde a 13 m,diagonal e para nordeste, como mostrado em verde na ilustração.

06/11/2024 15:56:38

UNIDADE

1 É importante destacar que a distância percorrida ( d) no movimento de Júlia é diferente do módulo → do deslocamento total (∆  s   total) , em que a distância percorrida é dada pela soma dos módulos dos veto→ → → → 5 + 6 + 6 ∴ d = 27 m. res Δ s 12, Δ s 23, Δ s 34 e Δ s 45, isto é, d = 10 + No entanto, há situações em que a distância percorrida assume valor equivalente ao módulo do deslocamento, como em casos de movimentos retilíneos sem que haja inversão do sentido do movimento. A associação da distância percorrida por um corpo ao tempo gasto no percurso nos dá a rapidez média, que pode ser determinada pela razão entre distância total percorrida e tempo decorrido, da seguinte maneira. distância percorrida ________________ rapidez média =        intervalo de tempo

Por outro lado, quando são conhecidos tanto a rapidez quanto a direção e o sentido de um movimento, temos a definição da velocidade, considerando o intervalo de tempo gasto para que um corpo realize determinado deslocamento. A velocidade mé→ dia ( v m) de um corpo é definida como a razão entre o deslocamen→ to ( Δs ) e o intervalo de tempo ( Δt): → → → s − s 0 Δs → → _ _ v m = ⇒ v m = t − t0 Δt

Dica A conversão entre as unidades de medida da velocidade km / he m/spode ser realizada da seguinte maneira. km/h

∶ 3,6

m /s

× 3,6 O fator 3,6 é devido ao fato de que 1 km = 1 000 me 1 h = 3 600 s, de modo que: 1 km/h = 1 000/3 600 m/s 1 km/h = 1/3,6 m/s

A rapidez em que um corpo se encontra em determinado instante de tempo é chamada de rapidez instantânea. Nos carros, ela é indicada no velocímetro. Professor, professora:

Vitor Miranda/Shutterstock.com

No Sistema Internacional de Unidades (SI), os valores numéricos para a rapidez e para o módulo da velocidade são expressos na unidade de medida metros por segundo (m/s). Entretanto, outras unidades podem ser utilizadas no dia a dia, como o quilômetro por hora ( km / h) .

Indicadores do painel de um automóvel, entre eles o velocímetro.

Comente com os estudantes que a rapidez instantânea indica o módulo da velocidade do corpo no instante de tempo considerado.

Nos movimentos retilíneos nos quais a orientação da velocidade e a rapidez são constantes, dizemos que o corpo se move em um movimento retilíneo uniforme ou MRU. Nesse caso específico, podemos desconsiderar as notações vetoriais e igualar a velocidade média à rapidez média do corpo, pois o módulo do deslocamento é igual ao valor da distância percorrida. Da mesma forma que as variações das posições de um móvel em relação ao tempo permitem obter sua velocidade, as variações da velocidade durante determinado intervalo de tempo possibilitam obter a grandeza física aceleração, que pode atuar variando a rapidez do corpo, a orientação da velocidade ou ambas as propriedades do movimento. Quando o módulo da velocidade de um corpo aumenta com o decorrer do tempo, o vetor aceleração atua a favor do vetor velocidade e o movimento é classificado como acelerado. Entretanto, quando o módulo da velocidade diminui com o decorrer do tempo, o vetor aceleração atua contrário ao vetor velocidade e o movimento é classificado como retardado.

06/11/2024 15:56:38

v a

Representação do movimento progressivo acelerado.

Representação do movimento retrógrado acelerado.

Representação do movimento progressivo retardado.

Representação do movimento retrógrado retardado.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

→ De modo geral, a aceleração média ( a m) é definida como a taxa de variação da velocidade, isto é, de→ → pendente apenas da velocidade inicial ( v 0) e da velocidade final ( v ) desenvolvidas por um corpo durante determinado intervalo de tempo. Assim, ela pode ser expressa como: → → → v − v 0 → Δv → _ _ a m = ⇒ a m = t− t0 Δt

A unidade padrão para a aceleração no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o metro por segundo ao quadrado ( m / s 2), mas outras unidades podem ser utilizadas, como o quilômetro por hora ao quadrado ( km / h 2). Para movimentos retilíneos nos quais a aceleração tem mesma direção que a velocidade, a aceleração média pode ser escrita apenas como: v− v0 Δv am = _ ⇒ am = _ t− t0 Δt

ATIVIDADES RESOLVIDAS R1. Considere um veículo andando em linha reta em uma via pública, com velocidade de 30 km/h, quando o motorista avista o sinal vermelho e aciona o pedal do freio, parando em 5 s. A aceleração média desse veículo pode ser obtida da seguinte forma: Resolução:

Dica Nesse caso, a aceleração negativa indica que a velocidade do veículo diminui, logo o movimento é retardado.

0− 3 0 _ − 30 Δv v − v0 _ km am = _ = _ = = ∴ a m = − 6 _  ≃ − 1,7 m/s 2 t − t 5 5 − 0 Δt h · s 0

R2. Agora, considere que, quando o semáforo mostra sinal verde, o motorista ace-

lera seu veículo, movendo-se em linha reta e, após 4 s, o velocímetro marca 20 km/h.

A aceleração média, dessa vez, é dada por: Resolução:

Dica Nesse caso, a aceleração positiva indica que a velocidade do veículo aumenta, logo o movimento é acelerado.

20 − 0 _ 20 Δv v − v0 _ km am = _ = _ = = ∴ am = 5 _ ≃ 1 ,4 m/s 2 4 4 − 0 Δt t − t0 h · s

06/11/2024 15:56:39

ATIVIDADES

1. Um avião comercial realizou dois voos consecu-

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

04 ) Considerando a trajetória orientada no sentido da posição s1 para s2 e com os dados fornecidos pelo enunciado, é possível classificar o movimento como acelerado e progressivo. 08 ) Na posição s 1= 0, o cronômetro começa a marcação de tempo em t = 1 s. 16 ) O módulo da velocidade média do automóvel registrada pelo sistema de monitoramento foi de 10 km / h. 32 ) O módulo da velocidade média do automóvel registrada pelo sistema de monitoramento foi de 36 km / h.

Representação das trajetórias descritas pelo avião.

Quais foram, respectivamente, a distância percorrida e o módulo do deslocamento desse avião nessa situação? Resposta: Alternativa b. Resolução nas Orientações para o professor.

a ) 2 800 kme 2 800 km

3. Um carro de corrida atinge a velocidade de 270 km / hem uma reta. Para fazer a curva ao final dessa reta, o piloto deve diminuir a velocidade do carro para 72 km / hem 5 s. Qual é aceleração média do carro nessa situação? Expresse o resultado em m / s 2e classifique o movimento em acelerado ou retardado. Resposta: − 11 m / s 2; retardado.

Resolução nas Orientações para o professor.

b ) 2 800 kme 2 000 km

4. Contemplando o planeta Marte sob o ponto

c ) 2 000 kme 2 000 km

de vista da Terra, é possível registrar, com fotografias, a seguinte trajetória percorrida no céu pelo planeta.

d) 1 600 kme 1 200 km e) 1 200 kme 1 600 km

Rob Kerby Guevarra/IAU OAE

1 6

1 2

Sergio Lima/Arquivo da editora

tivos, percorrendo trajetórias conforme mostram os vetores da figura a seguir.

UNIDADE

1 2. Professor, professora: Oriente os estudantes a resolver as questões cujas alternativas são numeradas. Os valores das alternativas que respondem corretamente à questão devem ser somados, e a resposta é o resultado da somatória.

2. Um automóvel se desloca por uma rua reta em

S1=0

S2=20 m

Eduardo Carriça/ Ohanna Schmitt/ Arquivo da editora

que há dois radares usados para determinar a velocidade dos automóveis que trafegam por essa via. Ao passar pelo primeiro radar, o sistema de monitoramento dispara um cronômetro. Ao passar pelo segundo radar, o sistema para o cronômetro, medindo t = 2 s.

Orientação da trajetória Representação do automóvel e dos dois radares.

Resposta: Soma: 02 + 32 = 34. Comentários nas Orientações para o professor.

Assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S). 01 ) O sistema de monitoramento formado pelos dois radares mede a velocidade instantânea do automóvel. 02 ) O movimento pode ser classificado como progressivo.

Posições aparentes de Marte visto da Terra.

Esse movimento é conhecido como Marte retrógrado aparente e ocorre porque os planetas não orbitam o Sol com a mesma velocidade. Essa diferença de velocidade causa uma espécie de “ilusão de óptica”, possibilitando o registro fotográfico. Sabendo que a trajetória é orientada para leste (da direita para a esquerda na fotografia), explique por que os termos retrógrado e aparente são usados.

4. Resposta: O termo retrógrado é utilizado, pois na região da imagem que parece um “laço” o planeta parece se deslocar no sentido oposto ao da orientação de sua trajetória. Já o termo aparente é usado, pois Marte não inverte o sentido de seu movimento, esse fenômeno observado ocorre por causa da diferença de velocidade com que a Terra e Marte orbitam o Sol, ou seja, o movimento somente aparenta ocorrer.

06/11/2024 15:56:39

Leis de Kepler A observação do céu, em especial dos corpos celestes, é uma atividade que desde os tempos antigos desperta a curiosidade humana. O antigo monumento Stonehenge, localizado na Inglaterra, com cerca de 5 000 anos de existência, já era utilizado para observações astronômicas, além de seu uso para fins religiosos. Um pouco mais tarde, há aproximadamente cerca de 3 000 anos, os chineses já faziam observações de eclipses. Os gregos, há 2 500 anos, guiados pelas ideias do filósofo Anaximandro (610 a.C.-547 a.C.), propuseram modelos para explicar o movimento das estrelas sem usar mitologia. Desse modo, podemos ver como o movimento dos astros atraiu a atenção de diversos povos no decorrer da história.

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Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

no co m pl rev e o l uç IV. revolu ão ção bia nu

VI. Vênus VII.

(centro)

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s se m 88 dia e

a cada 30 anos. ção e u l o om rev ma 12 anos u cada ta er a t i p Jú arte de eM d al V. r ev o 7 ada ,5 me c a ercúrio M Sol

III. um a

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

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II. Sa tur

I. es fer a

im óv el

ela str

Todos esses estudos culminaram no desenvolvimento de modelos que explicassem o movimento dos corpos celestes que compõem o Sistema Solar. Nesse sentido, o cientista grego Cláudio Ptolomeu (90-168) elaborou o modelo geocêntrico, segundo o qual a Terra ficava no centro Sistema Solar, com os demais astros girando em órbitas ao seu redor. Esse modelo foi aceito por muitos séculos, até que estudos foram feitos pelo astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) e pelo cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642), que propuseram o modelo correto para o Sistema Solar, o heliocêntrico, no qual o Sol está posicionado na região central, com os demais astros girando ao seu redor.

d ita

a Lua

Desde então, diversos cientistas tentaram explicar o movimento dos astros do Sistema Solar. Entre esses estudiosos, destaca-se o astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630). Kepler fez descobertas importantes a respeito do movimento dos planetas. Até sua época, os modelos assumiam que os corpos celestes se moviam em composições de trajetórias circulares, o que não permitia reproduzir, de forma precisa, as posições dos planetas. Assim, durante muitos anos, o astrônomo alemão tentou encontrar um modelo que descrevesse de forma correta as órbitas dos planetas. Em 1605, ele concluiu que essas órbitas deveriam ser elípticas em torno Imagem ilustrada de do Sol, que estaria localizado em um dos focos da elipse. Essa teoria foi publicada Johannes Kepler, cópia de um original de 1610. em 1609 na obra A nova astronomia. Em 1627, Kepler publicou um dos seus mais importantes trabalhos, as Tábuas rudolfinas, um catálogo de estrelas e tabelas planetárias produzido com base, principalmente, nas observações astronômicas feitas pelo seu orientador, o astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601). Apesar de todo o trabalho de Kepler com essas tabelas, elas se revelaram pouco eficientes, sendo revisadas e republicadas em 1650 no livro Urania propitia, escrito pela astrônoma e matemática polonesa Maria Cunitz (1607-1664). O livro de Cunitz forneceu tabelas com cálculos simplificados e atualizados que auxiliaram na divulgação da astronomia kepleriana.

Museu de Ciências, Londres, Inglaterra

Representação do modelo heliocêntrico, adaptado da obra de Nicolau Copérnico, 1543, De revolutionibus orbium coelestium.

As conclusões dos estudos de Kepler sobre os movimentos dos astros podem ser organizadas em três leis principais.

06/11/2024 15:58:46

UNIDADE

1 Primeira lei de Kepler Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

periélio F1

Todos os planetas se movem em órbitas elípticas ao redor do Sol, com o astro em um dos focos da elipse.

afélio

2⋅a O raio médio (R)

Como consequência desse movimento, a distância do Sol ao planeta varia ao longo de sua órbita. Quando o astro está mais próximo do Sol, ele se encontra em um ponto chamado periélio, e quando está mais distante esse ponto é chamado afélio.

dper

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

A primeira lei de Kepler, ou lei das órbitas elípticas para o movimento planetário, define a trajetória descrita pelos planetas ao redor do Sol.

daf

Representação do periélio e do afélio.

A média aritmética entre as distâncias do afélio e do periélio representa a distância média do planeta ao Sol, chamada raio médio ( R). dper + daf R = _ 2 Quando a Terra está no periélio, sua distância em relação ao Sol é de cerca de 1 47,1 · 10 6 km; já quando 6 está no afélio, essa distância é de cerca de 151,1 · 10 km, resultando em um raio médio de aproximadamente 1,5 · 10 8 km(150 milhões de quilômetros). Tal valor define a unidade de comprimento chamada unidade astronômica (ua), muito utilizada em Astronomia. 1 ua = 1,5 · 10 8 km

PRÁTICA CIENTÍFICA Construção de uma elipse

Materiais

Por dentro do contexto

• rolo de barbante

Quando um corpo celeste orbita outro, a distância relativa entre eles varia ao longo do período de revolução. Em alguns casos essa variação é grande, em outros é pequena.

• dois alfinetes ou duas tachinhas • metade de uma cartolina • régua

a ) De que maneira podemos tentar observar como ocorre a variação da distância entre os corpos celestes no movimento orbital?

• lápis

Resposta: Os estudantes podem citar que é possível construir modelos das órbitas dos corpos celestes, isto é,

Como proceder construir elipses a partir dos focos.

B. Deslize a ponta do lápis sobre o papel para desenhar a elipse. Feito o primeiro desenho, desamarre o barbante dos alfinetes, coloque-os nas marcações de 6 cme 19 cme repita os procedimentos anteriores para desenhar uma nova elipse. Desenhe outras elipses mudando a posição dos focos para 7 cme 18 cm, 8 cme 17 cm, 9 cme 16 cm, 10 cme 15 cm.

Análise

Ohanna Schmitt/Sergio Lima/Arquivo da editora

A. Trace uma linha reta de 30 cmna cartolina usando a régua. Nessa reta, faça marcações de 5 cmem 5 cm. Fixe os alfinetes em 5 cme 25 cm. Esses dois pontos são os focos F1 e F2 da elipse. Amarre o barbante nos dois alfinetes deixando uma folga. Posicione o lápis no barbante, como mostra a figura a seguir.

Imagem referente à etapa A.

1. Conforme os focos se aproximam, a elipse assume qual formato? 1. Resposta: O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a investigar e verificar como a distância entre os focos altera o formato da elipse. Eles devem responder que, à medida que os focos se aproximam, o formato da elipse se assemelha mais com o de uma circunferência.

06/11/2024 15:58:47

Segunda lei de Kepler A segunda lei de Kepler, ou lei das áreas, está relacionada à velocidade dos planetas em órbita ao redor do Sol. Uma linha imaginária que une o Sol e o planeta em órbita, denominada raio vetor, descreve áreas iguais em intervalos de tempo iguais. A consequência mais importante dessa lei é que a velocidade orbital não é constante, variando de forma regular ao longo da trajetória descrita pelo planeta. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

raio vetor ∆s1 A 1 ∆t1

∆s2 ∆t2

Representação da órbita de um planeta ao redor de uma estrela.

movimento acelerado periélio A1

vmáxima

vmínima afélio

movimento retardado

Ilustrações: Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

Representação da órbita de um planeta ao redor de uma estrela.

FG FG

Representação da órbita de um planeta ao redor de uma estrela.

Como a trajetória dos planetas ao redor do Sol tem formato de elipse, com o astro maior em um dos focos, o raio vetor tem tamanho variável. Para A1 = A2, os arcos percorridos pelo planeta em um mesmo intervalo de tempo ( Δ t 1 = Δ t2) devem ser diferentes ( Δ s1 > Δ s 2). O movimento do planeta é acelerado quando se move do afélio ao periélio e retardado quando se move do periélio ao afélio. Assim, o módulo da velocidade dos planetas aumenta conforme eles se aproximam do Sol, mas diminui quando se afastam, rompendo com a teoria segundo a qual os movimentos celestes são uni→ formes. O vetor velocidade v configura-se tangente à trajetória elíptica.

A variação no módulo da velocidade orbital foi explicada por volta de 1687, quando o cientista inglês Isaac Newton (1643-1727) publicou em sua obra Principia que uma força resultante, quando aplicada a um corpo com certa massa, gera aceleração, e que a força gravitacional surge da interação entre corpos em razão de suas massas. Esse assunto será detalhado ainda neste capítulo.

Dessa forma, a força que provoca uma aceleração no movimento do planeta é a força gravitacional entre o Sol e ele, que age na direção que passa pelo centro de massa dos dois corpos, como mostrado na imagem apresentada.

Centro de massa: ponto em uma distribuição de partículas ou corpos no qual é possível considerar que esteja concentrada toda a massa dessa distribuição.

06/11/2024 15:58:48

Terceira lei de Kepler A terceira lei de Kepler, ou lei dos períodos, relaciona o tempo que o planeta leva para completar sua órbita, ou seja, seu período ( T) orbital, à distância média do planeta ao Sol, isto é, seu raio médio ( R).

UNIDADE

Dica

O quadrado do período da órbita de qualquer planeta 2 ( T ) é diretamente proporcional ao cubo de sua distância média até o Sol (R 3).

Acesse o simulador de órbitas, disponível em: https://phet.colorado.edu/sims/html/gravity -and-orbits/latest/gravity-and-orbits_pt_BR.html. Acesso em: 23 jul. 2024. Nele, você vai observar as órbitas da Terra e da Lua e poderá alterar controles para a massa da estrela e do planeta que a orbita.

T 2 _ 3 = constante R

Confira a seguir a medida aproximada do raio médio da órbita ( R) dos planetas do Sistema Solar em uniT 2 3 . dades astronômicas (ua), o período de suas órbitas ( T) em anos terrestres e o valor da razão _ R T 2 1. Mercúrio: R = 0,39 ua, T = 0,24 anoe _ a 3 3 ≃ 0,97 ano 2/ u R 4. Os valores mostrados 2 T anteriormente para 2. Vênus: R = 0 ,72 ua, T = 0,62 anoe _ 3 ≃ 1 ,03 ano 2/ ua 3 R T2 a razão _ , para os 2 T R3 ua, T = 1 anoe _ 3 = 1 ano 2/ ua 3 3. Terra: R = 1 planetas do Sistema R 2 Solar, estão de acordo T 4. Marte: R = 1,52 ua, T = 1,88 anoe _3 ≃ 1,01 ano 2/ ua 3 com a terceira lei de R Kepler? T 2 _ 3 2 5. Júpiter: R = 5,20 ua, T = 11,9 anose 3 ≃ 1,01 ano / ua R 4. Resposta: Sim, estão de T 2 acordo. Como todos os valores 6. Saturno: R = 9,58 ua, T = 2 9,4 anose _ 3 ≃ 0,98 ano 2/ ua 3 T 2 apresentados para a razão _ 3 R R são aproximadamente 1, T 2 7. Urano: R = 1 9,20 ua, T = 83,7 anose _ 3 ≃ 0,99 ano 2/ u a 3 mantendo-se constante, R podemos dizer que eles estão 2 de acordo com a terceira lei de T 8. Netuno: R = 29,97 ua, T = 1 63,7 anose _ 3 ≃ 0 ,99 ano 2/ ua 3 Kepler. R Fonte de pesquisa: WILLIAMS, David R. Planetary Fact Sheet – Ratio to Earth Values. Nasa. Disponível em: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/ factsheet/planet_table_ratio.html. Acesso em: 23 jul. 2024.

A terceira lei de Kepler permite determinar a distância média de qualquer planeta ao Sol, conhecendo seu período e a razão obtida por meio das informações relativas a outro planeta. É possível concluir também que, quanto maior a distância média do planeta ao Sol, maior seu período orbital e mais lentamente ele se move. Assim, um planeta mais próximo do Sol tem a duração do ano mais curta do que aquele mais afastado. Cabe ainda ressaltar que a terceira lei de Kepler não se aplica apenas aos planetas em órbita do Sol, mas também a qualquer corpo a orbitar outro em razão da influência de suas mútuas atrações gravitacionais quando o corpo central tem massa muito maior do que os demais corpos que o orbitam, como luas orbitando planetas e satélites artificiais orbitando a Terra. 5. A distância média Entretanto, algumas questões impediram os pensadores do século XVII de de Júpiter ao Sol aceitar as leis de Kepler, como o fato de os planetas em órbita não atingirem é aproximadamente 5,2 vezes a da Terra ao repouso da mesma maneira que os objetos colocados em movimento na Terra. Sol. Qual é a duração Essa explicação surgiu somente décadas depois, por volta de 1665, com os trado ano de Júpiter em balhos de Newton. anos terrestres?

_ T  2  T  2  R  3  T  2  T  2  5,2  3  ⋅ R  3T  T    =  140, 608   ∴ T    ≃ 11,85 anos   J3  =  _T3  ⇒  _2J   =  _3J   ⇒  _J2  = _ 5. Resposta: _ 3   ⇒  R  J 

R  T 

T  T 

R  T 

√

06/11/2024 15:58:48

ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

1. Sabe-se que a distância entre o planeta Netuno e o Sol é bem maior do que a da Terra e o Sol. Com base nessa informação, responda às questões a seguir.

a ) O período de revolução de Netuno em torno do Sol é maior ou menor do que o da Terra? Justifique sua resposta. Resposta: Maior. Sendo o raio de órbita de Netuno maior, de acordo com a terceira lei de Kepler, o período também será maior.

b ) Determine a razão entre os períodos de revolução de Netuno e da Terra, sabendo que os raios médios de suas órbitas são de aproximadamente 4,5 · 109 kme 1,5 · 108 km, respectivamente. Resposta: Aproximadamente 164,3. Resolução nas Orientações para o professor.

c ) A velocidade orbital de Netuno é maior ou menor do que a da Terra? Justifique sua resposta.

Resposta: Menor. Como o raio médio da órbita de Netuno é maior do que o da Terra, sua velocidade orbital é menor.

2. O cometa Halley pôde ser visto da Terra, entre outras

Marte Júpiter Sol

Determine o período orbital do cometa Halley e o ponto de sua trajetória em que há o maior módulo para sua velocidade. Justifique sua resposta. Resposta: Possíveis resoluções: 1 606 − 1 530 = 76; 1 835 − 1 758 = 76; 1 986 − 1 910 = 76. Tem velocidade maior no periélio, ponto mais próximo do Sol. Representação da órbita do cometa Halley.

Saturno

Urano Netuno Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

datas, nos anos de 1530, 1606, 1758, 1834, 1910 e 1986, e sua órbita está representada na imagem a seguir.

188 Cometa Mercúrio Halley Vênus Órbita do Terra cometa Halley

3. A área total da elipse que corresponde à órbita da Terra em F E

a ) Determine aproximadamente a soma das áreas A1, 22 2 A2 e A3. Resposta: 1,75 · 1 0 m . Resolução nas

Orientações para o professor.

ˆ a velocidade é maior do que nos arcos ˆ CD e ˆ EF  . No arco AB

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

torno do Sol é de aproximadamente 7 · 1 022m2. Considerando que o intervalo de tempo gasto para a Terra percorrer os arcos ˆ AB , ˆ CD e ˆ EF  é de 30 dias cada, responda às questões a seguir.

b ) Em qual(is) arco(s) a rapidez média da Terra é maior?

Resposta: A Terra realiza um movimento acelerado no Representação da órbita da Terra em torno do Sol. ˆ arco EF  e retardado no arco ˆ CD .

4. Após a órbita de Netuno, há uma

A2 D C

Cinturão de Kuiper

região em formato de anel, composta de asteroides e outros corpos que remanesceram posteriormente à formação do Sistema Solar, chamada Cinturão de Kuiper. O início do cinturão está a uma distância de 30 ua do Sol e se estende até uma distância de 50 ua.

Imagine que todos os corpos dessa região se juntassem formando um planeta com centro de massa a cerca de 40 uado Sol e que passasse a orbitá-lo. Qual seria a duração do ano desse planeta em anos terrestres sabendo que a distância média da Terra ao Sol é de 1 ua?

ESA

ˆ c ) Considerando os arcos ˆ e EF  CD , em qual deles a Terra realiza um movimento acelerado e em qual realiza um movimento retardado?

Representação do Sistema Solar mostrando a localização do Cinturão de Kuiper.

4. Resposta: 64 anos. Resolução nas Orientações para o professor.

06/11/2024 15:58:49

CAPÍTULO

Dinâmica do movimento dos corpos

Leis de Newton

1. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a se expressarem, trocando informações prévias que tenham sobre Isaac Newton. 2. Resposta pessoal. Os estudantes podem citar situações que envolvem empurrar algum objeto para que ele inicie um movimento ou mude a direção de seu movimento.

Até aqui estudamos os movimentos dos astros sem nos preocuparmos com as suas causas, ou seja, sem considerarmos o que produziu ou modificou o movimento. A área da Física responsável por estudar as causas do movimento de um corpo e a ação de forças que agem nesse corpo é chamada de Dinâmica.

Museu Real Lazienki, Varsóvia, Polônia

O filósofo grego Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) foi um dos primeiros pensadores a elaborar explicações envolvendo o conceito de força para explicar o movimento dos corpos. Mais tarde, com os experimentos realizados pelo cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642), definiu-se que a tendência natural dos corpos, caso forças externas não estejam sendo aplicadas neles, é a de se manter em repouso ou em movimento. Desse modo, o movimento de um corpo poderia ocorrer mesmo sem estar sujeito à ação de uma força. Mas a Dinâmica, como ramo da Física, foi de fato consolidada pelo físico inglês Isaac Newton (1643-1727), que desenvolveu as ideias a respeito do movimento propostas por Galilei e enunciou as leis fundamentais do movimento que atualmente levam o seu nome, as leis de Newton. 1. Você já ouviu falar em Isaac Newton? Conte para os colegas o que você sabe sobre ele.

Isaac Newton revolucionou a Ciência ao encontrar provas físicas e matemáticas para corroborar a teoria heliocêntrica, que posicionava o Sol no centro do Sistema Solar. Newton baseou sua explicação para o movimento dos planetas e suas órbitas em três suposições físicas, chamadas leis fundamentais do movimento ou, simplesmente, leis de Newton.

Sir Isaac Newton, de John Vanderbank. Óleo sobre tela, 68,3 cm × 55,3 cm, primeira metade do século XVIII. The Royal Lazienki Museum, Varsóvia, Polônia.

De acordo com Newton, não só o movimento dos corpos na Terra, mas também o dos astros, é resultado da interação entre eles. Essa interação, chamada por Newton de força, é a grandeza física responsável por causar os movimentos e alterar suas características. De forma geral, a força surge da interação entre dois corpos, que podem estar em contato ou não.

Dica

Andrei Armiagov/Shutterstock.com

Famveld/Shutterstock.com

Assim, a força é capaz de alterar o estado de movimento ou repouso de um corpo e sua aceleração. Confira a seguir alguns exemplos.

Representação de satélite de comunicações em órbita ao redor da Terra.

Criança colocando uma bola em movimento.

Em grego, força é dýnamis, palavra que deu origem ao termo Dinâmica, campo do conhecimento que trata dos movimentos relacionados a suas causas. Os princípios básicos da Dinâmica foram fornecidos, principalmente, por dois cientistas, o italiano Galileu Galilei e o inglês Isaac Newton. Por causa de Newton, a Dinâmica também é conhecida como Mecânica newtoniana.

2. Cite um exemplo de

seu cotidiano em que uma força provoca um movimento ou altera as características dele.

06/11/2024 16:10:42

A Mecânica newtoniana é aplicada na descrição dos movimentos, com algumas ressalvas. Primeiro, as três leis que serão tratadas neste capítulo são válidas em referenciais inerciais. Além disso, a Mecânica newtoniana não é válida para situações que envolvam altas velocidades, por exemplo, próximas à velocidade da luz – nesses casos, é necessário aplicar conceitos da Teoria da Relatividade. Ela tampouco é válida para fenômenos em escala atômica – nesses casos, devemos usar conceitos da Mecânica Quântica.

A força e seus efeitos 3. Empurre, bem devagar, uma caneta sobre uma mesa. O que acontece com ela?

Referenciais inerciais: referenciais em repouso ou em movimento retilíneo uniforme (quando o módulo da velocidade do corpo permanece constante) em relação a outro referencial inercial.

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a identificar um dos efeitos de uma força, por exemplo, tirar um corpo do repouso ou provocar a variação de velocidade de um corpo.

Ao realizar a atividade anterior, você deve ter percebido que podemos identificar a força pelos efeitos que ela provoca sobre os corpos, como a variação da velocidade. Outro efeito que a força pode provocar é a deformação da estrutura do corpo. 4. Cite uma situação em que podemos perceber a deformação da estrutura de um corpo provocada por uma força.

Variação da velocidade

Quando uma força é aplicada sobre um corpo, ela pode acelerá-lo ou desacelerá-lo, provocando a variação de sua velocidade. Na cena apresentada, do filme de ação Homem-Aranha 2, por exemplo, o personagem Peter Parker exerce uma força contrária ao movimento de um trem para colocá-lo em repouso.

AJ Pics/Alamy/Fotoarena/Columbia Pictures

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar situações em que pressionaram algum objeto e este se deformou, por exemplo, uma lata de alumínio vazia ou uma garrafa de água vazia.

Cena do filme Homem-Aranha 2, dirigido por Sam Raimi, em 2004.

5. Nessa situação, a força aplicada sobre o trem gerou uma aceleração positiva ou negativa? Justifique.

Da mesma forma, um veículo entra em movimento quando seus pneus aplicam força no solo.

Como a velocidade é uma grandeza vetorial, sua variação também está relacionada à mudança de direção e sentido, como ocorre em movimentos curvilíneos. Um exemplo disso é o que ocorre com os trens, que mantêm seu percurso porque os trilhos aplicam forças em suas rodas, permitindo-lhes fazer curvas.

Andre_MA/Shutterstock.com

Resposta: Negativa. Espera-se que os estudantes respondam que a aceleração é negativa, pois foi contrária ao movimento do trem, diminuindo sua velocidade.

Goleiro argentino Franco Armani (1986-), durante partida contra o Paraguai no Estádio do Mineirão, em Belo Horizonte (MG), em 2019.

6. Agora, analise a situação mostrada na fotografia. O que acontece com a velocidade da bola quando o goleiro a defende, impedindo o gol do adversário? Resposta: A velocidade da bola varia em módulo, direção e sentido.

06/11/2024 16:10:43

UNIDADE

1 Deformação As forças aplicadas sobre um corpo podem provocar alterações em seu formato, como quando comprimimos uma mola ou amassamos uma lata de metal.

Thirteen/Shutterstock.com

As deformações podem ser úteis, como no processo artesanal de esculpir um objeto de barro ou argila, em que o escultor aplica uma força para obter a forma desejada. Dica Valorize o artesanato de sua região. Procure saber se há feiras de artesanato em seu município e visite-as.

Artesão moldando uma peça de cerâmica.

A natureza das interações As forças estão em toda parte e podem surgir da interação entre corpos em contato (forças de contato) ou da interação à distância (forças de campo). Todas as forças são descritas com base em quatro interações denominadas fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca. A interação gravitacional, que é somente atrativa, ocorre em função da massa dos corpos: quanto maior a massa, maior a interação gravitacional. Quando soltamos um objeto próximo à superfície da Terra, a atração gravitacional é percebida pelo movimento do objeto em direção ao solo; já a atração entre dois lápis, por exemplo, é desprezível. 7. A interação gravitacional entre você e a Terra é definida como uma força de campo ou uma força de contato? Resposta: Força de campo. 8. O que acontece quando atritamos uma caneta plástica no cabelo e a aproximamos de pequenos pedaços de papel?

Resposta: A caneta atrai os pedaços de papel por meio da interação elétrica.

Essa situação tem relação com qual tipo de interação? Espera-se que os estudantes comentem que a caneta plástica vai adquirir

As interações chamadas de forte e fraca são relativas ao núcleo atômico e por isso recebem a denominação interações nucleares. Elas têm pequeno alcance, diferentemente das interações eletromagnéticas e gravitacionais, que agem a grandes distâncias.

V. Husberg/Shutterstock.com

A interação eletromagnética ocorre por causa das propriedades elétricas e magnéticas da matéria. Apesar de terem sido estudadas separadamente por muito tempo, as forças elétricas e magnéticas atuam em conjunto, como nos trens do tipo maglev, que não têm rodas e se movimentam em trilhos que funcionam por meio da interação eletromagnética de ímãs com materiais supercondutores.

cargas elétricas em excesso, passando a atrair pequenos pedaços de papel, e que isso é uma interação elétrica.

Trem do tipo maglev em frente a um museu em Bonn, na Alemanha, em 2022.

A interação nuclear forte é a forma como as partículas que compõem os prótons e nêutrons interagem, sendo responsável por manter os núcleos dos átomos coesos. A interação nuclear fraca relaciona-se à radioatividade e à emissão de partículas pelos núcleos atômicos. Independentemente de como a força age sobre os corpos e dos efeitos que ela produz, Newton organizou as conclusões de seus estudos em três leis.

06/11/2024 16:10:44

Primeira lei de Newton

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

A tendência dos corpos de se manterem em repouso ou em movimento é chamada de inércia e foi descrita na obra Princípios da filosofia, do matemático, físico e filósofo francês René Descartes (1596-1650). Essa ideia foi aprimorada por Newton, que escreveu em sua obra Principia: princípios matemáticos de filosofia natural – Livro I: Lei I Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que ele seja forçado a mudar aquele estado por forças imprimidas sobre ele. [...] NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural – Livro I. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2012. p. 53.

A afirmação anterior é conhecida como a primeira lei de Newton, ou princípio da inércia, válida para referenciais inerciais. Em termos da força resultante, ela pode ser interpretada da seguinte forma. Todo corpo se mantém em repouso ou em movimento retilíneo uniforme (MRU) quando a força resultante que atua sobre ele é nula.

Dica A força resultante é definida como a soma de todas as forças que atuam sobre um corpo. Se substituirmos as forças pela resultante, o efeito dessa ação sobre o corpo é a mesma.

Percebemos o princípio da inércia em um veículo que entra em movimento subitamente. Como nosso corpo tende a se manter em repouso, sentimos como se fôssemos lançados para trás. Se um veículo em movimento para subitamente, nosso corpo tende a se manter em movimento e sentimos como se fôssemos lançados para a frente. Por isso, devemos sempre utilizar o cinto de segurança, para evitar que nosso corpo continue o movimento quando o veículo freia ou para bruscamente. Tanto em repouso quanto no MRU, a força resultante é nula e não há aceleração, o que podemos definir como estado de equilíbrio (equilíbrio estático em repouso e equilíbrio dinâmico no MRU). A primeira lei de Newton pode ser então compreendida como a tendência dos corpos a permanecer em equilíbrio, seja ele estático, seja dinâmico. A.

A. Dizemos que um corpo está em equilíbrio es→ tático ( a = 0) quando ele está em repouso → 0) e a força resultante sobre ele é nula v = ( → ( F R = 0).

⎥ v⎥ = 0 (constante)

| |

Representação de um corpo em equilíbrio estático.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

⎥v⎥ ≠ 0 (constante) Fresistência

Fmotora

⎥F

⎥ =⎥ F

resistência

⎥

B. Dizemos que um corpo está em equilíbrio dinâ→ mico ( a = 0) quando ele está em movimento → com velocidade constante (v ≠ 0) e a força re→ sultante sobre ele é nula (F R = 0).

| |

motora

Representação de um corpo em equilíbrio dinâmico.

Em relação ao movimento dos planetas, em razão do princípio da inércia, Newton concluiu que há uma força fazendo os planetas se manterem em órbitas elípticas em torno do Sol e que essa força é a gravidade.

06/11/2024 16:10:44

Segunda lei de Newton A segunda lei de Newton descreve como uma força altera o movimento de um objeto, modificando sua velocidade, seja em módulo e/ou direção e sentido. Para a segunda lei, Newton escreveu em sua obra:

UNIDADE

[...] Lei II A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida e é produzida na direção da linha reta na qual aquela força é imprimida. [...] NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural – Livro I. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2012. p. 54.

→ Newton utiliza o termo mudança de movimento para se referir à quantidade de movimento (Q ), gran→ deza dada pelo produto entre a massa (m)de um corpo e sua velocidade ( v ), ou seja: → → Q = m · v

Supondo que a massa de um corpo seja constante, então a mudança de movimento será a alteração da → velocidade (v ). A segunda lei destaca novamente a proporcionalidade direta entre força e aceleração e pode ser escrita como: A força resultante que atua sobre um corpo é igual ao produto da sua massa pela aceleração adquirida. Essa aceleração apresenta a mesma direção e o mesmo sentido da força resultante que age sobre o corpo.

A segunda lei de Newton pode ser expressa em termos matemáticos da seguinte forma: → → F R = m · a → No SI, massa (m) é expressa em quilograma (kg), aceleração (a ) é expressa em metros por segundo ao → Naplicada em um corpo de 1 kg quadrado ( m/s 2) e força ( F R) , em newton ( N) . Uma força de intensidade 1 produz uma aceleração de 1 m/s 2 na mesma direção e no mesmo sentido da força resultante aplicada sobre ele. Dica

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Quanto maior a força resultante sobre um objeto, maior será sua aceleração. Entretanto, um objeto de massa maior terá menor aceleração quando sujeito à mesma força aplicada a um objeto de menor massa.

v F

periélio Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

Terra

Sol

afélio

Representação da órbita da Terra em torno do Sol.

Ao considerar as leis de Kepler e de Newton, pode-se explicar o movimento dos planetas em torno do Sol admitindo a hipótese de uma força dirigida deles para o astro, provocando uma aceleração que faz o vetor velocidade de cada planeta mudar de direção continuamente. Tal força dirigida ao Sol, que será definida neste capítulo, corresponde à gravidade. Em particular, para a órbita elíptica de um planeta ao redor do Sol, como a da Terra, a velocidade é máxima no periélio e mínima no afélio, já que, pela segunda lei de Kepler, os planetas ganham velocidade quando se aproximam do Sol e perdem quando se afastam dele.

06/11/2024 16:10:44

Força resultante

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

A força é uma grandeza vetorial com intensidade, direção e sentido. Quando duas ou mais forças são → aplicadas em um corpo, elas podem ser representadas pela força resultante (F R) , determinada pela soma vetorial de todas as forças que agem sobre esse corpo. Ela equivale a uma força que, se atuasse sozinha, produziria o mesmo efeito que o conjunto de forças ao qual ele está submetido. Observe a seguir como as forças se combinam para produzir a força resultante quando um conjunto de forças é aplicado sobre um corpo na mesma direção. A.

B. → F 1

→ F R

5N 5N

→ F 2

Quando forças são aplicadas na mesma direção e no mesmo sentido (imagem A), a intensidade da força 10 N resultante é dada pela somatória dos módulos das forças aplicadas sobre o corpo (imagem B). FR = F1 + F2

D. → F 2

→ F 1

→ F R

10 N

Quando forças são aplicadas na mesma direção, porém em sentidos diferentes (imagem C), a força resultante é dada pela diferença entre os módulos das forças aplicadas (imagem D). FR = F1 − F2

Ilustrações: Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

F. → F 1

→ F 2

FR = 0

De forma particular, se as forças aplicadas tiverem o mesmo módulo, mesma direção e forem aplicadas em sentidos opostos (imagem E), a força resultante sobre o corpo será nula (imagem F).

Fabio Eiji/Arquivo da editora

Representações de conjuntos de forças aplicadas em um corpo.

Representação de uma pessoa deslocando um carrinho de entregas com uma caixa sobre ele, com velocidade constante.

Agora, considere a situação ilustrada, em que um entregador puxa um conjunto de carrinho com uma caixa em cima aplicando → uma força F E para deslocá-lo. Por causa da interação entre o conjunto do carrinho com caixa e a Terra, surge a força peso → F P) , graças à atração gravitacional, e da interação com o solo sur( → ge uma força de sustentação, denominada força normal ( F N), que será explicada mais adiante. No contato das rodas do carrinho com → o solo, temos a força de atrito (F at), que atua contra o movimento do conjunto, como uma resistência ao movimento.

06/11/2024 16:10:44

Portanto, se as forças internas são incapazes de alterar o estado de movimento do sistema e as forças externas geram uma força resultante nula, o conjunto carrinho e caixa não apresenta aceleração.

Cynthia Sekiguchi/Arquivo da editora

Considerando o conjunto carrinho e caixa como um ponto material, as forças podem ser representadas da maneira a seguir. → Analisando as forças separadamente, temos que a força peso (F P) e a força normal → (F N) se anulam, pois têm o mesmo módulo, a mesma direção e sentidos opostos. A força → → de atrito (F at) se opõe à força aplicada pelo entregador (F E) . Como têm a mesma direção, a mesma intensidade e sentidos opostos, essas forças também se anulam.

Fat

UNIDADE

FE FP

Representação dos → → → vetores F E, F at, F P → e F N.

Forças aplicadas no veículo colocando-o em movimento.

askarim/Shutterstock.com

Dmytro Vietrov/Shutterstock.com

Maxpro/Shutterstock.com

Uma força ou um conjunto de forças pode atuar em um corpo e gerar sobre ele uma aceleração que pode não só retirá-lo do repouso ou alterar o valor de sua velocidade, mas também alterar a direção e o sentido do movimento. Confira nas imagens a seguir exemplos que mostram o resultado da ação de forças aplicadas sobre os corpos.

Força sobre o pedal que faz a bicicleta entrar em movimento.

Uma força sobre o trem altera a direção e o sentido do movimento nas curvas.

Força peso Observe as imagens a seguir. Germanskydiver/Shutterstock.com

Keith Publicover/Shutterstock.com

Imagens desta página sem proporção.

Paraquedistas em queda livre.

Terra e Lua vistas do espaço. Elementos da imagem fornecidos pela Nasa.

9. O que existe de semelhante entre essas imagens? Troque ideias com os colegas.

Astros (dimensões) Planeta Terra: aproximadamente 12 756 kmde diâmetro. Lua: aproximadamente 3 476 kmde diâmetro.

Mesmo sem nos darmos conta, a gravidade atua sobre tudo o que está ao nosso redor. Ela é a força que nos mantém sentados em uma cadeira, faz os objetos caírem no chão quando os soltamos, ou seja, atrai todos os corpos em direção à Terra. 9. Resposta pessoal. Os estudantes podem responder que, em ambas as situações, os corpos estão sujeitos à ação de uma força chamada gravidade.

06/11/2024 16:10:45

Em seus estudos sobre movimento, Isaac Newton sugeriu que essa força que atrai os corpos em direção à superfície da Terra, impedindo-os de flutuar no espaço, também atua nos corpos celestes no Universo. → Os corpos na superfície da Terra e em suas proximidades estão sujeitos à força peso (F P) , que nada mais é do que a força da gravidade associada a um corpo. A segunda lei de Newton permite calcular a intensidade dessa força. Considerando apenas a força gravitacional agindo sobre um corpo, este adquire uma aceleração → de queda livre igual à aceleração da gravidade ( g ), assim: → → F P = m · g em que: • FP é a intensidade da força peso do corpo; • m é a massa do corpo; • g é o valor da aceleração da gravidade local. Em regiões próximo à superfície terrestre, o valor da aceleração da gravidade é praticamente constante, com módulo aproximadamente igual a 9,8 m/s 2, mas, para efeitos de cálculo, é comum aproximarmos esse valor para 10 m/s 2. A direção e o sentido da força peso atuando em corpos próximo à superfície da Terra ou de outro astro celeste são vetoriais, têm direção passando pelo centro do astro em questão, e o sentido aponta para o centro desse astro.

Dica A força peso entre um corpo e a Terra não deve ser confundida com a massa do corpo. Enquanto peso é uma força, medida em newton, a massa é a quantidade de matéria do corpo, medida em kg. A força peso depende da gravidade no local onde o corpo se encontra, enquanto sua massa é sempre a mesma, independentemente do local em que ele está.

Terceira lei de Newton ou princípio da ação e reação 10. Levante-se e caminhe pela sala. Após ficar em pé, o que você precisou fazer para caminhar? Resposta: Empurrar o chão para trás com os pés.

Uma pessoa caminhando, sentada, deitada ou encostada em uma parede, por exemplo, pode interagir com algum corpo exercendo uma força sobre ele. Ao mesmo tempo, essa pessoa sente uma força com mesma intensidade e direção, mas no sentido oposto, sendo aplicada sobre ela. Sobre as forças que surgem da interação entre corpos, Newton escreveu sua terceira lei: [...] Lei III A toda ação há sempre oposta uma reação igual ou as ações mútuas de dois corpos sobre o outro são sempre iguais e dirigidas a partes opostas. [...] NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural – Livro I. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2012. p. 54.

A terceira lei de Newton pode ser interpretada da seguinte forma. → → Se um corpo A exerce uma força em um corpo B ( F AB), o corpo B exerce uma força no corpo A ( F BA) → → de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto ( F AB = − F BA). As forças de ação e reação surgem simultaneamente da interação entre dois corpos, de maneira que um recebe a ação e outro a reação. Essas duas forças têm mesma intensidade, mesma direção e sentidos opostos, mas não se anulam, pois atuam em corpos diferentes. Confira nas imagens a seguir alguns exemplos de interação entre corpos.

06/11/2024 16:10:45

O foguete expele os gases resultantes da queima de combustível aproximadamente na direção vertical e sentido para baixo e é empurrado por uma força de mesma intensidade, mesma direção, mas sentido contrário. Mark_Sawyer/Shutterstock.com

Slatan/Shutterstock.com

Para caminhar, os pés empurram o solo para trás e o solo empurra os pés para frente com a mesma intensidade.

UNIDADE

Pessoas caminhando.

GTS Productions/Shutterstock.com

Para remar, os atletas aplicam uma força na água em um sentido, enquanto a água aplica uma força nos remos em sentido oposto.

Competição de canoagem na Hungria, em 2019.

Lançamento de um foguete espacial no Cabo Canaveral, nos Estados Unidos, em 2019.

O funcionamento de aviões com hélices ou turbinas se baseia na interação com o ar. Tanto um equipamento como o outro lançam o ar para trás, enquanto o avião é impulsionado para a frente. A sustentação do avião também ocorre pela interação com o ar. Para subir, por exemplo, a aerodinâmica das asas é regulada para lançar ar para baixo, enquanto o avião é impulsionado para cima. Imagem sem proporção

11. Você acha que um avião de hélice ou turbina funciona fora da atmosfera? Por quê? Resposta: Não, pois fora da atmosfera não tem ar nem para proporcionar a sustentação do avião, nem propiciar a interação necessária para impulsioná-lo para a frente.

Em relação à órbita dos planetas, Newton concluiu que, como o Sol exerce uma força nos planetas para que eles possam manter seu movimento orbital, cada planeta também exerce uma força no Sol, que é igual e oposta àquela provocada por ele.

e em cores fantasia.

–FG

12. Na atração entre uma bola e a Terra, ambos os corpos sentem a força gravitacional; porém, quando a bola é abandonada próximo à superfície terrestre, observamos apenas a variação da velocidade da bola. Por quê?

Resposta: A bola tem menor massa, praticamente desprezível quando comparada com a da Terra. Portanto, apesar de as forças serem de mesmo módulo, a bola é sujeita a maiores efeitos.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O princípio da ação e reação também é verificado nas interações a distância, como nas interações magnética, elétrica e gravitacional.

Representação da interação entre a Terra e uma bola por conta da atração gravitacional.

06/11/2024 16:10:46

Força normal

Imagens desta página sem proporção e cores fantasia.

13. O que acontece quando colocamos um livro sobre uma superfície macia, como uma almofada? Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que a almofada se deforma um pouco.

Ao soltarmos um livro no ar, a força peso entre a Terra e o livro faz que ele caia em direção ao solo. No entanto, quando colocamos esse mesmo livro sobre uma superfície macia, como uma almofada, a força peso continua agindo sobre ele, porém o livro fica em equilíbrio. Isso ocorre porque surge uma força do contato entre o livro e a almofada, de modo que a força resultante sobre ele é nula. Ela é chamada de força normal → (F N) e é sempre perpendicular à superfície. Nesse caso, ela pode ser percebida pela

Dica Se o livro for colocado sobre qualquer superfície rígida, ela também se deformará, mesmo que seja de modo imperceptível, para sustentar o corpo sobre ela.

deformação da almofada.

A força normal e a força peso não formam um par ação e reação. Se em um corpo agem duas forças, isso significa que ele está realizando duas interações diferentes. Da interação livro e Terra surge a força peso, com ação e reação agindo no livro e no planeta. Já da interação livro e mesa surge a força normal, com ação e reação agindo nos dois objetos. Confira na imagem a representação dessas forças de interação. Lembre-se de que o par de forças ação e reação sempre ocorre em dois corpos distintos.

FP –FP

–FN Representação de um livro que está sobre uma mesa na superfície da Terra.

Representação da interação entre o livro e a Terra por conta da atração gravitacional.

Representação da interação entre o livro e a mesa por conta do contato entre os corpos.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Representação das forças que atuam sobre o livro em razão da atração gravitacional com a Terra e do contato com a mesa.

Para determinar a intensidade da força normal, é necessário analisar antes a forma como ocorre a interação entre o corpo e a superfície de apoio. No exemplo anterior, como a superfície é horizontal e está em repouso em relação à Terra, a força peso e a força normal têm a mesma intensidade, de modo que a força resultante sobre o livro é nula e ele está em equilíbrio. A igualdade da intensidade entre força peso e força normal não ocorre quando temos um objeto em repouso sobre um plano inclinado. No plano inclinado, a força peso e a força normal que atuam no corpo não têm a mesma direção, portanto elas não se anulam. Para analisar essa situação, pode-se realizar a decomposição das forças, adotando um plano cartesiano como referencial, de modo que o eixo das ordenadas (eixo y) seja perpendicular ao plano e o eixo das abscissas (eixo x) coincida com o plano inclinado, como ilustrado a seguir. y

x FP

Representação das forças que agem em um bloco em repouso sobre um plano inclinado.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Diagrama representando a decomposição da força peso em um plano inclinado.

06/11/2024 16:10:46

UNIDADE

1 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Dica

Para compreender melhor como a força normal age em um livro sobre uma mesa, compare essa situação com uma mola comprimida. Se você já comprimiu uma mola, certamente percebeu que ela empurra sua mão para cima com a mesma força que você aplica para comprimi-la. Experimente fazer isso.

Como a força normal tem a direção do eixo das ordenadas, realizamos a decomposição da força peso em → → suas componentes F Px e F Py , dadas por: FP x = FP · sen θ

FPy = FP · cos θ

Dessa forma, é possível verificar que um objeto desliza por um plano inclinado sem atrito graças à ação → → da componente F Px da força peso. Já a intensidade da força normal é igual à intensidade da componente F Py.

Força de tração Cordas, fios ou cabos geralmente são usados para transmitir força. Quando uma corda é presa a um corpo e puxada ou tracionada, a força aplicada em um → ponto da corda é transmitida por ela até o corpo. Essa é a força de tração F T, que atua sobre o corpo na direção da corda.

A força de tração também está presente em situações comuns de nosso cotidiano, como a utilização de cabos para a sustentação de luminárias. Observe a representação de um lustre com massa de 4 kg pendurado no teto por uma corda ideal. Como o lustre está em equilíbrio, a força resultante sobre ele é nula, ou seja, a força de tração na corda tem a mesma intensidade da força peso. Assim: FT − FP ⇒ 0 = FT − FP ⇒ FT = FP ⇒ FR = m · g ⇒ FT = 4 · 10 ∴ FT = 40 N ⇒ FT = Como a corda exerce força de tração de mesma intensidade nas duas extremidades, a força de tração no teto também é de 40 N. As cordas também podem ser utilizadas por meio de polias, que permitem alterar a intensidade, a direção e/ou o sentido de uma força. Uma polia ideal tem massa e atrito desprezíveis.

Polias estão presentes em quase todos os sistemas que utilizam cabos e correias para transmitir uma força, por exemplo, mastros de bandeiras, varais de roupas, persianas, equipamentos de ginástica, barcos e navios, motores, elevadores e guindastes.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Representação das forças que atuam em um lustre em repouso pendurado em um teto.

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

As polias podem ser fixas ou móveis.

FT FT

Representação do esquema de polia fixa.

As polias fixas têm como função redirecionar a força, permitindo que seja aplicada na direção e no sentido desejados.

As polias móveis movimentam-se com a carga e têm a função de reduzir a intensidade da força necessária para sustentar o corpo.

Representação do esquema de polia móvel.

06/11/2024 16:10:46

LIGADO NO TEMA Segurança no trânsito

Prostock-studio/Shutterstock.com

De acordo com um estudo divulgado pelo Ministério da Saúde, consolidado pelo Sistema de Informações sobre Mortalidade (SIM), no Brasil, em média, a cada hora pelo menos quatro pessoas morreram vítimas de acidente de trânsito no ano de 2022. Entre 2012 e 2022, a quantidade de óbitos envolvidos em acidentes de trânsito no país chegou a aproximadamente 410 000 pessoas. A fim de diminuir a gravidade de lesões durante acidentes, as montadoras de veículos são obrigadas a inserir sistemas de segurança nos automóveis, como o cinto de segurança de três pontos, o airbag e os freios ABS. O cinto de segurança de três pontos foi criado pelo engenheiro suíço Nils Bohlin (1920-2002), em 1959, e até hoje é considerado uma das invenções mais importantes da segurança de veículos. Antes disso, o cinto de segurança utilizado era preso apenas em dois pontos, não fixando o tórax ao banco, o que geralmente resultava em sérias lesões durante colisões em alta velocidade.

Pessoa colocando cinto de segurança de três pontos.

No Brasil, utilizar o cinto de segurança de três pontos é obrigatório e o seu uso reduz em até 45% o risco de morte para os passageiros da frente do carro e em até 75% para os passageiros do banco de trás. Mas muitos motoristas e passageiros ignoram a importância de sua utilização. De acordo com a Pesquisa Nacional de Saúde (PNS), realizada em 2019 e divulgada em 2021, 84,3% dos motoristas sempre utilizavam cinto de segurança; o índice para os passageiros da frente que sempre utilizavam o cinto é de 81,2%, porém, em relação aos ocupantes do banco traseiro, fica em apenas 54,6%. O airbag, assim como os freios ABS, é outro item de segurança considerado obrigatório em todos os veículos fabricados no Brasil desde 2014. O sistema do airbag tem sensores que detectam desacelerações bruscas, dando início a reações químicas com produção de gases que inflam uma bolsa. Isso diminui o impacto da pessoa em partes do automóvel, evitando ferimentos. 0 ms(30 milésimos de segundo), e desinfla logo após A bolsa do airbag infla rapidamente, em cerca de 3 encher, evitando a asfixia do motorista ou passageiro.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Pessoas utilizando cinto de segurança em um automóvel.

De acordo com a primeira lei de Newton, ou princípio da inércia, em uma frenagem brusca os corpos dos ocupantes do veículo tendem a se manter em movimento, sendo lançados contra as peças do interior do veículo, o que pode causar fraturas e até a morte. O cinto de segurança impede que isso aconteça.

06/11/2024 16:04:59

Ao observar as imagens a seguir, note como os bonecos de teste, representando os integrantes do carro, continuam seu movimento por conta da inércia. As forças trocadas pelos integrantes com o veículo podem provocar danos ao corpo. O motorista, por exemplo, choca-se com o volante do carro, podendo ser projetado contra o para-brisa e lançado para fora do veículo, bem como o passageiro que ocupa o banco ao lado. Já o ocupante do banco traseiro pode sofrer um impacto com o banco dianteiro, que por sua vez empurra o passageiro do banco logo à frente. 2.

Simulação de colisão na qual os ocupantes não estão usando cinto de segurança. Instante 1.

Simulação de colisão na qual os ocupantes não estão usando cinto de segurança. Instante 2.

Simulação de colisão na qual os ocupantes não estão usando cinto de segurança. Instante 3.

Fotos: Transport For NSW

Ao analisar as imagens a seguir, percebe-se que o cinto de segurança manteve o corpo dos ocupantes nos bancos, evitando que eles se chocassem violentamente com partes do carro. Nesse caso, uma imensa força, que é proporcional à variação de velocidade, é trocada entre o tórax da pessoa e o cinto. É por isso que em algumas situações as vítimas apresentam hematomas nas regiões do tórax e do abdome, causados pelo próprio cinto de segurança. O sistema airbag é ativado por sensores quando detecta um impacto e, associado ao cinto de segurança, ajuda na desaceleração dos integrantes do carro. Se uma pessoa de 80 kgestiver em um automóvel a 50 km/he houver uma colisão frontal, seu corpo será lançado para frente com uma força de intensidade equivalente ao peso de uma massa de 12 toneladas. Se usar o cinto de segurança, essa força reduz para o equivalente ao peso de uma massa de 2 toneladas. 2.

Simulação de colisão na qual os ocupantes estão usando cinto de segurança. Instante 1.

Simulação de colisão na qual os ocupantes estão usando cinto de segurança. Instante 2.

Simulação de colisão na qual os ocupantes estão usando cinto de segurança. Instante 3.

Fotos: Transport For NSW

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a ) Você usa cinto de segurança toda vez que utiliza um veículo, mesmo no assento traseiro? Caso sua resposta seja negativa, o que precisa melhorar? b ) Imagine-se como motorista de automóvel, quando percebe que um de seus passageiros não colocou o cinto de segurança. O que você deve fazer? c ) Um equipamento de segurança que ajuda na prevenção de lesões durante uma colisão na qual há crianças envolvidas é a cadeirinha. O que você sabe sobre esse dispositivo? Converse com seus colegas. Resposta nas Orientações para o professor.

Criança em uma cadeirinha fixada no assento traseiro de um automóvel.

a) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é conduzir os estudantes a uma autoavaliação de seus hábitos e verificar se precisam alterá-los. b) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes reconheçam que os motoristas são responsáveis pela segurança de todos os ocupantes de um automóvel e que devem orientar todos os passageiros para que usem o cinto de segurança.

06/11/2024 16:05:01

1. Considere que, a bordo de uma nave espacial que acaba de sair da atmosfera terrestre, um astronauta diz para a base de comando:

“Desligamos os foguetes, Isaac Newton nos dirige agora!” De acordo com seus conhecimentos sobre as leis de Newton, explique o que o astronauta quis dizer com sua frase.

2. Quando os comissários de bordo estão servindo

MoreGallery/Shutterstock.com

comida aos passageiros de um avião, uma das primeiras medidas ao chegar ao local onde começarão a servir é travar as rodinhas do carrinho.

Comissária de bordo empurrando um carrinho de serviços no interior de uma aeronave.

Por que os comissários de bordo tomam essa atitude? Qual lei de Newton se relaciona a essa situação?

3. Ao viajar de carro por estradas de terra após uma

Roman Vyshnikov/Shutterstock.com

forte chuva, é comum o carro ficar atolado. Para desatolá-lo, também é comum outro carro rebocá-lo com um cabo, como mostra a fotografia a seguir.

gases a alta velocidade para trás, por meio da combustão. Os foguetes se deslocam no sentido contrário ao lançamento dos gases, aumentando linearmente sua velocidade. a ) Faça um diagrama reproduzindo um esboço do foguete e identifique as forças que atuam durante seu movimento. Não se esqueça de indicar a força peso, a força de resistência do ar, a força de ação e a força de reação.

Resposta nas Orientações para o professor. 2. Resposta: Os comissários Imagem sem proporção travam as rodas do e em cores fantasia. carrinho porque, a 4. b) Resposta: A qualquer momento, o queima dos avião pode acelerar ou combustíveis libera desacelerar durante o voo grande quantidade de e, considerando o princípio gases, que são lançados da inércia, o carrinho para baixo. Pela lei da poderia se movimentar e ação e reação, os gases causar acidentes. É a lançados para baixo primeira lei de Newton aplicam uma força no que se relaciona a foguete para cima, essa situação. fazendo-o subir. 4. c) Resposta: A diferença na aceleração se dá pela diferença da massa entre eles.

Representação de um foguete.

4. d) Resposta: Mantendo a força constante, a relação entre aceleração e massa é inversamente proporcional. Assim, quanto maior a massa, menor a aceleração, de acordo com a segunda lei de Newton.

b ) Considerando que a força da expulsão dos gases gerados na queima do combustível do foguete é a força de ação, de acordo com a terceira lei de Newton, qual é a força de reação? Explique. c ) Se as forças que atuam sobre os gases e o foguete que se desloca são iguais, por que eles têm aceleração tão diferente? Explique. d ) Qual lei de Newton pode ser utilizada para explicar o fato descrito no item anterior? Justifique.

5. Durante uma aula de Física, um estudante afir-

Automóvel rebocando um segundo veículo por meio de Resposta: De acordo com o princípio da ação uma corda. 3. e reação, as forças têm mesma intensidade, mesma direção e sentidos opostos.

Nessa situação, o que se pode dizer a respeito da intensidade da força que o carro sendo rebocado exerce sobre o carro à frente, e vice-versa?

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. Os foguetes são veículos espaciais que lançam

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

ATIVIDADES

1. Resposta: Ao sair da atmosfera terrestre, mesmo sem a utilização de seus foguetes, a nave espacial permanece em movimento. Isso é possível em razão da primeira lei de Newton (lei da inércia), segundo a qual a velocidade é mantida, já que no espaço não existe forças de resistência para alterá-la.

ma que a soma de duas forças com módulos de 12e 16 Nsempre será 28 N. Uma colega da sala discorda dizendo que 2 8 Né apenas um dos valores possíveis para a soma dessas forças e que o resultado depende de outras informações além do módulo. Qual dos estudantes está argumentando corretamente? Justifique sua resposta utilizando a soma de vetores.

6. Em uma partida de futebol, o jogador aplica uma

força de 18 N na bola, que tem massa de 450 g. Qual é a aceleração adquirida pela bola?

5. Resposta: A estudante que afirma que o resultado da soma das forças depende de outras informações além do módulo está correta, pois as forças podem estar em sentidos opostos ou fazendo um ângulo entre si, de forma que o resultado da soma seja diferente de 28 N.

Resposta: a = 40 m / s 2. Resolução nas Orientações para o professor.

06/11/2024 16:05:02

UNIDADE

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Resposta: Alternativa d.

por conta de seu treinamento físico para resistir aos desgastes sofridos ao longo das provas, principalmente o treinamento para fortalecimento do pescoço. Observando os pilotos, é possível perceber que eles têm o pescoço mais largo do que uma pessoa comum, isso porque as mudanças de velocidade, tanto nas retas quanto nas curvas, fazem que os pilotos sintam em sua cabeça acelerações que podem chegar a 5 vezes o valor da aceleração gravitacional (g = 10 m/s2). Manter o pescoço fortalecido auxilia o piloto a evitar lesões ocasionadas pelo movimento da cabeça para frente, para trás e para os lados.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

Quais são as forças que agem sobre a esfera B?

7. Os pilotos de Fórmula 1 têm chamado a atenção

Suponha que um piloto de Fórmula 1 percorra de A para Bo trecho de uma pista mostrada a seguir.

9. Uma empresa de ônibus decidiu realizar um es-

Para qual lado a cabeça do piloto é “jogada” em cada ponto considerando o sentido de movimento do carro na curva? Resposta: Alternativa a. a) A direita; Besquerda; Cesquerda; Ddireita. b) A direita; Bdireita; Cesquerda; Ddireita. c ) Aesquerda; Besquerda; Cesquerda; Ddireita. d) A direita; Besquerda; Cesquerda; Desquerda.

8. Confira as três esferas a seguir, feitas com material

sólido, dentro de um recipiente. Na situação mostrada, há somente as forças de contato entre as esferas e entre as esferas e as paredes do recipiente.

C. B. A.

Representação das três esferas A, Be Cno interior de um recipiente.

Representação do ônibus com lotação máxima.

Representação do ônibus sem passageiros.

O ônibus com sua lotação máxima tem 20 tone→ ladas e a ação da força F do motor produz uma aceleração de 5 m / s 2. Sem passageiros, o ônibus tem 16 toneladas e é sujeito à ação da mesma força. Qual é a nova aceleração produzida?

Resposta: a = 6,25 m / s 2. Resolução nas Orientações para o professor.

10. Um guindaste precisa mover uma caixa do chão.

Para isso, o operador do guindaste dá o comando para o braço mecânico começar a elevar a caixa. Ajustando para exercer uma força de 1 0 000 N, o operador percebe que a caixa não se move.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Ohanna Schmitt/ Arquivo da editora

Representação do trecho de uma pista automobilística.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

tudo para analisar as possibilidades de economizar combustível. Uma delas envolveu relacionar a força do motor com a aceleração e a massa total do ônibus em dois momentos distintos, como mostrado a seguir.

Representação de um guindaste tentando elevar uma caixa do chão.

Sabendo que a caixa tem 7 toneladas, qual é o valor da intensidade da força normal na situação descrita? Considere g = 10 m / s 2. Resposta: FN = 6 0 000 N. Resolução nas Orientações para o professor.

06/11/2024 16:05:03

Lei da gravitação universal

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A gravidade não é apenas uma força que atrai corpos para o centro da Terra, mas uma interação fundamental que existe entre qualquer corpo do Universo que tem massa. Essa força é mais intensa quanto maior for a massa dos corpos envolvidos e mais próximos eles estiverem. De forma geral, a força gravitacional de qualquer objeto age de forma a atrair outros objetos em direção a ele. Por causa da abrangência universal dos fenômenos gravitacionais, a lei da gravidade de Newton ficou conhecida como lei da gravitação universal. A força de atração gravitacional age em ambos os corpos envolvidos, formando um par de forças ação e reação orientadas ao longo da reta que passa pelo centro de massa desses dois corpos. De acordo com a segunda lei de Newton, o efeito de uma força resultante aplicada em uma massa é a → → · a ) , que pode estar relacionada com a variação do módulo da velocidade e/ou de sua aceleração ( F R = m orientação, o que dependerá da configuração entre os vetores força e velocidade, ou seja, se estão na mesma direção ou em direções diferentes, por exemplo. Confira as imagens a seguir. v Um objeto lançado verticalmente para cima tem velocidade inicial na mesma direção da força de atração gravitacional. A intensidade de sua velocidade varia graças à existência de uma aceleração na mesma direção da velocidade.

Ilustrções: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Representação da atuação da força gravitacional em um lançamento vertical.

A velocidade de um planeta em órbita aproximadamente circular é praticamente perpendicular à força de atração gravitacional. A orientação da velocidade varia, enquanto sua intensidade se mantém constante, por causa da existência de uma aceleração com direção radial apontando para o centro da trajetória.

FG FG

Representação da atuação da força gravitacional na órbita da Terra ao redor do Sol.

Assim, as forças que agem no movimento de queda dos corpos próximo à Terra e no movimento de corpos celestes em órbita são de mesma natureza gravitacional. e me Segundo a lei da gravitação de Newton, se dois objetos têm massas M → estão separados por uma distância d, a força gravitacional ( F G) entre eles é dada por: G · M · m FG = _ 2 d

Quanto maiores as massas, maior será a força de atração entre os corpos, e quanto maior for a distância entre eles, mais fraca será a força de atração.

Dica Quando Newton propôs essa definição para a intensidade da força gravitacional, o valor da constante gravitacional e o da massa da Terra ainda não haviam sido determinados, de modo que ele considerava o produto desses dois fatores.

06/11/2024 16:05:04

UNIDADE

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Na relação apresentada na página anterior, G é uma constante de proporcionalidade, conhecida como constante gravitacional, e seu valor é de 6,67 · 10 −11 N · m 2/ kg 2. A constante gravitacional foi medida pela primeira vez em 1798, pelo físico e químico francês Henry Cavendish (1731-1810). SSPL/UIG/Bridgeman Images/Easy Mediabank

Cavendish desejava estimar a densidade da Terra, mas para isso teria de estimar a massa do planeta. Ele mediu a força gravitacional entre duas pequenas esferas de chumbo presas às pontas de uma haste de madeira, que interagia com duas esferas maiores de chumbo, conforme modelo mostrado. A força gravitacional entre as esferas, por menor que fosse, fez que elas se movessem, e a velocidade de rotação do aparato permitiu obter o valor da interação gravitacional entre quaisquer corpos massivos. Embora a força gravitacional seja a mais fraca, se comparada às outras forças fundamentais (forte, fraca e eletromagnética), para objetos astronômicos, como planetas, luas e estrelas, a magnitude das massas envolvidas torna a interação gravitacional intensa o suficiente para orientar o movimento dos astros celestes. Compartilhe ideias

Modelo, em escala reduzida, da balança de torção utilizada

a) Resposta: Os estudantes podem responder que na Terra a gravidade nos por Henry Cavendish. mantém em sua superfície; no Sistema Solar, ela mantém a Terra e outros planetas e satélites em órbita em torno do Sol; na Via Láctea, ela impede que bilhões de estrelas se dispersem; e, no espaço intergaláctico, ela permite que existam aglomerados de galáxias.

A gravidade funciona em todas as escalas!

a ) Junte-se a um colega e pesquisem alguns efeitos da gravidade na Terra, no Sistema Solar, na Via Láctea e além dela.

A fim de verificar a previsão da teoria de Einstein de que a deformação do espaço-tempo desviaria a trajetória da luz, equipes de cientistas lideradas pelo astrofísico britânico Arthur Stanley Eddington (18821944) viajaram para Sobral, no Ceará, e Porto Príncipe, na África, para acompanhar o eclipse solar de 29 de maio de 1919. Nessa ocasião, em que as estrelas ao lado do Sol ficaram visíveis, observaram que as posições aparentes das estrelas estavam deslocadas em relação às suas posições reais. Com isso, ficou evidenciado que a luz das estrelas estava sendo curvada pela gravidade do Sol, como mostra a figura.

Representação da deformação no espaço-tempo causada pela presença de massa e energia. A. localização aparente da estrela

B. localização real da estrela

Terra

trajeto da luz da estrela Sol

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Em 1915, o físico alemão Albert Einstein (18791955) publicou a Teoria da Relatividade Geral, revolucionando com isso a maneira de entender a gravidade. Ajustando as ideias de Newton, de que a força da gravidade se dava por meio da ação a distância entre corpos que tinham massa, Einstein descreveu a gravidade como uma deformação (curvatura) no espaço-tempo causada pela presença de massa e energia. Entende-se espaço-tempo como uma estrutura contínua e maleável, na qual todos os eventos do universo ocorrem.

Representação da curvatura da luz provocada pela gravidade do Sol e a posição aparente da estrela.

06/11/2024 16:05:05

Campo gravitacional

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14. O que acontece quando aproximamos um ímã de pregos? 15. Como é chamada a região ao redor de um ímã que é influenciada por ele? 15. Resposta: Campo magnético.

14. Resposta: Os pregos são atraídos pelo ímã. O objetivo desta questão é levar os estudantes a perceber que existe um campo magnético ao redor de um ímã, que atrai os pregos.

As interações a distância, como a elétrica, a magnética e a gravitacional, ocorrem em certa região do espaço ao redor de um corpo, denominada campo. A região ao redor de um corpo que tem massa é denominada campo gravitacional. Nessa região, qualquer outro corpo que tem massa é influenciado pela ação da força da gravidade.

19 STUDIO/Shutterstock.com

O planeta Terra, por exemplo, gera um campo gravitacional. Como a Lua está localizada nesse campo, ela sente a ação da força de atração da Terra. Da mesma forma, a Lua gera um campo gravitacional onde está localizado o planeta, que sente a ação de uma força gravitacional de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto, de acordo com a terceira lei de Newton, da ação e reação.

→ F G

Representação da Terra e da Lua com os vetores força gravitacional de atração.

Para determinar a intensidade do campo gravitacional, considere a Terra um referencial inercial e com formato esférico homogêneo, com massa M e raio constante RT. Considere também que um corpo de prova de massa mé colocado a uma distância hda superfície da Terra, de modo que a distância entre os cen h, conforme representado a seguir. tros de massa seja RT +

Max Dallocco/Shutterstock.com

O campo gravitacional gerado por um corpo corresponde a uma grandeza vetorial, com direção que passa pelo seu centro de massa e tem sentido para o corpo, pois a força é sempre de atração. Seu padrão de representação são linhas de campo. Na região onde as linhas são mais próximas umas das outras (mais perto do centro), o campo é mais intenso, e na região onde as linhas estão mais espaçadas entre si (mais afastadas do centro), o campo é menos intenso.

Representação das linhas de campo gravitacional da Terra.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

h RT

Representação de um corpo de massa ma uma distância h da Terra. A força gravitacional no planeta não foi representada.

06/11/2024 16:05:07

UNIDADE

1 Pela lei da gravitação universal de Newton, tem-se que: Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

F G G · M G · M · m G · M · m FG = _ ⇒ F G = _ ⇒  _= _ 2 2 m d ( RT + h) 2 (RT + h)

Quanto maior a massa m, maior a intensidade da força gravitacional FG, de forma que a razão entre essas duas grandezas, como representado anteriormente, é sempre constante. Porém, pela segunda lei de F Newton, da razão entre força e massa temos a aceleração ( a = _ ), ou seja, a medida da intensidade do m campo gravitacional corresponde à medida da intensidade da aceleração da gravidade (g) à distância RT + h do centro de massa da Terra. FG G · M G · M g = _ = _ ∴  g = _2 2 m h) ( RT + (RT + h)

Assim, quando falamos em aceleração da gravidade de um planeta a certa distância, nos referimos à medida do campo gravitacional naquele local. Dessa forma, as unidades de medida m/s 2 e N/kgsão equivalentes. Para a superfície da Terra, temos:

(6,67 · 10 −11)· ( 5,97 · 10 24) G · M ______________________ =       ≃ 9,8 ∴ g = 9,8 m/s 2 g = _ 2 2 6 ( RT + h) ( 6,37 · 1 0 + 0 )

Como a Terra não é uma esfera homogênea, com massa distribuída de maneira uniforme, esse valor sofre variações em sua superfície. Mesmo assim, podemos considerá-lo constante em suas proximidades quando calculamos a intensidade da força peso de um corpo de massa m.

Movimento de satélites Em nosso cotidiano, utilizamos diversos dispositivos eletrônicos que funcionam com o auxílio de satélites artificiais que orbitam a Terra. Entre eles, podemos citar smartphones, televisores e GPS. Embora sejam aplicações altamente tecnológicas e recentes, todo o fundamento teórico para colocar e manter os satélites artificiais em órbita da Terra baseia-se nos estudos de Kepler e Newton, realizados ainda no século XVII. A seguir, vamos descrever o movimento de dois corpos que interagem gravitacionalmente, como um satélite artificial que orbita a Terra. Todo corpo em queda livre, desprezadas as forças de resistência, percorre 5 mpara baixo ao completar 1 s de movimento. Quando um corpo é lançado horizontalmente, desprezando-se a resistência do ar, seu movimento vertical será o mesmo, enquanto se moverá horizontalmente para a frente.

Dessa forma, se um corpo for lançado na horizontal com velocidade de 8 000 m/s, o que é aproximadamente 2 9 000 km/h, no primeiro segundo de movimento seu deslocamento vertical de 5 macompanharia a curvatura do planeta, descrevendo assim uma órbita circular, ou seja, “caindo” ao redor da Terra, e não em direção ao seu centro, como costumamos observar.

Representação do lançamento de um corpo horizontalmente.

8 000 m 5m

Representação da curvatura da Terra.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

Uma característica geométrica relacionada à curvatura da Terra é que, considerando-se um ponto na superfície da Terra e projetando-se um segmento de reta de 8 000 mde comprimento, tangente a esse ponto, a superfície se curva aproximadamente 5 m em relação à extremidade desse segmento de reta.

06/11/2024 16:05:07

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A força gravitacional entre a Terra e o corpo lançado será perpendicular ao vetor velocidade, que é tangente a um ponto da superfície da Terra, agindo como uma força centrípeta com variação apenas na orientação da velocidade, e não em seu módulo. Órbitas de satélites também são descritas pelas leis de Kepler, porém a trajetória elíptica tem excentricidade muito próximo de zero, sendo semelhante a uma circunferência.

Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

Professor, professora: Diga aos estudantes que os valores mostrados foram obtidos com base na geometria da Terra. Em um caso real, no qual tentássemos colocar um corpo em órbita tendo como base o solo, lançando-o horizontalmente com velocidade de 8 000 m/s, não poderíamos desprezar a resistência do ar, que apresentaria um valor altíssimo. Ainda assim despreza-se a resistência do ar, não só por se tratar de um caso teórico, mas principalmente porque a lógica permanece inalterada para colocarmos um objeto em órbita quando ele estiver fora da atmosfera terrestre, onde não haveria resistência alguma.

ROYAL OBSERVATORY, EDINBURGH/SPL/Fotoarena

O movimento dos satélites já havia sido compreendido por Newton. Na obra O sistema do mundo, ele comparou o movimento da Lua ao de um projétil lançado horizontalmente do topo de uma montanha localizado acima da atmosfera, desprezando assim a resistência do ar. Quanto maior for a intensidade da velocidade horizontal de lançamento, mais distante do topo da montanha o projétil vai tocar o solo da Terra. Assim, com certa velocidade, o corpo “cairia” ao redor da Terra, ou seja, entraria em órbita.

v Fg

h RT

Representação da ação da força gravitacional da Terra em um corpo perpendicular à velocidade.

Representação artística feita por Newton em seu estudo dos corpos em órbita.

A intensidade da velocidade de órbita de um corpo de massa mlançado em órbita a uma altura h da superfície da Terra, de massa M e raio RT, é dada por:

√

G · M · m G · M m · v 2 _ Fcp = FG ⇒ _ = ⇒  v =     _ 2 RT + h R + h RT + h ( T )

Essa velocidade representa a velocidade média orbital, já que a velocidade instantânea pode sofrer variações durante o movimento em razão de alguns fatores, como o formato irregular da Terra e seu movimento de rotação. A velocidade orbital de um corpo não depende de sua massa, apenas da massa do planeta que ). ele orbita (M) e da distância da órbita em relação ao centro de massa do planeta ( RT + h

A velocidade média orbital da Estação Espacial Internacional, por exemplo, que orbita a Terra a 4 00 kmde sua superfície, é cerca de 7 669,3 m/sou 2 7 609,5 km/h. É possível verificar esses valores aplicando a equação de velocidade média orbital definida anteriormente. Confira a seguir.

√

______________________

−11 24 ( 6,67 · 10 )· ( 5,97 · 10 ) G · M v = _ = ______________________           ≃ 7669,3∴  v ≃     7 669,3 m/s 6 RT + h ( 6,37 · 10 + 400 000)

16. A velocidade de órbita de um corpo a 1 mda superfície da Terra é maior ou menor do que a de um corpo a 1 kmde altura em relação à superfície da Terra? Explique.

Resposta: Maior. Quanto mais distante da superfície da Terra estiver um satélite, menor sua velocidade orbital e, consequentemente, maior seu período.

06/11/2024 16:05:07

UNIDADE

1 Um satélite que orbita a Terra a cerca de 280 kmde altitude tem um período de aproximadamente 90 min. Já um satélite a uma altitude equivalente a 5,5 vezes o raio da Terra, cerca de 3 5 000 km, tem um período próximo de 24 h, que é o mesmo período de rotação da Terra. Para uma órbita sobre a linha do equador, esse satélite estará sempre acima de um mesmo ponto do planeta, sendo denominado satélite geoestacionário. Inpe/Acervo da instituição

Um satélite geoestacionário também tem a mesma velocidade angular ( ω) da Terra, pois ambos percorrem 360 °ou 2 · π radno mesmo intervalo de tempo (24 h). O Satélite de Coleta de Dados 1 (SCD-1) foi o primeiro a ser projetado, construído, testado e operado no Brasil, pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), tendo sido lançado em 1993 com o auxílio da Agência Espacial Norte-Americana (Nasa, da sigla em inglês). Ele tem o formato de um prisma octogonal, com 1 m de largura máxima, 1,45 m de altura, e massa de 115 kg. A órbita do satélite SCD-1 está localizada a 750 km acima da superfície da Terra, completando uma volta em aproximadamente 1 h 40 min.

Satélite SCD-1. Fotografia registrada no Laboratório de Integração e Testes (LIT) em São José dos Campos (SP), na década de 1990.

17. Determine o número de voltas completas ( n)que o SCD-1 executa ao redor da Terra no período de um dia. Resposta: 14 voltas, aproximadamente.

Para sistemas de dois corpos sujeitos à ação de única e exclusivamente suas forças gravitacionais, como uma estrela e um planeta ou um planeta e um satélite artificial, os movimentos descrevem trajetórias previsíveis com o uso da Matemática. No entanto, adicionar um terceiro corpo ao sistema significa elevar a complexidade da compreensão e previsão dos movimentos, em razão de interações gravitacionais mútuas. Esse desafio é denominado Problema dos Três Corpos.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

O conhecimento sobre o movimento de satélites em torno da Terra permitiu o envio de satélites artificiais e sondas espaciais para orbitar outros corpos do Sistema Solar, como Júpiter, Saturno, Marte e a Lua. Isso nos possibilitou obter dados e informações sobre a composição e estrutura desses astros.

Representação das trajetórias aleatórias desenvolvidas por três corpos sujeitos à ação mútua da gravidade.

O matemático e físico francês Jules Henri Poincaré (1854-1912), ao investigar esse problema, descobriu que uma pequena alteração nas condições desse sistema de três corpos pode levar a resultados drasticamente diferentes. Essa imprevisibilidade e complexidade é a ideia central da Teoria do Caos, definida mais tarde por ele. Isso nos leva a concluir que o comportamento do Cosmos é complexo, e sua imprevisibilidade desafia toda a comunidade científica. Nosso Sistema Solar também pode se enquadrar nessa situação. O Sol, a Terra e a Lua podem ser considerados um sistema de três corpos, ou até mesmo sistemas com mais corpos, se considerarmos os demais planetas. No entanto, como o Sol tem massa muito superior à de qualquer astro do Sistema Solar, a influência dos planetas e dos outros astros sobre ele é insuficiente para qualquer consideração de alteração.

06/11/2024 16:05:07

ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

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1. A intensidade da força gravitacional com que um

corpo de massa Matrai outro corpo de massa m é F quando separados por uma distância d . Caso a distância entre eles fosse dobrada e a massa dos corpos fosse diminuída, cada uma, para metade, a intensidade da força gravitacional seria de: F a ) 16 F c ) F e ) _ 16 F Resposta: Alternativa e. b ) 2 F d) _ Resolução nas Orientações 2 para o professor.

2. Os esquemas a seguir representam a atração

gravitacional entre um planeta e sua lua. Ordene, em sequência crescente, as forças atrativas entre cada par mostrado. Resposta: B < D < A = C.

5. De acordo com a Nasa, mais de 500 000 objetos

que fazem parte do lixo espacial estão orbitando a Terra. Considere uma peça esférica de massa 25 kgque orbita a Terra a uma altura da superfície de quatro raios terrestres. Determine a intensidade do campo gravitacional na peça em órbita e a força peso sobre ela. Use g = 9,8 m/s2. Resposta:

gP = 0 ,4 m/s 2 e FP = 1 0 N. Resolução nas Orientações para o professor.

6. O gráfico que melhor representa como a inten-

sidade da força gravitacional entre dois corpos varia com a distância é: Resposta: Alternativa a.

F (N)

A. 2?m

m d (m)

B. 2?m

3. Resposta: Não, a força de atração do Sol sobre a Terra é maior que a da Lua sobre nosso planeta. As marés causadas pela Lua são mais intensas porque a diferença de atração, comparando o lado mais próximo da Terra com o mais distante, tem maior m variação para a Lua do que para o Sol.

F (N)

d (m)

F (N)

2?d

2?m

d (m)

m d

F (N)

Ilustrações: Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

d (m)

3. Sabe-se que as marés são causadas principal-

mente pela influência gravitacional da Lua. Isso quer dizer que a atração da Lua sobre a Terra é maior do que a do Sol sobre o planeta? Justifique sua resposta.

F (N)

4. O planeta Júpiter tem massa 300 vezes maior

que a da Terra. Isso pode dar a ideia de que sua aceleração da gravidade é muitas vezes maior que a de nosso planeta. No entanto, o que se verifica é que a aceleração da gravidade de Júpiter é menos de 3 vezes maior que a da Terra. Explique por que isso ocorre.

Resposta: Isso ocorre porque o raio de Júpiter é cerca de 10 vezes maior que o raio da Terra.

d (m)

Ilustrações: Ohanna Schmitt/ Arquivo da editora

7. Um satélite artificial está em órbita ao redor da

Terra. Faça um esboço dessa configuração, representando, com um vetor, a resultante das forças que agem sobre o satélite.

Resposta: A resultante das forças é radial com sentido para o centro do planeta Terra. Comentários nas Orientações para o professor.

06/11/2024 16:05:08

UNIDADE

1 8. O satélite brasileiro Amazônia-1 foi lançado em

2021. Seu principal objetivo é fornecer imagens de sensoriamento remoto para monitorar a região amazônica, em especial as zonas de desmatamento. O satélite está orbitando a Terra a cerca de 750 km de altitude. Qual é a intensidade da aceleração gravitacional em razão do campo gravitacional terrestre a essa altitude? Considere o raio da Terra de aproximadamente 6,4 · 1 0 6 m.

Resposta: g = 7,8 m/s 2, aproximadamente. Resolução nas Orientações para o professor.

CPTEC/INPE

Representação do Satélite Amazônia-1 em órbita em torno da Terra.

9. Sobre o movimento de satélites artificiais em torno da Terra, avalie as afirmativas a seguir. 01 ) Para órbitas de raios menores, a velocidade orbital do satélite deve ser maior. 02 ) Os satélites artificiais se mantêm em órbita porque a força gravitacional sobre eles é nula. 04 ) Ocupando órbitas de mesmo raio, dois satélites de massas diferentes terão velocidades orbitais iguais. 08 ) Os satélites artificiais geoestacionários completam uma volta em torno da Terra em um intervalo de 2 4 h. 16 ) Os satélites artificiais não obedecem às leis de Kepler porque têm órbitas com formato praticamente 1 3. Comentários nas Orientações para o professor. circular. Resposta: Soma: 01 + 04 + 08 =

10. O telescópio espacial Hubble comemorou aniversário de 35 anos de funcionamento em 2025. No lança-

mento, o Hubble tinha massa de aproximadamente 1 1 100 kge a partir de 2009 ficou com 1 2 250 kg, após missão de manutenção e instalação de novos equipamentos. Com a adição de massa, o que aconteceu com a velocidade orbital do telescópio? Resposta: A velocidade orbital do telescópio Hubble não se alterou, pois ela não depende da massa do corpo em órbita.

11. Um dos objetivos da Astronomia moderna é a descoberta e análise de planetas fora do Sistema Solar.

Suponha que tenha sido encontrado um planeta que possui 5 vezes a massa da Terra e raio equivalente ao dobro do raio terrestre. Qual seria a aceleração da gravidade na superfície desse planeta? (Use g = 9, 8 m / s2). Resposta: gp = 12, 25 m / s 2. Resolução nas Orientações para o professor.

12. O gráfico a seguir mostra a variação da força gravitacional em função da distância de uma estrela que é orbitada por um corpo celeste de massa 5 · 1030 kg. Qual é a velocidade média orbital desse corpo que está 4 a uma distância de 1,57 · 1020 mdo centro de massa da estrela? Resposta: v = 6 ,86 · 1 0 m/s. Resolução nas Orientações para o professor.

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

Gráfico da força gravitacional em função da distância em relação a uma estrela Força gravitacional (×1020 N) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

Distância (×1020 m) Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 165.

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CAPÍTULO

Poravute Siriphiroon/Shutterstock.com

Pessoa pegando telefone celular que havia caído.

1. Por que você acha

que todos os corpos próximos à superfície da Terra são atraídos para ela?

Resposta: Porque sofrem a ação de uma força que os atrai em direção à superfície da Terra.

Movimentos na Terra A ação da gravidade Muitas pessoas já passaram pela mesma situação retratada na fotografia. Em apenas alguns segundos, um pequeno acidente aconteceu. Mas por que os corpos caem quando são soltos? Você já fez essa pergunta? Como visto anteriormente, uma das interações fundamentais da natureza é a gravidade. Em razão dessa interação, os corpos se atraem gravitacionalmente. No entanto, se as massas envolvidas forem pequenas, é difícil percebermos os efeitos dessa força de atração. Quando um dos corpos tem massa suficientemente grande, como a Terra, conseguimos notar a atuação da gravidade por meio de alguns movimentos, por exemplo, queda livre e lançamentos vertical, horizontal e oblíquo.

Queda livre O movimento de queda em decorrência do campo gravitacional da Terra pode ser observado quando abandonamos um corpo de certa altura. O paraquedista da fotografia, por exemplo, utiliza esse fato em sua prática esportiva. Após saltar pela porta do avião, ele inicia um movimento acelerado na direção do centro da Terra e no sentido do solo, em razão da força gravitacional que atua sobre ele.

Na Antiguidade, o filósofo grego Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.), com base em observações da natureza, afirmava que após uma primeira aceleração para sair Professor, professora: Comente com a turma que, em muitos casos, do repouso, os corpos caíam com uma velocidade constante, que dependia de a força de resistência do ar é suas massas. prejudicial para algumas ações.

Viktorkozlov/ Shutterstock.com

Cite as pesquisas relacionadas à Na Idade Moderna, o cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642), mesmo não aerodinâmica, Paraquedista principalmente a sendo o primeiro a apontar problemas nas ideias de Aristóteles, desenvolveu em queda livre. automobilística, práticas de observação e experimentação que as refutaram definitivamente. a fim de melhorar o Variando a massa das esferas e o ângulo de inclinação da rampa, Galileu nodesempenho tou que os movimentos não eram uniformes, mas acelerados. Percebeu ainda dos veículos e reduzir o que a aceleração adquirida dependia apenas da inclinação da rampa, sendo a consumo de direção vertical a de maior aceleração. combustível.

A imagem a seguir representa os deslocamentos executados por uma esfera em intervalos de tempo iguais.

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Δt Δt Δt

Δt

Δt Δt

Δt

Δt Δt

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação do movimento de uma esfera em rampas com diferentes inclinações.

06/11/2024 16:08:29

Em seus experimentos com rampas, ao manter constante o ângulo de inclinação da rampa e o corpo partindo do repouso, Galileu percebeu uma relação entre a distância percorrida e o intervalo de tempo necessário para o corpo percorrer essa distância.

UNIDADE

. Se o intervalo de tempo Ele notou que em um intervalo de tempo t um corpo percorre uma distância d considerado fosse o dobro do primeiro, a distância a ser percorrida era quadruplicada; ao passo que, se o intervalo de tempo fosse triplicado, a distância aumentaria 9 vezes. Com base nisso, sua conclusão foi: se um móvel, partindo do repouso, cai com um movimento uniformemente acelerado, o espaço percorrido em queda é diretamente proporcional ao quadrado do tempo de queda. Galileu também fez observações deixando esferas que haviam descido por um plano inclinado subir por outro plano inclinado. Assim, verificou que, quanto menor a inclinação do plano de subida, maior era o intervalo de tempo necessário para a esfera atingir o repouso. Com essas e outras investigações, ele concluiu que, se a esfera que desceu por um plano inclinado atingisse um plano horizontal infinitamente longo, ela deveria se manter em movimento uniforme por tempo indeterminado. Essa conclusão ficou conhecida como princípio da inércia de Galileu. No entanto, o cientista italiano observou que as esferas atingiam o repouso após percorrer certa distância nos planos horizontais, propondo que isso acontecia por conta da ação das forças de atrito entre a esfera e a superfície do plano e pela ação da resistência do ar. Dessa forma, podemos concluir que é a resistência do ar que faz corpos de diferentes massas executarem movimentos de queda com velocidades diferentes, e não as massas em si, como acreditava Aristóteles. A força de resistência do ar (ou força de arrasto) depende da velocidade do corpo e da área de contato com o ar. Quanto mais rápido o corpo se move, maior é a quantidade de partículas de ar que entram em contato com ele. O paraquedista citado anteriormente, mantendo o corpo na horizontal, em determinado momento da queda, passa a desenvolver um movimento com velocidade constante (chamada de velocidade terminal), pois a força de resistência do ar adquire o mesmo valor da força gravitacional. Mas e se a resistência do ar puder ser desprezada?

NASA

Em 1971, o astronauta estadunidense David R. Scott (1932-) realizou um experimento na superfície da Lua, no qual ele abandonou, da mesma altura, uma pena de falcão e um martelo. Os dois objetos chegaram ao solo lunar ao mesmo tempo, pois não há resistência do ar. martelo

David R. Scott na superfície da Lua, em 1971.

pena

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Os corpos em queda livre podem sofrer a ação da força de resistência do ar, modificando sua velocidade durante a queda. a ) Junte-se a um colega para observar na prática a resistência oferecida para os movimentos que ocorrem no ar. Para isso, providenciem duas folhas de papel idênticas, uma aberta e outra amassada. Primeiro, soltem simultaneamente da mesma altura a folha aberta (paralelamente ao chão) e a amassada e observem qual delas toca primeiro o chão. Em seguida, coloquem a folha aberta e a amassada sobre um caderno e abandonem o caderno de certa altura, observando ambas. Agora, amassem a folha de papel que estava aberta e soltem-nas novamente da mesma altura, simultaneamente, e percebam o que ocorre nessa situação. Para finalizar, conversem sobre a atividade realizada e anotem suas conclusões no caderno.

a) Resposta: Na primeira situação, as folhas chegam ao chão em intervalos de tempo diferentes; já na segunda situação, o conjunto chega ao chão ao mesmo tempo. Comentários nas Orientações para o professor.

06/11/2024 16:08:29

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Quando um corpo cai em razão somente da ação da gravidade, desprezando a resistência do ar, dizemos que ele está em queda livre. Isso ocorre no vácuo ou em um local onde a força de resistência do ar pode ser desprezada, como para pequenos deslocamentos próximos à superfície da Terra. Na queda livre, a aceleração a que todos os corpos estão sujeitos é a aceleração gravitacional ( g). Esta é característica do planeta ou astro celeste que estamos considerando.

Como a aceleração gravitacional sofre pequenas alterações na superfície da Terra, sendo maior nos polos e menor no equador, no estudo da queda livre, vamos considerá-la constante para toda a superfície terrestre com módulo g = 9,8 m/s2. Muitas vezes, esse valor é arredondado para 1 0 m/s2, para facilitar a análise de algumas situações.

A. 1

Dica Uma aceleração de módulo 9,8 m / s 2 significa que, a cada 1 sem queda livre, a velocidade do corpo varia em 9,8 m / s.

Ilustrações: Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

A queda livre é um movimento apenas na direção vertical. Dessa maneira, vamos considerar o seguinte: se o referencial vertical adotado tiver sentido para cima, considera-se a aceleração da gravidade negativa ( −g); se o referencial vertical adotado tiver sentido para baixo, considera-se a aceleração da gravidade positiva ( +g).

1 Representação do referencial orientado para cima.

Representação do referencial orientado para baixo.

O movimento de queda livre se enquadra em um tipo de movimento chamado de Movimento Uniformemente Variado (MUV), caracterizado pela variação constante no módulo da velocidade do móvel ao longo . da trajetória, ou seja, um movimento com aceleração constante – nesse caso, a aceleração gravitacional g A aceleração é uma grandeza vetorial que, dependendo do tipo de trajetória executada pelo corpo em movimento, pode ser dividida em duas componentes: • aceleração tangencial (at): relacionada com variações na intensidade da velocidade, pois atua na mesma direção da velocidade; • aceleração centrípeta ( ac): relacionada com variações na orientação da velocidade.

Professor, professora: Explique que a única diferença entre os movimentos circulares e os retilíneos consiste na direção dessa grandeza. A componente da aceleração com a mesma direção da velocidade do móvel é chamada aceleração v tangencial. Nos casos em que o a corpo tem apenas aceleração tangencial, ele vai descrever movimentos retilíneos. Já a componente da aceleração orientada perpendicularmente à velocidade do corpo é definida como aceleração centrípeta.

Trajetória curvilínea

ac a θ

at v

Automóvel realizando um MRUV.

Automóvel realizando MCUV.

A variação apenas na intensidade da velocidade caracteriza um movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV); a aceleração centrípeta é nula, e a aceleração → (a )é dada pela aceleração tangencial. → → → → → a = a t + a c ∴ a = a t

A variação na intensidade e na orientação da velocidade caracteriza um movimento circular uniformemente variado (MCUV); → a aceleração ( a ) é dada pela soma das acelerações tangencial e centrípeta. → → → a = a t + a c

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Trajetória retilínea

06/11/2024 16:08:30

Na queda livre, a aceleração é constante e tangencial à trajetória. Portanto, podemos analisar esse movimento com base na equação da aceleração média, dada por: v − v 0 Δv a = _⇒ a = _ t − t 0 Δt

UNIDADE

em que aé a aceleração em m / s 2; Δvé a variação de velocidade em m / s; Δté o intervalo de tempo em s; ve v0 são as velocidades final e inicial em m / s; te t0 são os tempos final e inicial em s. Dessa equação, obtemos uma relação entre as velocidades (v) e os instantes de tempo (t) denominada função horária das velocidades do MRUV. Δv t⇒ v − v0 = a · ( t − t 0) ⇒ v = v0 + a · ( t − t0) a = _ ⇒ Δv = a · Δ Δt Considerando t0 = 0e a = g, tem-se: v = v 0 + g · t Com essa função, é possível obter os valores de velocidade para qualquer instante de tempo. Já a função horária das posições para o MRUV é dada por: a · t 2 _ s = s0 + v0 · t + 2

em que sé a posição final; s0, a posição inicial; v0, a velocidade inicial; a, a aceleração do móvel; e t, o instante de tempo. Tal função de 2º grau expressa a dependência da posição sdo corpo em MRUV em relação aos instantes de tempo t. Para um corpo em queda livre, geralmente substituímos s por y para representar as posições do corpo na vertical e a aceleração apela aceleração da gravidade g, que nos dá: g · t 2 y = y 0 + v0 · t + _ 2

A equação anterior representa matematicamente a conclusão obtida por Galileu em seus experimentos com a queda de corpos: a distância percorrida é proporcional ao quadrado do tempo de queda. Entretanto, o cientista italiano utilizou uma abordagem diferente para descrever o movimento uniformemente acelerado: Galileu aplicou conceitos de proporção e progressão geométrica para mostrar que a distância percorrida por um corpo em queda é proporcional ao quadrado do tempo de queda. Tais abordagens permitiram estabelecer uma base sólida para a mecânica clássica.

O físico e matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) desenvolveu estudos sobre fluidos em repouso e em movimento e verificou que a velocidade horizontal de um jato de água jorrando por um pequeno orifício é dada por:

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

h0 H

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Há outra equação importante no estudo dos corpos em queda livre, que relaciona a posição, a velocidade e a aceleração dos corpos, sem a necessidade de considerar um intervalo de tempo. Tal relação matemática é chamada de equação de Torricelli.

v = √ 2 · g · H _

Dica Não se esqueça de atentar ao sentido do referencial vertical: se orientado para cima, utilizar −g; se orientado para baixo, utilizar +g.

v 5 2 g H Representação de água escoando por um orifício em um recipiente.

Esse valor é igual ao da velocidade de uma única gota de água, que, partindo do repouso, percorre a mesma distância Hem queda livre.

06/11/2024 16:08:30

Dessa forma, a semelhança entre a velocidade de lançamento de um jato de água e a velocidade de queda livre de uma gota em MRUV possibilitou o estudo desse movimento pela relação entre velocidade (v) e posição ( y), ou seja, uma relação que não depende do tempo. Aplicando os estudos de Torricelli na análise do movimento dos corpos em queda livre, obtemos a seguinte relação:

Dica Note que a equação de Torricelli não envolve o tempo, ou seja, não corresponde a uma equação horária.

v 2= v0  2    + 2 · g · Δy ou v 2= v 0  2  + 2 · g · ( y − y 0)

Eduardo Valente/Alamy/Fotoarena

ATIVIDADES RESOLVIDAS R1. A Big Tower é uma das muitas atrações de um parque de diversões brasileiro e

tem nada menos que 100 metros de altura, equivalente a um prédio de mais de 30 andares. Durante a queda, o elevador chega a uma velocidade de aproximadamente 120 km / h. Então, quem disse que a Física não está presente nos parques de diversão? De acordo com os dados apresentados e desconsiderando a força de resistência do ar e outras forças dissipativas, supondo que ele se move em queda livre por cerca de 85 m até os freios serem acionados, qual é a velocidade atingida pelo elevador no intervalo de queda livre? Compare seu resultado com o valor real apresentado no enunciado, discutindo o motivo dessa diferença. Adote o valor da aceleração da gravidade local de 10 m / s 2. Resolução Consideram-se o referencial na vertical com sentido para baixo, a posição inicial em que o elevador é abandonado y0 = 0, a velocidade inicial v0 = 0(repouso) e a posição final de queda livre y = 85 m. Como não temos o intervalo de tempo, podemos utilizar a equação de Torricelli para calcular o valor da velocidade de queda: v 2= v0  2    + 2 · g · Δy ⇒ v 2= 0 2+ 2 · 10 · 85 ⇒ v 2= 1 700 ⇒ v = √ ⇒ 1 700 ∴ v ≃ 41,2 m / s ou v ≃ 148 km / h _

Dica

Essa diferença entre o valor encontrado e o valor real fornecido pelo site oficial se dá pelo fato de que, ao tratar esse movimento como uma queda livre, são desprezadas todas as forças dissipativas que atuam diminuindo a velocidade de queda do brinquedo. Além disso, usamos uma distância aproximada de queda livre.

Big Tower no município de Penha (SC), em 2020.

Lançamento vertical É tradição em formaturas que, ao final da cerimônia, os formandos lancem seus chapéus verticalmente para cima, comemorando sua conquista.

No lançamento vertical para baixo, o corpo inicia o movimento de queda livre com determinada velocidade vertical, que aumenta de valor em razão da aceleração da gravidade, como o movimento de algumas aves marinhas, que mergulham para buscar alimentos na água.

Prostock-studio/Shutterstock.com

Essa situação exemplifica um lançamento vertical, no qual corpos são arremessados na direção vertical, com velocidade inicial diferente de zero. Nesse tipo de lançamento, o corpo pode ser lançado tanto para cima quanto para baixo. Em ambos os casos, desprezando a resistência do ar, o movimento ocorre com aceleração constante e igual à aceleração da gravidade.

Grupo de estudantes lançando seus chapéus de formatura, verticalmente, para cima.

06/11/2024 16:08:31

UNIDADE

1 2. O que acontece quando um objeto é arremessado para cima? Resposta: O objeto continua a se mover para cima por algum tempo e depois retorna.

No lançamento vertical para cima, o corpo inicia um movimento contrário à ação da gravidade, por isso sua velocidade diminui durante a subida até parar, inverter seu movimento e começar a descer. Considere uma peteca lançada verticalmente para cima com uma velocidade inicial de 15 m / s. Despre − 10 m / s 2), com zando a resistência do ar e adotando um referencial vertical com sentido para cima (g = origem na posição do lançamento ( y0 = 0), as funções horárias da velocidade e da posição são: v = v 0 + g · t ∴ v = 15 − 10 · t g · t 2 10 · t 2 _ ⇒ y = 0 + 1 5 · t − _ ∴ y = 1 5 · t − 5 · t 2 y = y0 + v0 · t + 2 2

O movimento da peteca é representado a seguir. Note que durante o movimento de subida sua velocidade diminui gradualmente, descrevendo um MRUV retardado, pois o movimento está contra a aceleração da gravidade. Portanto, a peteca sobe até atingir velocidade nula, com tempo de subida igual a: v = 15 − 1 0 · t ⇒ 0 = 15 − 1 0 · t ∴ t = 1 ,5 s Como a desaceleração na subida é a mesma aceleração na descida, o intervalo de tempo de descida é igual ao de subida. Assim, o tempo total para que a peteca volte à posição inicial é de 3 s. Já o movimento de descida corresponde a um MRUV acelerado, pois é a favor da aceleração da gravidade, e a velocidade da peteca aumenta de forma gradual. Contudo, a descida é contrária ao referencial adotado – isso é indicado pelo sentido dos vetores e pelo sinal negativo da velocidade. Como a resistência do ar foi desprezada, ao retornar para a mão da pessoa, no instante 3 s, a peteca tem velocidade de mesmo valor da velocidade inicial, mas com sentido contrário. Logo: v = 15 − 1 0 · 3 ⇒ v = 15 − 30 ∴ v = − 15 m / s As posições da peteca durante o movimento também estão indicadas na imagem. Podemos perceber que a altura máxima atingida corresponde à posição no instante 1,5 s, quando o objeto atinge o repouso e ocorre a inversão no sentido do movimento. O valor da altura máxima pode ser obtido usando a função horária das posições, portanto:

Fabio Eiji/Arquivo da editora

y = 15 · 1,5 − 5 · 1, 5 2∴ y = 11,25 m y = 15 · t − 5 · t 2⇒ –g v2 5 0 t2 5 1,5 s v1 5 5 m/s t1 5 1 s

–g

y2 v1

v0 v0 5 15 m/s t0 5 0

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

y2 5 11,25 m y1 5 y3 5 10 m

y0 5 y4 5 0

v2 5 0 t2 5 1,5 s

y2 y3

y4 v4

v3 5 –5 m/s t3 5 2 s Representação do movimento de subida e de v4 5 –15 m/s descida de uma peteca lançada t4 5 3 s verticalmente para cima.

Perceba que no lançamento vertical a peteca passou duas vezes em cada posição (com exceção da posição de altura máxima), em instantes diferentes e com velocidades de mesmo valor, mas com sentidos contrários.

06/11/2024 16:08:31

De maneira geral, vemos que objetos lançados verticalmente para cima têm sua velocidade diminuída até atingir o repouso no ponto mais alto da trajetória. No entanto, como a força gravitacional continua atuando sobre ele, o corpo cai em queda livre, com aceleração constante, de modo que a velocidade final tem módulo igual ao da velocidade inicial de lançamento, quando o corpo retorna à mesma altura de lançamento.

3. No ponto mais alto

da trajetória de um corpo que foi lançado verticalmente para cima, qual é o valor da aceleração do corpo?

Jogador de tênis de mesa lançando a bola para cima, iniciando a jogada de saque.

Ljupco Smokovski/Shutterstock.com

ImagensstockBR/Shutterstock.com

Stefan Holm/Shutterstock.com

É possível identificar lançamentos verticais em algumas modalidades esportivas, em várias tarefas do dia a dia e também em apresentações artísticas, como exemplificado a seguir.

Malabarista lançando os objetos para cima.

Cafeicultor durante processo de separação de grãos de café de folhas e outros objetos, lançando essa mistura para cima.

ATIVIDADES RESOLVIDAS

3. Resposta: A aceleração do corpo equivale à aceleração da gravidade a = g = 9,8 m / s 2, ou aproximadamente g = 10 m / s 2.

R2. A ginástica de trampolim, popular no universo circense, surgiu na década de 1930 e se tornou um esporte olímpico em 2000, nos jogos de Sydney, na Austrália. Um atleta, ao realizar um salto, alcançou a altura de 7,2 metros. Considere g = 10 m / s 2.

a ) Qual é a velocidade inicial do atleta em seu salto? Resolução Considerando o sentido do referencial adotado crescente para cima, a aceleração da gravidade gdeve ser negativa. Como não temos o valor do intervalo de tempo do movimento, vamos utilizar a equação de Torricelli. Sabendo que a altura máxima atingida foi de 7,2 m e que a velocidade é nula no ponto mais alto da trajetória, tem-se: v 2= v0  2    − 2 · g · Δy ⇒ 0 2= v 0  2    − 2 · 10 · 7,2 ⇒ v  2    = 144 ⇒ v0 = √ 144 ∴ v0 = 12 m / s _

b ) Quanto tempo durou o movimento de subida do atleta? Resolução Usando a equação horária da velocidade e o valor encontrado para a velocidade inicial do atleta e lembrando que a velocidade na altura máxima é nula, tem-se: 12 v = v0 − g · t ⇒ 0 = 12 − 1 0 · t ⇒ t = _ ∴ t = 1,2 s 10 c ) Em qual instante de tempo e com qual valor de velocidade o atleta retornou ao solo? Resolução Desprezando-se a resistência do ar, o tempo de subida é igual ao tempo de descida, então o tempo total do salto é de: ttotal = t subida + t descida ⇒ t total = 1,2 + 1,2 ∴ ttotal = 2,4 s que corresponde ao instante em que o atleta volta para o solo. Já a velocidade tem o mesmo módulo da velocidade inicial, porém com sentido contrário, e pode ser dada pela função horária das velocidades, usando o tempo total do salto: v = v 0 − g · t ⇒ v = 12 − 10 · 2,4 ⇒ v = 12 − 24 ∴ v = − 12 m / s

06/11/2024 16:08:32

UNIDADE

1 4. Resposta: Porque ele deve considerar o movimento de queda da flecha em razão da ação da gravidade. Para acertar o centro do alvo, ele deve mirar Imagens desta página sem acima do centro, proporção e em cores fantasia. considerando a queda da flecha, que fará um Observe a imagem e, em seguida, responda à pergunta. movimento com trajetória com formato de parábola.

Lançamento horizontal e oblíquo

4. Por que o atleta de

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

tiro com arco não deve atirar a flecha paralelamente ao solo se quiser acertar o centro do alvo?

Representação de um atleta de tiro com arco se preparando para fazer um disparo.

Como visto anteriormente, a ação da gravidade pode alterar a velocidade dos corpos na direção vertical, fazendo-os cair. Essa ação também pode mudar o valor, a direção e o sentido da velocidade dos corpos, alterando sua trajetória.

Representação das posições de uma esfera rolando por uma mesa e caindo.

Keithy Mostachi/Arquivo da editora

A análise do movimento pode ser feita com base nas seguintes relações.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Para compreender a situação do tiro com arco, imagine que uma esfera foi lançada rolando sobre uma mesa horizontal. Se as forças de atrito puderem ser desprezadas, a esfera realiza um movimento com velocidade constante. Mas, no instante em que essa esfera perde o contato com a superfície da mesa, ela começa a cair, e seu movimento passa a ser uma combinação de um movimento uniforme na horizontal com um movimento acelerado na vertical, resultando em uma trajetória que pode ser descrita como uma parábola.

Na horizontal Como a velocidade na horizontal é constante, a posição do corpo nessa direção é dada por: x = v0 · t

Keithy Mostachi/Arquivo da editora

em que xé a posição do corpo na direção horizontal em m , v0 é a velocidade inicial do corpo em m / s, e té o tempo de queda em s.

Na vertical Como o corpo está sendo acelerado pela gravidade na direção vertical, a posição dele é dada por: g · t 2 y = _ 2 _ Sua velocidade é calculada por: g · t ou vy = √ 2 · g · y vy = Retomando a questão inicial, como a flecha e o centro do alvo estão à mesma altura do solo, se o atleta atirar a flecha paralelamente à direção horizontal, ela vai atingir o alvo em uma posição abaixo do centro. Lembrando que a ação da gravidade causa uma queda de 5 mno primeiro segundo de movimento, o atleta deve considerar essa ação no momento do lançamento da flecha e mirar com certo ângulo para cima, em relação à horizontal.

06/11/2024 16:14:23

Agora, imagine que um golfista acaba de realizar uma tacada e a bolinha é lançada com uma velocidade que faz um ângulo (θ) com a horizontal. Dica

Acesse o simulador disponível em: https://phet.colorado.edu/ sims/html/projectile-motion/ latest/projectile-motion_pt_ BR.html. Acesso em: 23 jul. 2024. Esse simulador explora o movimento de projéteis ao lançar diversos objetos, permitindo determinar como cada grandeza afeta sua trajetória, com ou sem resistência do ar.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação dos vetores de velocidade e da trajetória da bola quando o jogador de golfe realiza uma tacada.

→ A velocidade inicial (v 0) da bola de golfe pode ser dividida em suas componentes vertical e horizontal aplicando a trigonometria do triângulo retângulo: v0 · cos θe v0y = v0 · sen θ v0x = Como o movimento horizontal é uniforme, a posição do corpo nessa direção é dada por: x = x 0 + ( v0 · cos θ)· t

Na vertical, a análise do movimento é feita com base nas relações do movimento acelerado, de modo que a velocidade é obtida por:

v0 v0

g · t vy = v 0y − Já as posições verticais são dadas pela relação:

θ 0

g · t 2 y = y0 + v0y · t − _ 2

Ilustrações: Fabio Eiji/Arquivo da editora

v x · t ou x = x0 +

Representação dos vetores da velocidade.

É importante perceber que, quando o projétil chega à altura máxima, sua velocidade na direção vertical é nula (vy = 0), contudo, a velocidade horizontal se mantém (vx = constante). Além disso, caso a resistência do ar seja desprezada, o tempo de queda da altura máxima até a altura inicial de lançamento é igual ao intervalo de tempo de subida.

ATIVIDADES RESOLVIDAS R3. Após uma tacada realizada por um golfista, uma bolinha de golfe adquiriu uma velocidade de 40 m / scom

direção de 3 0°em relação à horizontal. Nessas condições, qual distância a bolinha percorreu na horizontal? Considere: sen 30° = 0,5; cos 30° ≃ 0,87. Resolução As velocidades na horizontal e na vertical são dadas por: vx = v0 · c os 30° ⇒ vx = 40 · 0,87 ∴ vx = 34,8 m / s v0y = v0 · s en 30° ⇒ v0y = 40 · 0,5 ∴ v 0y = 20 m / s

Lembrando que, na altura máxima ( vy = 0), o tempo de subida ( ts) da bolinha é: vy = v0y − g · t ⇒ 0 = 20 − 1 0 · t s ∴ t s = 2 s Como o tempo de queda é igual ao de subida, o tempo total de voo da bolinha é de 4 s; portanto, seu alcance é dado por: x = vx · t ⇒ x = 34,8 · 4 ∴ x = 1 39,2 m

06/11/2024 16:14:24

PRÁTICA CIENTÍFICA

UNIDADE

1 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Diferentes, mas iguais. Pode isso? Por dentro do contexto Diversos pensadores, como Aristóteles, Galileu Galilei e o inglês Isaac Newton (1643-1727), desenvolveram explicações para os movimentos de queda e de lançamento de projéteis. O entendimento dos fatores relacionados a esses movimentos permitiu o lançamento de foguetes e o posicionamento de satélites em órbita ao redor da Terra. a ) Quais fatores podem influenciar o movimento de queda de um objeto?

Resposta: Os estudantes podem citar que, desprezando a resistência do ar, o movimento de queda depende somente da aceleração da gravidade. Já considerando a resistência do ar, a queda depende da massa e do Materiais formato do objeto.

• régua de 30 cm

• duas moedas idênticas

• bancada ou superfície elevada

Como proceder A. Junte-se a um colega e coloquem uma moeda sobre a borda de uma bancada, próximo a uma régua. A segunda moeda deve ser colocada sobre a extremidade da régua que está fora da superfície da bancada, como mostra a imagem. Imagem referente à etapa A.

B. Deem um leve toque na régua, de modo a permitir que a primeira moeda caia no chão, enquanto a segunda é lançada horizontalmente para fora da mesa. 3. Resposta: O objetivo é levar os estudantes a divulgar os conhecimentos adquiridos durante a prática. Quanto aos vídeos, espera-se que eles comentem que a queda livre é um movimento que ocorre sob a ação da gravidade e Imagem referente à etapa B. que, nessa prática, a resistência do ar teve pouca influência porque a distância da queda é pequena.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

C. Observem o movimento e ouçam com atenção o som da colisão das moedas com o solo. D. Durante a execução da atividade, registrem por meio da gravação de um vídeo o movimento de queda das moedas. E. Se julgarem necessário, repitam os procedimentos anteriores.

Análise e divulgação dos dados

Imagem referente à etapa C.

1. O que aconteceu após a realização da etapa B? O que muda se você aplicar uma força maior para empur-

rar a régua? Resposta: Espera-se que respondam que uma das moedas caiu em queda livre e a outra foi lançada horizontalmente,

no entanto as duas chegaram ao solo ao mesmo tempo. Além disso, eles devem perceber que, aplicando uma força maior, a moeda lançada horizontalmente tem um alcance maior, porém ela atinge o solo no mesmo instante que a outra moeda.

2. Você acha que os resultados observados seriam os mesmos caso as moedas fossem diferentes uma da

outra? Realize os procedimentos com pares de moedas diferentes entre si e verifique se sua hipótese se Resposta: O objetivo dessa questão é levar os estudantes a levantar hipóteses sobre a queda de corpos com diferentes confirma. massas para investigar esse fenômeno. Espera-se que eles repitam os procedimentos listados na seção e verifiquem que

as moedas diferentes também chegam ao solo ao mesmo tempo.

3. Com as imagens gravadas durante a realização dos procedimentos, produzam um vídeo para a divulga-

ção dos resultados e das conclusões que vocês obtiveram após a prática. Apresentem o vídeo para os colegas de outras turmas e discutam também possíveis extensões ou variações do experimento para explorar ainda mais o tema da queda livre.

06/11/2024 16:14:25

CONEXÕES com ... BIOLOGIA e QUÍMICA

Lixo espacial Leia o trecho de reportagem a seguir.

Lixo espacial é problema crescente com soluções difíceis Roberto Costa avalia os riscos que esses fragmentos representam para o funcionamento de satélites e as alternativas para reduzir a poluição na órbita da Terra TAMMARO, Rodrigo. Lixo espacial é problema crescente com soluções difíceis. Jornal da USP no Ar, 11 maio 2022. Disponível em: https://jornal.usp.br/atualidades/lixo-espacial-e-problema-crescente-com-solucoes-dificeis/. Acesso em: 15 ago. 2024.

Você pode não os enxergar a olho nu enquanto observa o céu, mas ao redor da Terra há milhares de fragmentos de foguetes e naves espaciais, bem como satélites artificiais sem uso. Esses materiais são mantidos em órbita na Terra e compõem o chamado lixo espacial. Em razão da alta velocidade com que esses objetos se movem, até mesmo o impacto com aqueles de tamanho reduzido pode causar sérios danos a equipamentos em uso nessa região, além de graves acidentes, inclusive na superfície terrestre. Afinal, o que levou ao acúmulo desses materiais ao redor da Terra? Há muito tempo o ser humano observa os astros a fim de compreender o Universo. O desenvolvimento da tecnologia possibilitou ao ser humano não apenas visualizar os astros com mais detalhes a partir da superfície terrestre, mas também observar o Universo e seus astros do espaço e chegar até alguns deles. Em 1957, os soviéticos lançaram no espaço o primeiro satélite artificial não tripulado, chamado Sputnik 1. A partir de então, ao longo dos anos houve um acúmulo de materiais em torno da Terra, resultando em um cenário preocupante. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Atualmente, há aproximadamente 9 mil satélites artificiais no espaço, dos quais um pouco mais de 6,7 mil estão em funcionamento. Além disso, entidades comerciais e governamentais estimam que mais de 478 mil satélites serão lançados até 2030.

Representação de parte da superfície terrestre e um foguete.

Representação de parte da superfície terrestre e um satélite artificial.

Ilustrações: Alexandre de Souza/Arquivo da editora

Desde o início da era espacial, em 1957, foram lançados no espaço aproximadamente 6 mil foguetes. Estes, por sua vez, foram responsáveis por lançar mais de 13 mil satélites artificiais na órbita da Terra.

06/11/2024 16:14:26

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Estima-se que há na órbita da Terra aproximadamente: • 36 mil objetos com tamanho superior a 10 centímetros; • 1 milhão de objetos com tamanho entre 1 e 10 centímetros; • 130 milhões de objetos com tamanho entre 1 milímetro e 1 centímetro. Todos esses objetos espaciais equivalem a cerca de 10 mil toneladas de lixo orbitando o planeta.

Ilustrações: Alexandre de Souza/Arquivo da editora

Representação de lixo espacial em torno da superfície terrestre.

Diversas empresas pelo mundo, públicas e privadas, estão desenvolvendo dispositivos capazes de capturar e eliminar os detritos presentes na órbita terrestre. Entre elas, destaca-se a empresa japonesa que construiu uma espaçonave equipada com uma placa magnética. Além disso, está desenvolvendo uma tecnologia para limpar o espaço por meio de braços mecânicos e trazê-los para a atmosfera da Terra, onde serão incendiados. Representação de um dispositivo capaz de capturar e eliminar detritos na órbita terrestre. a) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes reflitam sobre os impactos do lixo espacial em nosso dia a dia,

Imagens elaboradas com base em: SPACE debris by the numbers. The European Space Agency, 18 jun. 2024. especialmente quanto aos Disponível em: https://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris/Space_debris_by_the_numbers. Acesso em: 23 jul. 2024. efeitos causados pela

interrupção ou falha no funcionamento dos diferentes tipos de satélites artificiais, como os de comunicação, de navegação e os meteorológicos. Eles A Estação Espacial Internacional é de extrema importância científica, desempenhando fun- podem comentar que isso ções como de observatório, laboratório, local de construção e manutenção de equipamentos causa prejuízos na distribuição de sinais de espaciais, entre outras. No entanto, ela está em perigo em razão do acúmulo de lixo espacial. telefonia, internet e televisão, Muitas vezes, seus tripulantes precisam executar manobras para evitar o choque com objetos mau funcionamento de de rastreio e localização, como o GPS, e impacta de forma negativa no monitoramento do tempo e do que fazem parte desse lixo. dispositivos clima, consequentemente afetando diversas atividades, como plantio e colheita.

Assim, ao mesmo tempo que os avanços tecnológicos possibilitam ampliar ainda mais a ex- b) Resposta: Os ploração do Universo e interferem positivamente em diversos aspectos da vida em sociedade, estudantes poderão trabalhos o mau gerenciamento dessa tecnologia que se insere no espaço e muitas vezes não é removida encontrar como: o pode ser prejudicial tanto para os estudos científicos como para a sociedade. desenvolvimento de braço robótico, que utiliza

um dispositivo com um adesivo, inspirado na pata de lagartixa, que tem capacidade de aderir a quase toda superfície, mesmo contra a gravidade; o a ) De acordo com a Agência Espacial Europeia (ESA, sigla em inglês), semanalmente são emi- uso de laser, que visa o lixo espacial tidos alertas sobre o risco de colisão de dez de seus satélites artificiais com itens do lixo fragmentar em tamanhos menores, espacial. Reflita sobre as discussões apresentadas a seguir e produza um breve texto abor- facilitando sua remoção da órbita terrestre.

dando por que o lixo espacial, embora distante da superfície terrestre, pode interferir em atividades do nosso dia a dia. Você considera importante a realização de monitoramento c) Resposta: O desta do lixo espacial? Quais são as possíveis consequências da colisão de itens do lixo espacial objetivo questão é levar os com satélites artificiais operantes para a população mundial? estudantes a refletir e, com base em um problema

relacionado ao dia a dia deles, propor possíveis soluções para o lixo espacial. Para ambos os problemas (lixo espacial e resíduos sólidos),

b ) Faça uma pesquisa em sites voltada a outros projetos que visam à remoção do lixo espacial. algumas medidas podem ser citadas, Converse com os colegas a respeito desses projetos e reflitam sobre soluções, não apenas para como: ampliar o tempo de uso dos objetos, remoção do lixo espacial existente, mas para evitar que mais lixo se acumule no espaço. evitando seu descarte; incentivar o descarte adequado de objetos e desenvolver materiais que possam se desintegrar com mais facilidade.

c ) O lixo espacial é um problema atual, assim como a produção excessiva de resíduos sólidos Já no caso de ações contra o lixo espacial, na superfície da Terra. Reflita sobre as possíveis maneiras de reduzir a geração de resíduos alguns exemplos são: incentivar o sólidos e, com quatro colegas, proponha possíveis soluções ao lixo espacial.

desenvolvimento de tecnologias que ampliem o tempo de uso e de funcionamento dos equipamentos lançados ao espaço; desenvolver projetos de remoção desses itens do espaço, bem como de reaproveitamento deles, em vez de construir ou lançar outros itens, e promover pesquisas para desenvolver materiais que se desintegrem no ambiente espacial.

06/11/2024 16:14:27

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Professor, professora: Comentários da questão 5 nas Orientações para o professor.

1. Um professor propõe um experimento mental

no qual duas pequenas esferas de massas diferentes são lançadas verticalmente para cima da mesma altura e com velocidades iniciais iguais. Antes de realizar efetivamente o experimento, o professor pede aos estudantes que proponham algumas afirmativas sobre o experimento. As afirmativas são mencionadas a seguir.

4. Considere três esferas A, B e C, lançadas simulta-

neamente para cima, com os valores de velocidade indicados na figura. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

15 m/s

10 m/s

5 m/s

I ) A esfera de menor massa atinge uma altura máxima maior.

II ) Ambas as esferas chegam ao solo com a mesma velocidade e ao mesmo tempo.

0,8 kg

1,0 kg

1,2 kg

III ) Quando as esferas estão no ponto mais alto de suas respectivas trajetórias, a aceleração a que elas estão submetidas é nula. Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmativa(s):

Resposta: Alternativa b. Comentários nas Orientações para o professor.

a) I

c ) III

b ) II

d ) I e II

e ) II e III

2. O paraquedista austríaco Felix Baumgartner

Red Bull Stratos/Red Bull Content Pool/ZUMAPRESS/Imageplus

(1969-), em 14 de outubro de 2012, saltou do limite superior da estratosfera, a cerca de 38 969 m de altitude. Do instante do salto até a abertura do paraquedas, o movimento durou 4 min 20 s, e a velocidade máxima, de 1 357,6 km/h, foi alcançada nos primeiros 50 s de queda, ultrapassando a velocidade do som, que é de cerca de 1 224 km/h.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

ATIVIDADES

Representações de esferas sendo lançadas simultaneamente.

a ) Qual(is) esfera(s) ainda está(ão) subindo após 1 sdo lançamento? Resposta: Esfera A. b ) Ordene as esferas em sequência crescente, de acordo com os módulos das acelerações, após 1 sdo lançamento. Resposta: aA = a B = aC = g

5. Sobre o lançamento vertical para cima, desprezando a resistência do ar, verifique quais alternativas são verdadeiras. a ) A velocidade é nula na posição mais alta da trajetória. Resposta: Verdadeira. b ) A aceleração é nula na posição mais alta da trajetória. Resposta: Falsa. c ) O corpo executa um MRUV retardado na subida e um MRU na descida. Resposta: Falsa. d ) Se um objeto atingiu a altura máxima no instante 4 s, ele ocupa novamente a posição inicial no instante 8 s. Resposta: Verdadeira. e ) O corpo voltará a ter o módulo da velocidade inicial quando retornar à posição inicial. Resposta: Verdadeira.

6. Segundo dados disponibilizados pelo pesquisaFelix Baumgartner em seu salto da estratosfera, em 14 de outubro de 2012.

Considerando que na estratosfera a gravidade é de aproximadamente 9,7 m / s 2, determine a velocidade do paraquedista após os primeiros 5 0 s de queda. O valor encontrado para a velocidade, baseando-se em seus cálculos, é igual ao valor atingido por Baumgartner? Converse com os colegas e justifique.

3. Um atleta de salto ornamental abandona a pla-

taforma de salto de 1 0 mem queda livre. Estime o tempo que esse atleta tem para realizar suas acrobacias e sua velocidade ao entrar na água. Resposta: t ≃ 1 ,41 se v = 14,1 m / s. Resolução nas Orientações para o professor.

dor Paulo Felipe Jarschel, do Instituto de Física da Unicamp, se uma moeda de R$ 0,50 cair do topo do prédio mais alto do mundo, ela atinge a velocidade terminal de 94,3 km/hapós 160 mde queda, em razão da resistência do ar. Sabendo que o prédio mais alto do mundo tem 828 mde altura e considerando a aceleração gravitacional local igual a 10 m / s 2, determine a razão entre a velocidade final da queda dessa moeda até o solo. Desconsidere a resistência do ar e a velocidade real adquirida por ela, entendendo que ambas partem do repouso.

Resposta: Alternativa d. Resolução nas Orientações para o professor.

a ) 1,4

c ) 3,4

b ) 2,1

d ) 4,9

e ) 6,1

2. Resposta: v = 1 746 km / h. O valor é maior, pois se considera o corpo livre da ação de forças resistivas. Resolução nas Orientações para o professor.

06/11/2024 16:14:27

7. Um objeto é solto a partir do repouso de certa altura hcom relação ao solo. No mesmo instante, outro objeto é lançado horizontalmente da mesma altura. Considerando desprezível a resistência do ar, sobre essa situação, julgue os itens a seguir e dê a soma dos itens corretos.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de um objeto em queda livre.

01 ) Os objetos chegam simultaneamente ao solo. 02 ) Em suas trajetórias, os dois objetos estão sujeitos à aceleração de mesmo módulo, direção e sentido. 04 ) O módulo da velocidade com que atingem o solo é o mesmo. 08 ) A distância entre os objetos antes de atingirem o solo é dada pelo produto v0x· t, em que v0xé a velocidade inicial da partícula lançada horizontalmente e té o instante de tempo. 16 ) O objeto lançado horizontalmente executa um movimento uniforme. Resposta: Soma: 01 + 02 + 08 = 11.

8. Hole in one é uma jogada de golfe na qual o golfista

acerta a bola no buraco em apenas uma tacada. Suponha que um atleta está a uma distância horizontal de 2 00 mdo buraco, lançando a bola com uma velocidade inicial de 50 m/s na direção 30° acima da horizontal. Desprezando a resistência do ar, verifique se é possível o atleta realizar um hole in one. Considere g = 10 m / s 2, sen30° = 0,50e cos30° = 0,87. Resposta: Não é possível. Resolução nas Orientações para o professor.

9. A imagem a seguir representa um corpo aban-

donado em queda livre ( v0= 0) no instante t0= 0, em um local onde a aceleração da gravidade pode ser considerada 10 m / s2.

UNIDADE

9. b) Resposta: Para t = 0 , v = 0 e y = 0; t = 0 ,4 s, v = 4 m / se y = 0,8 m; t = 0,8 s, v = 8 m / se y = 3,2 m. Resolução nas Orientações para o professor.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

Professor, professora: Comentários da questão 7 nas Orientações para o professor.

a ) Considerando que o referencial adotado vertical tem sentido para baixo, que a posição inicial é y0= 0 e que a posição final corresponde aos braços da garota y = 3,2 m, de forma que as posições aumentem durante a queda, determine a função horária das velocidades e a função horária das posições para 10 · te y = 5 · t 2. esse movimento. Resposta: v = Resolução nas Orientações para o professor.

b ) Agora, complete um quadro como o mostrado a seguir, apresentando a velocidade e a posição do objeto em queda, para os tempos indicados na primeira coluna. Velocidades e posições t ( s)

v ( m / s)

y ( m)

0 0,4 0,8

RETOME O QUE ESTUDOU Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir.

Respostas nas Orientações para o professor.

1. Qual foi a principal inovação do modelo heliocêntrico proposto pelo matemático polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) e como ele desafiou a visão geocêntrica?

2. Como ocorre a formação de um sistema planetário a partir de uma estrela e qual é a fonte de energia das estrelas?

3. Qual é a diferença entre velocidade e aceleração? Como essas grandezas se relacionam com o movimento de um objeto?

4. Como as leis de Newton descrevem o comportamento dos objetos em movimento e em repouso e qual é a importância do uso do cinto de segurança em um veículo do ponto de vista da Física?

5. O que caracteriza o movimento de um objeto em queda livre e como a aceleração em razão da gravidade afeta esse movimento?

06/11/2024 16:14:28

MAIS QUESTÕES 1. (UEPG-PR) Sobre senso comum e método científico, assinale o que for correto.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

tempo teria transcorrido desde quando ambas estavam unidas em um único supercontinente.

01 ) O senso comum é caracterizado por uma forma de pensamento que não se respalda numa análise crítica e criteriosa dos fatos.

a ) 250.000 anos.

02 ) A ciência é uma forma de saber construído ao acaso, caracterizado pelo desinteresse na busca por justificativas e explicações objetivas e lógicas acerca dos fenômenos da natureza.

d ) 250.000.000 anos.

04 ) Os procedimentos descritos no método científico seguem uma estrutura lógica de pensamento e servem como orientação no processo de busca pela resolução de um problema. 08 ) O conhecimento científico se obtém pelo senso comum e pela prática de experimentos corriqueiros e aceitos conforme as questões culturais de uma sociedade. Resposta: Soma: 01 + 04 = 05

2. (UERR) Na Física é muito importante que se saiba identificar quais grandezas são escalares e quais são vetoriais. Cada uma delas apresenta diferentes comportamentos quando se muda o referencial adotado para sua expressão. Nesse sentido, quando se muda o sistema de coordenada a partir do qual se escrevem grandezas escalares e vetoriais, Resposta: Alternativa d. a ) as grandezas escalares não têm seu valor alterado e as grandezas vetoriais mantêm o mesmo valor para suas componentes. b ) as grandezas escalares se alteram, assim como as componentes das grandezas vetoriais. c ) as grandezas escalares se alteram, mas as componentes das grandezas vetoriais mantêm o mesmo valor para suas componentes. d ) as grandezas escalares mantêm seu valor, mas as componentes das grandezas vetoriais se alteram. e ) as componentes das grandezas escalares se alteram, mas o valor das grandezas vetoriais se mantém o mesmo.

3. (Fuvest-SP) Em virtude do movimento das placas tectônicas, a distância entre a América do Sul e a África aumenta, nos dias atuais, cerca de 2,0 cma cada ano. Supondo que essa velocidade tivesse sido constante ao longo do tempo, e tomando uma distância atual de cerca de 5.000 km e entre os limites dessas duas massas continentais, indique a melhor estimativa para quanto

b ) 2.500.000 anos.

Resposta: Alternativa d. Resolução nas Orientações para o professor.

c ) 25.000.000 anos. e ) 2.500.000.000 anos. Note e adote: O valor obtido, embora da ordem de magnitude correta, não é o mesmo calculado por estimativas mais precisas.

4. (UEA) Um motorista faz uma viagem de carro por uma rodovia cuja velocidade máxima permitida é de 110 km / h. Durante a viagem, o motorista repara que o velocímetro de seu carro está quebrado, o que impede que a velocidade do automóvel seja monitorada ao longo do percurso. Ao chegar a seu destino, o motorista percebe que levou 2,5 horas para fazer a viagem. Sabendo que o caminho percorrido foi de 300 kme que a rodovia possui monitoramento de velocidade por toda sua extensão, o motorista Resposta: Alternativa a.

a ) receberá uma multa, pois a velocidade média nas Orientações do carro foi de 120 km / h. Resolução para o professor. b ) receberá uma multa, pois a velocidade média do carro foi de 130 km / h.

c ) não receberá uma multa, pois a velocidade média do carro foi de 110 km / h. d ) receberá uma multa, pois a velocidade média do carro foi de 150 km / h. e ) não receberá uma multa, pois a velocidade média do carro foi de 90 km / h.

5. (UEPG-PR) A respeito da transitoriedade das teorias científicas, assinale o que for correto.

01 ) As teorias científicas podem ser refutadas, modificadas ou substituídas por outras. 02 ) As teorias científicas são definidas por verdades absolutas, portanto, são irrefutáveis e insubstituíveis, independentemente da época. 04 ) Os conhecimentos científicos de uma determinada época são sempre inquestionáveis e infalíveis, e isso constitui a evolução da produção científica. 08 ) A transitoriedade das teorias científicas demonstra a construção progressiva do conhecimento e a evolução da ciência. Resposta: Soma: 01 + 08 = 09

06/11/2024 16:16:11

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

6. (UEM-PR) Cometas são corpos celestes que, junto com planetas e asteroides, fazem parte de sistemas estelares como o do Sol. Em relação a órbitas fechadas de cometas, considere a interação deles apenas com o Sol e a Teoria da Gravitação Universal de Newton. Assinale o que for correto.

maior. Foram construídas duas pistas idênticas até a beira do precipício, de forma que no momento do salto as motos deixem a pista horizontalmente e ao mesmo tempo. No instante em que saltam, os paraquedistas abandonam suas motos e elas caem praticamente sem resistência do ar.

01 ) Existe a possibilidade de órbitas de cometas serem circulares.

As motos atingem o solo simultaneamente porque

02 ) A 2ª Lei de Kepler (lei das áreas) pode ser aplicada a cometas do Sistema Solar.

b ) estão sujeitas à mesma força resultante.

04 ) A 3ª Lei de Kepler (lei dos períodos) se aplica a planetas, mas não a cometas.

d ) adquirem a mesma aceleração durante a queda.

08 ) O módulo da velocidade de um cometa em órbita elíptica é máximo no afélio. 16 ) O módulo da força gravitacional entre um cometa em órbita elíptica e o Sol é mínimo no periélio. Resposta: Soma: 01 + 02 = 03

7. (UEPG-PR) O astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630) analisou durante muitos anos as anotações de seu mestre TichoBrahe (1546-1601) sobre o movimento dos astros, e apresentou suas conclusões através de três leis, que passaram a ser designadas Leis de Kepler. Essas leis, juntamente com a Lei de Gravitação Universal de Newton, regem até hoje os estudos nessa área. Sobre o tema, assinale o que for correto. 01 ) A velocidade de um planeta em torno do Sol é variável. Ela aumenta à medida que o planeta se aproxima do Sol e diminui à medida que se afasta. 02 ) A aceleração da gravidade na superfície da Terra, ao nível do mar, vale aproximadamente 10 m / s2. Já na superfície da Lua, esse valor é aproximadamente igual a 1,6 m / s 2. Desse modo, podemos afirmar que, se a massa de um corpo vale 6 4 kg na Terra, na Lua o valor dessa grandeza será 7 vezes menor. 04 ) A segunda lei de Kepler diz que “a linha que liga o Sol a um planeta que gira em órbita ao seu redor varre áreas iguais em intervalos de tempo iguais”. 08 ) Dois satélites A e B, que giram ao redor de um planeta, têm períodos de translação 1 28 dias. Se o iguais a T A= 16 dias e TB= raio da órbita do satélite A vale R, o raio da órbita do satélite B corresponde a 4 · R .

Resposta: Alternativa d.

a ) possuem a mesma inércia.

c ) têm a mesma quantidade de movimento inicial.

e ) são lançadas com a mesma velocidade horizontal.

9. (Enem/MEC) Em 20 de julho de 1969, Neil Armstrong tornou-se o primeiro homem a pisar na superfície da Lua. Ele foi seguido por Edwin Aldrin, ambos da missão Apollo 11. Eles, e os astronautas que os seguiram, experimentaram a ausência de atmosfera e estavam sujeitos às diferenças gravitacionais. A aceleração da gravidade na Lua tem 1 / 6do valor na Terra. Em relação às condições na Terra, um salto oblíquo na superfície da Lua teria alcance

Resposta: Alternativa d.

a ) menor, pois a força normal com o solo é menor. b ) menor, pois a altura do salto seria maior.

c ) igual, pois o impulso aplicado pelo astronauta é o mesmo. d ) maior, pois a aceleração da gravidade é seis vezes menor. e ) maior, pois na ausência de atmosfera não há resistência do ar.

10. (Enem/MEC) Sabe-se que a posição em que o Sol nasce ou se põe no horizonte muda de acordo com a estação do ano. Olhando-se em direção ao potente, por exemplo, para um observador no Hemisfério Sul, o Sol se põe mais à direita no inverno do que no verão. O fenômeno descrito deve-se à combinação de dois fatores: a inclinação do eixo de rotação terrestre e a Resposta: Alternativa b. a ) precessão do periélio terrestre. b ) translação da Terra em torno do Sol.

Resposta: Soma: 01 + 0 4 + 0 8= 1 3

c ) nutação do eixo de rotação da Terra.

do motos, dois paraquedistas vão utilizar uma moto cada, sendo que uma delas possui massa três vezes

d ) processão do eixo de rotação da Terra.

8. (Enem/MEC) Para um salto no Grand Canyon usan-

e ) rotação da Terra em torno de seu próprio eixo.

06/11/2024 16:16:11

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

corpos, Aristóteles afirmava que se abandonarmos corpos leves e pesados de uma mesma altura, o mais pesado chegaria mais rápido ao solo. Essa ideia está apoiada em algo que é difícil de refutar, a observação direta da realidade baseada no senso comum. Após uma aula de física, dois colegas estavam discutindo sobre a queda dos corpos, e um tentava convencer o outro de que tinha razão: Colega A: “O corpo mais pesado cai mais rápido que um menos pesado, quando largado de uma mesma altura. Eu provo, largando uma pedra e uma rolha. A pedra chega antes. Pronto! Tá provado!”. Colega B: “Eu não acho! Peguei uma folha de papel esticado e deixei cair. Quando amassei, ela caiu mais rápido. Como isso é possível? Se era a mesma folha de papel, deveria cair do mesmo jeito. Tem que ter outra explicação!”. (HÜLSENDEGER, M. Uma análise das concepções dos alunos sobre a queda dos corpos. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, n. 3, dez. 2004 adaptado).

O aspecto físico comum que explica a diferença de comportamento dos corpos em queda nessa discussão é o(a) Resposta: Alternativa b. a ) peso dos corpos. b ) resistência do ar.

ao intervalo ∆ tem que uma partícula de luz percorre a distância que separa os centros atômicos de uma única molécula de hidrogênio. Uma unidade de zeptossegundo equivale a 10−21segundo. Admita que a velocidade da luz seja de 3 · 108m / se que a distância entre os centros atômicos de uma molécula de hidrogênio seja de 7,2 · Resolução nas Orientações 10−11metro. para o professor.

Nessas condições, no referencial da partícula de luz, o valor de ∆ t, em zeptossegundos, é igual a: a ) 120

b ) 180

Resposta: Alternativa c.

c ) 240

d ) 320

14. (UFRGS-RS) Na figura abaixo, estão representa-

dos dois corpos de massas M e m, com M > m, unidos por um fio inextensível e de massa desprezível que passa por uma polia, também de massa desprezível e sem atrito. Sendo g o módulo da aceleração da gravidade local, o módulo da aceleração de qualquer um dos dois corpos é dado por

Resposta: Alternativa a.

a ) ( M − m )g/(M + m). b ) ( M − m )g /m. Resolução nas c) M g / m.

d ) mg / ( M + m).

UFRGS/2023

11. (Enem/MEC) No seu estudo sobre a queda dos

Orientações para o professor.

e) M g / ( M + m).

15. (Enem/MEC) Um Buraco Negro é um corpo ce-

c ) massa dos corpos. d ) densidade dos corpos. e ) aceleração da gravidade.

12. (Enem/MEC) Em um dia de calor intenso, dois colegas estão a brincar com a água da mangueira. Um deles quer saber até que altura o jato de água alcança, a partir da saída de água, quando a mangueira está posicionada totalmente na direção vertical. O outro colega propõe então o seguinte experimento: eles posicionarem a saída de água da mangueira na direção horizontal, a 1 mde altura em relação ao chão, e então medirem a distância horizontal entre a mangueira e o local onde a água atinge o chão. A medida dessa distância foi de 3 m, e a partir disso eles calcularam o alcance vertical do jato de água. Considere a aceleração da gravidade de 10 m · s–2. O resultado que eles obtiveram foi de

Resposta: Alternativa b.

a ) 1,50 m.

c ) 4,00 m.

b ) 2,25 m.

d) 4 ,50 m.

e ) 5,00 m.

Resolução nas Orientações para o professor.

13. (Uerj) O menor tempo medido em laboratório ocorreu na escala de zeptossegundos e corresponde

leste que possui uma grande quantidade de matéria concentrada em uma pequena região do espaço, de modo que sua força gravitacional é tão grande que qualquer partícula fica aprisionada em sua superfície, inclusive a luz. O raio dessa região caracteriza uma superfície-limite, chamada de horizonte de eventos, da qual nada consegue escapar. Considere que o Sol foi instantaneamente substituído por um Buraco Negro com a mesma massa solar, de modo que o seu horizonte de eventos seja de aproximadamente 3,0km. (SCHWARZSCHILD, K. On the Gravitational Field of a Mass Point According to Einstein’s Theory). Disponível em: arxiv.org. Acesso em: 26 maio 2022 (adaptado).

Após a substituição descrita, o que aconteceria aos planetas do Sistema Solar? Resposta: Alternativa e. a ) Eles se moveriam em órbitas espirais, aproximando-se sucessivamente do Buraco Negro. b ) Eles oscilariam aleatoriamente em torno de suas órbitas elípticas originais. c ) Eles se moveriam em direção ao centro do Buraco Negro. d ) Eles passariam a precessionar mais rapidamente. e ) Eles manteriam suas órbitas inalteradas.

06/11/2024 16:16:11

Resolução nas Orientações para o professor.

16. (Uece) O balão de ar quente foi o primeiro veículo aéreo de sucesso construído pelo homem. O primeiro voo tripulado em um balão de ar quente foi realizado em 1783. Os franceses Jean François e François Laurent realizaram esse feito num balão criado pelos irmãos Montgolfier. Em um balão, o compartimento que mantém o ar quente em seu interior é denominado envelope. Suspenso e fixado a este, encontra-se o cesto do balão. Um balão de massa total M (Envelope + Cesto) desce verticalmente com uma aceleração A ( A < G), onde G representa a aceleração da gravidade local. Para que o balão possa ascender com uma aceleração de mesmo módulo A, é necessário eliminar uma certa massa m do cesto do balão. Suponha que a força de sustentação que atua no balão em virtude da diferença de temperatura entre o interior e o exterior do Envelope não sofre mudanças em virtude da variação em sua massa. Ao desprezar todos os efeitos resistivos que porventura possam atuar no balão durante o processo, a massa m a ser eliminada é dada por a ) 2 MA / ( G + A ).

b ) 2 MAG

Resposta: Alternativa a.

c ) 2 MG/A

d ) MG / ( G + A)

17. (Unesp) A imagem mostra o exoplaneta 2M1207b em órbita ao redor de sua estrela 2M1207 na constelação

Considere os seguintes dados: Massa do Sol: 2 · 10 30kg

UNESP/2022

de Centauro, distantes 40 UAum do outro. Esse é o primeiro exoplaneta do qual se obteve uma imagem direta. Em comparação com objetos do sistema solar, sabe-se que esse exoplaneta tem uma massa correspondente a 5 vezes a massa do planeta Júpiter e que sua estrela tem massa igual a 0,025 vezes a massa do Sol. Resolução nas Orientações para o professor.

Massa de Júpiter: 2 · 10 27kg 1 UA : 1,5 · 10 11m

N · m 2 G =constante universal de gravitação = 6 · 10 −11_ kg 2

A intensidade da força de atração gravitacional entre o exoplaneta 2M1207b e sua estrela é de, aproximadamente, a ) 8,3 · 1020N.

d ) 3,6 · 1 021N.

e ) 4,4 · 1 021N.

b ) 5,0 · 10 N. c ) 2,5 · 1021N.

(https://cdn.eso.org. Adaptado.)

Resposta: Alternativa a.

18. (UEA-AM) Considere a representação do Sistema Solar, em que os planetas descrevem órbitas ao redor do Sol.

T 2 3 = k , em que T e Rsão, respectivamente, o período e o raio médio De acordo com a terceira lei de Kepler, _ R da órbita e ké uma constante, um dos planetas do Sistema Solar que possui um ano com menos de 365 dias é

b ) Urano.

c ) Marte.

Resolução nas Orientações para o professor.

d ) Vênus.

e ) Júpiter. UEA/2023

a ) Saturno.

Resposta: Alternativa d.

06/11/2024 16:16:12

2 UNIDADE

A FÍSICA E A VIDA NA TERRA

Nesta unidade, vamos estudar... • campo magnético terrestre; • propriedades magnéticas dos ímãs; • campo magnético gerado por corrente elétrica; • forças magnéticas; • óptica geométrica; • microscópio e telescópios; • reflexão da luz e espelhos; • refração da luz e lentes.

As erupções solares são fenômenos em que grande quantidade de partículas de alta energia, raios X e radiação ultravioleta é lançada ao espaço por conta das alterações no campo magnético do Sol. Normalmente, as partículas são contidas nas linhas desse campo magnético, no entanto, nas erupções, elas têm energia suficiente para superá-lo. Dependendo da direção em que ocorre a erupção solar, tanto as partículas quanto a radiação podem chegar à Terra e afetar satélites, comunicações de rádio e transmissão de energia elétrica e arrastar gases da atmosfera terrestre para o espaço. Por isso, sondas espaciais como a SDO e a SOHO são responsáveis por monitorar a superfície e a atividade solar, a fim de detectar as erupções solares e entender como elas podem afetar o planeta. Respostas nas Orientações para o professor.

a ) Como você acha que a Terra seria caso ela não tivesse campo magnético? b ) As partículas emitidas nas erupções solares têm carga elétrica, no entanto interagem com o campo magnético da Terra. De acordo com seus conhecimentos, explique por que isso ocorre. c ) Que tipo de estruturas as sondas espaciais devem ter para captar imagens do Sol e de outros corpos do Sistema Solar?

06/11/2024 16:18:04

Solar Dynamics Observatory/Nasa

Imagem do Sol, obtida pela sonda espacial Solar Dynamics Observatory (SDO), em 2024.

06/11/2024 16:18:05

CAPÍTULO

Campo magnético terrestre

1. Resposta: Espera-se que os estudantes relacionem o campo magnético da Terra a uma área ao redor do planeta que sofra influência magnética, como se houvesse um grande ímã em seu interior. 2. Resposta: Eles podem citar o funcionamento das bússolas.

Origem do campo magnético da Terra

Capa do filme O núcleo: missão ao centro da Terra. Direção de Jon Amiel. Estados Unidos: Paramount Pictures, 2003 (135 min).

Para compreender melhor esse campo, vamos conhecer a estrutura interna do planeta, conforme a teoria aceita atualmente. Em 1936, a geodesista e sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann (1888-1993) afirmou que o interior da Terra é composto de um núcleo de metal sólido cercado por um núcleo líquido externo, refutando a teoria aceita até então de que o núcleo fosse inteiramente líquido.

do cotidiano em que podemos perceber a influência do campo magnético terrestre.

Even Neuhaus. 1932. Biblioteca Real da Dinamarca, Copenhague

Paramount Pictures/Paramount Pictures

No filme de ficção científica O núcleo: missão ao centro da Terra, o campo magnético da Terra desaparece porque o núcleo do planeta parou de rotacionar, ocasionando uma série de problemas, como a desorientação dos pássaros e o fenômeno das auroras em locais improváveis. A Terra tem um campo magnético ao seu redor, por isso se comporta como se existisse um grande ímã em seu interior. De fato, alguns fenômenos naturais descritos no filme estão relacionados a esse campo magnético, como as auroras nos polos do planeta. Acredita-se 1. O que você sabe sobre o campo magnético que diversos seres vivos se orientem pelo campo magda Terra? nético da Terra, como alguns insetos e aves. 2. Cite uma situação

Ela baseou sua teoria na análise de ondas sísmicas, que são vibrações que viajam pela Terra após terremotos. A hipótese de Lehmann foi confirmada em 1970, quando sismógrafos mais sensíveis detectaram ondas desviando desse núcleo sólido. correntes de convecção

A. crosta terrestre

Inge Lehmann.

B. manto

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

A. Camada mais externa da Terra, constituindo sua

superfície. Por causa do movimento do manto, resultante das correntes de convecção, nessa camada ocorrem os movimentos das placas tectônicas.

C. núcleo externo D. núcleo interno

Representação da Terra em corte, mostrando suas camadas internas. Imagem elaborada com base em: WICANDER, Reed; MONROE, James S. Fundamentos de geologia. Tradução: Harue O. Avritcher. São Paulo: Cengage Learning, 2009. p. 15.

B. Camada intermediária formada, em sua maior parte,

por material rochoso na fase sólida. Há também rochas que se comportam como um fluido viscoso e recebem o nome de magma, o qual está em constante movimento no manto, gerado pelas correntes de convecção.

C. Composto principalmente de uma mistura de ferro ( Fe), níquel (Ni) e elementos mais leves, como oxigênio ( O) e enxofre (S). D. Camada mais interna constituída predominantemente de ferro sólido.

Convecção: modo de transferência de calor pela movimentação de um fluido ao ser aquecido por uma fonte térmica, formando correntes circulares, chamadas de correntes de convecção. O fluido aquecido expande-se e sobe porque se torna menos denso que o material circundante.

06/11/2024 16:18:06

O material do núcleo externo encontra-se na fase líquida e em constante movimento. O movimento de convecção desse material condutor é transformado em movimentos helicoidais, por causa da rotação da Terra, que criam correntes elétricas e geram o campo magnético terrestre.

linhas de campo magnético

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

UNIDADE

movimento helicoidal núcleo externo núcleo interno manto

Representação do movimento helicoidal que gera o campo magnético terrestre. Imagem elaborada com base em: TEIXEIRA, Wilson et al. (org.). Decifrando a Terra. 2. ed. São Paulo: Companhia Editora Nacional, 2009. p. 69.

O campo magnético terrestre se estende por milhares de quilômetros no espaço e é chamado de magnetosfera da Terra, o qual corresponde à área do espaço ao redor de um astro, influenciada pelo seu campo magnético. Sua forma é característica, sendo assimétrica em relação ao planeta, assemelhando-se a uma gota com uma cauda extremamente comprida, uma consequência principalmente do vento solar, que será explicado ainda neste capítulo.

Steele Hill/Nasa/SPL/Fotoarena

Características do campo magnético terrestre magnetosfera terrestre

Sol

Terra

O físico e médico inglês William Gilbert (1540-1603) publicou, Representação da magnetosfera da Terra. em 1600, um importante tratado sobre o magnetismo, o De MagAstros (dimensões) nete, em que se observou pela primeira vez que a Terra atuava coSol: aproximadamente 1 390 000 kmde diâmetro. mo um grande ímã. Terra: aproximadamente 1 2 756 kmde diâmetro. A tendência de todo ímã é se alinhar com uma das extremidades, voltada aproximadamente para o norte geográfico e a outra voltada aproximadamente para o sul geográfico. Essas extremidades receberam o nome de polos e, para distingui-los, um deles foi chamado de polo norte e o outro, de polo sul.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Por causa das características da Terra, que se comporta como um grande ímã, ela também tem polos magnéticos, chamados de polo norte e de polo sul magnéticos. O eixo geomagnético, que une esses dois polos, não coincide com o eixo de rotação do planeta, formando, assim, um ângulo de 1 1,5°com o eixo que une os polos Norte e Sul geográficos. polo sul Polo Norte Em pontos próximos à superfície terrestre, seu cammagnético geográfico po magnético se assemelha ao campo gerado por um linhas de 11,58 grande ímã em forma de barra, ou seja, de um dipolo campo magnético, como se atravessasse o centro do planeta. magnético A imagem representa esse campo e as linhas de campo magnético representam sua região de influência. Elas são linhas fechadas que partem do polo norte magnético e vão em direção ao polo sul magnético. Dica Os polos magnéticos e os polos geográficos da Terra são bastante separados. O polo magnético do Hemisfério Norte está localizado a aproximadamente 1 800 km do Polo Norte geográfico, no norte do Canadá. O outro polo magnético, do Hemisfério Sul, está localizado na região da Antártida. Os polos magnéticos se deslocam cerca de 0,2° por ano ao redor do polo geográfico. Helicoidais: refere-se ao que tem formato de hélice, em espiral.

Polo Sul geográfico

polo norte magnético

Representação esquemática do campo magnético da Terra como o campo de um dipolo, sem a distorção causada pelo vento solar.

06/11/2024 16:18:07

Ao contrário de um ímã em forma de barra, a matéria que gera e mantém o campo magnético terrestre está em constante movimento, o que está relacionado à teoria do geodínamo. Essa teoria se refere ao núcleo externo da Terra como um tipo de dínamo, que, após ter seu campo magnético iniciado por outro mais fraco, como o campo do Sistema Solar, continuou a gerar o próprio campo magnético, considerando o movimento do líquido metálico do núcleo terrestre estabelecido pelas correntes de convecção. Assim, o núcleo da Terra atua como um grande dínamo. Existe uma grande variedade de animais que são capazes de perceber o campo magnético terrestre e utilizam essa percepção para a locomoção e a orientação. Esse sentido é denominado de magnetorrecepção.

Piotr Poznan/Shutterstock.com

Josef Cink/Shutterstock.com

Sakis Lazarides/Shutterstock.com

As salamandras, por exemplo, orientam-se pelo campo magnético para encontrar a direção da costa mais próxima, embora usem também os sentidos da audição e da visão para isso. Com esse mesmo princípio, as tartarugas marinhas têm a percepção de identificar o ângulo de inclinação e a intensidade do campo magnético da Terra para se aventurarem nos oceanos, percorrendo longas distâncias e retornando às praias em que depositaram seus ovos. Os pássaros também apresentam essa percepção para voar longas distâncias durante períodos migratórios. Na Primeira e na Segunda Guerra Mundial, pombos-correios contribuíram muito para a comunicação, pois retornavam ao ponto de partida por meio da orientação solar, do olfato, dos pontos de referência e também por se orientarem pelo campo magnético terrestre.

Salamandra-de-fogo (Salamandra salamandra).

Tartaruga-verde (Chelonia mydas).

Ave migratória borrelho-grande-de-coleira (Charadrius hiaticula).

Salamandra-de-fogo S. salamandra: pode atingir de 15 a 3 0 cmde comprimento.

Tartaruga-verde C. mydas: pode atingir de 100 a 120 cmde comprimento.

Borrelho-grande-de-coleira C. hiaticula: pode atingir de 17 a 2 0 cmde comprimento.

Há indícios de que proteínas, chamadas de criptocromos, localizadas nos olhos de alguns organismos, são sensíveis ao campo magnético, o que fornece para muitos deles o sentido mais simples de uma bússola (Norte-Sul). Os criptocromos também estão presentes na retina dos olhos humanos, mas não há evidências de que eles interfiram na percepção do campo magnético, apesar de pesquisas sugerirem que humanos podem responder a campos magnéticos. Em um estudo de 2019, cientistas usaram uma câmara especialmente projetada para isolar os participantes de quaisquer tipos de influências externas e expuseram-nos a campos magnéticos rotativos. Foi observado que esses participantes apresentaram respostas cerebrais mensuráveis (por meio de eletroencefalograma), as quais indicavam que os cérebros dos participantes estavam respondendo aos estímulos dos campos magnéticos. Além disso, analisando o tecido humano, foram detectados cristais de magnetita no cérebro, com intensidade de 0,8 tesla, correspondendo ao campo magnético gerado por um ímã de alto-falante, por exemplo. Esses resultados sugerem que pode haver algum mecanismo biológico nos seres humanos que detecta campos magnéticos. No entanto, a função e a importância dessa sensibilidade ainda não estão completamente compreendidas e requerem mais estudos. Dínamo: mecanismo que converte energia mecânica em energia elétrica.

06/11/2024 16:18:08

UNIDADE

2 Magnetismo Propriedades magnéticas de ímãs

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia. Sittisak Ua-unnahakit/Shutterstock.com

Os ímãs estão presentes em diversas situações cotidianas. Por exemplo, para fixar lembretes em painéis metálicos e em portas de geladeira para mantê-las fechadas. Os primeiros ímãs naturais conhecidos pela humanidade foram pedaços de um minério chamado de magnetita, que se magnetizam espontaneamente durante sua formação e atraem fragmentos de ferro. 3. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que pode ocorrer atração ou repulsão entre os ímãs.

3. O que ocorre se aproximarmos dois ímãs? 4. Que tipos de material geralmente são atraídos por ímãs? 4. Resposta: Os estudantes podem mencionar materiais que contenham ferro, níquel ou cobalto em sua composição.

Ímãs fixando recados em um painel metálico.

Assim, um pedaço de magnetita é um ímã chamado de ímã natural permanente, que atrai pequenos fragmentos de ferro ou ligas metálicas que tenham ferro, níquel e cobalto em sua composição.

Science Stock Photography/Science Source/Fotoarena

O primeiro relato sobre as características da magnetita foi creditado ao filósofo grego Tales de Mileto (por volta de 624 a.C.-556 a.C.). Segundo ele, havia certo minério que apresentava a propriedade de atrair pequenos objetos ferrosos. Por causa da região onde era encontrado com mais frequência (Magnésia), o minério ficou conhecido como magnetita.

Magnetita.

Todos os ímãs encontrados na natureza apresentam dois polos, que se alinham aproximadamente na direção norte-sul geográfica por causa da influência do campo magnético terrestre. Quando tentamos aproximar dois ímãs, ambos com o mesmo polo voltado um para o outro, eles se repelem, ou seja, tendem a se afastar. Porém, se os polos aproximados forem opostos, eles se atraem. As imagens a seguir representam a repulsão e a atração magnéticas entre ímãs em forma de barra.

repulsão

atração

Representação da repulsão de polos de mesmo tipo.

Representação da atração de polos de tipos diferentes.

Dessa forma, não há polos magnéticos isolados na natureza, ou os chamados monopolos magnéticos, como seriam denominados pelos cientistas.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

Outra propriedade consiste na impossibilidade de separar seus polos magnéticos, ou seja, não é possível obter um ímã somente com o polo norte ou somente com o polo sul. Representação de um ímã em forma de barra dividido em dois.

06/11/2024 16:18:10

Campo magnético criado por ímã Materiais com propriedades magnéticas, como os ímãs, geram um campo magnético, cujo formato pode ser revelado ao se espalhar limalha de ferro ao seu redor. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

imagedb/Shutterstock.com

Quando um corpo feito de material ferromagnético é aproximado de um ímã, uma força magnética de interação revela ao redor dele um campo magnético, assim como ocorre com a agulha de uma bússola, que é influenciada pelo campo magnético terrestre ao alinhar-se na direção norte-sul magnética do planeta.

Campo magnético de um ímã em forma de barra revelado pela organização da limalha de ferro.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

A força magnética organiza as limalhas de ferro traçando o padrão das linhas de campo magnético ao redor do ímã. Em seu campo magnético, as linhas são orientadas externamente, do polo norte para o polo sul, e se estendem pelo seu interior, do polo sul para o polo norte, conforme ilustrado.

Representação das linhas de campo magnético.

B B

B B B

Representação dos vetores campo magnético.

Em cada um dos pontos do campo magnético do ímã é possí→ . Sua vel associar um vetor campo magnético, representado por B orientação equivale à da agulha de uma bússola quando colocada naquele ponto, configurando-se tangente à linha de campo magnético, de acordo com a ilustração. Perceba que, nas proximidades dos polos magnéticos do ímã, há maior concentração de linhas de campo, indicando mais intensidade do campo magnético nessa região. Além disso, as linhas de campo magnético não se cruzam, o que indica a existência de apenas um vetor campo magnético para cada ponto ao redor do ímã.

Ímãs naturais e artificiais Vimos que a magnetita é um minério com propriedades magnéticas, sendo considerado um ímã natural. Entretanto, a maioria dos ímãs que utilizamos em nosso cotidiano é artificial, ou seja, eles são produzidos pelo ser humano por um processo que os tornam magnetizados, como a imantação. Dica

5. Você sabe como um ímã artificial é fabricado?

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é despertar a curiosidade dos estudantes sobre alguns dos fenômenos científicos e verificar seus conhecimentos prévios.

No processo de imantação, campos magnéticos são gerados por corrente elétrica e também pelo movimento de partículas elementares como os elétrons.

Corrente elétrica corresponde a um fluxo de partículas carregadas (elétrons) em movimento ordenado, fluindo por um material condutor.

06/11/2024 16:18:10

Ao aproximar um ímã do material ferromagnético, seus domínios magnéticos se alinham de acordo com o campo magnético, tornando-o temporariamente magnetizado por causa do processo chamado de imantação. Porém, ao afastar o ímã desse material, a agitação térmica das partículas faz os domínios magnéticos retornarem à configuração original, caracterizando uma magnetização temporária do material. Quando os domínios magnéticos de um material ferromagnético estão orientados aleatoriamente, a soma total desses domínios é nula e, assim, ele não é magnetizado. Para que o processo de magnetização seja permanente, é necessário que o material passe por um processo de imantação mais eficaz e que também sejam avaliadas suas propriedades magnéticas, ou seja, o comportamento coletivo dos elétrons.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação dos domínios magnéticos do material ferromagnético imantado. material ferromagnético

Representação de um ímã próximo a um pedaço de material ferromagnético imantado.

Representação dos domínios magnéticos do material ferromagnético não magnetizado.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Assim, um único átomo de material ferromagnético pode gerar um campo magnético ao seu redor. Esse campo interage com os campos de outros átomos, formando um aglomerado de bilhões de partículas alinhadas, denominado domínios magnético.

UNIDADE

material ferromagnético

Representação de domínios magnéticos de um pedaço de material ferromagnético não magnetizado.

Os materiais ferromagnéticos são fortemente atraídos pelos ímãs e, quando são submetidos a um campo magnético externo de intensidade razoável, seus domínios magnéticos se alinham. Nesse caso, mesmo após serem afastados desse campo, continuam magnetizados, tornando-se um ímã artificial permanente. Já os materiais paramagnéticos são fracamente atraídos por ímãs e, quando são submetidos a um campo magnético externo, seus domínios magnéticos se alinham parcialmente. Dessa forma, quando afastamos o campo magnético externo, ele não se mantém magnetizado. Os materiais diamagnéticos são repelidos por ímãs. Esse tipo de material não mantém suas propriedades magnéticas quando o ímã é afastado, pois, quando submetidos a um campo magnético externo, seus domínios magnéticos se alinham parcialmente, porém em sentido oposto ao campo magnético externo. Dica São exemplos de materiais ferromagnéticos o ferro ( Fe), o níquel ( Ni), o cobalto ( Co), o gadolínio ( Gd) e o disprósio (Dy). Normalmente, um ímã é feito de ligas contendo um desses elementos. Já o alumínio ( Al), o ouro ( Au), o crômio ( Cr), o estanho ( Sn), o magnésio ( Mg) e o titânio ( Ti) são exemplos de materiais paramagnéticos. Elementos como o cobre ( Cu), o bismuto ( Bi) e o grafite são exemplos de materiais diamagnéticos.

Outro processo de imantação consiste em atritar o mesmo polo de um ímã a um material ferromagnético, sempre no mesmo sentido, para que seus domínios magnéticos se alinhem de maneira mais eficiente, se considerarmos sua aproximação a um ímã. Compartilhe ideias

a) e b) Respostas: Os estudantes podem colocar um pouco de água no prato, um pedaço pequeno de papel para flutuar nessa água e, sobre ele, a agulha imantada, que deverá girar livremente junto ao papel. Para imantar a agulha, eles podem passar várias vezes um ímã, sempre no mesmo polo e mesmo sentido, ao longo da agulha.

É possível montar uma bússola utilizando um prato, uma agulha, um ímã, água e um pedaço de papel.

a ) Troque ideias com dois colegas e encontrem uma maneira de montar esse aparato. Lembrem-se de que vocês terão de imantar a agulha. b ) Escrevam os procedimentos que aplicaram e apresente-os aos colegas da sala.

06/11/2024 16:18:10

CONEXÕES com ... HISTÓRIA e GEOGRAFIA

Desenvolvimento da bússola e a expansão marítima europeia

Professor, professora: A região correspondente ao polo sul magnético terrestre está próxima ao Polo Norte geográfico e, a região do polo norte magnético da Terra está próxima ao Polo Sul geográfico do planeta.

A bússola é um instrumento de orientação constituído de uma agulha imantada, livre para girar no plano horizontal, que interage com o campo magnético da Terra, sendo atraída pelos polos magnéticos norte e sul do planeta. Com essas propriedades, ela indica aproximadamente as direções dos polos geográficos da Terra.

A invenção da bússola se deu por volta do século I a.C., na China, no período da dinastia Han. A princípio, ela era utilizada como um instrumento de orientação em rituais e práticas espirituais. Consistia em uma base quadrangular que representava a Terra, com uma circunferência central representando o céu. Sobre essa base havia uma concha de magnetita, cujo cabo sempre apontava para o Sul.

Andrea Paggiaro/Shutterstock.com

Por convenção, a extremidade da agulha da bússola que aponta aproximadamente para o norte geográfico da Terra foi definida como polo norte magnético. Da mesma forma, a outra extremidade da agulha da bússola foi designada como o sul magnético porque aponta, aproximadamente, para o sul geográfico da Terra.

Bússola primitiva chinesa.

Séculos depois, a bússola foi desenvolvida para a navegação marítima, permitindo que exploradores expandissem suas rotas marítimas eficientemente, intensificando o comércio no oceano Índico. Assim, a bússola foi adotada pelos árabes, aprimorando as rotas de navegação no mar Mediterrâneo e no oceano Índico. Com isso, foi possível expandir suas rotas comerciais e o domínio marítimo na época medieval. A chegada da bússola na Europa é atribuída aos árabes. Para os europeus, a bússola teve relevante papel durante as Grandes Navegações. Utilizada por navegadores, como o português Vasco da Gama (1469-1524) e o italiano Cristóvão Colombo (1451-1506), permitiu que cruzassem os oceanos ainda desconhecidos com mais segurança. João Baptista Lavanha e Luís Teixeira. 1597. Biblioteca Real, Turim, Itália

Antes disso, a falta de conhecimento sobre a extensão de terras além da Europa resultava em mapas muitas vezes distorcidos, refletindo uma rudimentar compreensão geográfica. Graças à utilização da bússola, as Grandes Navegações contribuíram para desenvolver e aprimorar a cartografia, desenhando-se mapas mais detalhados e com mais precisão, incluindo novas terras aos mapas mundiais, como a América e a África, o que proporcionou uma definição mais completa da configuração do mundo. Theatrum Mundi, de João Baptista Lavanha e

Resposta: O objetivo da questão é Luís Teixeira, 1597. que os estudantes discutam os conteúdos abordados na seção. Eles podem citar que o uso da bússola permitiu o desenvolvimento de rotas comerciais, conhecimento e exploração de novos territórios, aprimoramento dos mapas e da cartografia, entre outros impactos.

a ) Converse com um colega sobre os impactos do desenvolvimento da bússola para a sociedade.

b ) Além da navegação, de que outras formas a bússola contribuiu para o avanço da ciência e da exploração geográfica? Resposta: Além de sua importância crucial na navegação, a bússola promoveu o estudo dos campos magnéticos terrestres, além de influenciar inovações de orientação mais avançadas, como os sistemas de navegação modernos baseados em GPS.

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UNIDADE

2 O campo magnético e a vida terrestre 6. Resposta: Espera-se que os estudantes relacionem Sobre o campo magnético de Marte, leia o trecho a seguir. [...]

o vento solar às partículas eletricamente carregadas que são ejetadas da atmosfera do Sol.

0 he 16 h; 7. Resposta: Espera-se que os estudantes citem cuidados como: não se expor à luz solar entre 1 passar protetor solar na pele diariamente, reaplicando-o a cada 2 horas; usar óculos de sol, chapéus ou bonés e roupas claras; manter-se hidratado; entre outros.

A ausência de um campo magnético global em Marte é um problema, causando danos a qualquer tipo de vida que possa vir a existir. A presença de água e da atmosfera requerem uma magnetosfera capaz de proteger a atmosfera de ser arrancada pelas partículas radioativas provindas das tempestades solares. [...] SILVESTRE, Gisllayne R. Introdução aos aspectos geológicos do planeta Marte: implicações para a possibilidade de colonização humana. Cadernos de Astronomia, Vitória, v. 4, n. 1, mar. 2023. p. 114. Disponível em: https://periodicos.ufes.br/astronomia/article/view/38690. Acesso em: 29 jul. 2024.

Há evidências de que bilhões de anos atrás Marte era um planeta com possibilidade para abrigar vida. No entanto, ele perdeu quase completamente seu campo magnético global, transformando-o em um deserto, sem condições para a vida. A ação do campo magnético da Terra protege o planeta das radiações e dos ventos solares, conservando a atmosfera terrestre. Isso contribui para manter as condições necessárias para a vida, pois a atmosfera absorve parte da radiação proveniente do Sol, principalmente a ultravioleta, que pode ser prejudicial ao ser humano e aos outros animais. 6. Você já ouviu falar em ventos solares? O que você sabe sobre isso? 7. Cite cuidados que devemos ter com a radiação solar. 8. Você toma esses cuidados? O que você deveria melhorar? 8. Resposta: O objetivo desta questão é levar os estudantes a fazer uma autoavaliação a respeito dos cuidados com a exposição à luz solar.

Dica Os ventos solares são fluxos de partículas eletricamente carregadas e ejetadas da atmosfera do Sol, preenchendo o espaço interestelar.

As partículas provenientes dos ventos solares que atingem a Terra chegam a uma velocidade de 400 km/s e, normalmente, são defletidas ou capturadas pelo campo magnético terrestre. As partículas que passam pelo campo são desviadas para os cinturões na magnetosfera da Terra, chamados cinturões de Van Allen, descobertos pelo físico estadunidense James Alfred Van Allen (1914-2006), em 1958. Quando sobrecarregam o cinturão, as partículas caem em direção à atmosfera da Terra, principalmente pelos polos, causando as auroras. Esses fenômenos iluminam o céu, emitindo, predominantemente, radiação na cor verde por causa da emissão dos átomos de oxigênio da atmosfera terrestre. As que ocorrem em regiões do Polo Norte são chamadas de aurora boreal, e as ocorridas em regiões do Polo Sul são chamadas de aurora austral. Patryk Kosmider/Shutterstock.com

SOHO/NASA

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação do vento solar atingindo a magnetosfera da Terra.

Aurora boreal na Polônia, em 2024.

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PRÁTICA CIENTÍFICA

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Resposta: Espera-se que respondam que as linhas de campo magnético de um ímã se Campo magnético a)organizam de forma a sair do polo norte e entrar no polo sul, formando padrões que

Por dentro do contexto

dependem do formato do ímã. Ímãs com diferentes formatos, como barra, circular ou ferradura, podem influenciar a concentração e o padrão dessas linhas.

Uma brincadeira muito comum é mover objetos metálicos sobre uma mesa usando um ímã posicionado abaixo dela, porém um estudante não conseguiu realizar tal brincadeira em uma mesa de aço. a ) Como você imagina que as linhas de campo magnético de um ímã se organizam ao seu redor? O formato do ímã influencia essas linhas de alguma forma? b ) Em sua opinião, quais materiais podem interferir mais significativamente no campo magnético de um ímã? Como você acredita que isso pode acontecer? b) Resposta: Espera-se que citem materiais metálicos Materiais

como ferro, níquel e cobre, os quais são bons condutores de eletricidade e terem propriedades magnéticas. Quando colocados próximos a um ímã, esses materiais podem alterar o campo magnético, desviando ou concentrando as linhas de campo, dependendo da sua composição e posição em relação ao ímã.

• ímãs em diferentes formatos (barra, circular, ferradura etc.) • folha de papel sulfite ou papel cartolina

Como proceder

• forma de alumínio

• limalha de ferro

• prato de vidro

• régua

• tampa plástica

• caneta hidrográfica

• panela de inox

1. Resposta: Formato do ímã; material do qual é feito; distância do ímã até a limalha de ferro; atração e repulsão entre dois ímãs; posição dos polos magnéticos do ímã, entre outros.

A. Providencie diferentes tipos de ímãs e posicione-os sobre uma superfície plana. B. Primeiro, escolha um dos tipos de ímãs e, sobre ele, posicione a folha de papel sulfite. C. Agora, espalhe a limalha de ferro sobre a folha de papel sulfite, na posição em que o ímã está e ao redor dele. Imagem referente à etapa B. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

D. Em outra folha de papel sulfite, registre por meio de desenho o contorno do ímã e do padrão que a concentração da limalha de ferro formou. E. Embaixo da folha de papel sulfite, posicione outro ímã, próximo ao primeiro, e repita os passos anteriores. F. Repita os procedimentos anteriores para todos os outros tipos de ímãs disponíveis. G. Agora, substitua a folha de papel sulfite pela forma de alumínio, pelo prato de vidro, pela panela de inox e pela tampa plástica, sucessivamente, e repita os procedimentos. 2. Resposta: As linhas do campo se alteram de

Análise e divulgação acordo com a interação entre os polos que estão

Imagem referente à etapa C.

próximos; se houver atração, as linhas se juntarão; se houver repulsão, elas se afastarão.

1. Quais fatores interferiram no formato das linhas de campo magnético? 2. O que acontece com as linhas de campo magnético quando há outros ímãs próximos? 3. Quanto às linhas de campo magnético, qual foi a influência de cada tipo de material colocado sobre os ímãs? Em sua opinião, por que isso ocorreu? 4. Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é incentivar os estudantes a

compartilhar suas experiências e conclusões acerca da atividade realizada.

4. Com os desenhos produzidos, façam um vídeo para divulgar os resultados e as principais conclusões a que chegaram na prática. Apresente o vídeo para os colegas de outras turmas.

3. Resposta: Espera-se que respondam que o plástico, o vidro, o papel e o alumínio não alteraram significativamente as linhas do campo magnético dos ímãs, mas o inox (aço) interferiu. É importante explicarem que este contém material ferromagnético, que é atraído por ímãs. Comente que os materiais ferromagnéticos, por conta dessa atração, alteram o alcance do campo magnético dos ímãs. Isso ocorre porque campo magnético sai do ímã e permeia o interior do material ferromagnético. Esse efeito é utilizado em discos rígidos de computadores como uma blindagem magnética.

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I ) O Polo Sul geográfico está, aproximadamente, na mesma posição do polo sul magnético, pois o polo sul de uma bússola é atraído por ele. II ) O Polo Norte geográfico está, aproximadamente, na mesma posição do polo sul magnético, pois o polo norte de uma bússola é atraído por ele. III ) O polo sul de uma bússola sempre aponta para o Polo Sul geográfico, pois coincide, aproximadamente, com o polo norte magnético. IV ) O campo magnético terrestre tem mais intensidade na linha do Equador, pois é a região com maior concentração de linhas de campo magnético.

Assim, pode-se afirmar que as polaridades nos pontos indicados são: Resposta: Alternativa d. a ) 1 e 2 iguais, 3 e 4 diferentes, 5 e 6 iguais. b ) 1 e 2 diferentes, 3 e 4 iguais, 5 e 6 diferentes. c ) 1 e 2 diferentes, 3 e 4 diferentes, 5 e 6 iguais. d ) 1 e 2 iguais, 3 e 4 diferentes, 5 e 6 diferentes. e ) 1 e 2 iguais, 3 e 4 iguais, 5 e 6 diferentes.

3. Um ímã é colocado próximo a uma bússola, localizada no ponto D, como mostra a figura. Considerando a cor vermelha como polo norte, qual será a orientação da bússola? Explique. D

Representação de um ímã próximo a uma bússola (ponto D). Resposta: Alternativa a.

c) N S

Qual alternativa apresenta as afirmativas corretas?

N S

nético terrestre.

Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

1. Leia as afirmativas a seguir sobre o campo mag-

d ) I, II e III. e ) II, III e IV.

b ) II e III.

Resposta: Alternativa b. Comentários nas Orientações para o professor.

c ) III e IV.

2. Para uma análise de campo magnético, foram colocados dois ímãs sob uma placa de vidro, e, em cima dela, espalhou-se limalha de ferro, como mostram as imagens a seguir.

4. Fotos: Science History Images/ Alamy/Fotoarena

Professor, professora: As legendas das imagens não foram inseridas para não comprometer a resolução da atividade.

d) S N

a ) I e II.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

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Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

ATIVIDADES

UNIDADE

S N

4. Em uma aula de Física, o professor está apresentando os diferentes tipos de magnetismo encontrados em materiais. Ele mostra três barras de materiais diferentes: uma barra de ferro, uma de alumínio e uma de cobre, demonstrando que, ao aproximar um ímã dessas barras, cada uma responde de maneira distinta ao campo magnético. Qual das seguintes afirmações descreve corretamente as propriedades magnéticas dos materiais ferro, alumínio e cobre? a ) A barra de ferro é diamagnética, a barra de alumínio é ferromagnética e a barra de cobre é paramagnética. b ) A barra de ferro é ferromagnética, a barra de alumínio é paramagnética e a barra de cobre é diamagnética. c ) A barra de ferro é paramagnética, a barra de alumínio é diamagnética e a barra de cobre é ferromagnética. d ) A barra de ferro é paramagnética, a barra de alumínio é ferromagnética e a barra de cobre é diamagnética. e ) A barra de ferro é diamagnética, a barra de alumínio é paramagnética e a barra de cobre é ferromagnética. Resposta: Alternativa b.

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5. O campo magnético terrestre é uma propriedade importante do nosso planeta, que nos protege dos ventos

solares e da radiação térmica. Esse campo magnético estende-se do núcleo interno da Terra ao espaço, formando a magnetosfera. Sobre o campo magnético terrestre, é correto afirmar que: Resposta: Alternativa d. a ) o polo norte magnético da Terra está localizado exatamente no Polo Norte geográfico. b ) o polo norte de um ímã de barra aponta para o Polo Sul geográfico da Terra. c ) o polo sul magnético da Terra está localizado exatamente no Polo Sul geográfico. d ) o polo norte de um ímã de barra aponta para o polo sul magnético da Terra, que está próximo ao Polo Norte geográfico. e ) o campo magnético terrestre faz os polos geográficos e magnéticos coincidirem perfeitamente.

6. Julgue cada sentença a seguir como verdadeira ou falsa, justificando as falsas. I ) Todos os materiais constituídos de metal, ao aproximarem-se de um ímã permanente, são magnetizados, assim sofrendo o efeito de atração. II ) Considere um ímã permanente no formato de barra. Quando cortado ao meio, obtêm-se dois polos magnéticos isolados, ou seja, uma metade terá apenas polo norte e a outra, apenas polo sul. III ) Um polo magnético de um ímã repele a extremidade de uma barra de aço, provando assim que a barra não é um ímã permanente. IV ) Um pedaço de ferro é atraído por um ímã, assim como o ímã é atraído pelo ferro. propriedades magnéticas, um estudante aproximou duas barras idênticas, XY e KQ, de uma terceira barra, ZW, sustentada por um fio no teto de um laboratório, funcionando como um pêndulo. Observa-se que a extremidade Y de uma das barras atrai a extremidade Z do pêndulo. Entretanto, a mesma extremidade Z do pêndulo é repelida pela extremidade Q da segunda barra.

Ilustrações: Eduardo Carriça/Arquivo da editora

7. A fim de identificar se alguns objetos tinham

Representação da interação entre as barras XY e ZW.

Representação da interação entre as barras KQ e ZW.

Por meio do experimento descrito, pode-se concluir que, certamente: Resposta: Alternativa b. a ) XY, ZW e KQ são ímãs.

d ) somente KQ é ímã.

b ) ZW e KQ são ímãs.

e ) somente ZW é ímã.

c ) somente XY é ímã.

8. Ímãs são objetos que exercem atração magnética sobre certos materiais, como ferro e níquel. Eles podem ser naturais na forma de minerais magnetizados ou criados artificialmente por meio de processos controlados. Sobre o processo de imantação dos ímãs, analise as afirmações a seguir. I ) A imantação é o processo pelo qual determinado material tem seus domínios magnéticos alinhados com um campo magnético externo. II ) A magnetita é um exemplo de mineral com apenas um tipo de polaridade magnética, sendo todos os seus domínios de polo norte ou todos de polo sul. III ) A imantação por atrito é mais eficiente do que a simples aproximação do material a um ímã. IV ) Um material ferromagnético pode ser magnetizado por um campo magnético externo, mas perde sua 6. Resposta: I) Materiais como ferro, níquel e cobalto são propriedade magnética quando o campo é removido.

ferromagnéticos e fortemente atraídos por ímãs, enquanto metais como alumínio e cobre são paramagnéticos, sendo apenas ligeiramente atraídos. II) Verdadeira. III) Isso ocorre d ) II, III, IV. porque a extremidade da barra de aço é atraída pelo polo e ) todas as afirmativas. oposto do ímã. A barra de aço em si não é um ímã permanente, mas pode ser temporariamente magnetizada quando aproximada de um ímã. IV) Verdadeira.

Está correto o que se afirma em: Resposta: Alternativa c. a ) apenas I. b ) II e III. c ) I e III.

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CAPÍTULO

Eletromagnetismo 1. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que essa fechadura funciona com o auxílio de um eletroímã, um dispositivo capaz de gerar um campo magnético por meio da passagem de uma corrente elétrica. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Campo magnético e corrente elétrica AndreyKac/Shutterstock.com

A fotografia a seguir mostra uma fechadura magnética muito comum atualmente. Por meio de um sinal elétrico, ela se abre. 1. Em sua opinião, como esse tipo de fechadura funciona?

Para compreender o funcionamento dessa fechadura, vamos conhecer um pouco mais sobre um efeito da corrente elétrica – a geração de um campo magnético. As observações do físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), em uma de suas aulas, resultaram na descoberta de que correntes elétricas geravam campos magnéticos. Sempre que Fechadura magnética. ele ligava uma pilha a um circuito, para demonstrar as propriedades elétricas, a agulha de uma bússola próxima passava a apontar em outra direção. Ao desconectar a pilha, interrompendo a corrente elétrica, a agulha da bússola voltava para sua posição inicial. Quando a pilha era conectada com a polaridade inversa, invertendo o sentido da corrente, a agulha da bússola apontava para a direção oposta. Confira nas imagens a seguir. B.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Dica

Representação de circuito elétrico aberto.

Representação de circuito fechado.

Nas imagens, foi adotado o sentido convencional da corrente elétrica.

Representação de circuito elétrico fechado com inversão do sentido da corrente elétrica.

A. Com o circuito aberto, a agulha da bússola se alinha ao campo magnético da Terra. B. Ao fechar o circuito, o campo magnético gerado pela corrente elétrica causa deflexão na agulha da bússola. C. Com o circuito fechado com a polaridade inversa, a agulha da bússola sofre deflexão em sentido oposto. A agulha da bússola tem um campo magnético que interage com o campo magnético da Terra, fazendo sua agulha se alinhar sempre na mesma posição. Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, surge ao seu redor um campo magnético ao longo de toda a sua extensão, que interage com o campo magnético da agulha alterando sua direção.

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Esse dispositivo consiste em um condutor elétrico enrolado várias vezes ao redor de um núcleo de ferro, capaz de gerar campos magnéticos quando uma corrente elétrica percorre seu condutor. Na fechadura apresentada na página anterior, o eletroímã é o responsável por seu funcionamento.

paul ridsdale pictures/Alamy/Fotoarena

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Essa propriedade possibilitou o desenvolvimento de um dispositivo presente em muitos equipamentos que utilizamos em nosso cotidiano: o eletroímã.

2. Explique o funcionamento do equipamento mostrado na fotografia.

O Sol também tem um campo magnético. O fluxo de gases em seu interior gera uma corrente elétrica, sendo um dos fatores responsáveis por gerar o campo magnético solar. Astro (dimensão) Sol: aproximadamente 1 390 000 kmde diâmetro.

Representação do campo magnético do Sol.

A extensão do campo magnético solar ocorre porque partículas carregadas podem deixar sua superfície quando ocorrem eventos com violenta ejeção de massa proveniente da coroa do Sol. À medida que elas se afastam, arrastam parte de seu campo magnético, que permanece fixo em seus polos. Por causa da rotação da estrela, a cada 27 dias, as linhas do campo magnético formam espirais, o que configura o campo magnético solar no meio interplanetário.

Werner Heil/NASA

Campo magnético solar

NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory

Resposta: O objetivo dessa questão é verificar se os estudantes identificam a atração das Guindaste eletroímã sendo utilizado peças de ferro por um campo magnético para elevar sucatas metálicas. gerado por eletroímãs.

Representação do campo magnético interplanetário mostrando suas linhas de campo magnético em espiral.

O formato do condutor pode revelar campos magnéticos com propriedades diferentes. Vamos iniciar analisando o campo magnético de um fio retilíneo. Uma das maneiras de observar o campo magnético de um condutor é espalhando limalha de ferro ao redor dele. Observe na imagem o que ocorre ao se fazer esse procedimento ao redor de um fio retilíneo percorrido por corrente elétrica. Note que é possível observar que as linhas de campo têm formato de circunferências concêntricas ao fio.

Trevor Clifford Photography/SPL/Fotoarena

Campo magnético de um fio retilíneo

Limalha de ferro organizada de acordo com as linhas de campo magnético do fio retilíneo percorrido por uma corrente elétrica.

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→ Como já estudado, o vetor campo magnético ( B ), em determinado ponto, sempre tem orientação tangente às linhas de campo. Assim, para determinar a orientação das linhas do campo magnético ao redor de um fio condutor percorrido por corrente elétrica, utiliza-se um método denominado regra da mão direita. Nessa regra, ao orientar o polegar da mão direita no sentido da corrente elétrica, obtém-se o sentido das linhas de campo magnético envolvendo o condutor com os outros dedos. Confira. i

Representação da regra da mão direita aplicada em um fio percorrido por corrente elétrica, orientada de baixo para cima. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

UNIDADE

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Representação da regra da mão direita aplicada em um fio percorrido por corrente elétrica, orientada de cima para baixo.

B i

Representação das linhas de campo magnético ao redor do fio e alguns vetores campo magnético.

→ A intensidade do vetor campo magnético B , à certa distância do fio, foi estudada pelo matemático e físico francês André Marie Ampère (1775-1836), entre os anos 1821 e 1825, e a relação entre corrente elétrica e campo magnético ficou conhecida como lei de Ampère, sendo proposta pelo físico escocês James Clerk → Maxwell (1831-1879). Essa relação, mostrada a seguir, permite calcular a intensidade do campo magnético B produzido em um ponto Pa uma distância rde um condutor percorrido por uma corrente elétrica i.

Para orientações que sejam perpendiculares ao plano dessa página, normalmen→ te são utilizados o símbolo ⊗ para indicar que os vetores B “entram no plano da → página” e o símbolo ⊙ para indicar que os vetores B “saem do plano da página”. Pela regra da mão direita, as linhas de campo circundam o fio, “entrando na página” à direita do fio e “saindo da página” à esquerda do fio. Nessa relação, o símbolo grego μ (lê-se “mi”) corresponde a uma constante de proporcionalidade chamada permeabilidade magnética do meio e, para o vácuo, emprega-se a notação μ 0, cujo valor é: μ 0 = 4 · π · 10 −7 T · m /A A unidade de medida de campo magnético no SI é o Tesla ( T) , em homenagem ao engenheiro sérvio Nikola Tesla (1856-1943), que fez contribuições ao estudo do Eletromagnetismo.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

μ · i B = _ 2 · π · r

Representação do campo magnético gerado pela corrente elétrica no fio.

Dica O termo 2 · π · rrefere-se ao formato de circunferência do campo magnético, sendo o raio ra distância do ponto Pao fio. Assim, a intensidade do campo magnético é diretamente proporcional à corrente elétrica e inversamente proporcional à distância r.

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Campo magnético no centro de uma espira Science History Images/Alamy/Fotoarena

Quando um condutor percorrido por corrente elétrica é moldado em formato circular, temos uma espira circular. A forma do campo magnético gerado por uma espira percorrida por corrente elétrica pode ser visualizada ao se espalhar limalha de ferro ao redor, que se organiza de acordo com as linhas de campo magnético, como mostra a fotografia. Note que, no centro da espira, a limalha de ferro fica alinhada com o eixo perpendicular ao plano da espira. Nas regiões próximas ao fio, podemos notar formatos circulares concêntricos a ele. O sentido das linhas de campo no interior da espira pode ser determinado com a regra da mão direita, em que, em uma das faces da espira surge o polo norte magnético, de onde saem linhas de campo, e na outra face surge o polo sul magnético, por onde entram linhas de campo como mostrado nas imagens a seguir. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

polo norte

Limalha de ferro organizada de acordo com o campo magnético de uma espira circular percorrida por corrente elétrica.

polo sul

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

polo norte

polo sul Representação da regra da mão direita, gerando um polo norte magnético na região superior da espira.

Representação da regra da mão direita, gerando um polo norte magnético na região inferior da espira.

A intensidade do campo magnético no centro de uma espira circular de raio R, percorrida por uma corrente i, pode ser calculada da seguinte forma:

em que:

μ · i B = _ 2 · R

• B é a intensidade do campo magnético;

• ié a intensidade da corrente elétrica;

• μ é a permeabilidade magnética do meio;

• R é o raio da espira. Zoonar GmbH/Alamy/Fotoarena

Uma das maneiras de controlar a intensidade do campo magnético gerado por uma bobina plana é variando a intensidade da corrente elétrica ou a quantidade de voltas no fio. Entre suas aplicações, podemos citar campainhas, eletroímãs, alto-falantes, trens de levitação magnética (Maglev), entre outras. 3. Reflita sobre as vantagens do Maglev para o transporte de pessoas, em comparação ao transporte por ônibus movido a diesel. Comente com seus colegas o que você concluiu.

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Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que o Maglev é capaz de transportar grande quantidade de pessoas ao mesmo tempo, sem emitir diretamente gases poluentes na atmosfera.

Maglev na cidade de Seul, na Coreia do Sul, em 2021.

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UNIDADE

2 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

SPL/Fotoarena

Campo magnético em uma bobina Um conjunto de espiras (com espessura desprezível) é chamado de bobina plana. Quando o fio é enrolado formando uma espiral longa, temos um solenoide (ou bobina longa, ou bobina helicoidal). Ela é obtida ao se enrolar um fio em formato de hélice cilíndrica e é determinada pelo número de espiras (N) , por seu comprimento ( L) e por seu diâmetro ( d) .

d L

Bobina longa, bobina helicoidal ou solenoide. TREVOR CLIFFORD PHOTOGRAPHY/ SPL/Fotoarena

Quando o fio é percorrido por corrente elétrica, o campo magnético produzido pela bobina é dado pela soma vetorial dos campos produzidos por todas as espiras. O formato desse campo magnético também pode ser visualizado com o auxílio de limalha de ferro. Observe a imagem apresentada. Limalha de ferro organizada de acordo com o campo magnético gerado por uma bobina ao ser percorrida por corrente elétrica.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O sentido de suas linhas é determinado pela regra da mão direita aplicada para todo o solenoide. Percorrendo o fio com o dedo polegar no sentido da corrente, o sentido das linhas do campo magnético é dado pelos outros dedos que envolvem o fio. Os vetores campo magnético em cada ponto ao redor do solenoide são tangentes às linhas do campo magnético.

i i

B Representação da regra da mão direita aplicada para determinar o sentido das linhas do campo magnético em uma bobina percorrida por corrente elétrica.

Representação da regra da mão direita aplicada para determinar o sentido das linhas do campo magnético em uma bobina percorrida por corrente elétrica com sentido oposto ao anterior.

A intensidade do campo magnético no interior de um solenoide é dada pela seguinte relação: μ · N · i B = _ L

em que: • B é a intensidade do campo magnético;

• ié a intensidade da corrente elétrica;

• μ é a permeabilidade magnética do meio;

• Lé o comprimento do solenoide.

• N é a quantidade de espiras;

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Forças magnéticas Leia a manchete a seguir.

Tempestade solar causa auroras no norte e no sul da América Latina [...] Em Mexicali, uma cidade desértica na fronteira norte do México, a milhares de quilômetros das regiões árticas, onde as luzes são comuns, gradientes de rosa e roxo iluminavam o céu de noite. [...] O’BOYLE, Brendan. Tempestade solar causa auroras no norte e no sul da América Latina. Agência Brasil. 11 maio 2024. Disponível em: https://agenciabrasil.ebc.com.br/internacional/noticia/2024-05/tempestade-solar-causa-auroras-no-norte-e-no-sul-da-america-latina. Acesso em: 18 ago. 2024. Susan M Snyder/Shutterstock.com

As partículas carregadas dos ventos solares, quando entram em movimento, manifestam suas propriedades magnéticas e passam a interagir com o campo magnético da Terra, experimentando uma força magnética que as desvia. Assim, da interação entre dois ou mais campos → magnéticos surge a força magnética (F ) , que pode ser de atração ou de repulsão. Além dos ímãs, as partículas carregadas que se movem no interior de um fio condutor retilíneo sofrem interação magnética quando encontram um campo magnético externo, sendo defletidas por causa de uma força magnética, chamada também de força de Lorentz.

Aurora boreal em Fairbanks, nos Estados Unidos, em 2023.

→ Considerando uma partícula carregada com carga q, movendo-se com velocidade v e produzindo um → → ângulo θ em relação ao campo magnético externo B , a força magnética F que atua sobre a carga tem direção e sentido mostrados na imagem a seguir. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

F q v

Representação de uma carga elétrica q recebendo ação da força magnética ao se mover em um campo magnético externo.

Chatchai-Rombix/ Shutterstock.com

A direção da força não está ao longo das linhas de campo nem ao longo da direção da corrente. Ela é sempre perpendicular tanto às linhas de campo quanto à velocidade das partículas, ou seja, é per→ → pendicular ao plano formado pelos vetores v e B . Com o avanço nos estudos da geração e dos efeitos da força magnética, surgiram equipamentos com motores elétricos, nos quais o efeito magnético da corrente elétrica resulta na movimentação de alguma estrutura. De forma geral, equipamentos elétricos como furadeiras, liquidificadores, batedeiras e ventiladores funcionam com base nesse princípio.

motor elétrico

Furadeira em corte.

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06/11/2024 16:21:15

UNIDADE

2 O sentido da força magnética pode ser indicado pela regra da mão esquerda, com os dedos polegar, indicador e médio esticados de maneira que fiquem todos perpendiculares um ao outro. Confira na imagem a seguir.

Quanto a sua intensidade, ela é determinada por uma relação obtida experimentalmente, medindo a intensidade da força sobre uma partícula com carga qao se mover por um campo magnético externo, variando por diversas vezes tanto a velocidade como o → → ângulo entre B e v . Tal relação é dada por:

José Vitor Elorza/ASC Imagens

Cada dedo representa a direção de um vetor: o indicador deve ser posicionado no sentido do cam→ po magnético B ; o dedo médio, no sentido da velo→ cidade v ; por fim, para onde o polegar apontar, será → o sentido da força magnética F .

Regra da mão esquerda.

F = | q|· v · B · sen θ A força magnética é expressa em newtons (N)  no SI, e, na relação mostrada, aplica-se o módulo da carga elétrica da partícula porque o sentido da força é dado pela regra da mão esquerda. Portanto, se a carga for positiva, o sentido da força é dado diretamente pela regra, se a carga for negativa, aplica-se a regra da mão esquerda, mas inverte-se o sentido indicado pelo polegar. Como a intensidade da força magnética depende do ângulo entre a direção do vetor velocidade da carga elétrica e a direção do vetor campo magnético, ela atinge um valor máximo quando a carga está se movendo 90°) . Em outros ângulos (0° < θ < 90°), a força perpendicularmente às linhas do campo magnético (θ = é menor e torna-se nula quando as partículas se movem paralelamente às linhas do campo magnético °) . externo ( θ = 0 Além disso, a força magnética sobre uma partícula com carga elétrica em movimento em um campo magnético externo pode causar um desvio em sua velocidade, porém sem alterar sua rapidez, pois a força magnética não tem componentes na direção da velocidade.

O Sirius, localizado na cidade de Campinas, estado de São Paulo, é considerado uma das mais avançadas fontes de luz síncrotron do mundo. Ele acelera elétrons a velocidades próximas à da luz, mantendo essas partículas circulando em órbitas estáveis por várias horas em virtude da atuação de forças magnéticas, fazendo que elas emitam uma radiação chamada luz síncrotron. Essa radiação é utilizada em uma ampla variedade de pesquisas científicas, permitindo investigações detalhadas sobre a estrutura atômica e molecular de materiais, com aplicações em diversas áreas, como agricultura, novos fármacos, fertilizantes e tratamentos médicos.

pauloalberto82/Shutterstock.com

A força magnética desempenha um papel crucial nos aceleradores de partículas, como o europeu LHC (Large Hadron Collider) e o brasileiro Sirius. Nesses aceleradores, há campos magnéticos que interagem com partículas como prótons e elétrons, que ficam submetidos a forças magnéticas que mudam sua direção, guiando-os pelo caminho que devem seguir. Tais aceleradores permitem estudar a estrutura fundamental da matéria e as interações entre partículas subatômicas e ajudam a investigar novos materiais e suas aplicações.

Acelerador de partículas Sirius, em Campinas (SP), em 2022.

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PRÁTICA CIENTÍFICA Construção de um motor elétrico simples A utilização de energia elétrica pelo ser humano é essencial para o desenvolvimento da sociedade moderna. De iluminação e aquecimento de residências ao funcionamento de indústrias e hospitais, a eletricidade é um recurso fundamental que permeia diversas atividades diárias. Além disso, a energia elétrica é crucial para a inovação, alimentando dispositivos eletrônicos, infraestrutura de comunicação e tecnologias emergentes, como a inteligência artificial e a internet das coisas. Esse avanço tecnológico combinado às urgências das mudanças climáticas faz com que sejam cada vez mais necessários sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica mais eficientes e, ao mesmo tempo, sustentáveis.

Na vida cotidiana, os motores elétricos estão presentes em eletrodomésticos e sistemas de climatização que funcionam com baterias recarregáveis, conectando o veículo a uma rede elétrica e eliminando a necessidade de combustíveis fósseis.

Usina hidrelétrica de Itaipu, Foz do Iguaçu (PR), em 2022.

Owlie Productions/Shutterstock.com

Nas usinas geradoras de energia elétrica, ocorre a transformação de diversas formas de energia em energia elétrica. Por exemplo, nas usinas hidrelétricas, a energia potencial da água armazenada em reservatórios é convertida em energia cinética ao passar por turbinas acopladas a geradores elétricos que utilizam ímãs ou eletroímãs para mover e gerar energia elétrica. A energia elétrica “gerada” é então distribuída e convertida em outros tipos, com várias aplicações, como iluminação, funcionamento de equipamentos elétricos, motores elétricos e aquecimento.

Luis War/Shutterstock.com

Por dentro do contexto

Carro elétrico sendo recarregado por meio de energia elétrica.

Materiais

• pilha AA • fio esmaltado de cobre (aproximadamente 60 cm)

• fio de cobre rígido (aproximadamente 20 cm) • ímã permanente

• lixa • alicate • fita adesiva

Como proceder

Dica

A. Enrole o maior fio esmaltado de cobre ao redor de um objeto cilíndrico para formar uma bobina, deixando 5 cmde fio livre em cada extremidade.

O enrolamento do fio de cobre pode ser realizado em torno de uma pilha AA.

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2 UNIDADE

5. Resposta pessoal. Espera-se que proponham um experimento cujo resultado seja transformar energia mecânica em energia elétrica. Um possível experimento seria utilizar uma bobina como a utilizada no motor elétrico, mas agora com seus terminais completamente lixados e ligados a uma pequena lâmpada ou a Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia. um B. Utilizando a lixa, remova todo o esmalte de uma medidor das extremidades livres do fio que foi enrolado de corrente no procedimento anterior e remova metade do elétrica, como umesmalte da outra extremidade livre. esmalte esmalte voltímetro e um ímã. Ao movimentarem o ímã afastando-o e aproximando-o da bobina em um local escuro, poderiam observar a lâmpada eventualmente parcialmente completamente acendendo. raspado raspado Dica A relação que os A lixa pode ser substituída por um estilete para retirar o Imagem referente à etapa B. estudantes esmalte dos fios. Para isso, peça a ajuda de um adulto. devem fazer com usinas geradoras de energia elétrica é que elas utilizam o movimento em um gerador com ímãs para transformar essa energia em elétrica. Tal movimento no gerador pode ser provocado pelas águas que movimentam turbinas (caso das hidrelétricas), ventos (caso das eólicas) etc.

C. Corte o menor fio de cobre ao meio utilizando o alicate. Depois, dobre uma das extremidades de cada metade do fio, moldando em formato de “S”, como mostra a imagem. Dica Verifique se o fio mais grosso de cobre (que forma a base para a bobina) não está esmaltado. Se ele estiver, é necessário retirar o esmalte nas partes que ele faz contato com os eixos da bobina e polos da pilha utilizando a lixa.

extremidade do fio de cobre moldado em “S”

3. Resposta: Se os polos da pilha forem invertidos (trocando a direção da corrente), o efeito será semelhante: a bobina também mudará seu sentido de giro. Isso pode ser explicado pela regra da mão direita para motores elétricos, que mostra como a direção da corrente, do campo magnético e da força estão relacionadas.

Imagem referente à etapa C.

D. Agora, fixe as extremidades opostas do fio de cobre do processo anterior nos polos da pilha. Para isso, utilize a fita adesiva e certifique-se de que cada fio está fixado em cada polo da pilha. E. Apoie as extremidades da bobina nas extremidades moldadas em “S”. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

F. Posicione o ímã logo abaixo da bobina. Depois, dê um pequeno impulso na bobina a fim de iniciar sua rotação. Observe o que acontece e anote em seu caderno. Dica Experimente ajustar a posição do ímã para obter o melhor desempenho.

Imagem referente à etapa F. ímã

2. Resposta: Ao inverter o ímã, o campo magnético que interage com a corrente na bobina também inverte sua direção. Isso provoca a inversão no sentido da força magnética que age sobre a bobina, o que pode alterar o sentido de giro.

G. Agora, dê um impulso inicial para que a bobina gire no sentido oposto ao anterior. Observe o que acontece e anote em seu caderno. H. Por fim, inverta a posição do ímã e repita os procedimentos F e G. Observe o que ocorre e anote em Resposta: O impulso inicial é necessário para retirar a bobina de seu estado de inércia. Uma vez que a bobina começa a girar, seu caderno. 1. a corrente elétrica no fio interage com o campo magnético do ímã, gerando a força magnética responsável pelo movimento. Resposta: Um ímã mais forte aumentaria a intensidade do campo magnético, gerando uma força Análise e divulgação 4.magnética maior, o que poderia acelerar o movimento da bobina ou torná-lo mais eficiente.

1. Por que é necessário o impulso inicial para o movimento da bobina e o que ocorre com a força magnética quando a bobina mantém seu movimento?

2. Explique qual foi a alteração no movimento do motor causado pela inversão do ímã. Por que isso ocorre? 3. Se você trocasse os polos da pilha em vez de inverter o ímã, o que aconteceria? Justifique sua resposta. 4. O que aconteceria se fosse utilizado um ímã mais forte? Explique sua resposta. 5. A corrente elétrica produzida pela pilha, com a interação com o campo magnético do ímã, leva ao movi-

mento da bobina. O contrário seria verdadeiro? O movimento de um ímã poderia gerar corrente elétrica? De que maneira você poderia investigar essa hipótese? Em seu caderno, descreva um experimento que poderia fazer para comprovar ou refutar essa hipótese. Com base em seu experimento e suas conclusões, descreva como isso pode se relacionar com o funcionamento de usinas geradoras de energia elétrica. Produza um podcast relatando seus procedimentos e resultados e divulgue-o em suas redes sociais.

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CONEXÕES com ... BIOLOGIA e QUÍMICA

Aplicações do eletromagnetismo na Medicina Leia a reportagem a seguir que apresenta dados e alerta sobre o câncer ósseo.

Julho Amarelo: campanha alerta a população sobre o câncer ósseo Segundo dados da Sociedade Brasileira de Cancerologia, o tumor ósseo representa 2% das patologias oncológicas no Brasil, com uma incidência de aproximadamente 2 700 casos novos por ano. Os principais tipos de câncer ósseo são os osteossarcomas, os sarcomas de Ewing e os condrossarcomas. A campanha Julho Amarelo visa à conscientização da população sobre o câncer nos ossos e a importância do diagnóstico precoce para um tratamento eficaz e assertivo. [...] Geralmente o diagnóstico é feito através do exame clínico, exames de imagem e anatomopatológico (análise das células retiradas do tecido por biópsia). Ainda uma tomografia, ressonância magnética e cintilografia óssea para mapeamento e investigação complementar serão realizados. [...] JULHO Amarelo: campanha alerta a população sobre o câncer ósseo. Instituto de Oncologia do Paraná, 8 jul. 2022. Disponível em: https://iop.com.br/noticias/julho-amarelo-campanha-alerta-a-populacao-sobre-o-cancer-osseo/. Acesso em: 20 set. 2024.

As pesquisas científicas na área da Medicina são fundamentais para o avanço das técnicas que colaboram para a saúde humana, tanto na parte diagnóstica quanto no desenvolvimento de tratamentos. No desenvolvimento diagnóstico, os estudos científicos permitem a criação de tecnologias e métodos mais precisos e menos invasivos para detectar doenças. Isso inclui exames de imagem, como ressonâncias magnéticas e tomografias, e testes genéticos que identificam predisposições a certas condições, permitindo intervenções mais rápidas e eficazes, melhorando significativamente as chances de cura dos pacientes. Além disso, nos tratamentos, as pesquisas médicas possibilitam o desenvolvimento de novos medicamentos, terapias e procedimentos que podem ser mais eficazes, garantindo que apenas os métodos mais seguros e eficientes cheguem ao público. Algumas inovações, como a imunoterapia, a terapia genética e o uso de células-tronco, são frutos de extensos estudos científicos e têm o potencial de transformar a Medicina moderna. Nesse âmbito, estudos sobre a utilização do eletromagnetismo na Medicina apresentam avanços significativos tanto na área diagnóstica quanto terapêutica, como na ressonância magnética nuclear (RMN), a qual utiliza campos e pulsos magnéticos para gerar imagens detalhadas do interior do corpo, e na área terapêutica, com a estimulação magnética transcraniana (EMT), tratando condições neurológicas e psiquiátricas, como depressão e epilepsia. Outro exemplo do uso benéfico do eletromagnetismo para a saúde é o biovidro, método inovador para o tratamento do câncer ósseo. Ele é composto de um material que interage com campos magnéticos externos, causando o aquecimento suficiente para destruir células tumorais no osso, sem danificar tecidos saudáveis ao redor. A figura da página a seguir mostra a atuação do biovidro em câncer ósseo, em que, na etapa 1, retira-se o tumor do osso. Na etapa 2, faz-se o implante do material onde foi retirado o tumor e, na etapa 3, mostra-se a atuação de um campo magnético externo alternado na região, que aquece o material e leva células tumorais remanescentes à morte. Depois disso, o biovidro é absorvido pelo organismo e substituído por novo tecido ósseo que cresce no local.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

tumor

campo magnético externo

biovidro

osso

Representação da atuação do biovidro.

Além dos avanços em diagnósticos e tratamentos mencionados, outro exemplo interessante é o desenvolvimento de robôs magnéticos. Eles são controlados por campos magnéticos externos e são capazes de executar algumas tarefas, como consertar circuitos quebrados e até mesmo apanhar objetos. Acredita-se que, com o desenvolvimento da tecnologia, esses robôs possam ser utilizados dentro do corpo humano, auxiliando na localização de objetos que tenham sido engolidos acidentalmente, por exemplo.

Ilustrações: Daniela Mota/Arquivo da editora

A aplicação de robôs magnéticos em tratamentos médicos ilustra como a inovação pode trazer soluções multifuncionais e eficazes para desafios de saúde, melhorando significativamente a precisão e a eficácia das intervenções médicas. a) Resposta pessoal. Espera-se que citem que as pesquisas científicas permitem o desenvolvimento de tecnologias e métodos mais precisos e menos invasivos, como ressonâncias magnéticas e testes genéticos, que possibilitam diagnósticos rápidos e precisos e o desenvolvimento de novos materiais e medicamentos.

objeto

Representação das etapas em que o robô magnético “captura” um objeto.

As pesquisas científicas e o desenvolvimento tecnológico descritos ilustram sua importância em Ciências da Natureza, tais como a criação e o aprimoramento de materiais, como o biovidro e o robô magnético. O desenvolvimento do biovidro, por exemplo, envolve a combinação de compostos químicos para criar um material que não apenas destrói células cancerosas por meio de aquecimento induzido magneticamente, mas também promove a regeneração óssea. A química desses materiais, aliada a processos biológicos dessa interação com o corpo humano, precisa ser cuidadosamente estudada para garantir sua eficácia e segurança. A biocompatibilidade dos materiais, a resposta imunológica do corpo e a capacidade de regeneração de tecidos são aspectos biológicos críticos que precisam ser considerados. Assim, as inovações em tratamento e diagnóstico não apenas dependem do avanço em uma área específica, mas dependem também de uma compreensão profunda dos processos de diversas áreas das Ciências da Natureza. a ) Qual é a importância das pesquisas científicas na área diagnóstica da Medicina e como elas melhoram a qualidade de vida dos pacientes? b ) Cite exemplos da aplicação do eletromagnetismo na Medicina, tanto no diagnóstico quanto no tratamento de doenças. b) Resposta pessoal. Espera-se que citem exemplos, no diagnóstico por imagem,

como a ressonância magnética nuclear (RMN) para gerar imagens detalhadas do corpo; em procedimentos, como a estimulação magnética transcraniana (EMT) para tratar condições neurológicas e psiquiátricas; a utilização de materiais como o biovidro e sua interação com campos magnéticos para o tratamento de câncer ósseo.

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ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. Em uma oficina mecânica, um eletricista está

3. Considere as afirmações a seguir e classifique-as

instalando um sistema elétrico. Para essa instalação, ele precisa passar um fio condutor próximo a uma estrutura metálica. Durante o processo, ele observa que, ao ligar a corrente elétrica, o fio condutor interage com a estrutura metálica, concluindo, então, o surgimento de um campo magnético ao redor dele.

como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) Um condutor percorrido por uma corrente elétrica gera um campo magnético ao seu redor. II ) Um transformador não gera um campo magnético quando está em funcionamento. III ) Um feixe de elétrons em movimento induz um campo magnético. Resposta: I) Verdadeira.

Qual das alternativas a seguir melhor descreve o campo magnético gerado pelo fio condutor?

II) Falsa. Um transformador é capaz de gerar um campo magnético quando está em Dica funcionamento. III) Verdadeira.

Resposta: Alternativa c.

a ) O campo magnético é sempre atrativo em relação à estrutura metálica próxima.

Os transformadores são compostos de bobinas.

4. Para os casos ilustrados a seguir, represente o ve-

b ) O campo magnético depende da cor da estrutura metálica próxima.

d ) O campo magnético não é afetado pela corrente elétrica no fio condutor.

e ) O campo magnético é mais intenso quanto mais distante estiver da estrutura metálica.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Resposta: a) Horizontal para a esquerda (←) . b) Horizontal para a direita (→) . c) Saindo i da página ( ⨀) . d) Entrando na página ( ⨂) .

5. Determine a intensidade do campo magnético

gerado em um ponto a 24 cmde um fio retilíneo condutor percorrido por uma corrente elétrica de 3 A. Considere μ0= 4 · π · 10−7 T · m/A.

Resposta: B = 2 ,5 · 1 0 −6 T. Resolução nas Orientações para o professor.

6. Considere uma partícula eletricamente carregada

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

em repouso, imersa em um campo magnético externo. Com base nessa situação, classifique as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas.

i Representação de circuito fechado.

Se esse fio for bastante afastado da bússola, sua agulha: Resposta: Alternativa b. a ) não vai se mover. b ) ficará alinhada com a direção norte-sul. c ) apontará para uma direção intermediária entre Norte e Leste. d ) inverterá seu sentido, mantendo-se na direção leste-oeste.

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2. Sobre uma bússola está disposto um fio retilíneo muito longo, percorrido por uma corrente elétrica que gera um campo magnético de intensidade muito maior que o terrestre. Nessa configuração, a agulha da bússola aponta para a direção leste-oeste, como mostra a figura a seguir.

Ilustrações: Keithy Mostachi/Arquivo da editora

c ) O campo magnético é circular e perpendicular ao fio condutor.

tor campo magnético no ponto P gerado por um fio condutor de corrente elétrica.

I ) A força magnética sobre essa partícula será diretamente proporcional à intensidade de sua carga. II ) A força magnética tem intensidade máxima quando a partícula eletricamente carregada se move paralelamente ao campo magnético. III ) A intensidade da força magnética é inversamente proporcional à carga da partícula, pois, se houver aumento da carga elétrica, a força magnética diminuirá. IV ) A intensidade da força magnética e da velocidade da partícula são diretamente proporcionais, pois, se o módulo da velocidade aumentar, a intensidade da força aumentará proporcionalmente.

6. Resposta: I) Falsa. A força magnética só existe se a partícula estiver em movimento com velocidade não paralela ao campo magnético externo. II) Falsa. Quando a partícula se move paralelamente a um campo magnético externo, a força magnética sobre ela é nula. III) Falsa. As intensidades da força magnética e da carga da partícula são diretamente proporcionais. IV) Verdadeira.

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UNIDADE

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

7. Um solenoide de 100 cmé formado pela justaposição de 20 000 espiras circulares. i

i Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Solenoide.

Se a corrente que percorre as espiras tem intensidade de 10 A, determine:

0= a ) a intensidade do campo magnético em seu centro. Para isso, considere μ 4 · π · 10−7T · m /A. Adote π = 3. Resposta: B = 0,24 T. Resolução nas Orientações para o professor.

b ) a direção e o sentido do campo magnético em seu interior.

Resposta: Pela regra da mão direita, o sentido é horizontal e da direita para a esquerda.

8. Considere uma espira condutora de raio igual a 4 · π cm, percorrida por uma corrente elétrica de 5 A, conforme a representação a seguir. Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

i i 9. Resposta: I) Falsa. A força magnética que atua sobre a carga não altera o módulo da velocidade dela. II) Verdadeira. III) Falsa. A direção da força magnética é perpendicular à direção do campo magnético. IV) Verdadeira. V) Verdadeira. Resolução nas Orientações para o professor.

i i

Espira circular.

Qual é a intensidade do campo magnético produzido no centro da espira? Considere μ0 = 4 · π · 10 −7T · m/A. Resposta: B = 2,5 · 10 −5 T. Resolução nas Orientações para o professor.

9. Considere que uma carga puntiforme de − 6 · 10−6 Centra em uma região com um campo magnético uni-

forme com intensidade de 5 · 103T. Se a velocidade da carga for perpendicular à direção do campo magnético e tiver módulo de 40 m/s, qual será a intensidade da força magnética que atuará sobre a carga? Analise as afirmações a seguir sobre força magnética e classifique-as como verdadeira ou falsa, justificando as falsas. I ) A força magnética que atua sobre a carga altera o seu módulo da velocidade até o valor de 6 0 m/s. II ) A intensidade da força magnética que atua sobre a carga é de 1,2 N. III ) A direção da força magnética que atua sobre a carga é paralela à direção do campo magnético. IV ) A força magnética sobre a carga altera a direção da velocidade, sem alterar a rapidez da carga. V ) A direção da força magnética é obtida pela regra da mão esquerda e tem direção perpendicular ao plano formado pelos vetores velocidade ( v )⃗ e campo magnético ( B⃗).

10. Uma carga elétrica puntiforme de 2 · 10−5 Cpassa por uma região com uma velocidade de 5 m / se perpen-

Eduardo Carriça/Arquivo da editora

dicular às linhas de campo magnético existentes no local, quando age sobre ela uma força magnética de intensidade 1 · 10−3 N, conforme imagem a seguir.

q B

Representação de uma carga elétrica se movendo em um campo magnético uniforme.

B = 1 0 T. Resolução nas a ) Qual é a intensidade do campo magnético que a carga atravessa? Resposta: Orientações para o professor.

b ) Faça um diagrama representando as grandezas vetoriais força, velocidade e campo magnético. Resposta nas Orientações para o professor.

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CAPÍTULO

Introdução à Óptica

Instrumentos de observação

O ser humano interage com os contextos em que se insere interpretando diversas informações por meio dos sentidos: visão, audição, tato, olfato e paladar. No entanto, os sentidos do ser humano são limitados. A visão humana, por exemplo, se limita a certa faixa de frequência de luz e depende das dimensões e da distância em relação aos corpos observados. A olho nu não conseguimos ver bactérias ou vírus nem diferenciar objetos que estejam muito distantes de nós, como alguns corpos celestes. Para conseguirmos observar certas estruturas, foram criados instrumentos como microscópios e telescópios. 1. Cite uma situação em que você não conseguiu enxergar algum corpo por estar muito distante dele ou por ele ser muito pequeno. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é

Observando as células

relacionar o conteúdo estudado ao cotidiano dos estudantes. Eles podem citar que tentaram visualizar detalhes da superfície da Lua ou do corpo de um inseto, por exemplo.

Leia a manchete a seguir.

Imagens de microscopia revelam processo de infecção celular pelo Sars-CoV-2 Disponível em: https://portal.fiocruz.br/noticia/imagens-de-microscopia -revelam-processo-de-infeccao-celular-pelo-sars-cov-2. Acesso em: 29 jul. 2024.

Compartilhe ideias

2. Você já usou um

microscópio? O que você sabe sobre esses equipamentos?

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é relacionar o conteúdo estudado ao cotidiano dos estudantes. Eles podem responder que os microscópios são equipamentos com conjuntos de lentes que ampliam a imagem do objeto a ser observado.

Um microscópio capaz de registrar o processo de infecção celular é um grande avanço tecnológico e uma ferramenta poderosa para compreender como um vírus age e, desse modo, desenvolver métodos de tratamento eficazes para combater a infecção.

O termo célula, usado para se referir às menores unidades estruturais e funcionais dos seres vivos, foi empregado pela primeira vez pelo cientista inglês Robert Hooke (1635-1703) ao colocar amostras de cortiça em seu microscópio, percebendo pequenas estruturas com espaços vazios, as quais chamou de células. Além disso, ele aperfeiçoou microscópios existentes na época e realizou observações de plantas, insetos, gelo, neve e fósseis, publicando os resultados em seu livro Micrographia.

Royal Institution of Great Britain/SPL/Fotoarena

a ) Junte-se a um colega e discutam a respeito de como um microscópio desse tipo pode ser utilizado em estudos relacionados à medicina e à saúde humana. Se necessário, façam uma pesquisa contemplando as seguintes perguntas norteadoras: “Por que estudar o processo de infecção das células por um vírus?” e “Quais benefícios isso pode trazer?”. Em seguida, compartilhem suas conclusões com a turma.

a ) Resposta: O objetivo dessa atividade é levar os estudantes a relacionar a pesquisa sobre o processo de infecção celular pelo Sars-CoV-2 à produção de conhecimento científico e ao Representação das estruturas da cortiça no desenvolvimento de tratamentos médicos. É importante que os estudantes percebam que compreender e observar os vírus livro Micrographia de Robert Hooke, em 1665. em nível celular possibilita conhecer o desenvolvimento de algumas doenças, a atuação do sistema imunológico, a ação de medicamentos no corpo, entre outras situações. Isso permite criar novos formas de prevenir e tratar doenças, por exemplo.

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UNIDADE

2 Dica Acesse o site Centro de Microscopia Eletrônica da UFPR e confira algumas imagens obtidas por microscópios ópticos. Disponível em: https://cme.ufpr.br/galeria/. Acesso em: 29 jul. 2024.

O microscópio utilizado por Robert Hooke, chamado microscópio óptico composto, utiliza associação de lentes para produzir imagens aumentadas. Outros exemplos são o microscópio eletrônico e o atômico.

Microscópio óptico Os microscópios ópticos ou de luz são amplamente utilizados em pesquisas nas Ciências da Natureza, na Medicina, na Engenharia, na Geologia, entre outras áreas.

Os atuais microscópios compostos permitem aumentos de até 5 000 vezes. Esse número é obtido pela multiplicação entre os valores da capacidade de aumento da ocular e da objetiva. Por exem × com uma objetiva de 4 0×, o plo, combinando uma ocular de 5 aumento total é de 200×.

Africa Studio/Shutterstock.com

O funcionamento deles se baseia na propriedade das lentes de desviar a trajetória da luz. Em sua forma mais simples, o microscópio tem duas lentes, uma próximo ao objeto (chamada objetiva) e outra próximo ao olho do observador (chamada ocular). Essas lentes desviam a luz refletida pelo objeto de modo que a imagem produzida fique maior do que o objeto.

Microscópio óptico. Elizaveta Galitckaia/Shutterstock.com

Microscópio eletrônico Os microscópios eletrônicos se diferenciam dos ópticos porque utilizam feixes de elétrons em vez de luz para produzir as imagens, provocando um aumento de até 500 000vezes. Existem dois tipos de microscópios eletrônicos: o microscópio eletrônico de varredura (MEV) e o microscópio eletrônico de transmissão (MET).

A diferença entre esses tipos de microscópios é que, no microscópio eletrônico de varredura, os elétrons são refletidos pela amostra, permitindo imagens tridimensionais com detalhes da superfície do objeto. Já no microscópio eletrônico de transmissão, os elétrons atravessam a amostra, são desviados e atingem uma tela. As regiões atingidas por maior quantidade de elétrons ficam mais claras, pois captam os elétrons que atravessaram a amostra ou foram refletidos.

Microscópio eletrônico de varredura. Fotos: Steve Gschmeissner/SPL/Fotoarena

Em ambos, as amostras a ser observadas são colocadas em uma câmara de vácuo, pois os elétrons interagem com o ar. Para focalizar o feixe de elétrons sobre a amostra, é utilizado um campo magnético que atua como uma lente. A imagem é gerada por um computador ligado a detectores.

Músculo esquelético humano em microscópio eletrônico de varredura. Imagem ampliada cerca de 10 000 vezes e colorida em computador.

Músculo esquelético humano em microscópio eletrônico de transmissão. Imagem ampliada cerca de 2 500 vezes e colorida em computador.

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Observando os astros do Universo Imagem sem proporção e em cores fantasia.

ESA/HUBBLE & NASA

Agora, confira a imagem a seguir.

3. Resposta: Por estar orbitando a Terra, ele não sofre interferência da atmosfera, que pode distorcer as imagens ou bloquear certos comprimentos de onda. Galáxia NGC 2623: aproximadamente 50 000 anos-luz de ponta a ponta.

3. A imagem foi obtida

pelo telescópio espacial Hubble, que está orbitando a Terra. Que vantagem o Hubble tem sobre os telescópios localizados na superfície da Terra?

A fotografia mostra uma galáxia que está a cerca de 250 milhões de anos-luz da Terra. Essa distância é equivalente a 2,5 mil vezes o diâmetro da Via Láctea. A olho nu não conseguimos enxergá-la, mas com o telescópio é possível estudar essas estruturas do Universo.

NYC./Alamy/Fotoarena

Galáxia NGC 2623.

Os primeiros telescópios foram construídos na mesma época e de maneira independente por dois fabricantes de lentes holandeses: Hans Lippershey (1570-1619) e Zacharias Janssen (1580-1638). A montagem era simples, um tubo com uma lente em cada extremidade, e possibilitava observar objetos distantes. Inicialmente os telescópios não eram utilizados para observar corpos celestes no Universo, apenas objetos na Terra.

Luneta de Galileu ou telescópio refrator.

A partir de então, outros cientistas desenvolveram seus telescópios para observar astros e fenômenos astronômicos. Entre eles podemos destacar o físico e matemático holandês Christiaan Huygens (1629-1695), que descobriu a lua Titã de Saturno e descreveu os anéis desse planeta; o físico inglês Isaac Newton (1643-1727), que desenvolveu o telescópio refletor, substituindo a lente objetiva por um espelho esférico ou parabólico; e a astrônoma alemã Caroline Herschel (1750-1848), que descobriu diversas galáxias, nebulosas, estrelas e um cometa, além de ajudar na descoberta do planeta Urano, conquista atribuída historicamente ao seu irmão, o astrônomo alemão William Herschel (1738-1822), apesar da contribuição de Caroline.

Joseph Brown. Séc. XIX. Coleção particular

O uso do telescópio na Astronomia começou quando o cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642), aperfeiçoando os modelos existentes, criou o próprio telescópio, com o qual fez observações da superfície da Lua, do Sol, de Saturno e de Júpiter. O instrumento desenvolvido por Galileu também é chamado luneta ou telescópio refrator, e utiliza somente lentes para produzir as imagens.

Caroline Herschel.

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2 UNIDADE

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

A pesquisa e o desenvolvimento de novos telescópios continuam até hoje. Atualmente, são utilizados tanto telescópios terrestres, como o Keck, no Havaí, quanto telescópios espaciais, como o Hubble.

NASA

Ao colocar os telescópios em órbita, elimina-se a interferência da atmosfera, que pode deformar a imagem dos objetos e bloquear alguns comprimentos de onda da luz. Além disso, os telescópios espaciais não sofrem interferências da luminosidade das cidades. Telescópio espacial Hubble, em 2009. Resposta: As lentes são dispositivos relacionados à refração da luz, desviando sua trajetória. Já os espelhos são dispositivos com uma superfície polida, relacionados à reflexão da luz.

Tipos de telescópios

Como mencionado, existem dois tipos básicos de telescópios para captar a luz visível: os que utilizam lentes (telescópios refratores) e os que utilizam espelhos (telescópios refletores).

4. Cite diferenças entre lentes e espelhos.

Um dos modelos mais simples de telescópio refrator é constituído por duas lentes nas extremidades de um tubo, como a luneta feita por Galileu. A lente voltada para o objeto é chamada objetiva e a lente próximo ao olho do observador é denominada ocular, como no microscópio.

objetiva ocular Sandratsky Dmitriy/Shutterstock.com

Não foram construídas versões maiores desse tipo de telescópio por causa de problemas que limitam seu uso em pesquisas, como a aberração cromática, fenômeno causado pela diferença na refração das cores e que provoca distorção na imagem. Além disso, a lente precisa ser sustentada pelas bordas, o que pode bloquear parte da luz incidente ou provocar uma deformação causada pelo peso da própria lente, prejudicando a formação da imagem.

Um dos principais telescópios em operação é o Very Large Telescope (VLT), instalado no Observatório Paranal, no Chile. Ele tem quatro refletores de 8,2 m de diâmetro, os quais podem atingir resolução equivalente a um refletor de 2 00 m de diâmetro.

Wladimir Bulgar/SPL/Fotoarena

Telescópio refrator. ocular

espelho

Também existem telescópios que não utilizam espelhos e lentes e são projetados para investigar a radiação emitida pelos astros celestes e não visíveis a olho nu, como ondas de rádio, radiação infravermelha e ultravioleta, raios X e raios gama captados por antenas ou detectores. Essa área é chamada de Astronomia Não Óptica.

Nebulosa de Caranguejo: aproximadamente 10 anos-luz de diâmetro.

NASA Image Collection/Alamy/Fotoarena

Telescópio refletor.

Nebulosa de Caranguejo.

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ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. A fotografia apresenta um microscópio óptico composto. Sobre esse microscópio, julgue se as afirmativas são verdadeiras ou falsas. a ) Um aumento de 1000×pode ser obtido combinando uma ocular de B. 10×com uma objetiva de 100×. Resposta: Verdadeira. b ) A imagem dos objetos colocados na lâmina (C) é produzida pela objetiva e ampliada pela ocular. Resposta: Verdadeira. c ) O microscópio óptico é constituído basicamente de duas lentes ou conjuntos de lentes: a ocular (B), próximo do objeto a ser observado; e a objetiva (A), que fica próximo do olho do observador. Resposta: Falsa. d ) O microscópio óptico utiliza feixes de elétrons para produzir as imagens dos objetos observados. Resposta: Falsa. Resposta: Na afirmativa c, a objetiva (B) é próximo

2. Corrija as afirmativas falsas da questão 1. do objeto a ser observado; a ocular (A) é próximo

RTimages/Shutterstock.com

Microscópio óptico.

do olho do observador. Na afirmativa d, o microscópio óptico utiliza lentes que desviam a luz para produzir as imagens do objeto observado.

unidades de medida e à imagem do grão de pólen, identifique a afirmativa correta. a ) A escala mostrada na imagem indica que o grão de pólen foi aumentado 10 vezes. b ) Para um microscópio óptico produzir um aumento de 160 vezes, podemos combinar uma objetiva de 40×com uma ocular de 5×. c ) A unidade de medida micrômetro (μm) corresponde a um centésimo de metro ( m). d ) No microscópio eletrônico de transmissão, a imagem é produzida pelos elétrons que atravessam a amostra, e no microscópio eletrônico de varredura, a imagem é formada com base nos elétrons refletidos pela superfície do material. e ) Os microscópios ópticos podem produzir imagens aumentadas desviando a luz visível e elétrons em alta velocidade. Resposta: Alternativa d.

bearacreative/Shutterstock.com

3. Com relação às características dos microscópios ópticos e eletrônicos, às

10 μm Imagem de um grão de pólen produzida por um microscópio eletrônico de varredura.

Professor, professora: A ampliação da imagem não foi inserida na legenda para não comprometer a resolução da atividade.

Imagem sem proporção. National Optical Astronomy Observatories/SPL/Fotoarena

4. A imagem que mostra detalhes da superfície solar foi obtida pelo telescó-

pio solar Richard B. Dunn, localizado no estado do Novo México, Estados Unidos. As estruturas parecidas com células são resultado dos movimentos que transportam energia do interior do Sol para a superfície. Responda às perguntas a seguir e, se necessário, faça uma pesquisa sobre o assunto. a ) Que tipo de telescópio registrou essa imagem? Quais são as vantagens desse tipo de telescópio? b ) Qual é a importância de conseguirmos observar a superfície do Sol com Resposta: A observação da dinâmica da superfície solar nos grandes detalhes? permite estudar a causa das erupções solares, fenômenos

que afetam satélites artificiais, linhas de transmissão de energia elétrica e comunicações, por exemplo. Fernando Gonsales

5. Leia a tirinha a seguir.

Imagem de uma região da superfície do Sol registrada pelo telescópio solar Richard B. Dunn.

4. a) Resposta: O telescópio solar Richard B. Dunn é do tipo refletor. Esse tipo de telescópio diminui a aberração cromática e pode ter espelhos maiores do que as lentes objetivas dos telescópios refratores.

GONSALES, Fernando. Níquel Náusea. Folha de S.Paulo, São Paulo, 23 mar. 2024. Ilustrada, p. C6.

O cientista da tirinha está observando um vírus, isso significa que a imagem observada por ele está aumentada em cerca de 30 000 vezes. Que tipo de microscópio ele está usando? Qual é o princípio básico de funcionamento desse tipo de microscópio? Resposta: O microscópio em questão é do tipo eletrônico. O seu princípio básico de funcionamento é utilizar feixes de elétrons em vez de luz para produzir as imagens.

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A luz

UNIDADE

2 5. Resposta: É necessário ter uma fonte de luz e que essa luz emitida ou refletida pelos objetos estimule nossos olhos. 6. Resposta: É uma fonte secundária, pois ela reflete a luz proveniente do Sol.

5. O que é necessário ter no ambiente para conseguirmos enxergar um objeto? 6. A Lua é uma fonte primária ou secundária de luz? Justifique sua resposta.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Para captar os estímulos do ambiente por meio do sentido da visão, é necessário que a luz atinja e estimule nossos olhos. Para melhor compreensão do funcionamento dos espelhos e das lentes presentes nos instrumentos de observação que você estudou anteriormente, é preciso conhecer o comportamento da luz no ambiente. Esse estudo faz parte da Óptica Geométrica. As concepções com relação à luz e sua natureza foram modificadas ao longo do tempo. Alguns filósofos da Grécia antiga, por exemplo, acreditavam que o olho emitia uma energia vital que tocava os objetos e depois retornava com informações sobre a forma e as cores daquele objeto. Outros filósofos acreditavam que o sentido da visão era como o olfato, e que os olhos absorviam pequenos pedaços que se desprendiam do objeto. A compreensão de que os olhos são receptores de feixes de luz apareceu nos textos do físico iraquiano Ibn al-Haytham (965-1040), conhecido como Alhazen. Após observações e experimentos, ele propôs que nossa visão se dá quando a luz proveniente de uma fonte luminosa, ou refletida por um objeto, atinge nossos olhos.

As contribuições de Alhazen inspiraram pensadores europeus do século XIII e auxiliaram a entender e a explicar o sentido da visão, principalmente a ideia de que são necessárias fontes de luz para iluminar os objetos.

Adriel Contieri/Arquivo da editora

Além disso, Alhazen percebeu que a luz se propaga em linha reta após passar por um pequeno orifício, utilizando um experimento conhecido como câmara escura.

Representação do experimento da câmara escura de Alhazen.

As fontes de luz são classificadas de duas maneiras. Quanto ao tipo, podem ser primárias ou secundárias; e quanto à sua dimensão, pontuais ou extensas. Quando o corpo emite luz própria, ou seja, é luminoso, ele é classificado como fonte primária de luz. O Sol e outras estrelas, a chama de uma vela ou uma lâmpada fluorescente acesa são exemplos de fontes primárias de luz.

Mihai-Bogdan Lazar/Shutterstock.com

Anna ART/Shutterstock.com

Já os corpos que não emitem luz própria são fontes secundárias de luz, ou seja, refletem a luz que incide sobre eles, como cadernos, livros, pessoas, lâmpadas apagadas e lousa.

Fotografia do pôr do sol no município de Salvador (BA), em 2019.

Estrelas no céu noturno.

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06/11/2024 16:23:41

Comparando as dimensões das fontes de luz e sua distância em relação ao observador e ao objeto, elas podem ser classificadas como pontuais ou extensas. As estrelas no céu noturno, apesar de muitas delas serem maiores do que o Sol, parecem pequenos pontos luminosos quando vistas da Terra. Nesse caso, elas podem ser consideradas fontes pontuais. Pequenas lâmpadas de decoração também podem ser classificadas desse modo. A fonte luminosa é considerada extensa se as dimensões não puderem ser desprezadas em relação à distância que se encontra do objeto. As lâmpadas fluorescentes ou de LED tubulares em um ambiente são exemplos de fontes extensas de luz.

Princípios da Óptica Geométrica O funcionamento dos instrumentos ópticos é estudado de acordo com os seguintes princípios da propagação da luz. O princípio da propagação retilínea da luz afirma que a luz se propaga em linha reta em meios homogêneos, isotrópicos e transparentes. Isso possibilita, por exemplo, a formação de sombra e de penumbra.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

As sombras são formadas quando um objeto opaco bloqueia a passagem da luz proveniente de uma fonte, produzindo uma região que não recebe raios de luz. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

fonte pontual de luz

Representação da formação da sombra de um disco por uma fonte pontual de luz.

disco sombra

anteparo

Em alguns casos, por causa do formato do objeto ou do tamanho da fonte de luz, forma-se uma região de sombra mais nítida, chamada umbra, e uma menos nítida nas bordas da sombra, chamada penumbra (quase sombra). Podemos perceber a formação de umbra e penumbra em fenômenos como eclipses lunares e solares. Ao passar pela sombra projetada pela Terra, a Lua pode ficar totalmente ou parcialmente obstruída.

penumbra

eclipse parcial

Lua umbra

eclipse total

Terra

Lua umbra

penumbra Sol

Sol

Representação de um eclipse lunar.

penumbra

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A sombra projetada pela Lua tem uma pequena região de umbra, na qual se observa o eclipse total do Sol, e uma região de penumbra, na qual se observa o eclipse parcial do Sol.

Representação de um eclipse solar.

A propagação retilínea da luz também explica a formação de imagens em uma câmara escura, como proposto por Alhazen.

Astros (dimensões) Lua: aproximadamente 3 476 kmde diâmetro. Terra: aproximadamente 1 2 756,28 kmde diâmetro.

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UNIDADE

2 Note que, como os raios de luz percorrem trajetórias retilíneas, a imagem produzida pela câmara escura é invertida.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

imagem invertida

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de uma câmara escura.

feixes de luz de dois holofotes se cruzando cacei.ro/Shutterstock.com

De acordo com o princípio da independência dos raios de luz, quando dois ou mais raios se cruzam, a propagação de um não interfere na do outro, preservando suas propriedades. Isso ocorre, por exemplo, em iluminações de shows musicais. Na região em que os raios de luz se interceptam, há um aumento na intensidade luminosa, mas depois os raios seguem mantendo suas características originais. A trajetória percorrida por um raio de luz independe do sentido da propagação, esse é o princípio da reversibilidade dos raios de luz. Isso implica que, quando o motorista de um carro olha pelo retrovisor e vê o passageiro, ao olhar para o mesmo espelho, o passageiro consegue ver o motorista do carro.

Meios físicos

Show musical que ocorreu em Londres, na Inglaterra, em 2024.

7. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que não. Essa classificação pode ser aplicada para outros tipos de luz. O vidro, por exemplo, é transparente para a luz visível, mas é opaco para a luz infravermelha e para parte da luz ultravioleta. Alguns materiais são opacos para a luz visível e transparentes para os raios X.

O comportamento da luz varia de acordo com os meios físicos nos quais ela incide, de modo que ela pode ser transmitida, absorvida ou refletida. Com base nisso, os meios podem ser classificados como transparentes, translúcidos ou opacos.

7. A classificação dos materiais

em transparentes e opacos vale somente para a luz visível?

Já os meios translúcidos são aqueles que permitem a passagem da luz, mas que alteram sua trajetória de forma irregular ou desordenada, produzindo imagens borradas, como alguns vidros foscos utilizados em cozinhas ou boxes de banheiros, plásticos e papel vegetal.

Quando o material bloqueia a propagação da luz de modo que não conseguimos ver corpos através dele, ele é classificado como opaco. Nesse caso, a luz incidente é absorvida ou refletida, como a madeira, as superfícies metálicas e o próprio corpo humano.

Apontador visto através de um vidro transparente.

Apontador visto através de um vidro pontilhado.

Apontador com uma parte atrás de uma porta de madeira.

Fotos: José Vitor Elorza/ASC Imagens

São considerados transparentes os meios que permitem a passagem da luz em uma trajetória retilínea, ordenada. Nesses meios a maior parte da luz incidente é transmitida, de modo que é possível observar nitidamente objetos através deles, como o ar, o vidro polido e a água (desde que suas espessuras sejam finas).

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Fenômenos ópticos

Fotografia obtida captando a luz visível.

JPL-CALTECH/R. Hurt (SSC)/NASA

Apesar de essa classificação ter sido feita de maneira simplificada, meios transparentes, por exemplo, podem ter comportamento translúcido de acordo com algumas características. Uma fina camada de água limpa é transparente, mas pode se tornar translúcida ou até mesmo opaca com o aumento da espessura da camada ou da quantidade de impurezas. A. B. Além disso, a classificação de meios físicos também pode ser feita de acordo com outras faixas de luz além da visível. A imagem A foi registrada com luz visível e a B captando a luz infravermelha. Note que o plástico é opaco para a luz visível e transparente para a infravermelha. Já o vidro da lente dos óculos é transparente para a luz visível e opaco para a infravermelha. É por isso que as lentes ficam escuras na fotografia B. Fotografia obtida captando a luz infravermelha.

A interação da luz com a superfície dos objetos nos quais ela incide ou com o meio pelo qual ela se propaga pode provocar diferentes fenômenos ópticos, como reflexão, refração, absorção e dispersão. Vamos analisá-los separadamente.

A reflexão regular ocorre em superfícies lisas ou polidas como as dos espelhos planos e dos espelhos esféricos dos telescópios, formando imagens nítidas. Já a reflexão difusa ocorre em superfícies irregulares, espalhando a luz incidente em todas as direções. É esse o princípio que possibilita enxergarmos a folha desse livro de qualquer posição ao redor. 8. O que causa o efeito de distorção da imagem na fotografia da pessoa segurando os óculos?

Resposta: Os estudantes podem atribuir esse efeito à refração da luz que, ao atravessar as lentes dos óculos, sofre alteração na direção de propagação.

Em alguns casos, quando o material é transparente, parte da luz que o atinge pode atravessar a interface de divisão entre os meios. Essa mudança de meio interfere na velocidade de propagação da luz e pode alterar a direção de sua propagação. Dessa forma, dizemos que a luz sofreu refração.

chali_studio/Shutterstock.com

Quando a luz atinge a superfície de um objeto e retorna ao meio de propagação de onde veio, dizemos que ela sofreu reflexão. Isso pode ocorrer de duas formas: reflexão regular e reflexão difusa.

Pessoa segurando óculos em frente ao rosto.

A refração também é responsável pela dispersão cromática da luz, que é a separação do feixe de luz nas cores que o compõem, como ocorre no arco-íris. A luz proveniente do Sol é considerada branca, isto é, a soma da luz de todas as cores. Kostenko Maxim/Shutterstock.com

Quando chove, no interior de cada gota de água ocorrem diferentes desvios da luz para cada cor. Com isso, a luz solar branca se decompõe ao sair da gota, formando o arco-íris. Esse fenômeno foi estudado por Isaac Newton por meio de experimento com a luz do Sol atravessando um prisma de vidro transparente. Dica Confira o site disponível em: http://projetoseeduc.cecierj.edu.br/eja/ recurso-multimidia-professor/fisica/index.html. Acesso em: 29 jul. 2024. Nele você encontrará alguns vídeos que mostram experimentos relacionados à refração, reflexão e decomposição da luz.

Prisma dispersando a luz branca.

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06/11/2024 16:23:45

UNIDADE

2 As cores que identificamos ao observar um objeto resultam da combinação entre a absorção da luz e a reflexão difusa.

VictoriaArt/Shutterstock.com

Esse fenômeno também depende da cor da luz que ilumina o corpo. Confira a fotografia.

1. Percebemos a capa do caderno na cor amarela, porque ela reflete em maior quantidade a luz amarela e absorve em maior quantidade a luz de outras cores.

2. A parte branca da folha é percebida dessa forma porque reflete todas as cores. 3. A parte preta da calculadora é percebida dessa forma porque absorve todas as cores.

3. Objetos sobre uma mesa em um ambiente iluminado com luz branca.

9. Que cor de luz o cabo da tesoura reflete em maior quantidade? Resposta: Cor laranja. 10. Se esse ambiente fosse iluminado com luz monocromática azul ele seria percebido de maneira diferente? Em caso afirmativo, cite algumas alterações.

Resposta: Sim, a folha branca seria percebida na cor azul; o cabo laranja da tesoura se mostraria preto, assim como a capa dos cadernos amarelo e verde; e a capa do caderno azul seria percebida na cor azul.

Após ser emitida por uma fonte, a luz pode se propagar vibrando em várias direções, sendo chamada, nesse caso, de luz não polarizada. No entanto, a luz pode ser polarizada por meio de filtros polarizadores, fazendo-a vibrar somente em uma direção, como mostra a figura a seguir. Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

luz não polarizada

filtro polarizador Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação da polarização da luz.

direção de propagação da luz

A luz não polarizada é o principal motivo do desconforto visual causado pelos raios solares em um dia ensolarado. É por esse motivo que muitos óculos de sol são equipados com lentes polarizadas que fazem o papel do filtro polarizador, proporcionando mais conforto e melhorando a nitidez das imagens observadas.

darksoul72/Shutterstock.com

luz polarizada

Além disso, os filtros podem ser utilizados para bloquear completamente a passagem de luz. Por exemplo, se um primeiro filtro fizer a luz vibrar em determinada direção e um segundo filtro, colocado logo após o primeiro, for ajustado para fazer a luz vibrar em uma direção perpendicular em relação ao primeiro, a luz será bloqueada. Filtros polarizadores.

Javier Jaime/Shutterstock.com

Lente polarizadora.

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LIGADO NO TEMA

Akio Kon/Bloomberg/Getty Images

RYosha/Shutterstock.com

Carros autônomos e o LIDAR A evolução tecnológica que pode ser aplicada em veículos ao longo das últimas décadas transformou significativamente a segurança e a eficiência dos automóveis. Dos sensores de estacionamento por proximidade aos mais avançados sistemas de câmeras e alertas de ponto cego, a tecnologia tem desempenhado um papel crucial na proteção tanto dos condutores quanto dos pedestres. O desenvolvimento dos veículos elétricos, combinado com avanços no GPS e nas tecnologias de comunicação, como a internet móvel 5G, criou um cenário favorável para o desenvolvimento de carros que Projeção da imagem de uma câmera de ré. podem se mover sem a necessidade de um motorista humano. No entanto, para que esses veículos autônomos operem de forma segura e eficiente, é essencial que seus sistemas de localização e orientação sejam capazes de mapear e monitorar o ambiente em tempo real. É nesse contexto que se destaca o sistema LIDAR (sigla em inglês para Light Detection and Ranging que pode ser traduzido como detecção e medição por luz). Ele utiliza pulsos de laser para medir distâncias e criar mapas tridimensionais altamente precisos do ambiente ao redor do veículo. Funciona emitindo pulsos de radiação eletromagMonitor no interior de um carro mostrando nética que refletem nos objetos e retornam ao sensor, permitindo calcomo o LIDAR mapeia os objetos em torno cular a distância com base no intervalo de tempo entre a emissão e do veículo, no Japão, em 2024. a detecção de seu retorno. Com essa tecnologia, esse sistema pode detectar e identificar obstáculos, veículos, pedestres e outros elementos no entorno do carro, mesmo em condições de pouca luz ou mau tempo. A precisão e a rapidez do LIDAR são fundamentais para a operação segura de carros autônomos. Isso permite que o veículo tome decisões instantâneas e precisas, como frear para evitar uma colisão ou ajustar a rota para desviar de um obstáculo. Além disso, o LIDAR pode complementar outras tecnologias, como câmeras e radares, formando um sistema robusto e redundante que aumenta ainda mais a segurança e a confiabilidade dos carros autônomos. Dentro desse contexto, os níveis de automação dos veículos são classificados em níveis de 1 a 5, nos quais o nível 1 representa a automação mínima, com sistemas de assistência ao motorista, como controle de velocidade adaptativo e manutenção do veículo em sua faixa e o nível 5, corresponde à automação completa, na qual o veículo não requer intervenção humana em qualquer trajeto. Porém, esse último nível ainda apresenta desafios a serem superados para a implementação efetiva, como a melhoria na robustez dos sistemas de detecção e resposta a condições adversas, desenvolvimento de leis específicas e melhoria das vias, com a pintura e manutenção das faixas de trânsito. Respostas nas Orientações para o professor.

a ) Quais são as implicações sociais da adoção em larga escala de carros autônomos, tanto em termos de emprego para motoristas quanto na segurança rodoviária? b ) Quais podem ser as consequências relacionadas ao constante monitoramento do trajeto e rotinas das pessoas? c ) Junte-se a três colegas e pesquisem possíveis falhas nos carros autônomos atualmente que possam colocar em risco a vida de pessoas. Em seguida, façam um vídeo relatando os benefícios dos carros autônomos, como funcionam, as falhas pesquisadas e como elas podem ser resolvidas. Divulguem o vídeo em suas redes sociais.

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ATIVIDADES

1. Confira a imagem a seguir.

UNIDADE

2 2. Resposta: Todo corpo que é visível pode ser tratado como fonte de luz, sendo emissor ou não. Essa classificação é dividida em fontes primárias (emitem luz própria) ou secundárias (iluminados).

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

5. Uma pessoa argumenta que a velocidade de pro-

pagação da luz em qualquer meio será sempre menor do que a velocidade de propagação da luz no vácuo. Você concorda com ela? Explique sua resposta.Resposta: Sim, pois o vácuo é o meio no qual

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

não há matéria para se opor à passagem de luz.

6. Um objeto circular é colocado entre duas fontes Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

pontuais de luz e uma parede, de acordo com o esquema representado a seguir. parede Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

objeto circular

Representação de uma pessoa observando um carrinho. fontes de luz

a ) Reproduza essa ilustração no caderno e represente os raios de luz que possibilitam ao observador enxergar a lâmpada e o carrinho de brinquedo. Resposta nas Orientações para o

Representação de um objeto circular diante de duas fontes pontuais de luz e uma parede.

professor.

A imagem que melhor representa a sombra do objeto sobre a parede é: Resposta: Alternativa a.

b ) Quais são as fontes primária e secundária de luz na imagem, para o observador? Resposta:

Primária – lâmpada acesa; secundária – carrinho, pessoa, teto e chão.

2. Explique por que podemos afirmar que todo corpo pode ser uma fonte de luz.

3. Julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas e corrija as falsas.

I ) O Sol, como emite luz própria, é uma fonte secundária. II ) As estrelas, por não emitirem luz própria, são fontes primárias.

IV ) Alguns dos planetas do Sistema Solar, por emitirem luz própria, são considerados fontes primárias.

4. De acordo com a classificação dos meios

físicos, julgue as afirmações a seguir e escolha a verdadeira. Resposta: Alternativa b. a ) Os únicos meios transparentes são o vácuo e o vidro de grande espessura. b ) O meio opaco absorve e reflete a luz que incide sobre ele, por exemplo, a madeira e o papelão. c ) Os meios translúcidos permitem a visualização de objetos através deles sem qualquer distorção na imagem.

3. Resposta: I) Falsa. O Sol é uma fonte primária de luz. II) Falsa. As estrelas, assim como o Sol, são fontes primárias de luz. III) Verdadeira. IV) Falsa. Planetas não têm luz própria, portanto são fontes secundárias de luz.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

III ) A Lua, por não emitir luz própria, é considerada uma fonte secundária.

Professor, professora: As legendas das imagens não foram inseridas para não comprometer a resolução da atividade.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

7. Qual das alternativas a seguir contém apenas fontes primárias de luz? Resposta: Alternativa d. a ) Fósforo, Lua e Sol.

10. Durante um eclipse solar, é obtida a seguinte configuração do Sol, da Lua e da Terra, representada na imagem a seguir.

c ) Lâmpada, Sol e fósforo. d ) Estrela, Sol e lâmpada acesa.

Sol

e ) Lanterna acesa, estrela e Lua. canhões de luz com as cores azul, vermelho e verde. Os canhões estão presos ao teto do teatro em posições fixas, podendo variar apenas o ângulo de projeção da luz.

Terra

Vermelho

Verde

Representação de um eclipse solar.

Julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas e corrija as falsas. I ) Sobre a região A será obtido o efeito de sombra parcial. II ) Na região Bserá observada penumbra causada pela Lua. III ) As regiões Ae Csão de penumbra. IV ) A região Bé de umbra. Resposta: I) Verdadeira.

II) Falsa. É uma região de umbra. III) Verdadeira. IV) Verdadeira.

11. Uma luz não polarizada incide em um filtro que a polariza conforme mostra a figura a seguir.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A C

Lua

8. O palco de um teatro é equipado com três

Azul

Eduardo Borges/ Arquivo da editora

b ) Pilha de lanterna, Sol e lanterna.

Palco Representação da polarização da luz.

Representação do sistema de luz de um palco.

Para que a intensidade da luz, após passar pelo primeiro filtro, seja zero, qual filtro polarizador deve ser usado em seguida? Resposta: Alternativa b.

seguem caminhos independentes, não interferindo uns nos outros.

9. Um feixe de luz incide perpendicularmente em uma superfície polida e obtém um feixe de luz refletido também perpendicularmente ao plano da superfície. O tipo de reflexão sofrida pelo feixe de luz é: Resposta: Alternativa c.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Para a encenação de uma peça de teatro, o diretor pediu à equipe de iluminação que o ponto A fosse iluminado com luz verde, o ponto B com luz vermelha e o ponto C com luz azul. Um membro da equipe disse que isso não seria possível, pois as luzes interfeririam umas nas outras. O argumento dessa pessoa está correto? Explique Resposta: Não, pois pelo princípio da sua resposta. independência dos raios de luz os feixes

a ) difusa. b ) irregular.

c ) regular. d ) espalhada. e ) emergente.

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CAPÍTULO

A reflexão é o fenômeno no qual a luz incide em uma superfície e retorna ao meio de onde veio. Sendo assim, a reflexão não ocorre apenas em espelhos, mas em qualquer corpo que não emite luz própria.

raio refletido

raio incidente

î

A imagem apresenta a superfície lisa e polida de um espelho plano e um raio luminoso refletido ao incidir sobre ela. As setas representam os raios de luz incidente e refletido, lembrando sempre que a propagação da luz é retilínea. O ângulo de incidência ( ˆi ) é definido pela orientação que o raio incidente faz com uma direção perpendicular ao espelho, conhecida como normal ( N). A mesma coisa acontece com o r ). Tais ângulos se relacionam por meio de ângulo de reflexão (ˆ regras simples, formando as leis da reflexão, que valem tanto para a regular como para a difusa.

plano normal (N)

espelho plano

r̂

ponto de incidência

Representação de um raio de luz incidindo em uma superfície lisa e polida.

Primeira lei: os raios de luz incidente e refletido e a normal estão no mesmo plano (coplanares). Segunda lei: o ângulo de incidência i = ˆ r ) . é igual ao ângulo de reflexão ( ˆ José Vitor Elorza/ASC Imagens

Formação da imagem em espelhos planos 1. Como ocorre a formação de imagens em um espelho?

O espelho plano é uma superfície na qual a luz sofre reflexão regular e corresponde a uma superfície plana, lisa e polida que reflete o raio luminoso em uma direção definida. Considere que uma pequena lâmpada esteja localizada em frente a um espelho plano, emitindo raios de luz em várias direções. No esquema, estão representados apenas três desses feixes, que saem de determinado ponto da lâmpada.

Pessoa em frente a um espelho plano, com sua imagem refletida nele. imagem do objeto

objeto

O feixe de luz emitido é divergente e, após ser refletido pelo espelho, mantém essa organização, aparentando ter sido emitido de um ponto atrás do espelho. As linhas contínuas que partem da lâmpada representam os raios de luz. As linhas pontilhadas são imaginárias e correspondem aos prolongamentos dos raios refletidos no espelho, mostrando geometricamente o trajeto que a luz percorreria se o corpo estivesse atrás do espelho.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Reflexão da luz

p’

Sergio Lima/Arquivo da editora

Reflexão e refração da luz

Representação da formação de imagem em um espelho plano.

1. Resposta pessoal. Eles podem comentar que o espelho é uma superfície lisa e polida, que reflete os raios de luz de forma regular, formando as imagens.

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06/11/2024 16:26:33

Para um observador, a imagem da lâmpada está exatamente no ponto de encontro das linhas pontilhadas, ou seja, ele a vê “atrás” do espelho. Como a luz não vem realmente desse ponto, dizemos que a imagem formada é virtual. Assim, a imagem se forma “atrás” do espelho e a sua distância em relação a ele ( p’)  é igual à distância do corpo em relação ao espelho ( p), existindo uma simetria entre o objeto e a imagem conjugada por um espelho plano, além de apresentarem o mesmo tamanho.

, a imagem obserQuando se trata de um corpo extenso diante de um espelho plano, de comprimento o vada terá comprimento i. Sergio Lima/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

p’

Representação da formação da imagem de um corpo extenso por um espelho plano.

Outra característica observada na formação de imagens em um espelho plano é que o objeto e sua imagem conjugada não se sobrepõem, ou seja, são enantiomorfos.

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

d’ Representação da reflexão de uma caneta em um espelho plano.

Representação da sobreposição do objeto e sua imagem.

D’

Agora, observe novamente a fotografia de uma pessoa em frente a um espelho plano, mostrada na página anterior. Note que a imagem formada tem as mesmas características da pessoa, no entanto, enquanto o dedo indicador dela aponta para o espelho, sua imagem aponta para a pessoa, ou seja, a imagem conjugada é invertida em profundidade.

Formação da imagem em espelhos esféricos 2. Você já teve a oportunidade de observar sua imagem em um espelho esférico? Ela era idêntica a você? Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes percebam que a imagem formada em um espelho esférico não é idêntica ao corpo.

Neste capítulo, vamos estudar os espelhos esféricos, que têm a forma de uma pequena região da superfície de uma esfera.

Tetiana Melnyk/Shutterstock.com

De maneira distinta dos espelhos planos, os espelhos curvos formam imagens com características diferentes daquelas do corpo que está à sua frente. Alguns espelhos curvos formam imagens maiores quando o corpo ou objeto está próximo a eles. Existem também espelhos curvos que produzem imagens menores do que o objeto, geralmente utilizados em estabelecimentos comerciais e em saídas de estacionamento, pois aumentam o campo de visão do local. Espelho curvo utilizado em um cruzamento de trânsito em Sesto Calende, na Itália, em 2018.

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06/11/2024 16:26:34

Elementos geométricos de um espelho esférico

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Podemos obter espelhos esféricos a partir de uma calota esférica, isto é, a região de uma esfera delimitada por um plano, como mostrado a seguir.

calota esférica esfera

plano

Representação da interseção entre esfera e plano, gerando uma calota esférica.

superfície externa espelhada superfície espelhada

superfície espelhada

Representação esquemática de um espelho côncavo.

Representação de um espelho convexo.

Representação esquemática de um espelho convexo.

Agora, confira os principais elementos geométricos de um espelho esférico.

• Centro de curvatura ( C): centro da esfera que originou o espelho.

• Raio de curvatura ( R): raio da esfera que originou o espelho.

R α

eixo principal

• Vértice ( V): polo da calota esférica.

• Eixo principal: reta que passa pelo centro de curvatura ( C) e pelo vértice ( V).

Sergio Lima/Arquivo da editora

Representação de um espelho côncavo.

Representação dos elementos geométricos de um espelho esférico.

• α: ângulo de abertura do espelho.

Outro elemento geométrico importante em um espelho esférico é seu foco principal ( F), que pode ser chamado apenas de foco. Ele corresponde ao ponto para o qual os raios incidentes paralelos ao eixo principal convergem; dizemos que os raios se encontram nesse local. No espelho côncavo, os feixes de luz que se aproximam do espelho paralelamente ao eixo principal refletem e formam um feixe convergente, com os raios refletidos se encontrando no foco ( F) do espelho; por isso o foco do espelho côncavo é denominado foco real.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Sergio Lima/Arquivo da editora

Um espelho côncavo é obtido quando a calota tem a região interna espelhada (lisa e polida), e um espelho convexo, quando a calota possui sua região externa espelhada, conforme as imagens.

superfície interna espelhada

UNIDADE

eixo principal Representação de feixe de raios paralelos incidindo em um espelho côncavo.

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eixo principal

Sergio Lima/Arquivo da editora

No espelho convexo, os feixes de luz que se aproximam do espelho paralelamente ao eixo principal refletem e formam feixes divergentes, com os raios de luz se distanciando uns dos outros. O foco ( F) desse espelho corresponde ao ponto em que os prolongamentos dos raios refletidos se encontram, por isso o foco do espelho convexo é classificado como virtual.

Representação de feixe de raios paralelos incidindo em um espelho convexo.

O foco ( F) de um espelho esférico está sempre localizado geometricamente no ponto médio entre o centro e V corresponde ao raio da esfera ( R) que de curvatura ( C) e o vértice ( V) do espelho. Como a distância entre C originou o espelho, a distância entre o foco e o vértice, chamada distância focal ( f), é dada por: ‾ CV R f = _∴  f = _ 2 2

Espelho esférico côncavo O espelho côncavo produz imagens com caraterísticas diferentes dependendo da distância ( p) que o objeto se encontra do espelho.

Quando um objeto de comprimento (o) é colocado sobre o eixo principal de um espelho esférico côncavo, além do centro de curvatura, sua imagem será real, invertida e menor do que o objeto. Uma das formas de determinar a imagem de um objeto produzida por um espelho esférico é representá-lo por uma seta e traçar, pelo menos, dois dos raios notáveis que saem de sua ponta.

o C

Representação da formação da imagem com o objeto além do centro de curvatura de um espelho côncavo.

Se o objeto estiver sobre o centro de curvatura do espelho, a imagem formada é real, invertida e tem o mesmo tamanho que o objeto ( i = o).

o i C

Representação da formação da imagem com o objeto sobre o centro de curvatura.

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

Se o objeto estiver entre o centro de curvatura e o foco do espelho, a imagem formada é real, invertida e maior do que o objeto.

o C i

Representação da formação da imagem com o objeto entre o foco e o centro de curvatura.

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UNIDADE

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Se o objeto é colocado sobre o foco, a imagem formada é chamada de imprópria. Utilizando o raio que incide no espelho paralelamente ao eixo principal e que o reflete, passando pelo foco, e o raio que incide pelo vértice, temos que tanto os raios refletidos quanto seus prolongamentos são paralelos entre si, não ocorrendo formação de imagem. Representação da formação da imagem com o objeto sobre o foco de um espelho côncavo.

o C

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Quando o objeto se encontra entre o foco e o vértice do espelho, a imagem formada é virtual, direita e maior do que o objeto. Utilizando o raio que incide no espelho pelo centro de curvatura e o raio que incide pelo vértice, temos que os raios refletidos divergem, de modo que a imagem formada é virtual, determinada pelo prolongamento dos raios refletidos.

o C

Representação da formação da imagem com o objeto entre o foco e o vértice.

Espelho esférico convexo

Professor, professora: Diga aos estudantes que o espelho apresentado na fotografia do final da página 128 é um exemplo de espelho convexo.

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Os espelhos convexos formam somente um tipo de imagem, independentemente da posição do objeto. Utilizando o raio que incide pelo centro de curvatura e o raio que incide paralelamente ao eixo principal, verificamos que a imagem formada é virtual, direita e menor do que o objeto.

i V

Representação da formação da imagem em um espelho convexo.

Espelhos parabólicos Ververidis Vasilis/Shutterstock.com

Espelhos parabólicos são superfícies refletoras com a forma de um paraboloide. Sua superfície reflexiva se curva para dentro como uma tigela gerando um efeito que faz que raios de luz paralelos refletidos em sua superfície convirjam para um ponto denominado ponto focal. Essa característica de reflexão tem várias aplicações, como em telescópios, antenas parabólicas, faróis de automóveis e fornos solares. No ensaio para a cerimônia de acendimento da tocha olímpica para a abertura das Olimpíadas de Paris 2024, um espelho parabólico foi responsável por produzir a chama da tocha, pois ela foi embebida em combustível e encostada no espelho, que concentrava os raios de Sol na tocha.

Acendimento da tocha olímpica, na Grécia, em 2024.

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ATIVIDADES

2. Resposta: A distância entre a garota e sua imagem é de 4 m. Sabe-se que o objeto e a imagem formada por um espelho são simétricos em relação a este; assim, se a garota está a 2 mdo espelho, sua imagem também estará a 2 m do espelho.

1. Um feixe de luz incide sobre um espelho formando um ângulo de 30° de acordo com o esquema a seguir.

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Representação de feixe de luz incidindo sobre um espelho plano.

r̂

î 308

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. A respectiva imagem conjugada de um objeto real, quando colocado entre o foco principal e o centro de curvatura de um espelho esférico côncavo, terá as seguintes características: a ) Real, invertida e maior do que o objeto. b ) Real, invertida e menor do que o objeto. c ) Real, direita e maior do que o objeto. d ) Virtual, invertida e maior do que o objeto. e ) Virtual, direita e menor do que o objeto.

Determine:

60°. a ) o ângulo de incidência; Resposta: ˆ i =

b ) o ângulo de reflexão; Resposta: ˆr = 6 0°.

c ) o ângulo entre o raio incidente e o refletido. Resposta: 120°.

2. Uma garota observa sua imagem diante de um

Resposta: Alternativa a.

5. Analise as imagens a seguir e classifique as afirmações como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. a)

espelho plano. Sabendo que ela está a 2 m do espelho, qual é a distância entre a garota e sua imagem?

imagem

Representação de uma garota em frente a um espelho plano.

3. A tela a seguir é a última grande obra do pintor

Courtauld Instituto de Arte, Londres, Inglaterra

francês Édouard Manet (1832-1883). Nela, Manet representa uma garçonete, chamada Suzon, em um grande e movimentado salão de música de Paris, Folies Bergère. Muitos consideram que Manet usou um espelho plano em sua obra. Com base nisso, identifique a localização desse espelho e analise se a imagem refletida corresponde à imagem que Manet observaria nesse espelho.

5. III) Resposta: Falsa. Na fotografia b, a imagem da peça é virtual, direita e menor do que o objeto. 5. IV) Resposta: Falsa. Na fotografia c, a imagem da peça é direita, maior e virtual, assim ela foi colocada entre o foco e o vértice do espelho.

Peça “cavalo” do jogo de xadrez diante de um espelho convexo, em (1), e de um espelho côncavo, em (2).

c) Fotos: GIPhotoStock/ Science Source/Fotoarena

Sergio Lima/ Arquivo da editora

garota

Peça “cavalo” do jogo de xadrez diante de um espelho convexo.

Peça “cavalo” do jogo de xadrez diante de um espelho côncavo.

I ) Na fotografia a, de acordo com a reflexão, o objeto está localizado antes do foco do espelho côncavo (2). Resposta: Verdadeira. II ) Na fotografia a, o espelho (1) conjuga uma imagem virtual, direita e menor. Resposta: Verdadeira.

III ) A peça da fotografia b possui uma imagem real, direita e do mesmo tamanho. Um bar no Folies Bergère, de Édouard Manet. Óleo sobre tela, 96 cm × 130 cm. Courtauld Institute of Art, em Londres, 1882.

132

IV ) A peça da fotografia c foi colocada atrás do centro de curvatura do espelho côncavo, pois sua imagem é real, invertida e maior.

3. Resposta: Nessa obra, há a impressão de que o reflexo do espelho localizado atrás da garçonete está errado, pois ela aparenta estar de frente para Manet, enquanto seu reflexo está de lado.

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3. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que a fibra óptica é utilizada para transferir dados de telefonia, televisão e internet, bem como em exames e procedimentos médicos como endoscopias. asharkyu/Shutterstock.com

Refração da luz

UNIDADE

3. Na fotografia, podemos ver um conjunto de fibras ópticas. Você conhece alguma utilização para essa tecnologia?

Como vimos anteriormente, a refração da luz ocorre quando ela passa de um meio para outro. Isso altera a velocidade de propagação da luz e pode também mudar sua trajetória. Esse fenômeno é o princípio de funcionamento das fibras ópticas, que transmitem informações em alta velocidade, na forma de luz. A luz se propaga com velocidade máxima de 3 · 1 0 8 m/s no vácuo, aproximadamente. No ar, sua velocidade é muito próxima disso, portanto, podemos considerar o mesmo valor em nossos cálculos.

Conjunto de fibras ópticas.

Dica Consideramos que a luz se propaga em meios físicos transparentes, homogêneos (com composição uniforme) e isotrópicos (com as mesmas propriedades físicas), pois dessa forma sua velocidade é a mesma em todas as direções.

A propriedade dos meios físicos responsável por indicar o quanto a velocidade da luz é reduzida é chamada de refringência. Em um meio diferente do vácuo, a velocidade da luz ( v) será sempre menor do que c , e tal característica é dada pelo seu índice de refração absoluto ( n), que apresenta a relação entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz no meio ( v), ou seja: c n = _ v

Dica A velocidade da luz no meio é inversamente proporcional ao índice de refração n. Quanto maior for o índice de refração de um material, menor será a velocidade da luz nesse meio.

Como o índice de refração ( n) é determinado pela razão entre duas velocidades, seu valor numérico é adimensional, isto é, sem unidade de medida. Conforme já apresentado, na água, a luz tem velocidade de aproximadamente 2 ,25 · 10 8m/s, portanto seu índice de refração pode ser calculado como: 3 · 10 8 c n = _ ⇒  n = _ ∴ n ≃ 1 ,33 v 2,25 · 10 8

Confira na tabela o índice de refração de alguns meios para a luz de sódio amarela (λ = 5 89 nm). Note que o menor índice de refração é o do vácuo (nvácuo = 1), pois, nesse caso, a velocidade da luz é igual a c . Na prática, consideramos o índice de refração do ar também igual a 1 ( nar = 1). Índice de refração de alguns meios Meio

Índice de refração

vácuo

ar (CNTP)

1,00029

água (H2 O)

1,33

álcool etílico (C2 H6 O)

1,36

vidro (baixa dispersão)

1,52

diamante

2,42

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. 9. ed. rev. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v. 4. p. 18.

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loskutnikov/Shutterstock.com

A atmosfera terrestre é dinâmica e, por isso, pode apresentar camadas com diferentes temperaturas e densidade. Esse índice de refração pode variar por causa da temperatura e densidade do ar. 4. Na fotografia, podemos ver uma miragem, na qual aparentemente

há uma porção de água no meio do deserto. Por que você acha que Ao atravessar camadas de ar com diferentes índices isso ocorre? Resposta: de refração, a luz tem sua trajetória desviada.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Refração da luz causada pela alta temperatura do ar próximo à superfície em Aswan, no Egito, em 2018.

Quando um raio de luz incide obliquamente em uma superfície que separa dois meios homogêneos transparentes diferentes, a refração da luz é evidenciada por um desvio em sua trajetória, como representado na imagem. O raio que chega à superfície é denominado raio incidente, e o raio que atravessou a superfície e teve sua velocidade alterada é o raio refratado. Tanto o ângulo de incidência (ˆi ) quanto o ângulo de r ) devem ser medidos em relação a uma direção normal refração ( ˆ (N) à superfície de separação dos meios, considerando o ponto em que ocorreu a refração. Se essa interface for plana, dizemos que o conjunto corresponde a um dioptro plano, assunto que será abordado mais adiante.

lentes da ocular

lentes da objetiva

Radiografia de um microscópio óptico. Andrew Lambert Photography/SPL/Fotoarena

Como já estudado no capítulo anterior, os microscópios ópticos produzem imagens aumentadas dos objetos por meio da refração da luz nas associações de lentes. Observe os conjuntos de lentes que auxiliam na formação da imagem por esse aparelho.

Gustoimages/SPL/Fotoarena

As leis da refração

Com base no princípio da propagação retilínea da luz, na relação entre os índices de refração absolutos dos meios e nos ângulos de incidência e refração, é possível compreender as leis que regem esse fenômeno. pedaço de vidro

Refração da luz ao mudar o meio de propagação.

Primeira lei: os raios de luz incidente e refratado e a normal pertencem ao mesmo plano. Segunda lei ou lei de Snell-Descartes: o ângulo de incidência, o ângulo de refração e os índices de refração dos meios envolvidos Ae Bestão relacionados da seguinte forma: i = nB · s en ˆ r nA · sen ˆ

î

meio A meio B r̂

Sergio Lima/Arquivo da editora

Representação de um raio de luz refratando de um meio para outro.

Dica Acesse o site do PhET Interactive Simulations e explore o comportamento da luz ao refratar entre dois meios com diferentes índices de refração. Disponível em: https://phet.colorado.edu/sims/html/bending-light/latest/bending-light_pt_BR.html. Acesso em: 30 jul. 2024.

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UNIDADE

2 Pela lei da refração de Snell-Descartes, é possível determinar o desvio da trajetória de um raio de luz emitido em certo ponto do meio Aque refrata para um meio B. Confira a seguir algumas características desses desvios. B.

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

î

meio A meio B

Representação de um raio passando do meio Apara o meio B.

Representação de um raio de luz refratando de um meio para outro sem sofrer desvio.

meio A meio B r̂

r̂

nA , nB

Representação de um raio passando do meio Apara o meio B.

A. O raio refratado se aproxima da reta normal quando passa de um meio menos refringente para um r , por causa da redução da velocidade da luz. mais refringente, ou seja, ˆ i > ˆ B. O raio refratado se afasta da reta normal quando passa de um meio mais refringente para um menos ˆ r , por causa do aumento da velocidade da luz. i < refringente, ou seja, ˆ C. O raio refratado não sofrerá desvio na trajetória se o raio incidente atingir perpendicularmente a su °. perfície de separação entre os meios, ou seja, se o ângulo de incidência em relação à normal for 0

Refração em um dioptro plano B. Fotos: José Vitor Elorza/ ASC Imagens

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Caneca (A) com moeda em seu interior.

Caneca (B) com moeda e água em seu interior.

As fotografias foram registradas com a câmera fotográfica e a caneca nas mesmas posições, em dois momentos distintos. A fotografia (A) mostra a caneca com uma moeda em seu interior, embora ela não esteja visível. Na fotografia (B), ao acrescentar água à caneca, foi possível observar parte da moeda. 5. Se a moeda não mudou de posição, por que você acha que foi possível enxergá-la na fotografia B? Resposta: Por causa da refração da luz, que causou a mudança na sua trajetória de propagação.

Quando a água foi adicionada, a luz refletida pela moeda sofreu refração ao passar da água para o ar, afastando-se da normal e atingindo a câmera fotográfica ou os olhos do observador.

Por causa desse fenômeno, o observador vê a imagem da moeda acima de onde ela realmente está. Representação da situação da moeda no interior da caneca com água.

água nobjeto

p’ p

imagem moeda

Sergio Lima/Arquivo da editora

Nesse e em outros casos, a água e o ar configuram um dioptro plano, ou seja, dois meios transparentes e homogêneos separados por uma superfície plana. Essa configuração é utilizada para representar os desvios da trajetória da luz causados pela refração.

N ar nobservador

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Para pequenos ângulos de incidência, ou seja, visualizações próximas à normal (N), a relação entre a profundidade real ( p) de um objeto e a profundidade aparente ( p’)  da imagem, em um dioptro plano, é dada por:

Os pescadores indígenas aplicam, baseado em experiências cotidianas, a relação entre a profundidade real e a profundidade aparente ao observar peixes na água. Eles não lançam suas flechas ou arpões diretamente na posição onde veem os peixes, mas sim em um ponto estrategicamente abaixo.

água

imagem

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

Esse método se dá devido ao fenômeno da refração da luz. Quando a luz atravessa a superfície da água para o ar, ela sofre um desvio em sua trajetória, fazendo parecer que o peixe está em uma posição ligeiramente diferente da real. Dessa maneira, os pescadores experientes ajustam seus arremessos levando em conta essa refração, garantindo uma eficácia maior na captura dos peixes necessários para sua alimentação e sobrevivência.

objeto

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

observador p’ n _= _ nobjeto p

Representação da posição aparente de um peixe na água.

Ângulo limite e reflexão total da luz Russel Kightley/SPL/Fotoarena

Em certas circunstâncias, a luz pode ser totalmente refletida em uma interface que separa dois meios, mesmo quando o segundo material é transparente, como na utilização das fibras ópticas. A fotografia mostra como isso ocorre, fazendo incidir vários raios de luz na interface que separa dois meios. Observe que a partir de certo ângulo de incidência ocorre a reflexão interna total. Representação da refração e da reflexão interna quase total.

Quando o ângulo de incidência ˆi atinge o ângulo limite para a refração, reL , o ângulo de refração é igual a 90°. presentado por ˆ

Quando o ângulo de incidência ˆ i assume um valor maior do que o ângulo L , a luz não vai mais refratar do meio mais refringente para o meio melimite ˆ nos refringente, ocorrendo a chamada reflexão total. A reflexão total da luz só ocorre quando a luz tem sentido de propagação de um meio com maior índice de refração para um meio com menor índice de refração. De acordo com a lei da refração, lei de Snell-Descartes, o ângulo limite pode ser obtido da seguinte forma:

rˆ 5 iˆ iˆ . L̂

Sergio Lima/Arquivo da editora

Representação da reflexão total da luz.

nmaior · sen ˆi = n menor · sen ˆ r ⇒ n maior · s en ˆ L = nmenor · sen 90° ⇒ nmenor L = nmenor · 1 ∴ s en ˆ L = _ ⇒ nmaior · sen ˆ nmaior

Da água para o ar, o ângulo limite é cerca de 49°.

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Formação da imagem em lentes esféricas 6. Cite alguns instrumentos que utilizam lentes.

UNIDADE

2 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Resposta: Os estudantes podem citar óculos, máquinas fotográficas, microscópios, lunetas, entre outros. life-literacy/Shutterstock.com

As lentes são sistemas ópticos transparentes, homogêneos e limitados por duas superfícies, das quais ao menos uma delas é curva. Dependendo das características da lente, índice de refração do material e curvatura da superfície, a luz refratada por ela pode produzir imagens nítidas. Entre alguns usos das lentes, podemos destacar os óculos, as lentes de contato, as lentes de aumento ou lupas, as lunetas astronômicas ou telescópios e as máquinas fotográficas. Pessoa colocando uma lente de contato.

Quando a lente possui pelo menos uma das superfícies ou faces com forma equivalente à de uma calota esférica, dizemos que ela é uma lente esférica. Se a espessura das bordas é menor do que a espessura da região central, temos uma lente chamada convergente. Caso contrário, temos uma lente chamada divergente. O nome de cada lente é composto primeiro pelo nome da curvatura da face de maior raio. No caso das faces planas, consideramos que possuem raio de curvatura infinito. Dica Se você usa óculos ou lentes de contato para enxergar de perto e ler este livro, você está vendo essas palavras por meio de lentes delgadas.

Representação de lente convergente biconvexa.

Representação de lente convergente plano-convexa.

Representação de lente convergente côncavo-convexa.

As lentes D, E e F são exemplos de lentes divergentes.

Representação de lente divergente bicôncava.

Representação de lente divergente plano-côncava.

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

As lentes A, B e C são exemplos de lentes convergentes.

Representação de lente divergente convexa-côncava.

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

As lentes esféricas podem ser classificadas de acordo com o modo como elas desviam a trajetória dos raios de luz. São consideradas lentes convergentes quando um feixe de raios paralelos é refratado formando um feixe de raios convergentes. São consideradas lentes divergentes quando o feixe de raios paralelos refratado forma um feixe de raios divergentes.

Representação da refração da luz em uma lente convergente. Os tracejados representam a direção normal.

Representação da refração da luz em uma lente divergente. Os tracejados representam a direção normal.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

Quando imersas em um meio menos refringente como o ar, as lentes, cuja espessura das bordas é menor do que a da região central, têm comportamento convergente, e as de bordas maiores têm comportamento divergente. Adotaremos representações esquemáticas simplificadas para as lentes, com base em seu comportamento, independentemente de seu formato.

Representação de lente convergente.

Representação de lente divergente.

Elementos geométricos das lentes esféricas Para estudar o comportamento da luz refratada por uma lente, é necessário definir seus elementos geométricos. • Os pontos C1 e C2 correspondem ao centro de curvatura das faces da lente.

O C1

• Os pontos V1e V2são os vértices da face.

Sergio Lima/Arquivo da editora

lente biconvexa

V1 C2

• A distância entre os vértices (V1 e V 2) corresponde à sua espessura (e).

• A linha que passa pelos centros de curvatura de suas duas superfícies representa o eixo principal.

Representação dos elementos geométricos de uma lente biconvexa.

• O ponto Ocorresponde ao centro óptico da lente.

Foco principal e distância focal Quando um feixe de raios luminosos incide de forma paralela ao eixo principal de uma lente convergente, os raios refratados convergem e encontram-se em um ponto chamado foco principal imagem (F’). Nesse tipo de lente, F’possui natureza real, pois corresponde ao encontro efetivo dos raios refratados.

lente biconvexa raios refratados

Raios paralelos convergindo após refratar em uma lente.

Sergio Lima/Arquivo da editora

raios incidentes

David Parker/SPL/Fotoarena

O ponto do eixo principal, simetricamente oposto a F ’em relação ao centro O, é definido como foco principal objeto ( F). Para a lente convergente, Ftambém é real.

F’

eixo principal

Representação de raios paralelos refratando em uma lente convergente.

raios incidentes lente bicôncava raios refratados

Raios paralelos divergindo após refratar em uma lente.

Sergio Lima/Arquivo da editora

fonte de luz

Russel Kightley/ SPL/Fotoarena

Nas lentes divergentes, F’possui natureza virtual, pois é formado a partir do encontro dos prolongamentos dos raios de luz refratados. O foco principal objeto F também possui natureza virtual nessas lentes, já que se trata do prolongamento dos raios incidentes que passam por esse foco.

F’

eixo principal

Representação de raios paralelos refratando em uma lente divergente.

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Considerando tanto as lentes convergentes como as divergentes, a distância entre F’ e o centro O da lente é chamada de distância focal imagem f ’, e a distância entre Fe o centro Oda lente é definida como distância focal objeto f. Essas distâncias são iguais.

UNIDADE

Para as lentes produzirem imagens nítidas, elas devem obedecer às condições de nitidez de Gauss, isto é, as lentes devem ser delgadas e os raios de luz devem incidir com pequena inclinação e próximos ao seu eixo principal.

Construção geométrica de imagens em lentes esféricas Para determinar geometricamente a imagem conjugada por uma lente, é necessário conhecer o cruzamento de dois raios de luz ou de seus prolongamentos que, partindo do objeto, foram refratados pela lente. Podemos utilizar somente os raios notáveis. 1. Raio de luz que incide na lente paralelamente ao eixo principal é refratado na direção do foco imagem F ’.

F’

A’

eixo principal

Representação de refração de raio de luz que incide paralelamente ao eixo principal em lente convergente.

A’

F’

eixo principal

Representação de refração de raio de luz que incide paralelamente ao eixo principal em lente divergente.

2. Raio de luz que incide na lente passando pelo foco objeto F, ou na direção do foco objeto, é refratado paralelamente ao eixo principal.

F’

A’

F’

Representação de refração de raio de luz que incide passando pelo foco objeto em lente convergente.

Representação de refração de raio de luz que incide na direção do foco objeto em lente divergente.

F’

A’

Representação de refração de raio de luz que incide passando pelo centro óptico em lente convergente.

A’

F’

F O

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

3. Raio de luz que incide na lente passando pelo centro óptico Oé refratado sem sofrer desvio.

Representação de refração de raio de luz que incide passando pelo centro óptico em lente divergente.

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06/11/2024 16:26:38

F’

A’

Representação de refração de raio de luz que incide passando pelo ponto antiprincipal em lente convergente.

F’

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

4. Raio de luz que incide na lente passando pelo ponto antiprincipal Aé refratado em direção ao ponto antiprincipal A’.

Representação de refração de raio de luz que incide na direção do ponto antiprincipal em lente divergente.

O quarto raio notável é determinado com base nos pontos antiprincipais, como mostrado na imagem anterior. Nas lentes, esses pontos são representados por A e A ’, e encontram-se a uma distância do vértice da lente equivalente ao dobro da distância focal ( f), isto é, ( A = A’= 2 · f). Note que o ponto antiprincipal ( A’)  da lente divergente fica antes da lente, por isso temos de prolongar os raios incidentes e refratados que se propagam em direção a esses pontos ou se afastam deles.

As lentes divergentes conjugam somente um tipo de imagem, independentemente da posição do objeto. Por causa das características da lente, os raios não se cruzam após serem refratados, e a imagem é obtida a partir de seus prolongamentos, sendo virtual, direita e menor.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Imagem em lentes divergentes objeto A’

Representação da formação de uma imagem em uma lente divergente.

F’ imagem

Imagem em lentes convergentes As lentes convergentes produzem imagens com características diferentes, dependendo da distância (p) que o objeto está da lente. Dica Para determinar as imagens formadas pelas lentes, siga os mesmos procedimentos utilizados nos espelhos esféricos. Os objetos são representados por uma seta e os raios notáveis são traçados a partir de sua extremidade.

Objeto além do ponto antiprincipal

F’

Representação da formação da imagem de um objeto posicionado antes do ponto antiprincipal.

Ronaldo Nespolo/Shutterstock.com

Sergio Lima/Arquivo da editora

Quando um objeto de tamanho ( o) está sobre o eixo principal de uma lente convergente, além de seu ponto antiprincipal, a imagem conjugada (i) é formada pelo cruzamento efetivo dos raios refratados pela lente, portanto ela é real, invertida e menor. Imagens desse tipo são vistas quando observamos objetos distantes através de uma lupa, por exemplo.

A’

Lupa.

140

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Objeto sobre o ponto antiprincipal

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Se o objeto estiver sobre o ponto antiprincipal, novamente a imagem será real, invertida, mas agora do o). mesmo tamanho que o objeto, portanto ( i =

A’ A

F’

UNIDADE

Representação da formação de uma imagem com o objeto sobre o ponto antiprincipal.

Objeto entre o ponto antiprincipal e o foco

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Quando o objeto fica entre o ponto antiprincipal e o foco da lente convergente, a imagem formada é real, invertida e maior. Por exemplo, em um projetor, o objeto é colocado invertido entre o ponto antiprincipal e o foco da lente. A lente produz uma imagem real, maior e invertida, por isso a imagem projetada aparece direita na tela.

F’

A’

Representação da formação de imagem com o objeto entre o ponto antiprincipal e o foco.

Objeto sobre o foco

Sergio Lima/ Arquivo da editora

Se o objeto for posicionado sobre o foco de uma lente convergente, os raios refratados e seus prolongamentos serão paralelos.

F’

A’

Representação da formação de imagem com o objeto sobre o foco de uma lente convergente.

Objeto entre o foco e a lente Com o objeto colocado entre o foco e a lente convergente, os raios refratados não se cruzam. Portanto, devemos fazer seu prolongamento, o que produz uma imagem virtual, direita e maior.

Rawpixel/Shutterstock.com

Essa é a principal função das lupas. Colocando uma lupa próxima ao objeto, ela fornece uma imagem direita e aumentada, proporcionando a visualização de detalhes imperceptíveis a olho nu.

Sergio Lima/ Arquivo da editora

imagem

F’

A’

objeto

Representação da formação de imagem com o objeto entre o foco e a lente.

Dica As imagens virtuais produzidas pelas lentes ficam do mesmo lado que o objeto, e as imagens reais ficam do lado oposto, diferentemente do que ocorre nos espelhos esféricos.

Botânico utilizando a lupa para observar detalhes de uma folha.

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PRÁTICA CIENTÍFICA Imagens em lentes e espelhos esféricos Por dentro do contexto

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia. Pierre Jean Durieu/Shutterstock.com

Lentes e espelhos esféricos desempenham um papel crucial em diversos contextos, desde a correção da visão até a ampliação de imagens em instrumentos ópticos avançados. Eles são componentes essenciais em tecnologias que abrangem a fotografia, a astronomia, a medicina e o entretenimento, melhorando a qualidade de vida e possibilitando inovações significativas. No entretenimento, por exemplo, em alguns festivais ou celebrações, imagens são projetadas nas fachadas dos edifícios, transformando-os em grandes telas e embelezando o espetáculo. a ) É possível projetar imagens utilizando espelhos?

Projeção de imagens na fachada de basílica na cidade de Lyon, na França, em 2022.

Que tipo de lente deve ser usada para fazer isso?

a) Resposta: Os estudantes podem comentar que é possível projetar imagens utilizando espelhos esféricos côncavos, dependendo da distância da imagem ao espelho. Além disso, para se projetar imagens por meio de lentes, deve-se Materiais utilizar uma lente convergente.

• garrafa PET de 2 litros • papel espelhado ou embalagem espelhada • pente

• tesoura

• lanterna

• fio de arame fino

• fita adesiva • recipiente com água • lápis grafite

Como proceder A. Após lavar e secar a garrafa PET, corte as partes superior e inferior utilizando a tesoura, deixando apenas o cilindro central, conforme demonstrado na imagem. Cuidado Imagem referente à etapa A.

B. Corte o cilindro de modo que sejam formadas duas semicircunferências. C. Corte o papel espelhado com a altura ligeiramente maior do que as semicircunferências. Depois, cole-o no interior de uma das semicircunferências utilizando a fita adesiva, com a superfície espelhada do papel voltada para dentro.

papel espelhado no interior da semicircunferência

Dica Utilize pouca fita adesiva, para que a superfície espelhada fique o mais lisa possível. Dessa maneira, não haverá distorções nos raios de luz.

Imagem referente à etapa C.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

É possível utilizar um estilete em vez da tesoura. Para isso, peça a ajuda de um adulto.

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UNIDADE

2 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

D. Em uma superfície plana, posicione o pente em frente 6. Resposta: Como o índice de refração da água é maior que o do ar, a lente biconvexa à semicircunferência e aponte a luz da lanterna através comporta-se como convergente. Esse tipo dos dentes do pente, em direção à face interna refletora. de lente é capaz de projetar imagens, pois em certas condições forma Mova a direção de incidência da luz da lanterna, observe imagens reais. o comportamento dos feixes de luz refletidos e anote em seu caderno. E. Repita a etapa D utilizando a face externa da semicircunferência. Observe o comportamento da luz refletida e anote em seu caderno.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

ciências ciências

Professor, professora: os raios refletidos pelo espelho não foram representados na imagem para não comprometer a realização da atividade.

Imagem referente à etapa D.

F. Agora, enrole o arame ao redor do lápis, dando apenas uma volta, de modo a formar uma espira. Depois, mergulhe a espira no pote com água a fim de que uma gota fique presa em seu interior. 3. Resposta: Os estudantes podem aumentar e diminuir a curvatura da semicircunferência côncava para verificar a situação descrita.

Imagem referente à etapa F. Espera-se que eles mencionem que para a curvatura menor o ponto focal se distancia do espelho. Por outro lado, quando a curvatura aumenta, o ponto focal se aproxima do espelho.

G. Aproxime a gota no arame de objetos próximos, mas sem encostar. Observe o que ocorre e anote em 4. Resposta: Os raios notáveis observados são: raio paralelo ao eixo principal: após ser refletido, passa pelo ponto seu caderno. focal (no espelho côncavo) ou parece vir do ponto focal (no espelho convexo); raio que passa pelo foco: após ser refletido, torna-se paralelo ao eixo principal; raio que passa pelo centro de curvatura: é refletido de volta na mesma direção de onde veio, pois incide perpendicularmente à superfície do espelho. Respostas das questões 7, 8 e 9 nas Orientações para o professor.

Análise e divulgação

1. Qual é o primeiro tipo de espelho construído no experimento? Como o comportamento dos raios de luz no procedimento D colaboram para a sua resposta? Resposta: Espelho côncavo (convergente), pois os raios de luz que

incidem paralelamente ao eixo principal convergem para o ponto focal.

2. Qual é o segundo tipo de espelho construído no experimento? Como o comportamento dos raios de luz no

procedimento E colaboram para a sua resposta? Resposta: Espelho convexo (divergente), pois os raios de luz que incidem

paralelamente ao eixo são refletidos de forma a parecer que estão divergindo do ponto focal, localizado atrás do espelho.

3. Se o espelho côncavo que você construiu tivesse uma curvatura menor (mais plano), como isso afetaria a posição focal? Compare com o que aconteceria em um espelho com maior curvatura.

4. Durante a análise dos espelhos, foi possível identificar três tipos de raios notáveis: o raio que passa pelo foco, o que passa pelo centro de curvatura e o que incide paralelamente ao eixo principal. Como cada um desses raios se comporta ao ser refletido? Desenhe e descreva as trajetórias.

5. Como a tensão superficial da água contribui para a formação da lente biconvexa construída na etapa F? 6. Faça uma pesquisa e defina se a lente produzida pela gota de água é convergente ou divergente. Essa lente é capaz de projetar imagens? Justifique sua resposta.

7. Ao observar a gota de água que você usou como lente, de que modo as imagens dos objetos mudaram ao serem observadas através da gota? Que propriedades da água e da forma da gota contribuem para o aumento das imagens?

8. Se você mudar o tamanho da gota de água usada como lente, como isso afetaria o aumento da imagem que você observa? Justifique sua resposta com base no comportamento das lentes convergentes e na forma da gota de água.

9. Em grupos de três integrantes, pesquisem as diversas aplicações científicas e tecnológicas que utilizam lentes e espelhos esféricos. Em seguida, façam um vídeo com os resultados da pesquisa e a importância dos itens pesquisados para a humanidade. Divulguem o vídeo em suas redes sociais.

5. Resposta: A tensão superficial da água forma uma gota quando presa na argola de arame, que adquire um formato curvo, criando uma lente biconvexa natural.

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06/11/2024 16:26:40

CONEXÕES com ... GEOGRAFIA

Sistema de alerta de terremotos e tsunamis com fibra óptica A crosta terrestre é composta de grandes blocos rochosos, chamados placas tectônicas. Essas placas estão em constante movimento, de forma lenta e em diferentes direções. O choque causado pelo movimento das placas é denominado abalo sísmico (ou sismo), que por sua vez é responsável por eventos como terremotos (áreas terrestres continentais) e maremotos ou tsunamis (assoalhos oceânicos).

Aparelhos como os sismógrafos são instalados em pequenas cavidades de vários pontos da superfície terrestre para captar ondas sísmicas emitidas das energias liberadas pelos sismos no interior da Terra. Com a captação dessas ondas, é possível prever o tempo para a chegada dos eventos e a sua intensidade, tornando possível alertar populações que vivem em áreas de risco, e propor medidas preventivas para minimizar acidentes.

Belish/Shutterstock.com

Em razão dos efeitos causados por esses fenômenos, sistemas de monitoramento e de alertas foram criados para registrar a ocorrência e a intensidade dos abalos sísmicos.

Sismógrafo.

Durante as pesquisas, os sinais que viajam com a velocidade da luz registraram dezenas de ruídos que posteriormente resultaram em tremores de média e forte intensidade na superfície terrestre. Com isso, chegou-se à conclusão de que, à medida que a) Resposta: É as ondas sísmicas percorrem o interior da Terra, elas possível identificar a provocam pequenos movimentos nos cabos de fibra intensidade dos eventos e óptica e, assim, alteram o tempo de propagação da luz calcular seu no envio dos sinais. Essas alterações podem servir para tempo de chegada até Fibra óptica. gerar alertas mais rápidos que os sistemas atuais. atingir a superfície terrestre. Essas informações servem de alerta para as populações em risco e para a implantação de medidas de urgência dos governos locais para minimizar acidentes mais graves e evitar vítimas.

asharkyu/Shutterstock.com

Apesar do uso de sismógrafos ser uma das técnicas mais importantes e eficientes para identificar atividades sísmicas, novas técnicas estão sendo estudadas para auxiliar os sistemas de monitoramento e alerta. Pesquisadores dos Estados Unidos e da Europa verificaram recentemente a possibilidade da utilização de redes de fibra óptica como sensores e sistema de alerta de sismos. Por meio de pesquisas, foi percebido que os tremores provocam ruídos e oscilações nos sinais de internet transmitidos pelas redes posicionadas no fundo dos oceanos.

Embora os estudos apontem que as fibras ópticas são sensíveis aos tremores, seu uso ainda segue indisponível nos centros de monitoramento por conta dos elevados custos para a implantação dos instrumentos necessários para serem anexados aos cabos. No entanto, alternativas mais acessíveis estão sendo trabalhadas para que em breve um sistema de identificação sísmica por meio de fibras ópticas se torne realidade. a ) Qual é a importância dos sistemas de monitoramento e alertas de eventos sísmicos como terremotos e tsunamis? b ) Em sua opinião, em que um sistema de maior velocidade pode favorecer os alertas de sismos? Converse com os colegas sobre o assunto.

Ondas sísmicas: energia de vibração que se propaga pela Terra causada por um sismo.

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar, por exemplo, que um sistema de alerta precoce pode contribuir para que haja mais tempo para evacuação e promover a proteção das pessoas em áreas de risco.

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06/11/2024 16:26:41

ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

tes meios materiais, classifique as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas.

4. Um raio de luz propagando-se do meio material zpara o ar é descrito na imagem a seguir.

I ) A velocidade de propagação da luz depende do meio material no qual está inserida. Resposta: Verdadeira.

II ) O feixe de luz, ao atravessar de um meio mais refringente para um meio menos refringente, sofre o efeito de refração e vice-versa. Resposta: Verdadeira.

III ) Ao incidir sobre uma superfície de separação de meios, o feixe de luz sofre alteração na sua velocidade de propagação, que diminui quando passa para um meio de maior refringência. Resposta: Verdadeira. IV ) A velocidade da luz em qualquer meio sempre será maior do que a velocidade da luz no Falsa. A velocidade da luz em vácuo. Resposta: qualquer meio nunca será maior do que a velocidade da luz no vácuo.

2. Na figura a seguir, um raio de luz partindo do

meio 1 refrata-se ao penetrar o meio 2 e refrata-se novamente ao atravessar mais uma vez para o meio 1. Os ângulos ˆ x , ˆ y e ˆ z são ângulos retos. Qual é a opção que melhor representa o caminho ou a trajetória do raio de luz após a segunda refração sofrida?

meio z

î p Representação de um raio de luz refratando-se do meio z para o ar.

Foram medidas as distâncias p = 3 0 cm e q = 50 cm. Calcule o índice de refração no meio z .

1 ,67. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: nz ≃

5. Um raio de luz incide no ponto S com um ângulo

de incidência de 30°na superfície de separação entre o meio A e B, com índices de refração 1 e nB, respectivamente. No interior do meio B , o raio passa pelo foco principal F de um espelho côncavo. Confira a figura a seguir.

ŷ

3 4 ẑ

meio A meio B C

308

158

Raio de luz refratando-se ao passar de um meio para outro.

a) 1

b) 2 c) 3 d) 4 e) 5

Resposta: Alternativa d.

3. Qual é a velocidade da luz no silício (Si), sabendo

que a velocidade da luz no gelo é 2,3 · 108m/se que a razão entre o índice de refração do gelo e do silício é, aproximadamente, 0,39? Qual é o índice de refração do silício? Qual é o índice de refração do gelo? Resposta: vSi = 0,9 · 10 8m/s, nSi = 3,33e ngelo ≃ 1 ,30. Resolução nas Orientações para o professor.

Sergio Lima/Arquivo da editora

meio 1

meio 2

r̂ Sergio Lima/Arquivo da editora

1. De acordo com a velocidade da luz nos diferen-

x̂

UNIDADE

Representação de um raio de luz refratando-se de um meio Apara um meio B.

Determine o índice de refração nB e o ângulo de refração quando o raio volta para o meio Aapós a reflexão sobre o espelho côncavo. Utilize Resposta: nB ≃ 1,92e ˆ r = 0. 1 sen 30° = _ e sen 15° = 0,26. Resolução nas Orientações 2 para o professor.

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06/11/2024 16:26:41

6. Um estudante deseja concentrar a luz do Sol

em um único ponto a fim de obter um forno solar. Para ter sucesso, qual das lentes listadas a seguir o estudante deverá utilizar? Justifique as escolhas.

7. Classifique a imagem do objeto para cada caso

apresentado e faça a construção gráfica das professora: As legendas das imagens imagens. Professor, não foram inseridas para não comprometer a realização da atividade.

A. o

II.

F’ A. o F

F’

B. o

IV.

V B. o V

C i

C. o

Professor, professora: A legenda das imagens não foi inserida para não comprometer a resolução da atividade.

F’

F C. o F’

i O

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Ilustrações: Sergio Lima/ Arquivo da editora

III.

D. o

a ) Somente I e III. b ) Somente I e IV. c ) Somente I e V.

Resposta: Alternativa a. Para focalizar a luz, são necessárias lentes convergentes como as representadas em I e III.

d ) Somente II e III.

D. o

i V

e ) Somente II, III e V.

RETOME O QUE ESTUDOU Resposta nas Orientações para o professor.

Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir.

1. Explique de que forma o campo magnético terrestre protege o planeta e contribui para a existência de vida na Terra.

2. Como o experimento do físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) pode ser relacionado ao campo magnético da Terra?

3. As leis da reflexão são válidas para quais situações? (Em relação à reflexão em espelhos planos ou esféricos e reflexão difusa.)

4. Explique quais são as principais estruturas e fenômenos responsáveis pela formação das imagens nos microscópios ópticos, nos telescópios refratores e nos telescópios refletores.

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08/11/2024 15:19:01

MAIS QUESTÕES 1. (Mack-SP) Considere as seguintes afirmações. I ) A denominação de polo norte de um ímã é a região que se volta para o Norte geográfico da Terra e polo sul a região que volta para o Sul geográfico da Terra. II ) Ímãs naturais são formados por pedras que contêm óxido de ferro (Fe  3O  4), denominadas magnetitas. III ) Ímãs artificiais são obtidos a partir de processos denominados imantação. Com relação às afirmações, podemos dizer que a ) apenas I é correta.

Resposta: Alternativa e.

b ) apenas I e II são corretas.

c ) apenas I e III são corretas. d ) apenas II e III são corretas. e ) todas são corretas.

2. (Enem/MEC) Um guindaste eletromagnético de um ferro-velho é capaz de levantar toneladas de sucata, dependendo da intensidade da indução magnética em seu eletroímã. O eletroímã é um dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, sendo geralmente construído enrolando-se um fio condutor ao redor de um núcleo de material ferromagnético (ferro, aço, níquel, cobalto).

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

a ) F = 1,6 · 10−17 N

b ) F = 3,2 · 10−17N −17

c ) F = 4,8 · 10 N

d ) F = 6,4 · 10−17N e ) F = 8 ,0 · 10−17 N

Resposta: Alternativa c. Resolução nas Orientações para o professor.

4. (Enem/MEC) Para demonstrar o processo de trans-

formação de energia mecânica em elétrica, um estudante constrói um pequeno gerador utilizando: • um fio de cobre de diâmetro Denrolado em N espiras circulares de área A; • dois ímãs que criam no espaço entre eles um campo magnético uniforme de intensidade B; e • um sistema de engrenagens que lhe permite girar as espiras em torno de um eixo com uma frequência f.

Ao fazer o gerador funcionar, o estudante obteve uma tensão máxima Ve uma corrente de curto-circuito i. Para dobrar o valor da tensão máxima Vdo gerador mantendo constante o valor da corrente de curto i, o estudante deve dobrar o(a) a ) número de espiras. b ) frequência de giro. c ) intensidade do campo magnético. d ) área das espiras. e ) diâmetro do fio.

Resposta: Alternativa a.

5. (Enem/MEC) A magnetohipertermia é um pro-

d ) Corrente que circula pelo fio.

cedimento terapêutico que se baseia na elevação da temperatura das células de uma região específica do corpo que estejam afetadas por um tumor. Nesse tipo de tratamento, nanopartículas magnéticas são fagocitadas pelas células tumorais, e um campo magnético alternado externo é utilizado para promover a agitação das nanopartículas e consequente aquecimento da célula.

e ) Permeabilidade relativa do núcleo.

A elevação de temperatura descrita ocorre porque

Para aumentar a capacidade de carga do guindaste, qual característica do eletroímã pode ser reduzida? Resposta: Alternativa b. a ) Diâmetro do fio condutor. b ) Distância entre as espiras. c ) Densidade linear de espiras.

3. (UFPR) Uma partícula com uma carga elétrica

= 1,6 · 10−19Ctem uma velocidade de módulo Q v = 5,0 · 104 m / s. Num dado instante, ela entra numa região onde há um campo magnético de módulo B = 10 mT. Nesse instante, o ângulo entre o campo magnético e a velocidade da partícula vale θ , e sabe-se que cos θ = 0,80 e sen θ = 0,60. Considerando as informações apresentadas, assinale a alternativa que apresenta corretamente o valor do módulo F da força magnética que surge sobre a partícula quando ela entra na região onde há o campo magnético.

a ) o campo magnético gerado pela oscilação das nanopartículas é absorvido pelo tumor. b ) o campo magnético alternado faz as nanopartículas girarem, transferindo calor por atrito. c ) as nanopartículas interagem magneticamente com as células do corpo, transferindo calor. d ) o campo magnético alternado fornece calor para as nanopartículas que o transfere às células do corpo. e ) as nanopartículas são aceleradas em um único sentido em razão da interação com o campo magnético, fazendo-as colidir com as células e transferir calor. Resposta: Alternativa b.

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06/11/2024 16:27:49

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

6. (Enem/MEC) Claude Monet, influenciado por

Turner, passou a pintar temas que apresentassem fluidez. Para isso, ele fragmentou a imagem com pinceladas de cor pura, passando a retratar a impressão captada diante do modelo. Monet inspirava-se, por exemplo, no pôr do sol, na luminosidade do feno ou num jardim florido. Suas obras contêm a característica de dissociação das cores e gradação dos tons complementares. As tintas não eram misturadas na palheta, dessa forma, a luz emanada das manchas e das pinceladas coloridas impressionava a retina, formando novas cores. Disponível em: http://professormarioartes.blogspot.com. Acesso em: 12 ago. 2012 (adaptado).

Diante dessa nova concepção artística, a cor é a ) composta por uma substância química que, sob a incidência de raios luminosos, absorve-os, refletindo para os nossos olhos os raios de tons vermelhos. b ) formada pelo equilíbrio óptico causado pela impressão simultânea de cores como magenta, ciano e amarelo, consideradas cores primárias. c ) imaterial e só se pode senti-la, passando a ser uma sensação provocada pela ação dos raios de luz sobre os nossos olhos. d ) resultante da mistura óptica de duas outras que estão presentes em sua composição de origem, causando um equilíbrio entre elas. e ) física, presente nos raios solares e na luz branca, sendo impossível perceber sua existência pela decomposição da luz solar. Resposta: Alternativa c.

7. (Enem/MEC) Algumas crianças, ao brincarem de

esconde-esconde, tapam os olhos com as mãos, acreditando que, ao adotarem tal procedimento, não poderão ser vistas. Essa percepção da criança contraria o conhecimento científico porque, para serem vistos, os objetos a ) refletem partículas de luz (fótons), que atingem os olhos. b ) geram partículas de luz (fótons), convertidas pela fonte externa. c ) são atingidos por partículas de luz (fótons), emitidas pelos olhos. d ) refletem partículas de luz (fótons), que se chocam com os fótons emitidos pelos olhos. e ) são atingidos pelas partículas de luz (fótons), emitidas pela fonte externa e pelos olhos. Resposta: Alternativa a.

8. (Enem/MEC) Há vários tipos de tratamentos de

doenças cerebrais que requerem a estimulação de partes do cérebro por correntes elétricas. Os eletrodos são introduzidos no cérebro para gerar pequenas correntes em áreas específicas. Para se eliminar a necessidade de introduzir eletrodos no cérebro, uma alternativa é usar bobinas que, colocadas fora da cabeça, sejam capazes de induzir correntes elétricas no tecido cerebral. Para que o tratamento de patologias cerebrais com bobinas seja realizado satisfatoriamente, é necessário que a ) haja um grande número de espiras nas bobinas, o que diminui a voltagem induzida. b ) o campo magnético criado pelas bobinas seja constante, de forma a haver indução eletromagnética. c ) se observe que a intensidade das correntes induzidas depende da intensidade da corrente nas bobinas. d ) a corrente nas bobinas seja contínua, para que o campo magnético possa ser de grande intensidade. e ) o campo magnético dirija a corrente elétrica das bobinas para dentro do cérebro do paciente. Resposta: Alternativa c.

9. (UEM-PR) A Terra pode ser considerada um

imenso ímã, mas os seus polos magnéticos não coincidem com a direção de seu eixo de rotação. Com base no exposto, e em conhecimentos correlatos, assinale o que for correto. 01 ) O polo sul magnético da Terra é próximo do polo sul geográfico, e não exatamente igual, visto que o eixo de rotação da Terra é inclinado.

02 ) A diferença entre o polo norte geográfico e o polo sul magnético é denominada “declinação magnética” e varia com a latitude do local. 04 ) A mineração intensa no planeta Terra é um sério problema ambiental, visto que causa constantes mudanças no magnetismo terrestre que, desse modo, não permanece estacionário. 08 ) Próximo ao polo sul magnético da Terra há um bioma onde os vegetais, constituídos basicamente por liquens e musgos, sofrem falta de água, apesar de estarem em solo encharcado, fenômeno conhecido como “seca fisiológica”. 16 ) A Floresta temperada é o bioma mais próximo do norte magnético da Terra e possui muitas árvores decíduas ou caducifólias. Resposta: Soma: 02 + 08 = 10

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06/11/2024 16:27:49

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

10. (Unicamp-SP) A figura A apresenta um esquema

11. (Unesp) Um semicilindro circular reto de raio R

está imerso no ar e é atingido por um raio de luz monocromática que incide perpendicularmente no ponto A de uma de suas faces planas. Após atravessá-lo, esse raio emerge pelo ponto B contido na superfície circular do semicilindro. As figuras indicam as duas situações.

UNESP/2021

simplificado de um refratômetro, destinado a determinar o índice de refração n1 de um líquido. Nele, o líquido é iluminado por raios que o atravessam, atingindo, na parte superior, um vidro de índice de refração conhecido n2= 1 ,8. Quando o θ1= 90°, temos o máximo valor para o ângulo de refração θ2, que, nesse caso, é chamado de ângulo crítico, θC(ver figura B).

UNICAMP/2023

Considerando sen 37° = 0,6e que o índice de refração absoluto do ar é nar = 1, o índice de refração absoluto do material de que o semicilindro é feito é Resposta: Alternativa a. Resolução nas Orientações

Dado: sen56 °= 0,8; cos56 °= 0,6; tg 56 °= 1,3. Se o ângulo crítico medido foi θC = 56 °, pode-se

dizer que o índice de refração do líquido em questão é Resposta: Alternativa a. Resolução nas Orientações para o professor.

a ) n 1= 1,44, e se trocarmos esse líquido por um de índice de refração maior, o ângulo crítico será maior que 56°. b ) n1= 1,44, e se trocarmos esse líquido por um de índice de refração maior, o ângulo crítico será menor que 56°. c ) n1= 2,25, e se trocarmos esse líquido por um de índice de refração maior, o ângulo crítico será maior que 56°. d ) n1= 2,25, e se trocarmos esse líquido por um de índice de refração maior, o ângulo crítico será menor que 56°.

a ) 1,2.

c ) 1,6.

b ) 1,4.

d ) 1,8.

para o professor.

e ) 2,0.

12. (UEL-PR) Durante a crise da Covid-19, muitas fa-

mílias se encontraram com dificuldade orçamentária. A família de Darci foi uma dessas. Ele está reformando um dos quartos e gostaria de instalar um espelho plano em uma parede perpendicular ao chão com a possibilidade de conseguir observar todo seu corpo ereto (da cabeça aos pés).

Supondo que Darci tem 165 cmde altura e a sua distância horizontal em relação ao espelho é de 40 cm, assinale a alternativa que apresenta, corretamente, a menor altura do espelho plano que deverá ser instalado. Resposta: Alternativa b. a) 8 0,0 cm

d ) 87,5 cm

b) 8 2,5 cm

e ) 90,0 cm

c) 8 5,0 cm Resolução nas Orientações para o professor.

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06/11/2024 16:27:50

3 UNIDADE

MATÉRIA E ENERGIA

Nesta unidade, vamos estudar... • ondas eletromagnéticas; • espectro eletromagnético; • características das ondas eletromagnéticas; • espectro solar; • calor e temperatura; • transferência de calor; • efeitos das trocas de calor; • sistemas termodinâmicos; • classificação dos sistemas termodinâmicos.

O planeta Terra é um sistema dinâmico, no qual há diversas interações entre matéria e energia, como os furacões, os ciclones extratropicais e outros fenômenos atmosféricos. Um dos principais fatores para a formação dos furacões é a temperatura das águas oceânicas em valores acima de 2 7 °C. O vapor de água aquecido próximo à superfície do mar sobe para a atmosfera e se condensa, formando nuvens e liberando calor. O ar atmosférico, ao receber essa energia, se aquece e se desloca para cima, gerando uma região de baixa pressão, que faz o vapor de água subir novamente. A repetição desse processo, influenciado pelo movimento da Terra, faz o furacão girar. Em algumas regiões do planeta, há uma temporada de furacões, que são meses nos quais se espera que esses fenômenos aconteçam. As alterações climáticas, em razão do aumento de temperatura dos oceanos, estão afetando essas temporadas, de modo que a ocorrência de furacões pode aumentar, assim como tornar esses fenômenos mais intensos. Respostas nas Orientações para o professor.

a ) A energia que aquece o planeta Terra, os oceanos e a atmosfera terrestre em grande parte é proveniente do Sol. De que maneira essa energia chega ao planeta? b ) Qual é a relação entre o aquecimento das águas oceânicas e a formação de furacões? c ) Você concorda com a seguinte afirmação: “O ser humano é um sistema que troca matéria e energia com o ambiente”? Justifique sua resposta.

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06/11/2024 16:30:17

Michala Garrison/NASA

Furacão Beryl próximo à região do Caribe, em 2024.

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06/11/2024 16:30:23

CAPÍTULO

Ondas eletromagnéticas

Espectro eletromagnético

1. Resposta: Os estudantes podem responder que é porque a luz infravermelha é capaz de atravessar nuvens de poeira e gás, possibilitando a visualização de estruturas no interior dessas nuvens ou atrás delas.

A. Pagan//ESA/CSA/STScI/NASA

Leia o trecho de reportagem a seguir sobre características do telescópio espacial James Webb. [...] outra possibilidade muito aguardada pela comunidade astronômica é a observação de regiões de formação estelar, com sistemas planetários em formação. Nesses ambientes, existe muito gás e poeira, que acabam bloqueando a luz visível. No entanto, a luz infravermelha atravessa essas “nuvens” e pode ser detectada pelo telescópio. [...] CORREIA, Carol. Mirando o infinito. Conexão UFRJ, 10 ago. 2022. Disponível em: https://conexao.ufrj.br/2022/08/mirando-o-infinito/. Acesso em: 27 ago. 2024.

1. De acordo com o trecho da reportagem, por que o telescópio James Webb opera detectando principalmente luz infravermelha?

Imagem da formação estelar NGC 604 obtida pelo telescópio James Webb. Astro (dimensão) NGC 604: aproximadamente 1 500 anos-luz de extensão.

Fotosfera: comprimento de onda de 4 500 angstrom e temperatura de 6 000 K. Astro (dimensão) Sol: aproximadamente 1 390 000 kmde diâmetro.

Cromosfera: comprimento de onda de 304angstrom e temperatura de 50 000 K.

SDO/NASA

Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio/SDO/Science Team/ Virtual Solar Observatory/NASA

A estrutura interna do Sol, assim como a de outras estrelas, apresenta diferentes camadas. Da mais interna para a mais externa, são: núcleo, zona radioativa, zona convectiva, fotosfera, cromosfera, zona de transição e coroa. Na fotosfera, a camada visível do Sol, a temperatura chega a cerca de 5 800 K; no núcleo solar, a temperatura atinge cerca de 1 5,5 · 10 6 K, valor suficiente para que ocorra a fusão termonuclear do hidrogênio ( H)  com outro hidrogênio formando hélio ( He) . Essa fusão forma um elemento químico mais pesado e libera certa quantidade de energia. A observação das camadas do Sol pode ser feita com instrumentos que captam diferentes comprimentos de onda, como os usados pelo telescópio James Webb. As fotografias a seguir mostram as regiões observadas em diferentes cores, relacionadas a esses comprimentos de onda.

Coroa: comprimento de onda de 193angstrom e temperatura de 1 000 000 K.

Fonte de pesquisa: YOUNG, C. Alex. Wavelenghts of light. The Sun Today: Solar Science & Beyond, 2024. Disponível em: https://www.thesuntoday.org/sun/wavelengths/. Acesso em: 27 ago. 2024.

A energia liberada nas reações de fusão atravessa as diversas camadas do Sol, sendo emitida para o espaço em todas as direções; parte dela chega à Terra na forma de ondas eletromagnéticas. O Sol emite ondas eletromagnéticas em frequências que abrangem da radiação infravermelha à ultravioleta.

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UNIDADE

3 As ondas eletromagnéticas são propagações de energia no espaço na forma de campos elétricos e magnéticos oscilantes. Esse tipo de onda não necessita de um meio material para se propagar, pois se propaga no vácuo, ao contrário de outras ondas, como as sonoras. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

campo elétrico variável

Fouad A. Saad/Shutterstock.com

direção de propagação

campo magnético variável

Representação da propagação de uma onda eletromagnética. direção de propagação da onda

Apesar de as ondas eletromagnéticas serem de natureza diferente das ondas mecânicas, ambas são caracterizadas da mesma maneira quanto a algumas de suas grandezas. Confira a imagem.

A amplitude (A) é a distância entre o ponto médio da vibração e a crista (ponto mais alto da onda) ou o vale (ponto mais baixo da onda).

O comprimento de onda ( λ) corresponde à distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos de uma onda.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

crista

A λ

vale

Representação de uma onda periódica se propagando em uma corda.

A frequência ( f ) é o número de oscilações de uma onda em certo intervalo de tempo. No caso das ondas eletromagnéticas, a frequência da onda equivale à frequência de oscilação da carga elétrica que a gerou. No Sistema Internacional (SI), a frequência é dada em Hz(hertz), em que 1 Hz = 1 s −1, isto é, uma oscilação por segundo. O período ( T) é o tempo necessário para ocorrer uma oscilação completa. A relação entre a frequência e o período é dada a seguir. 1 1 f = _ ou T = _ T f

Já a velocidade de propagação das ondas é dada pela relação a seguir, chamada equação fundamental das ondas. λ v = λ · f ou v = _ T

De acordo com a relação anterior, para ondas se propagando em um mesmo meio, à medida que a frequência das ondas eletromagnéticas aumenta, o comprimento de onda equivalente diminui, porque todas têm a mesma velocidade.

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f (Hz)

100 m

Vector Mine/Shutterstock.com

espectro visível

1m FM

1 cm radar

0,01 cm controle remoto

1000 nm

D. lâmpada incandescente

10 nm Sol

F. radiografias

0,01 nm

0,0001 nm

As ondas eletromagnéticas são diferenciadas e classificadas de acordo com sua frequência e seu comprimento de onda. A. As ondas de rádio são aplicadas em telecomunicações, emissoras de rádio (AM e FM) e TV, telefonia e internet móvel. Ao ajustar a estação de rádio ou TV, ajusta-se a frequência de recepção, ou seja, seleciona-se a frequência das ondas que se deseja captar. B. As micro-ondas são aplicadas em radares, em telecomunicações e para aquecer alimentos no forno de micro-ondas. Nesse tipo de forno, o aquecimento ocorre pela agitação causada nas moléculas de água ( H2 O) e gordura presentes nos alimentos. C. A radiação infravermelha é utilizada nos controles remotos de aparelhos eletrônicos e em câmeras de visão noturna. Ela é também a responsável pela transmissão de calor por irradiação: mais de 50% da radiação emitida pelo Sol está na faixa da radiação infravermelha. Todo corpo com temperatura acima do zero absoluto (0 K) emite radiação infravermelha, de modo que quanto maior for a temperatura do corpo, mais radiação infravermelha ele emitirá.

G. elementos radioativos

Representação do espectro eletromagnético.

Todas as ondas eletromagnéticas que conhecemos constituem o chamado espectro eletromagnético, uma faixa contínua de frequências. No vácuo, as ondas eletromagnéticas têm a mesma velocidade de propagação: a velocidade da luz, que representamos pela letra c e cujo valor é aproximadamente 300 000 km / s.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

D. A luz visível é a parte do espectro eletromagnético capaz de sensibilizar as células dos nossos olhos, permitindo-nos enxergar o que está ao nosso redor. O espectro visível geralmente é designado pelas cores que observamos em um arco-íris, da luz vermelha à luz violeta.

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E. A radiação ultravioleta emitida pelo Sol pode atingir a superfície da Terra. A exposição moderada a esse tipo de radiação (antes das 10 horas da manhã e depois das 16 horas) auxilia na síntese da vitamina D, que promove a absorção do cálcio ( Ca) no organismo. Em doses corretas, a luz ultravioleta é usada no tratamento de icterícia em recém-nascidos. No entanto, em altas doses, essa radiação é prejudicial à saúde e pode causar câncer de pele. Parte dessa radiação é absorvida na camada de ozônio. Esse tipo de radiação será estudado com mais detalhes no próximo capítulo.

UNIDADE

Dica A icterícia corresponde ao aumento de um pigmento amarelo no sangue, chamado bilirrubina. Seu sintoma consiste na coloração amarelada ou alaranjada da pele e do “branco dos olhos” de um recém-nascido.

F. Os raios X têm aplicação na medicina diagnóstica, pois permitem a visualização de partes internas do corpo humano, como pulmões, tórax, crânio e ossos, por meio de radiografias ou tomografias. Essa radiação é ionizante, isto é, possui energia suficiente para quebrar as ligações do DNA, o que, em altas doses, pode induzir a formação de câncer. G. Os raios gama são emitidos nas reações de fissão nuclear e nos processos radioativos. Eles estão nos reatores nucleares e na explosão de uma bomba nuclear. Também são ionizantes e podem danificar as células do organismo e provocar câncer, mas em doses controladas são usados na radioterapia a) Resposta: Os estudantes devem citar que além das ondas eletromagnéticas existem para o tratamento de tumores. as ondas mecânicas, que são aquelas que necessitam de um meio material para se Compartilhe ideias

propagar. O objetivo é que eles relacionem essas ondas com o cotidiano e com nossos sentidos, como a visão e a audição, por exemplo.

Além das ondas eletromagnéticas, diferentes tipos de ondas fazem parte do nosso cotidiano. a ) Junte-se a dois colegas e pesquisem tipos e características de ondas, como elas se propagam e como podemos produzi-las. Em seguida, realizem uma atividade de demonstração da produção das ondas que vocês pesquisaram.

Hedy Lamarr Album/ZUMA Press/Imageplus

A atriz e cientista austríaca Hedy Lamarr (1914-2000), nome artístico de Hedwig Eva Marie Kiesler, é muito conhecida por seus filmes em Hollywood, mas poucos sabem das suas importantes contribuições para a Ciência. Em razão da perseguição dos nazistas durante a Segunda Guerra Mundial, Hedy Lamarr teve de fugir para os Estados Unidos. Em um dueto com o compositor e também inventor estadunidense George Antheil (1900-1959), Hedy Lamarr teve a ideia de criar um dispositivo que provocava interferência, por meio de ondas de rádio, nos radares nazistas. No entanto, por conta da depreciação da mulher naquela época, sua invenção não foi aceita, sendo utilizada somente em 1962, na Crise do Mísseis, mas só foi reconhecida oficialmente em 1997, quando ela foi premiada por suas importantes contribuições à Ciência. Em 2014, Hedy Lamarr entrou oficialmente para o hall da fama dos inventores dos Estados Unidos. Hedy Lamarr.

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LIGADO NO TEMA Uso de ondas eletromagnéticas no cotidiano Leia o trecho de reportagem a seguir. Enquanto o sinal do 5G é ativado mundo afora, a indústria de telecomunicações começa a dar os primeiros passos nas pesquisas que abrirão as portas para a nova geração de internet móvel: o 6G. A expectativa é que a nova tecnologia seja realidade no fim da década. [...]

a) Resposta a ) Junte-se a um colega para debater quais são os principais desafios técnicos e éticos que pessoal. O as empresas e os governos podem enfrentar ao implementarem a rede 6G e como esses objetivo da questão é que os desafios podem ser abordados para garantir uma transição bem-sucedida. estudantes percebam que A necessidade de se comunicar a longas distâncias levou ao desenvolvimento da telecomuqualquer avanço tecnológico deve nicação, área da Engenharia que se dedica a projetar, desenvolver e implementar sistemas de ultrapassar os comunicação. Apesar de parecer um termo moderno, sua origem é muito antiga, pois sinais desafios da implementação de fumaça e de luz foram usados por povos da Antiguidade para suprir a necessidade de para garantir o comunicação a longa distância. No entanto, podemos considerar que o desenvolvimento tecacesso da população. A nológico da telecomunicação teve início com os telégrafos no final do século XIX. partir disso, é possível que eles A comunicação por telégrafos mencionem que dependia da instalação da infraesa implementação do 6G exigirá trutura de linhas telegráficas fornovas infraestruturas madas por cabos que conectavam de hardware, o emissor ao receptor. Por exemincluindo plo, o cabo submarino instalado antenas, dispositivos mais em 1858 que conectou o continenavançados e te europeu ao americano. Contutambém será necessário do, foi o próprio telégrafo um dos garantir a primeiros dispositivos a se comunisegurança e a privacidade dos car sem a necessidade de fios. usuários, a qual será um desafio Telégrafo. crucial.

jrtwynam/Shutterstock.com

PESQUISAS de 6G das teles apontam para interação “física” com hologramas. O Estado de S. Paulo, São Paulo, 4 mar. 2022. Economia & Negócios, p. B15.

O cientista italiano Guglielmo Marconi (1874-1937) desenvolveu o radiotelégrafo que usava ondas eletromagnéticas, mais especificamente ondas de rádio, para se comunicar. Esse feito rendeu a Marconi o prêmio Nobel de Física em 1909. Assim, iniciou-se uma série de avanços tecnológicos, como o desenvolvimento de telefones e televisores. A popularização desses dispositivos gerou muitos impactos sociais e econômicos, uma vez que a comunicação a distância poderia ser feita de maneira muito ágil, facilitando negociações e conferindo confiabilidade à troca de informações. Para acompanhar todo esse desenvolvimento proporcionado pela telecomunicação, dispositivos elétricos e eletrônicos, como válvulas e transistores, foram criados e deram origem aos primeiros computadores, em meados da década de 1940. Os computadores consolidaram de vez a transição dos dispositivos de comunicação que necessitavam de cabos para dispositivos que não precisavam de fios, também chamados dispositivos wireless (sem fio, em inglês).

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Principalmente a partir dos anos 1990, houve uma proliferação de dispositivos wireless portáteis, como celulares, notebooks e, nos anos 2000, smartphones e tablets, responsáveis por uma revolução na forma de o ser humano se comunicar.

Nos dias de hoje, são usadas redes wireless que operam por meio de ondas de rádio denominadas 4G e 5G. Essas redes correspondem à quarta e à quinta geração da tecnologia wireless disponível.

Casezy idea/Shutterstock.com

Essa popularidade se deve, principalmente, à internet, sistema de comunicação que possibilitou conectar todos esses dispositivos de uma só vez, sem a necessidade de cabos. Essa conexão pode ser feita por meio de uma rede denominada wi-fi (wireless fidelity), que utiliza ondas de rádio para que os dispositivos acessem e naveguem pela internet.

Pessoa utilizando a tecnologia wi-fi por meio de dispositivos eletrônicos.

Pelo fato de funcionarem utilizando ondas eletromagnéticas e por estarmos, atualmente, imersos em um mundo no qual vários dispositivos funcionam com essa tecnologia, muitas pessoas têm a equivocada ideia de que o 4G e o 5G podem provocar doenças, como o câncer. No entanto, as ondas de rádio estão em uma faixa do espectro eletromagnético da qual as radiações não ionizantes fazem parte, isto é, ondas que não têm capacidade de interagir com átomos e moléculas para provocar mutações ou doenças celulares. Pelo contrário, a utilização da rede 5G tem possibilitado, dada a sua velocidade de transmissão de dados, a realização de cirurgias de maneira remota, as chamadas telecirurgias. Por meio b) Resposta: delas, pacientes que estão em áreas distantes ou que têm dificuldade de locomoção podem Espera-se que os receber tratamento cirúrgico adequado a distância, já que a maioria dos cirurgiões especialis- estudantes mencionem a não necessidade de fios tas se concentram em regiões mais urbanas. e cabos, ou de

A transmissão de dados que conecta aparelhos em pontos extremamente distantes por outro meio material, para meio da rede 5G só é possível graças aos satélites artificiais, equipamentos colocados em órbi- transmitir a informação. Outras ta ao redor da Terra que direcionam de forma específica os sinais de transmissão. vantagens são a

E esse desenvolvimento das tecnologias de comunicação não termina por aí, pois já estão mobilidade e a praticidade dos em andamento pesquisas envolvendo o sucessor da rede 5G: o 6G, que será significantemente dispositivos que operam usando mais rápido do que seu antecessor, como menciona a reportagem da página anterior. b ) Comente uma vantagem da utilização de ondas eletromagnéticas em telecomunicações.

ondas eletromagnéticas. d) Resposta:

c ) O texto aborda o fato de as ondas de rádio, nas quais as redes 4G e 5G operam, não causa- Espera-se que os estudantes rem danos à saúde, como câncer. Isso é verdade para todo tipo de onda eletromagnética? mencionem a Não. Nem todas as ondas eletromagnéticas são inofensivas, como as ondas presença dessas Explique sua resposta. Resposta: que compõem a faixa de radiação ionizante. ondas ao ligar uma d ) No seu cotidiano, além da telecomunicação, em que outros momentos você consegue lâmpada para iluminar um local identificar a presença e o uso de ondas eletromagnéticas? Comente sua resposta. escuro, ao aquecer o alimento em um

e ) Em um mundo sem smartphones nem internet móvel, qual seria sua abordagem para aparelho ao obter informações sobre um tópico específico? Quais seriam suas dificuldades nessa micro-ondas, realizar um exame de raio X etc. situação hipotética? Resposta: Os estudantes devem imaginar as possíveis fontes de informação que não dependem do uso dos celulares conectados à internet, como bibliotecas, enciclopédias, consultar outras pessoas, entre outros.

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2. Resposta: A tecnologia de visão noturna, como as câmeras de imagem térmica, NÃO ESCREVA captura a radiação infravermelha que é emitida por todos os corpos quentes, NO LIVRO. permitindo a formação da imagem térmica com base na variação de temperatura. Além disso, a radiação infravermelha tem comprimentos de onda maiores do que a luz visível e tem menos energia.

ATIVIDADES

1. As ondas eletromagnéticas são responsáveis por manter o funcionamento de vários equipamentos eletrô-

nicos. Entre eles, estão a televisão, o micro-ondas e o celular com suas inúmeras aplicações. Sobre as ondas eletromagnéticas, verifique quais afirmações são verdadeiras e justifique as falsas. I ) São ondas formadas por um campo elétrico uniforme e um campo magnético variado.

1. Resposta: I) Falsa. São campos variáveis,

II ) Em sua propagação, é feito o transporte de energia e não de matéria. tanto elétrico como magnético.

II) Verdadeira. III) Verdadeira. IV) Falsa. A velocidade da luz equivalente a cocorre apenas no vácuo.

III ) São capazes de se propagarem no vácuo.

IV ) Toda onda eletromagnética se propaga com velocidade da luz ( c)em qualquer meio material.

2. O espectro eletromagnético abrange uma ampla gama de ondas, que vão de ondas de rádio de baixa frequência a raios gama de alta frequência. Cada parte do espectro tem suas próprias aplicações e características. Explique como a radiação infravermelha é utilizada na tecnologia de visão noturna. Comente também as diferenças entre essa radiação e a radiação visível em termos de comprimento de onda e energia.

3. Explique, de maneira simples, como é possível gerar uma onda eletromagnética de rádio. Resposta: Pode-se fazer os elétrons oscilarem em um condutor, como uma haste metálica, com uma frequência correspondente à faixa de rádio.

4. No campo da Medicina, diferentes tipos de radiação são utilizados para diagnósticos e tratamentos. A ressonância magnética e a radiografia são dois exemplos que utilizam diferentes tipos de radiação. Qual das seguintes afirmativas sobre a ressonância magnética e a radiografia é correta? Resposta: Alternativa b. a ) A ressonância magnética utiliza radiação ionizante, enquanto a radiografia usa campos magnéticos. b ) A radiografia utiliza radiação ionizante, enquanto a ressonância magnética usa campos magnéticos e ondas de rádio. c ) A ressonância magnética e a radiografia utilizam radiação não ionizante. d ) A radiografia e a ressonância magnética utilizam as mesmas técnicas de radiação.

5. Entre os raios gama, que têm grandes frequências e pequenos comprimentos de onda, e as ondas de rádio, que têm pequenas frequências e grandes comprimentos de onda, qual deles se propaga com mais rapidez no vácuo? Justifique sua resposta. Resposta: Ambos se propagam com a mesma rapidez, pois são ondas eletromagnéticas cuja velocidade de propagação não varia em função da frequência da onda.

6. Qual alternativa menciona a onda que não se propaga no vácuo? Resposta: Alternativa d. a ) Raios X.

d ) Ultrassom.

b ) Raio gama.

e ) Ondas de rádio.

c ) Ultravioleta.

7. De acordo com o espectro eletromagnético, verifique quais afirmações são verdadeiras e justifique as falsas. Resposta: I) Verdadeira. II) Verdadeira. III) Falsa. No mesmo meio de propagação, as velocidades são todas iguais. IV) Verdadeira.

I ) A frequência da luz amarela é maior do que a frequência da vermelha, assim o comprimento de onda da luz amarela é menor do que o da vermelha.

II ) O comprimento de onda de raios X é menor do que o de micro-onda, assim a frequência de raios X é maior do que a da micro-onda. III ) A velocidade do infravermelho é maior do que a do ultravioleta, pois sua frequência é menor. IV ) A radiação UV-A tem a mesma velocidade que a UV-B, porém o comprimento de onda é diferente.

8. Por meio de uma antena, emissoras de rádio emitem ondas eletromagnéticas que se propagam na atmosfe-

ra com uma velocidade próxima à da luz, cerca de 3 · 105km/s. As grandezas que diferenciam uma estação de outra é a frequência emitida e, consequentemente, seu comprimento de onda. Supondo que uma rádio, operando na faixa AM, emita ondas eletromagnéticas com uma frequência de 1 200 kHz, qual é o comprimento de onda em metros? Resposta: 250 m. Resolução nas Orientações para o professor.

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3 9. As comunicações modernas dependem de várias formas de radiação eletromagnética. Por exemplo, ondas de rádio e micro-ondas são essenciais para diferentes tipos de comunicação. Resposta: I) Verdadeira. I) Falsa. As micro-ondas têm comprimentos de onda menores do que as ondas de rádio. III) Verdadeira. IV) Verdadeira. As seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas? Justifique suas respostas.

I ) As ondas de rádio podem ser usadas para transmitir sinais de televisão e rádio. II ) As micro-ondas têm comprimentos de onda maiores que as ondas de rádio. III ) Além da aplicação em fornos, as micro-ondas também são utilizadas na comunicação telefônica e em radares. IV ) As ondas de rádio AM podem ser refletidas em camadas da atmosfera terrestre.

10. O espectro eletromagnético tem aplicações que vão das telecomunicações à medicina. Associe cada tipo de radiação eletromagnética com sua aplicação correta. 10. Resposta: I – A; II – D; III – C; IV – B. 11. Resposta: Espera-se que os estudantes citem que a icterícia neonatal ocorre quando há excesso de bilirrubina no sangue do bebê, um pigmento amarelo produzido durante a degradação dos glóbulos vermelhos. A bilirrubina se acumula na pele e na membrana mucosa, causando a coloração amarelada. O banho de luz azul ou ultravioleta ajuda a transformar a bilirrubina em formas mais solúveis em água, que podem ser mais facilmente excretadas pelos rins e pelo fígado.

Tipos de radiação I. Raios X II. Luz visível III. Ultravioleta IV. Ondas de rádio

Tipos de aplicações A. Diagnóstico médico e exames de imagem. B. Comunicação sem fio, como rádio e TV. C. Atração e detecção de tinta fluorescente em análises forenses. D. Visão em ambientes normais e iluminação.

13. Resposta: I) Verdadeira. II) Falsa. Os raios gama têm comprimentos de onda muito menores e mais energia em comparação com os raios X. III) Verdadeira.

11. A fototerapia é um tratamento utilizado para diversas condições de saúde, incluindo a icterícia em recém-nascidos e algumas doenças de pele. A fototerapia utiliza luz em diferentes comprimentos de onda para tratar essas condições. Faça uma pesquisa e descreva como a fototerapia é aplicada no tratamento da icterícia neonatal. Explique qual é a função da luz azul ou ultravioleta nesse tratamento e como ela interage com o pigmento bilirrubina no corpo do recém-nascido.

12. A tecnologia de radar é amplamente utilizada em várias áreas, como navegação aérea, previsão do tempo e segurança. O radar utiliza ondas eletromagnéticas para detectar objetos e medir distâncias. Qual das seguintes afirmações sobre a tecnologia de radar é correta? Resposta: Alternativa b. a ) O radar utiliza radiação de raios X para detectar objetos a longas distâncias. b ) O radar é baseado na reflexão de micro-ondas, que são uma forma de radiação eletromagnética. c ) O radar usa luz visível para mapear a superfície terrestre e identificar objetos. d ) A tecnologia de radar é uma aplicação das ondas de rádio, que têm comprimentos de onda muito curtos.

13. A exposição a diferentes tipos de radiação pode ter efeitos diversos na saúde e no ambiente. Por exemplo, a radiação ultravioleta (UV) e os raios gama são conhecidos por suas propriedades e impactos. As seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas? Justifique suas respostas. I ) A radiação ultravioleta também é responsável por causar queimaduras solares e pode aumentar o risco de câncer de pele. II ) Os raios gama têm comprimentos de onda mais longos e menos energia em comparação com os raios X. III ) A radiação ultravioleta e os raios gama podem prejudicar o ser humano por serem radiações ionizantes.

14. A Astronomia utiliza diversas formas de radiação para estudar o universo. Telescópios espaciais podem observar diferentes tipos de radiação que não são visíveis da superfície da Terra por causa da atmosfera.

Explique a importância dos telescópios de raios X e de raios gama na Astronomia. Como esses telescópios contribuem para a nossa compreensão de eventos astronômicos extremos, como supernovas e buracos Resposta: Os telescópios de raios X permitem aos astrônomos estudar fontes de alta energia emitida por objetos astronômicos, negros? como buracos negros, estrelas de nêutrons e supernovas, que emitem raios X quando a matéria é acelerada a altas velocidades e

atinge temperaturas extremamente altas. Os telescópios de raios gama detectam a radiação produzida por eventos como explosões de raios gama e processos de aceleração de partículas em supernovas e buracos negros. A observação em raios gama ajuda na pesquisa sobre as interações de partículas e fenômenos cósmicos extremos.

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CAPÍTULO

O espectro solar e a Terra 1. Resposta pessoal. Os estudantes podem citar, por exemplo, a radiação infravermelha em aquecedores solares e usinas solares térmicas e a luz visível em placas fotovoltaicas.

Energia emitida pelo Sol

Apesar de terem características em comum, como a natureza eletromagnética e a velocidade de propagação no vácuo, essas ondas interagem com a matéria de diversas maneiras devido a diferenças de suas energias associadas em função das suas frequências. Assim, a luz visível e as outras radiações provenientes do Sol podem interagir com a atmosfera e com a superfície da Terra, sendo absorvidas, refletidas ou espalhadas. Na atmosfera, a radiação solar é refletida ou absorvida por diferentes tipos de gases, entre eles estão o vapor de água ( H2 O), o dióxido de carbono ( CO2) e o ozônio ( O3). A luz visível consegue atravessar a atmosfera. Parte das radiações ultravioleta e infravermelha é absorvida na camada de ozônio, mas outra parte é capaz de cruzar a atmosfera e chegar à superfície terrestre. As faixas do espectro com comprimentos de onda que penetram a atmosfera são chamadas de “janelas atmosféricas”.

1. Cite pelo menos duas aplicações

cotidianas para as ondas eletromagnéticas provenientes do Sol. M.Weiss/NASA/CXC/SPL/Fotoarena

Como vimos anteriormente, por causa das reações em seu interior, o Sol emite energia na forma de ondas eletromagnéticas com diferentes comprimentos de onda: da radiação infravermelha, passando pela luz visível, à radiação ultravioleta.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação das “janelas atmosféricas” para as ondas eletromagnéticas.

A biofísica húngara Mária Telkes (1900-1995) foi uma das pioneiras na pesquisa sobre energia solar, conhecida como “a rainha do Sol”, e contribuiu significativamente para o desenvolvimento desse tipo de tecnologia. Telkes é conhecida por suas inovações em sistemas de aquecimento solar, incluindo a criação de uma casa totalmente aquecida por energia solar, em 1948, e por desenvolver um destilador solar utilizado para transformar água salgada em água potável durante a Segunda Guerra Mundial. Seu trabalho não só mostrou o potencial da energia solar, mas também inspirou futuras gerações de cientistas a explorar e a expandir o uso dessa fonte limpa e renovável.

Album/ZUMA Press/Imageplus

A energia emitida pelo Sol pode ser aproveitada de várias formas pelo ser humano, como para a geração de eletricidade por meio de painéis solares, para o aquecimento de água e ambientes e na agricultura, em estufas e secadores solares.

Mária Telkes.

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UNIDADE

3 Luz visível O espectro da luz visível, faixa relacionada ao sentido da visão humana, é representado normalmente pelas cores do arco-íris. A mistura de todas as cores resulta na luz branca, propriedade constatada pelo físico inglês Isaac Newton (1643-1727) ao fazer um feixe de luz solar atravessar um prisma enquanto observava sua decomposição.

Kostenko Maxim/Shutterstock.com

O fenômeno da dispersão da luz ocorre em razão de cada frequência (cor) ter velocidade diferente no vidro, sofrendo refração em um ângulo ligeiramente diferente. A luz de cor vermelha, por exemplo, tem maior velocidade no vidro, sofrendo maior desvio do que a luz de cor violeta, que tem menor velocidade no vidro e, portanto, sofre maior desvio na direção de propagação.

Luz branca sendo dispersada em suas componentes por um prisma de vidro.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

O espectro da luz visível abrange as frequências e os comprimentos de onda correspondentes, que vão da luz vermelha (4, 05 · 10 14 Hz) à luz violeta ( 7, 9 · 10 14 Hz). Verifique na imagem a seguir.

Akarat Phasura/Shutterstock.com

micro-ondas

740 nm

600 nm

4,05 . 10 Hz

radiação ultravioleta

radiação infravermelha

570 nm

550 nm

raios X

raios gama

450 nm

vermelho

380 nm

7,9 . 10 Hz 14

laranja

amarelo

verde

azul

Representação do espectro eletromagnético referente à luz visível.

violeta

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: óptica e física moderna. 9. ed. Tradução e revisão: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v. 4. p. 2.

2. Diversos equipamentos eletrônicos, como televisores e monitores de computador, emitem luz branca. Como esses aparelhos produzem essa luz branca?

Resposta: A luz branca é produzida pela mistura de luzes vermelha, verde e azul.

Autor desconhecido. c. 1936. Coleção particular

Apesar de a luz solar ter um espectro aparentemente contínuo, no ano de 1814, o físico alemão Joseph von Fraunhofer (1787-1826) percebeu que o espectro da luz solar apresentava diversas linhas escuras. Isso indica que algumas frequências de luz foram absorvidas, então os espectros com linhas escuras ficaram conhecidos como espectros de absorção. Algumas das linhas de absorção no espectro do Sol ou de outras estrelas são causadas pela absorção seletiva de radiação dos gases presentes nas camadas externas da estrela, pois cada elemento químico absorve luz em frequências características. Dessa maneira, quando a luz branca atravessa certa quantidade de gás, a análise das linhas de absorção revela os elementos desse gás. Esse método é utilizado para identificar os elementos químicos das estrelas e da atmosfera dos planetas que as orbitam.

Joseph von Fraunhofer.

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Akarat Phasura/Shutterstock.com

No espectro de absorção do Sol foram identificadas linhas características de elementos químicos como o hidrogênio ( H) e o hélio ( He), o que permitiu determinar a composição química dele. 740 nm

600 nm

4,05 . 10 Hz

570 nm

550 nm

450 nm

380 nm

7,9 . 10 Hz

vermelho

laranja amarelo hidrogênio

verde

hélio

azul hidrogênio

Representação do espectro de absorção do Sol.

violeta

hélio

Imagem elaborada com base em: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. 8. ed. Tradução: Eduardo Neto Ferreira. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 134-135, 348.

Por meio da análise das linhas do espectro de diversos elementos químicos, surgiu uma nova técnica muito importante: a espectroscopia. Essa técnica é crucial em diversas áreas do conhecimento, como na Astronomia, por meio da análise da composição química de objetos celestes no estudo da luz que eles emitem ou refletem.

Royal Astronomical Society/SPL/Fotoarena

A astrofísica irlandesa Margaret Lindsay Huggins (1848-1915), juntamente com seu marido, o astrônomo britânico William Huggins (1824-1910), foram os pioneiros no uso da espectroscopia na Astronomia. Ela foi reconhecida por seus estudos do espectro de nebulosas, o que levou à descoberta de que as nebulosas planetárias são compostas de gases. O trabalho de Huggins ajudou a estabelecer a espectroscopia como uma ferramenta indispensável na Astronomia moderna, ampliando significativamente o nosso conhecimento sobre o Universo. A espectroscopia está ligada à maneira como a radiação eletromagnética interage com a matéria, revelando suas características, como sua composição. Outra maneira possível de perceber a interação da luz com a matéria, de maneira mais simples, dá-se por meio da percepção das cores dos objetos e do céu.

Margaret Lindsay Huggins.

Observe atentamente a imagem dos apontadores de lápis.

Ramon Espelt Photography/ Shutterstock.com

Quando a luz interage com diferentes materiais não luminosos, alguns comprimentos de onda podem ser absorvidos e outros são refletidos. A luz refletida por esses objetos pode chegar aos nossos olhos, detectando, assim, a cor que os enxergamos. Apontadores de lápis com diferentes cores.

Resposta: Isso é algo que depende da cor de luz refletida pelos corpos 3. Por que enxergamos as diferentes cores dos corpos? quando são iluminados com luz branca. Ao enxergarmos um corpo na cor amarela, iluminado por luz branca, significa que ele reflete essa cor de luz e absorve as outras cores.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Na fotografia anterior, os apontadores iluminados com luz branca possuem o mesmo formato, porém os percebemos com cores diferentes. É importante compreender que a luz branca é uma composição de todas as cores do espectro visível, assim só é possível enxergarmos a cor de um objeto que não produz luz conforme recebemos a porção de luz refletida por ele. Dessa forma, as cores que observamos nos corpos sólidos correspondem à luz absorvida e refletida por eles. Um objeto de cor azul, por exemplo, ao ser iluminado por luz branca, reflete em maior quantidade a luz azul e absorve, também em maior quantidade, as demais cores de luz.

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3 Alexandre de Souza/Arquivo da editora

Verifique a seguir alguns exemplos de cores de corpos iluminados com a luz branca do Sol.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação de situações em que podemos perceber o espalhamento da luz solar.

A. Visualizamos a cor vermelha nas pétalas das

Imagens: Alexandre de Souza/Arquivo da editora

flores porque elas refletem em maior intensidade a componente vermelha da luz branca.

B. Visualizamos a cor verde nas folhas porque elas refletem em maior intensidade a componente verde da luz branca.

Representação da reflexão da luz branca por uma superfície na cor vermelha.

Representação da reflexão da luz branca por uma superfície na cor verde.

C. Em um dia claro, sem nuvens, as moléculas dos gases atmosféricos espalham com mais intensidade o comprimento de onda correspondente ao azul da luz solar. O comprimento de onda da luz violeta também é espalhado, mas em menor intensidade. Como nossos olhos são mais sensíveis à luz azul do que à luz violeta, percebemos o céu na cor azul.

4. Por que a cor do céu se altera em certos momentos do dia? Resposta pessoal. Comentários nas Orientações para o professor.

Com o Sol na posição mais próxima do horizonte, como durante o entardecer e o amanhecer, a luz atravessa maior quantidade de camada da atmosfera até alcançar nossos olhos. Devido a isso, percebemos o céu predominantemente nas cores laranja e vermelha.

ademir.oliveira/Shutterstock.com

A cor do céu, quando observado da superfície da Terra, é azul durante o dia em razão do fenômeno chamado espalhamento Rayleigh, o qual pode ser entendido, por exemplo, quando a luz do Sol, ao penetrar na atmosfera terrestre, interage com moléculas de ar e partículas gasosas de dimensões muito menores do que seu comprimento de onda, e as cores com frequências maiores, como o azul e o violeta, sofrem maior espalhamento do que as cores de frequências menores, como a luz vermelha.

Pôr do sol em Barra Bonita (SP), em 2023.

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PRÁTICA CIENTÍFICA Espectroscópio Por dentro do contexto

a) Resposta: Os estudantes podem comentar que o espectroscópio permite dividir a luz em diferentes comprimentos de onda, revelando o espectro de radiação de uma fonte. Isso ajuda a identificar elementos químicos, pois cada um emite ou absorve luz em padrões específicos, ajudando no estudo da composição de objetos distantes e radiações invisíveis, como ultravioleta e infravermelho.

Craig Packer/US Department of Agriculture/SPL/Fotoarena

Atualmente, a radiação infravermelha é utilizada por diversas áreas do conhecimento, como na Medicina, por meio dos diagnósticos de doenças, ou na Medicina veterinária, com base no monitoramento ambiental e na Geologia. Na fotografia, a vaca da esquerda está com temperatura mais alta em relação à outra, indicando que a primeira está doente. Imagens obtidas com câmera infravermelha de uma vaca doente (esquerda) e uma vaca saudável (direita).

Ann Ronan Pictures/Print Collector/Getty Images

Esse tipo de radiação foi descoberto pelo astrônomo alemão William Herschel (1738-1822) ao analisar a decomposição da luz solar por um prisma. Herschel verificou que, no espectro eletromagnético, a região de menor frequência que a da luz vermelha e fora do espectro visível produzia mais aquecimento quando comparada com as demais radiações inferiores a ela. Com base nisso, ele concluiu que havia raios luminosos invisíveis capazes de provocar aquecimento. Essa radiação foi posteriormente denominada de infravermelho. a ) Por que você acha que o espectroscópio é um instrumento importante para o estudo das radiações? Materiais

Gravura de William Herschel realizando experimento de decomposição da luz solar.

• tubo de papelão de rolo de papel higiênico • papelão

• fita adesiva

• fontes de luz variadas, como lâmpadas fluorescentes, LEDs e luz solar • lápis grafite • • tesoura com pontas arredondadas CD ou DVD-ROM

Dica Dê preferência para a utilização de CDs ou DVDs graváveis ou regraváveis utilizados, pois são mais fáceis de remover a película refletora.

Como proceder A. Recorte dois quadrados de papelão de modo que sejam um pouco maior do que o diâmetro do tubo do rolo de papel higiênico. B. Faça uma fenda retangular de aproximadamente 2 mm × 15 mmno centro de um dos quadrados. No centro do segundo quadrado, faça um furo com 1 cmde diâmetro. Dica Se necessário, utilize um estilete para fazer a fenda e o furo no centro dos quadrados de papelão. Para isso, peça a ajuda de um adulto.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

C. Posicione verticalmente o tubo de papelão sobre o quadrado com a fenda, de modo que ela fique centralizada com o tubo. Depois, faça a marcação do perímetro do tubo sobre o quadrado.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

D. Recorte sobre a marcação feita na etapa anterior, formando um círculo de papelão com uma fenda em seu centro. E. Repita os procedimentos realizados nas etapas C e D para o segundo quadrado de papelão, formando um círculo de papelão com um furo em seu centro.

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Representação da etapa C.

F. Agora, fixe os círculos às bases do tubo, respectivamente. G. Recorte um quadrado de 2 cm × 2 cm do CD ou DVD e remova a película refletora do quadrado. Depois, fixe-o no círculo de papelão com o furo de 1 cm de diâmetro. Dica Para realizar o processo de retirada da película refletora, cole fita adesiva sobre o recorte de CD ou DVD e puxe-a lentamente.

H. Agora, aponte o espectroscópio com a fenda voltada para as fontes de luz e observe-o pelo lado com o recorte de CD ou DVD, posicionando-o próximo ao seu olho. Para a coleta e análise dos dados, faça um quadro organizador em seu caderno contendo: “fontes de luz”; “o espectro é contínuo? (sim ou não)”; “quantidade de linhas observadas”. 4. Resposta: Espera-se que o estudante tenha percebido um espectro Cuidado

contínuo ao observar uma fonte de luz natural, como a luz do Sol, e um espectro discreto ao observar uma fonte de luz artificial, como uma lâmpada.

Jamais olhe diretamente para o Sol! Isso pode causar graves danos à visão.

I. Durante a realização da atividade investigativa, registre cada um dos espectros observados por meio 5. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que é possível determinar a composição das fontes de luz de fotografias. com base na análise do padrão de linhas observadas por meio do espectroscópio. Para isso, o padrão de linhas

Análise e divulgação

observadas deve ser comparado com o padrão de linhas de absorção e reflexão dos elementos químicos.

Respostas das questões 6 a 8 nas Orientações para o professor.

1. Qual foi o elemento utilizado para causar a dispersão da luz? Resposta: Foi o pedaço de disco (CD ou DVD) utilizado.

2. Os espectros observados são iguais ou diferentes? Resposta: Diferentes.

3. Quais são as cores observadas e qual é a ordem delas? Em qual situação você já viu essas mesmas cores nessa ordem? Resposta: Vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil (ou índigo) e violeta. São as mesmas cores do arco-íris.

4. Entre o espectro de emissão contínuo, o de emissão discreto e o de absorção, quais você observou? 5. Você conseguiu determinar a composição química das fontes de luz analisadas com o espectroscópio? Como? 6. Se você tivesse a oportunidade de observar o espectro de uma estrela distante, o que poderia inferir sobre sua composição e temperatura?

7. Como você poderia usar a espectroscopia para monitorar a qualidade do ar em uma cidade? Quais seriam os desafios e benefícios dessa aplicação?

8. Faça uma atividade de divulgação científica sobre a construção do eletroscópio e os resultados obtidos em

seu uso. Essa atividade pode ser um vídeo para ser compartilhado nas redes sociais, a publicação de um post em um blog ou uma apresentação de slides. Para preparar o conteúdo, planeje o que será abordado, como o objetivo do experimento, a metodologia, os resultados obtidos e as conclusões. Monte um roteiro com explicações claras sobre cada etapa do experimento e os resultados obtidos, seguindo o planejamento feito. Por fim, prepare a atividade escolhida baseando-se no roteiro.

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Radiação infravermelha JPL-CALTECH/NASA

Observe a seguir uma imagem da Terra. Astro (dimensão) Terra: aproximadamente 12 756 kmde diâmetro.

Resposta: As cores representam uma escala de temperatura. As mais baixas são representadas por tons de azul, passando pelo verde, amarelo e laranja até chegar ao vermelho, que representa as temperaturas mais elevadas.

5. Por que na imagem da Terra diferentes áreas do planeta são representadas por cores variadas?

Imagem do planeta Terra obtida por satélites em sua órbita.

Professor, professora: Parte da legenda da imagem não foi inserida para não comprometer a resolução da atividade.

Na imagem anterior, as cores diferenciam as temperaturas das massas de ar atmosférico ao redor da Terra. Nessas representações, os dados de temperatura são distribuídos em um intervalo de valores entre um mínimo e um máximo, conforme uma escala de cores obtida da quantidade de radiação infravermelha emitida. As porções em azul representam temperaturas mais baixas, como ocorre nas regiões polares da Terra, e as porções avermelhadas correspondem a temperaturas mais elevadas, como se verifica na região entre os trópicos e a região equatorial do planeta. Anita van den Broek/Shutterstock.com

Esse tipo de imagem tem ampla aplicação em diferentes áreas de conhecimento. Imagens termográficas do corpo humano são utilizadas para monitorar a temperatura corporal e/ou diagnosticar possíveis inflamações, pois essas regiões ficam com temperaturas mais altas em relação às outras partes do corpo, por exemplo. Além disso, a radiação infravermelha é bastante utilizada para estudar corpos celestes ao permitir a visualização de regiões ou objetos que não emitem luz própria. Por ter comprimentos de onda mais longos do que os da luz visível, a radiação infravermelha é facilmente capaz de atravessar regiões densas de gás e poeira no espaço.

A imagem da Nebulosa Carina foi capturada pelo telescópio espacial James Webb e mostra o limite de uma região de formação de estrelas. A imagem foi obtida pela captura de radiação eletromagnética do espectro infravermelho, revelando áreas antes pouco conhecidas dessa nebulosa.

Termografia do tronco de uma pessoa. ESA/CSA/STScI/NASA

Dessa maneira, diversos telescópios captam a radiação infravermelha, além da luz visível. Como essa radiação não é percebida por nossos olhos, as imagens obtidas nessa faixa são coloridas artificialmente e, em alguns casos, mescladas digitalmente com imagens obtidas na faixa da luz visível.

Imagem obtida em 2022 pelo telescópio James Webb da Nebulosa Carina.

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3 Radiação ultravioleta Observe a fotografia a seguir. 6. Em sua opinião, o que as manchas representam na pele da mulher mostrada na fotografia? Resposta: As manchas indicam áreas da

pele danificadas pela radiação ultravioleta.

7. Por que a região onde a mulher passou protetor solar apresenta cor preta? Resposta: Porque o filtro solar está absorvendo a radiação

SPL/Fotoarena

ultravioleta que incide sobre a pele da mulher.

Fotografia capturada por uma câmera ultravioleta de uma mulher passando protetor solar no rosto.

A câmera que a registrou é capaz de captar a radiação ultravioleta refletida pelo rosto da modelo, da mesma maneira que uma câmera fotográfica comum capta a luz visível. As regiões mais claras na fotografia refletem a radiação ultravioleta com mais intensidade do que as regiões mais escuras (que absorvem mais a radiação ultravioleta).

As manchas na pele da mulher não podem ser vistas em fotografias registradas com luz visível, pois esse tipo de luz não penetra as camadas mais internas da pele. Assim, como a radiação ultravioleta penetra mais profundamente a pele, podendo danificá-la, só é possível visualizar as regiões danificadas (manchas) graças à interação entre a radiação ultravioleta e a pele. Considerando essa situação, constatamos como a aplicação de protetor solar auxilia no cuidado com a pele. Na região com o protetor solar, representada pela cor preta na fotografia, a radiação ultravioleta está sendo absorvida pelo produto, ou seja, ela não está penetrando a pele. Portanto, é indispensável a aplicação do protetor solar antes de se expor ao sol a fim de evitar danos à pele, como queimaduras ou, até mesmo, câncer, por causa da radiação ultravioleta. A faixa da radiação ultravioleta inicia com a frequência de 10 15Hz, aproximadamente, e termina com cerca de 10 17Hz, e os comprimentos de onda se encontram entre cerca de 10 −7me cerca de 10 −9m. Essa faixa é dividida em regiões distintas, sendo as três mais importantes conhecidas como UV-A, UV-B e UV-C. O UV-C tem mais energia, sendo, portanto, o mais nocivo ao ser humano. Contudo, essa faixa é absorvida quase completamente pela atmosfera da Terra na camada de ozônio. A exposição ao UV-B também é nociva, podendo provocar queimaduras na pele, além de aumentar o risco de danificar o DNA das células, o que pode causar câncer de pele. O UV-B também é absorvido pelo ozônio na atmosfera da Terra, mas uma pequena parte ainda chega à superfície terrestre. Por outro lado, basicamente toda a radiação do tipo UV-A consegue atravessar a atmosfera e chegar à superfície do planeta. Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação da absorção e transmissão da radiação ultravioleta na atmosfera terrestre. Imagem elaborada com base em: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. O Sol – a nossa estrela. 17 nov. 2019. Disponível em: http://astro.if.ufrgs.br/esol/esol.htm. Acesso em: 7 ago. 2024.

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Portanto, uma vez que parte da radiação UV é capaz de passar pela atmosfera e chegar à superfície terrestre, o uso do protetor solar ao se expor ao sol se torna uma importante prática para evitar problemas mais graves à saúde. Os efeitos a curto prazo da exposição ao UV se manifestam na forma de queimaduras, mas a médio e longo prazos podem surgir outros efeitos, como o câncer e o envelhecimento prematuro da pele. Apesar de todos esses problemas que o UV pode causar, ele não deve ser apenas considerado nocivo à saúde do ser humano. A exposição moderada a essa radiação em horários adequados (antes das 10 horas e após as 16 horas) pode ser benéfica para o organismo. Nesse caso, a absorção da radiação UV auxilia na síntese da vitamina D, além de estimular o intestino a absorver cálcio (Ca) e fosfato (PO4 3−), ajudando, assim, na manutenção da saúde dos ossos.

Dr P. Marazzi/SPL/Fotoarena

al7/Shutterstock.com

Outra característica interessante da radiação ultravioleta é sua capacidade de eliminar microrganismos, como bactérias e vírus. Dessa forma, ela é aplicada em processos de desinfecção de água para esterilizar equipamentos hospitalares, desinfetar vários tipos de produtos e recipientes na indústria, entre muitas outras aplicações.

Lesões causadas na pele por causa do fotoenvelhecimento provocado pela radiação ultravioleta.

Esterilização de instrumentos médicos com radiação ultravioleta.

a) Resposta pessoal. Os estudantes podem comentar o uso de protetor solar e de trajes como bonés, chapéus, óculos (de preferência com lente com filtro UV), camisetas de manga comprida, luvas etc. O trabalhador é obrigado por lei a utilizar os EPIs recomendados de acordo com sua função; do empregador é exigido o fornecimento desses Compartilhe ideias equipamentos ao trabalhador. É importante o respeito a essas normas que visam à proteção da saúde e ao bem-estar do trabalhador. Entre as consequências que podem surgir da não utilização desses equipamentos O Equipamento de Proteção Individual (EPI) é todo aparelho ou produto de uso individual que protege determinados destacam-se queimaduras, envelhecimento prematuro e surgimento de câncer de pele. profissionais contra riscos à saúde durante o trabalho.

a ) Há muitas profissões nas quais as pessoas trabalham a céu aberto, expondo-se à radiação solar por longos períodos. Junte-se a um colega e façam uma pesquisa a respeito de quais EPIs esses trabalhadores devem usar para se protegerem da radiação ultravioleta. Em seguida, explique qual é a importância desses cuidados para a saúde e qual seria a consequência para o trabalhador que não se protege adequadamente.

Efeito estufa A luz emitida pelo Sol interage com a atmosfera terrestre de diferentes maneiras, podendo ser refletida de volta para o espaço, espalhada em diferentes direções, absorvida ou transmitida, chegando à superfície. Nessas interações, a energia da radiação solar aquece o planeta, sendo fundamental para a manutenção da temperatura média da Terra, o que é chamado de efeito estufa natural. Esse efeito ocorre principalmente pela interação da radiação infravermelha com os gases que constituem a atmosfera da Terra. Quando a radiação infravermelha proveniente do Sol chega à superfície da Terra, parte dela é absorvida e emitida pelo planeta de volta à atmosfera. Alguns gases presentes na atmosfera da Terra, como vapor de água e gás carbônico, absorvem a maior parte da radiação infravermelha emitida pelo planeta, evitando que ela escape totalmente para o espaço novamente. Esse fenômeno aquece a atmosfera mais baixa do planeta, o que ajuda a manter a temperatura média da superfície terrestre adequada à vida.

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3 Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Astro (dimensão) Sol: aproximadamente 1 390 000 kmde diâmetro.

Representação do efeito estufa natural na Terra. Imagem elaborada com base em: COMINS, Neil F.; KAUFMANN III, William J. Descobrindo o Universo. Tradução: Eduardo Neto Ferreira. 8. ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. p. 176.

Sem o efeito estufa natural, estima-se que a temperatura média da superfície terrestre seria de aproximadamente − 18 °C. Portanto, trata-se de um efeito benéfico. Por outro lado, acredita-se que o aumento da concentração de gases de efeito estufa, provocado por atividades humanas, como queima de combustíveis fósseis, pode intensificar o efeito estufa natural e elevar a temperatura média da região mais baixa da atmosfera. Essa intensificação pode provocar mudanças climáticas e problemas ambientais como derretimento de geleiras, aumento do nível dos oceanos e alterações na fauna e na flora.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

O efeito estufa natural recebe esse nome porque a atmosfera da Terra se comporta de maneira semelhante à de uma estufa de cultivo de plantas. Geralmente, essas estufas de plantas têm estrutura de vidro e/ou de plástico, materiais transparentes a uma parte da radiação infravermelha proveniente do Sol, bem como à radiação na faixa da luz visível e da ultravioleta, mas que não permitem a saída da radiação infravermelha reemitida pelos corpos (as plantas). Dessa forma, a temperatura no interior da estufa permanece maior que a temperatura externa.

Imagem elaborada com base em: TREFIL, James; HAZEN Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 1. p. 256.

Representação de uma estufa de plantas.

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Efeito estufa em veículos Leia a seguir um trecho de texto sobre como a temperatura no interior de veículos pode se alterar quando exposto ao sol com os vidros fechados. Quando um carro fica exposto ao sol, o seu interior se aquece muito, principalmente porque os vidros deixam entrar a luz, que é absorvida pelos objetos internos e que por isso sofrem uma elevação de temperatura. Costumamos dizer que o carro se transformou em uma estufa. [...] A luz do Sol, interpretada como uma onda eletromagnética, atravessa o vidro do carro ou da estufa e incide nos objetos internos. Eles absorvem essa radiação e emitem radiação infravermelha (calor), que fica retida no interior do carro, impedida de sair porque o vidro é “opaco” a ela, tendo um efeito cumulativo. [...] UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Leituras de física para ler, fazer e pensar: física térmica. p. 38. Disponível em: https://fep.if.usp.br/~profis/arquivo/gref/blocos/termo2.pdf. Acesso em: 29 ago. 2024.

O texto anterior aborda como o efeito estufa ocorre no interior de um veículo com os vidros fechados e exposto à luz solar. Em razão da interação da radiação infravermelha com as partes internas do veículo, a temperatura aumenta rapidamente, diminuindo, consequentemente, a umidade do ar e favorecendo a liberação de gases tóxicos por materiais do interior do veículo. Esse cenário pode ser potencialmente fatal para quem estiver dentro do veículo, especialmente crianças e idosos.

Atualmente, alguns veículos têm dispositivos de segurança como alarmes para evitar o esquecimento de pessoas e animais em seu interior. Dica

Monika Wisniewska/Shutterstock.com

Segundo o Estatuto da Criança e do Adolescente (ECA), são garantidos às crianças a proteção integral e o direito de receber cuidados e socorro em quaisquer circunstâncias. Portanto, pais ou responsáveis devem atentar a esse perigo para não deixá-las no interior de veículos fechados e expostos à luz solar, mesmo sendo por pouco tempo. O mesmo cuidado é recomendado com os animais de estimação. Ainda que as janelas estejam levemente abertas, as altas temperaturas e a diminuição da umidade do ar se mantêm.

Animal dentro de caixa adequada para transporte.

a) Resposta: Embora todos os tipos de radiação possam depositar energia ao interagir com os materiais do carro, espera-se que os estudantes respondam que a radiação infravermelha seja responsável pelo aquecimento, uma vez que ela contribui mais para esse efeito.

Acesse o simulador do efeito estufa na atmosfera terrestre, disponível em: https://phet.colorado.edu/sims/ cheerpj/greenhouse/latest/greenhouse.html?locale5pt_BR. Acesso em: 20 ago. 2024. Ele permite ajustar a concentração de gases do efeito estufa para simular ambientes fechados com camadas de vidro e observar como a temperatura se comporta.

a ) Qual é o tipo de radiação eletromagnética que mais aquece os automóveis com os vidros fechados? b ) Por que os carros aquecem tanto com os vidros fechados?

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b) Resposta: Porque o vidro permite a entrada de luz visível e da radiação infravermelha da luz solar, mas não deixa escapar a radiação infravermelha reemitida pelas partes internas do carro, o que eleva a temperatura nesse ambiente.

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CONEXÕES com ... BIOLOGIA e QUÍMICA

CLAY COLEMAN/SPL/Fotoarena

A exposição à luz solar tem diversos benefícios para o ser humano: ela atua na ativação da vitamina D, que auxilia na saúde dos ossos e na regulação do hormônio serotonina. Porém, a exposição excessiva e cumulativa, principalmente à radiação ultravioleta, pode causar queimaduras, envelhecimento precoce da pele ou até o desenvolvimento de câncer de pele. Em razão disso, sempre que for ficar exposto à luz solar por longos períodos, recomenda-se a utilização de protetor solar ou tecidos com fator de proteção solar. Os protetores solares têm substâncias que podem refletir a radiação ultravioleta ou absorvê-la e transformá-la em outro tipo de radiação de menor energia, auxiliando na prevenção de problemas na pele. Uma 12 O 3), também conhedessas substâncias é a benzofenona-3 (C14 H cida como oxibenzona. Estudos indicam que essa substância pode prejudicar os corais por causar o seu branqueamento, que é quando os corais expulsam as algas que vivem em simbiose com eles. A oxibenzona pode chegar ao ambiente aquático de forma direta, Pessoa passando protetor solar em uma criança. quando as pessoas entram na água do mar após aplicar protetor solar, ou de forma indireta, pela água que retorna aos rios e mares porque ela é uma substância que não é eliminada no tratamento da água. Além disso, pesquisas apontaram que pequenas concentrações de oxibenzona, na ordem entre μg / Le mg / L, juntamente com a incidência de luz, podem afetar negativamente os corais. Por conta dos impactos nos ecossistemas marinhos, alguns países proibiram o uso de oxibenzona e outras substâncias em protetores solares. No Brasil, o uso da oxibenzona é permitido em concentrações de Corais em processo de branqueamento em Bonaire, nos Países Baixos Caribenhos, até 10%, e, para concentrações acima de 0,5%, a presença dessa subsem 2023. tância deve ser indicada no rótulo. Corais: podem ter Outras maneiras de evitar o branqueamento dos corais e a perda de diversidade marinha tamanhos são a substituição das substâncias prejudiciais por outras que não apresentam efeitos negativariáveis. vos ao ambiente e a utilização de protetores solares que não têm substâncias como a oxibenzona. Para isso, são necessárias a pesquisa científica e a conscientização da população.

K-FK/Shutterstock.com

Sustentabilidade e proteção contra a radiação solar

Dica A conscientização sobre os danos ambientais causados pelos protetores solares tradicionais tem impulsionado a pesquisa e o desenvolvimento de alternativas mais seguras. Assista ao vídeo Ciência e Arte Povos da Amazônia propõe sustentabilidade na proteção solar, da TV Unicamp, para saber mais sobre os tipos de protetores solares e o desenvolvimento de pesquisas sobre seus impactos no meio ambiente, a fim de propor uma solução sustentável. Disponível em: https://www.youtube.com/ watch?v=A58GtNzabjQ. Acesso em: 31 jul. 2024.

a ) O branqueamento é um problema que prejudica somente os corais? Converse com um Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que não, pois os corais abrigam diversas espécies colega sobre o assunto. que os utilizam como fonte de alimento, como abrigo e proteção ou como local de reprodução.

Dessa forma, o branqueamento dos corais representa risco não apenas a esses animais, mas também à diversidade marinha e até terrestre.

b ) As substâncias utilizadas nos protetores solares, como a oxibenzona, podem afetar negativamente outros seres vivos? Junte-se a um colega e realizem uma pesquisa sobre o assunto. Em seguida, compartilhem o resultado com a turma.

Resposta: O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a buscar mais informações sobre o assunto abordado na seção. Eles podem citar que existem indícios de que a oxibenzona pode afetar peixes, outros animais marinhos e até o ser humano.

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ATIVIDADES

1. Resposta: O primeiro balão é verde, pois apresentou a cor verde quando iluminado por uma fonte de luz verde. O segundo balão é branco, pois apresentou as respectivas cores das fontes de luz pelas quais foi iluminado.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. O professor de Física propôs aos estudantes que

4. O olho humano detecta cores por meio de célu-

O professor iluminou-os com três tipos de fontes de luz: uma lanterna que emite apenas luz azul, outra que emite luz vermelha e uma terceira que emite apenas luz verde. Ao ser iluminado com luz azul, o primeiro balão pareceu preto, enquanto o segundo pareceu azul. Usando a luz vermelha, o primeiro aparentava ser preto, enquanto o segundo aparentava ser vermelho. Ao serem iluminados com a luz verde, ambos aparentavam ser verdes.

Considere três feixes de luz de mesma intensidade, sendo um da cor verde, outro da vermelha e outro da azul. Caso essas fontes iluminem simultaneamente determinada região, na intersecção dos três feixes terá cor branca. Se apagarmos o feixe verde, a intersecção da região iluminada pelos feixes azul e vermelho terá cor magenta.

determinassem a cor de dois balões distintos. Os balões em questão estavam em uma sala escura, de modo que poderiam ser observados apenas usando uma fonte de luz para iluminá-los.

Um dos estudantes disse que o primeiro balão é verde, mas não determinou a cor do segundo balão, pois ele mudava de cor conforme o tipo de luz utilizado. Você concorda com a opinião dele? Explique sua resposta.

las fotossensíveis localizadas na retina, chamadas cones. Essas células respondem a diferentes comprimentos de onda de luz correspondentes às cores vermelha, verde e azul.

Uma pessoa, montando a decoração de um quarto de sua casa, decide iluminar um objeto da cor azul quando iluminado por luz branca, incidindo nele luz magenta. Sendo a luz magenta a única fonte de luz, após ser iluminado, o objeto parecerá da cor: Resposta: Alternativa a. a ) Azul. b ) Preta.

Branko Jovanovic/Shutterstock.com

c ) Vermelha.

d ) Verde. e ) Magenta.

5. Resposta: Esse tipo de câmera é sensível à radiação infravermelha, a qual é utilizada para a formação da imagem.

5. A fotografia a seguir mostra a imagem capturada

pixinoo/Shutterstock.com

por uma câmera térmica, capaz de medir a temperatura de pessoas e de objetos, mesmo se eles estiverem em um local sem luz.

Balões de festa coloridos.

2. Um astrônomo está analisando dados dos es-

pectros emitidos por duas estrelas desconhecidas. Ele observou que ambos apresentam linhas escuras nos mesmos comprimentos de onda. O que representam essas linhas escuras no espectro? Com base nessa observação, o que podemos afirmar sobre a composição química dessas duas estrelas? Resposta: Representam a respectiva

composição química, sendo as duas estrelas de mesma composição.

3. Em um laboratório foi encontrado um recipien-

te contendo um gás desconhecido. Descreva de modo simples um experimento que possibilite determinar qual(is) elemento(s) químico(s) compõe(m) esse gás.

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Imagem registrada por uma câmera térmica.

Explique o funcionamento desse tipo de câmera. Resposta da questão 6 nas Orientações para o professor.

6. O disco de Newton é um dispositivo que pode ser utilizado para demonstrar a composição da luz visível. Geralmente, ele é feito com faixas pintadas com as cores do arco-íris. Ao girar o disco com certa velocidade, vemos as cores se misturando. Quando todas as cores do disco de Newton se misturam, qual cor enxergamos? Justifique sua resposta e compare esse fenômeno com a decomposição da luz solar por um prisma.

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem que a técnica de análise de composição do gás seja por meio da espectroscopia. Para isso, pode ser realizado um experimento que consiste na emissão de luz branca sobre o gás e podem ser analisadas as linhas de absorção, comparando o padrão de absorção de elementos conhecidos.

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7. Explique por que as estufas são geralmente feitas de vidro. Qual é a relação disso com o efeito estufa da atmosfera?

8. Leia o trecho de reportagem a seguir sobre os “Pi-

lares da Criação”. Depois, observe as imagens obtidas respectivamente pelos telescópios espaciais Hubble e James Webb e responda às questões.

O Telescópio Espacial James Webb capturou uma imagem altamente detalhada dos Pilares da Criação, uma estrutura astronômica formada por nuvens de gás e poeira a 6,5 mil anos-luz de distância da Terra. As informações foram divulgadas pela Agência Espacial Norte-Americana (Nasa) nesta quarta-feira (19). [...] JAMES Webb revela novas imagens dos Pilares da Criação. Agência Brasil, 19 out. 2022. Disponível em: https://agenciabrasil.ebc.com.br/ internacional/noticia/2022-10/james-webb-revela-novas-imagens -dos-pilares-da-criacao. Acesso em: 20 ago. 2024.

a ) Comente as semelhanças entre as duas imagens dos “Pilares da Criação”, sendo uma delas obtida com luz visível (A), e a outra, com radiação infravermelha (B). Por que essa estrutura recebeu esse nome?

3 UNIDADE

8. b) Resposta: A luz visível revela a aparência geral dos pilares, enquanto a radiação infravermelha passa através da poeira, revelando novas estrelas em formação. Utiliza-se a radiação infravermelha para penetrar a poeira interestelar e observar processos estelares e estruturas que não são visíveis em luz visível, oferecendo uma visão mais completa do Universo.

b ) Explique as diferenças entre as duas imagens, destacando o motivo de os astrônomos utilizarem a radiação infravermelha para estudar o Universo. c ) O telescópio James Webb está em órbita ao redor da Terra. Por que esse equipamento foi levado ao espaço em vez de ser montado em um observatório na superfície terrestre? Resposta: Para evitar a interferência da atmosfera terrestre e da luz solar, que podem limitar a observação.

9. A radiação infravermelha é utilizada em tratamentos fisioterapêuticos para aliviar dores musculares, reduzir a rigidez articular e aliviar inflamações, por exemplo. Geralmente os equipamentos apresentam lâmpadas vermelhas ou LEDs que emitem infravermelho e, durante o tratamento, a parte do corpo que recebe o infravermelho é aquecida e ocorre aumento do fluxo sanguíneo na área. No entanto, o tratamento com infravermelho necessita de precauções para evitar queimaduras na pele. Com base nos seus conhecimentos sobre a radiação infravermelha e no seu uso terapêutico, julgue as afirmativas a seguir.

STScI/ESA/CSA/NASA

I ) A radiação infravermelha auxilia nos tratamentos, pois consegue penetrar nos núcleos das células.

Pilares da Criação observados por meio da luz visível pelo telescópio Hubble.

II ) A aplicação da radiação infravermelha na pele é segura porque ela está na faixa das radiações não ionizantes. III ) A área aquecida pela radiação infravermelha passa a emitir mais infravermelho. Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s): Resposta: Alternativa d. a ) I somente.

b ) II somente. c ) I e III. d ) II e III. e ) I, II e III.

10. Resposta: Espera-se que os estudantes concluam que não haverá geração de energia elétrica nesse painel, pois somente o infravermelho passaria pelo filtro e essa radiação não tem energia suficiente para gerar energia elétrica.

STScI/ESA/CSA/NASA

10. Nos painéis fotovoltaicos, a geração de energia

Pilares da Criação observados por meio da radiação infravermelha pelo telescópio James Webb.

7. Resposta: O vidro permite a passagem da luz solar, que aquece o interior da estufa. Esse calor é retido no interior devido ao vidro, que bloqueia a saída de calor, similar ao efeito estufa na atmosfera.

elétrica ocorre principalmente com a incidência de luz visível e de ultravioleta. Nesse processo, a radiação eletromagnética é transformada em energia elétrica. O que aconteceria se, sobre um painel fotovoltaico, fosse aplicado um filtro que deixasse somente o infravermelho passar?

8. a) Resposta: Ambas capturam as vastas nuvens de gás e poeira interestelar. O nome reflete a sua aparência monumental e o fato de que essas estruturas são locais de formação estelar ativa.

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15. a) Resposta: Os estudantes podem citar, por exemplo, utilização de chapéu ou boné, óculos escuros, ficar em um local com sombra, evitar longa exposição ao Sol, utilizar roupas de manga comprida.

11. Em um automóvel completamente fechado,

exposto à radiação solar em um dia bastante ensolarado, seu interior geralmente está mais quente que o ambiente externo. Como é possível explicar esse fato sabendo que a maior parte da radiação infravermelha não consegue atravessar Resposta: Parte dessa radiação que chega ao o vidro? interior do veículo é absorvida pelos objetos e

não consegue mais sair, resultando em um ambiente mais quente.

12. Entre o ultravioleta, que tem maior frequência e

A radiação ultravioleta nociva para o ser humano diferencia-se da luz visível por sua: Resposta: Alternativa b. a ) Natureza.

b ) Frequência. c ) Intensidade.

d ) Velocidade de propagação no vácuo e no ar.

15. A imagem a seguir mostra uma pessoa passando protetor solar para se proteger dos raios solares.

Me dia/Shutterstock.com

menor comprimentos de onda, e a radiação infravermelha, que tem menor frequência e maior comprimento de onda, quando comparadas entre si, qual se propaga com mais rapidez no váAmbas as cuo? Justifique sua resposta. Resposta: radiações se propagam com a mesma velocidade no vácuo.

13. O sol emite radiação eletromagnética que chega até a atmosfera terrestre. Sabe-se que a luz visível é composta das cores que correspondem a do arco-íris. Com base nos seus conhecimentos sobre radiação eletromagnética, assinale a alternativa correta sobre o comportamento da luz e sua propagação. Resposta: Alternativa e. a ) A atmosfera terrestre reflete a radiação eletromagnética com frequências menores do que o espectro azul, por isso vemos o céu azulado. b ) O olho humano não capta o espectro do ultravioleta, pois a cor azul tem maior comprimento de onda, e é por isso que vemos o céu azulado durante o dia. c ) Vemos o céu azul e o pôr do sol avermelhado por causa da difração da luz que ocorre na atmosfera terrestre, sendo a luz vermelha a primeira a se dispersar na atmosfera. d ) Vemos o céu azul por causa do efeito de reflexão da luz nos mares e lagos, onde o ângulo de incidência é igual ao ângulo refletido. e ) Vemos o céu azul e o pôr do sol avermelhado por causa do espalhamento da luz que ocorre na atmosfera terrestre, sendo que a última a se dispersar na atmosfera é a luz vermelha.

14. Durante a pandemia de covid-19, foram realizadas muitas pesquisas com o objetivo de buscar maneiras de eliminar ou minimizar os efeitos dos vírus. Entre elas estava a utilização da radiação ultravioleta, a qual é utilizada para desinfecção de ambientes, sendo também eficaz para a inativação do coronavírus em superfícies lisas e limpas. No entanto, seu uso deve ser cuidadosamente controlado por conta dos riscos que esse tipo de radiação pode oferecer à saúde humana, como danos à pele e aos olhos.

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15. b) Resposta: O tipo físico forma uma barreira de proteção para a pele, impedindo a passagem de radiação UV. O químico contém substâncias que absorvem a radiação UV.

Pessoa passando protetor solar.

a ) Cite outras medidas de proteção que ela pode utilizar para se proteger dos efeitos nocivos do Sol. b ) Diferencie protetores solares do tipo físico e químico. Se necessário, faça uma pesquisa para identificar as diferenças. c ) Por que os protetores solares podem ser prejudiciais para o meio aquático? Explique sua Resposta: Eles contêm substâncias resposta. químicas que podem causar danos aos corais e outros organismos marinhos.

16. Você está observando um arco-íris após uma

chuva de verão e percebe que ele exibe uma série de cores, como vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Um colega explica que o arco-íris é formado pela refração e dispersão da luz solar nas gotas de água na atmosfera. Descreva como a luz branca do Sol é separada nas cores do arco-íris quando passa através das gotas de água. Em sua resposta, explique os conceitos de refração e dispersão da luz e como elas contribuem para a formação do arco-íris. Resposta nas Orientações para o professor.

17. A espectroscopia permite determinar a compo-

sição química de corpos astronômicos como estrelas e nebulosas, por exemplo. Em uma observação, um astrônomo obteve um espectro com duas linhas escuras entre o laranja e o amarelo. Sabendo que as linhas de absorção características do hidrogênio (H) são de 656 nm e 486 nm e do sódio (Na) são 5 90 nm e 5 89 nm, qual é o elemento presente no objeto observado pelo astrônomo?

17. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que o elemento presente no objeto observado é o sódio, pois as linhas de absorção características desse elemento estão na faixa do amarelo.

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CAPÍTULO

Introdução à calorimetria

1. Resposta pessoal. Caso os estudantes respondam negativamente, comente suas percepções a respeito dos impactos significativos no clima nos últimos anos. Se necessário, explique-lhes, por exemplo, que o aumento de temperatura impacta a produção de alimentos que, por sua vez, acaba aumentando nos preços ou a escassez de algum produto. Assim como as chuvas que, além dos impactos citados anteriormente, podem provocar alterações nos níveis de rios e até mesmo alagamentos. 2. Resposta pessoal. Eles podem citar intervenções como desmatamento, queimadas, descontrolado de áreas destinadas a pasto, aumento do uso de combustíveis Leia o trecho da reportagem a seguir. aumento fósseis, exploração de minérios, uso não racional e desperdício de água etc.

Temperatura

[...] No Brasil, 40 milhões de meninas e meninos estão expostos a mais de um risco climático ou ambiental (60% do total) e as mudanças climáticas comprometem a garantia de direitos fundamentais. É o que revela o relatório Crianças, Adolescentes e Mudanças Climáticas no Brasil, lançado pelo UNICEF nesta quarta-feira.

1. Nos últimos anos, você percebeu

O relatório chama a atenção para a urgência de priorizar crianças e adolescentes nos debates e políticas voltados ao enfrentamento das mudanças climáticas. A crise climática impacta desde a frequência de chuvas até a amplitude térmica e as ondas de calor; da quantidade e da intensidade de eventos extremos, como ciclones e queimadas, até o prolongamento de secas extremas. [...]

2. A intervenção do ser humano no

alguma alteração climática, como aumento ou diminuição de temperatura ou aumento ou diminuição de chuvas? O que isso causou no município onde você vive? Algo mudou na sua rotina? Comente sua resposta. ambiente, principalmente sem planejamento adequado e avaliação dos riscos, pode contribuir para acelerar ainda mais os impactos das mudanças climáticas. Cite e comente algumas intervenções que você conhece desse tipo.

CRIANÇAS e adolescentes são os que mais sofrem com as mudanças climáticas e precisam ser prioridade, alerta Unicef. Unicef, 9 nov. 2022. Disponível em: https://www.unicef.org/brazil/ comunicados-de-imprensa/criancas-e-adolescentes-sao-os-que -mais-sofrem-com-mudancas-climaticas-e-precisam-ser-prioridade. Acesso em: 7 ago. 2024. Earth Observatory/NASA

O aumento da temperatura média do planeta é um fato confirmado. Instituições de pesquisas existentes em diversos lugares do mundo fazem o monitoramento da temperatura do planeta Terra e informam os impactos que isso causa para o meio ambiente e, consequentemente, para as pessoas. Uma das principais causas do aumento na temperatura média terrestre decorre da queima de combustíveis fósseis. A partir da Revolução Industrial, no século XVIII, quando a queima de carvão foi amplamente utilizada como fonte de energia para alimentar as máquinas a vapor, o uso de combustíveis fósseis só se intensificou, somando os gases liberados pela queima de gás natural e o petróleo em usinas de energia elétrica.

Todos os tipos de combustíveis fósseis contêm carbono (C) em sua composição. A queima desse tipo de combustível gera diversos subprodutos, sendo um dos principais o dióxido de carbono (CO2). O aumento de sua concentração na atmosfera é um dos principais fatores que contribuem para o aquecimento global provocado pelo ser humano. Outro gás que contribui para o aumento do efeito estufa é o metano ( CH4),principal constituinte do gás natural. A interferência humana nos ciclos biogeoquímicos do ambiente altera a composição do solo, do ar e da água e, consequentemente, os fenômenos naturais, como o efeito estufa, que causa o derretimento de geleiras.

Desprendimento do iceberg A-81 em razão das alterações climáticas e do aquecimento dos oceanos, na Antártida, em 2023.

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Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Compartilhe ideias

As imagens a seguir apresentam, de forma visual, informações sobre a temperatura da Terra de 1921 e 2021, nas quais a cor azul representa regiões com temperaturas abaixo da média e a cor vermelha, regiões com temperaturas acima da média.

2021

Representação da temperatura da superfície da Terra em 1921.

Representação da temperatura da superfície da Terra em 2021.

Fotos: GSFC GISS/NASA

1921

Dica

Astro (dimensão) Terra: aproximadamente 1 2 756 km de diâmetro.

Essas imagens foram obtidas por um simulador no site da Nasa. Acesse esse simulador para acompanhar o aumento progressivo da temperatura média da Terra em outros períodos, entre 1921 e 2021. Disponível em: https://climate.nasa.gov/interactives/climate-time-machine. Acesso em: 7 ago. 2024.

a ) Com um colega, analisem as imagens e discutam o que concluíram a respeito da temperatura da Terra. Conversem com seus colegas sobre o assunto, pesquisem possíveis efeitos dessas alterações e proponham soluções para reduzir esse fenômeno. Resposta nas Orientações para o professor.

Ao refletir sobre alterações climáticas, aquecimento global e suas consequências, você aplicou um conResposta pessoal. O objetivo desta questão ceito muito importante na Física: o de temperatura. é verificar a noção que os estudantes têm a respeito de temperatura. Anote as principais 3. Como você conceituaria temperatura? respostas na lousa e compare, com a ajuda deles, as semelhanças e diferenças entre as respostas.

Toda matéria presente na natureza é constituída de átomos e moléculas que se movem constantemente. Esses movimentos podem ser de translação, rotação ou vibração molecular, dependendo de sua fase. A temperatura está relacionada à energia associada a esses movimentos, conforme a definição a seguir. Temperatura é a medida da energia cinética média de translação (estado de agitação) das partículas que compõem um sistema termodinâmico. Quanto maior for a agitação das partículas (ou seja, quanto maior a energia cinética média de translação), maior será a temperatura, e vice-versa. No corpo representado a seguir, as partículas na região com maior temperatura têm maior grau de agitação. Na região com menor temperatura, o grau de agitação é menor. Dessa maneira, na região de temperatura intermediária, o grau de agitação também é intermediário, entre o maior e o menor grau. extremidade com menor temperatura

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

extremidade com maior temperatura

Representação de um corpo com regiões em temperaturas diferentes. Imagem elaborada com base em: TREFIL, James; HAZEN, Robert Miller. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 1. p. 250.

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CONEXÕES com ... MATEMÁTICA

Escalas de temperatura Confira o termômetro apresentado.

Já a escala Fahrenheit, utilizada em países como Estados Unidos e Inglaterra, foi proposta em 1724 pelo físico polonês Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) com base em métodos diferentes dos de Celsius. Além das escalas mencionadas, em 1848, o físico irlandês William Thomson (1824-1907), conhecido como lorde Kelvin, propôs a sua escala, denominada escala absoluta. Em sua época, já se compreendia a temperatura como a energia cinética média das partículas. Portanto, Thomson propôs uma escala na qual a menor temperatura possível ( 0 K) equivale à situação na qual as partículas não teriam movimento algum (zero absoluto).

COZ/Shutterstock.com

A escala numérica em vermelho corresponde à unidade Fahrenheit, e a escala numérica em preto corresponde à unidade Celsius. A escala Celsius é a mais utilizada atualmente no mundo e foi idealizada pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744), em 1742, com base nos pontos de ebulição e fusão da água.

Termômetro de lâmina bimetálica, geralmente utilizado na gastronomia.

As três escalas de temperatura podem ser comparadas entre si. Observe a seguir. 100 8C

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

ponto de ebulição da água

temperatura do sistema

212 8F

373 K

A unidade Kelvin de temperatura não acompanha o símbolo de grau “°”, logo lê-se 273 Kcomo “273 kelvins”.

b Representação da relação entre as escalas Kelvin, Celsius e Fahrenheit.

a ponto de fusão da água

Dica

0 8C

32 8F

273 K

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 338.

Podemos encontrar uma equação de conversão entre as diferentes escalas por meio dos segmentos ae b mostrados na representação anterior. A razão a / bindepende da escala considerada, logo pode-se fazer: TC − 0 _ TC _ TK − 273 _ TF − 3 2 TK − 273 _ TF − 32 a _ = = ⇒ _ = = = _ 100 100 180 b 373 − 273 100 − 0 212 − 32 Simplificando os denominadores por 20, tem-se: TC TF − 32 TK − 2 73 _ = _ _= 5 5 9 Essa relação de igualdade é válida para qualquer comparação entre escalas de temperatura.

a ) Um termômetro mede a própria temperatura. Essa afirmação está correta? Explique sua A afirmação está correta, pois o termômetro deve entrar em equilíbrio térmico com o objeto de que se resposta. Resposta: quer saber a temperatura, portanto o termômetro mostrará a temperatura que ele próprio atinge no equilíbrio. b ) O que é maior em relação ao grau de agitação das partículas: o aumento de temperatura de 1 ° Cou o aumento de temperatura de 1 ° F?Explique sua resposta. Resposta: O aumento de 1 ° Cé maior, pois, para obter o mesmo efeito no grau de agitação das partículas, a variação na escala Fahrenheit deveria ser 1,8 ° F.

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Calor

Laerte

Leia a charge a seguir sobre a queima de combustíveis fósseis.

4. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que ambas as questões são importantes. Como os dois assuntos devem LARTE. Folha de S.Paulo, São Paulo, 18 maio 2023. p. A2. ser tratados de forma conjunta, não é possível atribuir maior relevância a um ou a outro.

4. Na charge apresentada, há um grupo de pessoas debatendo dois assuntos: queima dos combustíveis fósseis e

proteção das florestas. Em sua opinião, qual dos temas debatidos é o mais importante? Explique sua resposta.

5. A proposta apresentada no final da charge para resolver a situação é plausível? Explique sua resposta. 5. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes digam que não, já que a exploração de petróleo na Amazônia geraria impactos ambientais enormes, causando graves danos à região amazônica, o que vai de encontro à proposta de se proteger as florestas. emirhankaramuk/Shutterstock.com

Os combustíveis fósseis são amplamente utilizados no cotidiano, pois sua queima libera grande quantidade de energia, que pode ser aproveitada de diversas maneiras, por exemplo, para gerar energia elétrica ou para movimentar automóveis. Para a gasolina (composta principalmente de octano), combustível utilizado em diferentes tipos de automóveis, a reação de combustão pode ser expressa da seguinte forma: 18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2 O + energia 2 C8 H A energia dessa combustão é liberada na forma de calor e transformada em outros tipos de energia no interior dos motores dos carros, a fim de produzir o movimento deles.

Carro sendo abastecido com gasolina.

Sabemos que os motores de automóveis aumentam de temperatura quando estão em funcionamento e que existe um sistema de refrigeração, do qual o radiador faz parte, para controlar a temperatura do motor. Essas mudanças de temperatura ocorrem pela troca de energia térmica, na forma de calor, entre os componentes do motor. T >T A

calor

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Para entendermos como ocorre a troca de calor, considere dois corpos com diferentes temperaturas inseridos em um sistema isolado, no qual não há interação do sistema com o meio externo. Por causa da diferença de temperatura, naturalmente o corpo de maior temperatura transfere energia na forma de calor ao corpo de menor temperatura. Esse fluxo de energia ocorre até a temperatura dos corpos se igualar, ou seja, até os corpos atingirem o equilíbrio térmico.

Representação da energia na forma de calor. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

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Assim, define-se:

UNIDADE

3 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Calor ( Q) é a energia térmica em trânsito, que passa naturalmente de um corpo de maior temperatura para um de menor temperatura. Sua unidade de medida, no SI, é o joule ( J) .

Nas trocas de calor, consideramos a quantidade de calor Q positiva quando o corpo absorve o calor e negativa quando o corpo cede (ou perde) calor. Os esquemas mostram os estados de agitação das partículas de amostras nas fases gasosa e sólida recebendo calor sem mudar de fase. Há o aumento da energia cinética média das partículas quando o sistema recebe o calor da chama. Portanto, em um corpo que recebe energia na forma de calor, sem mudar de fase, a temperatura aumenta. De modo análogo, em um corpo que cede energia na forma de calor, sem mudar de fase, a temperatura diminui.

Representação do aquecimento de uma amostra gasosa. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Outra unidade de medida geralmente utilizada para a energia térmica em trânsito é a caloria ( cal) .

Representação do aquecimento de um corpo sólido.

PRÁTICA CIENTÍFICA Sensações do calor É possível perceber as trocas de calor por meio da sensação quente ou frio. Materiais

1. Resposta: Espera-se que os estudantes relatem que tiveram sensação de frio na mão que estava na água aquecida e sensação de quente na mão que estava na água que estava a menor temperatura.

• 3 bacias ou baldes • água gelada • gelo

• água em torno de 40 ° Ca 50 ° C(não ultrapasse essa temperatura) • água em temperatura ambiente (cerca de 24 ° C)

Como proceder

B. Posicione os recipientes de maneira que a água à temperatura ambiente fique no centro, entre os outros dois. C. Mergulhe por 1 minuto uma das mãos na água fria e a outra na água morna. Depois, rapidamente, mergulhe ambas as mãos na água à temperatura ambiente.

Análise

água com gelo

água

água morna

Fabio Eiji/Arquivo da editora

A. Adicione a água gelada e o gelo em um dos recipientes. No segundo recipiente, coloque a água morna. No terceiro, insira a água à temperatura ambiente.

Imagem referente à etapa C.

1. O que você sentiu ao mergulhar as mãos no recipiente com água à temperatura ambiente? 2. Por que você teve essa percepção? 2. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes percebam que a mão que estava na água morna parece ter ficado fria na água à temperatura ambiente; já a mão que estava na água fria parece ter ficado morna, pois há um fluxo de valor que ocorre de forma espontânea entre corpos de maior temperatura para corpos com menor temperatura.

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ATIVIDADES

1. Resposta: I) Incorreta. Por meio da diferença de temperatura entre os corpos ocorre o fluxo de energia na forma de calor de maneira espontânea; II) Incorreta. O fluxo resultante das trocas de calor se dá pelo corpo de maior temperatura para o de menor temperatura; III) Correta; IV) Correta.

1. As afirmativas a seguir referem-se a dois objetos que têm temperaturas diferentes, colocados em contato um com o outro. Escreva as afirmativas corretas e justifique as incorretas. I ) Não haverá troca de calor e os dois objetos continuarão como estavam inicialmente. II ) Haverá troca de energia térmica na forma de calor do corpo de menor temperatura para o corpo de maior temperatura. III ) Haverá troca de energia térmica na forma de calor do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. IV ) Haverá troca de energia térmica na forma de calor até que a temperatura dos dois objetos se iguale.

2. Por que, para aferir a temperatura, deve-se deixar o termômetro em contato com o corpo durante certo intervalo de tempo? Resposta nas Orientações para o professor.

3. Ao tomar banho, uma pessoa ajusta a temperatura da água do chuveiro para 40 °C, já que nesse dia a temperatura ambiente é 10 °C. Leia as afirmações a seguir.

I ) Ao sair do banho, a pessoa tem a sensação de ambiente frio, pois há um fluxo de calor do ambiente para o seu corpo, o que dá a sensação de frio. II ) Ao sair do banho, a pessoa tem a sensação de ambiente frio, pois há um fluxo de calor do seu corpo para o ambiente, o que dá a sensação de frio. III ) Ao sair do banho, a pessoa tem a sensação de ambiente quente, pois a água do banho fica na sua pele, sem evaporar. IV ) A sensação da pessoa no banho era de um ambiente quente em razão da temperatura da água. Resposta: Alternativa c. Qual(is) afirmativa(s) está(ão) correta(s)?

3. Resposta: I) Incorreta. O fluxo de calor ocorre d ) IV. do corpo da pessoa b ) II e III. para o ambiente que e ) II, III e IV. está com menor temperatura. II) Correta. c ) II e IV. III) Incorreta. A água tende a evaporar por causa do calor da pessoa, o que a fará ter sensação de ambiente frio. IV) Correta.

a ) I.

4. Analise as afirmações a seguir, justificando as falsas.

I ) Os combustíveis fósseis contribuem para o aumento do efeito estufa, pois entre os subprodutos de sua combustão estão gases como o dióxido de carbono.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

II ) Os combustíveis fósseis são fontes inesgotáveis de energia. III ) A utilização dos combustíveis fósseis como fonte de energia se justifica pelo fato de sua combustão fornecer enorme quantidade de energia, não implicando danos ao meio ambiente. 5. Resposta: Casacos grossos, pois a referida temperatura corresponde a 2 ° C.

IV ) A queima dos combustíveis fósseis libera grande quantidade de energia na forma de calor.

5. Preparando-se para uma viagem, uma pessoa

constatou que, em média, a temperatura do local para onde viajaria era 35,6 ° F.Essa pessoa deverá levar roupas leves ou casacos grossos? Por quê?

6. Um cientista mediu 313 Kpara uma amostra experimental. A quantos graus essa temperatura equivale na escala Celsius? Resposta: TC = 40 ° C.

Resolução nas Orientações para o professor.

7. Na transmissão de um jogo de futebol americano pela televisão, a repórter anunciou que a temperatura local era 59 ° F.A quantos graus Celsius equivale esse valor? Resposta: TC = 15 ° C. Resolução nas Orientações para o professor.

8. Por que a escala kelvin é chamada de escala de temperatura absoluta? Resposta nas Orientações para o professor.

9. Avalie as afirmativas a seguir, sobre situações que

envolvem os conceitos de temperatura e calor no cotidiano e assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01 ) Uma panela com água quente irá manter sua temperatura constante, se a temperatura ambiente for menor que a da água na panela, pois, o ar frio é mais denso e dificulta a troca de calor.

02 ) Do ponto de vista científico não é correto dizer “hoje está calor demais” em um dia no qual a temperatura está 36 ° C. 04 ) Ao colocarmos gelo em um copo com refrigerante quente, não é o gelo que esfria o refrigerante, mas o refrigerante que aquece o gelo até que o sistema entre em equilíbrio térmico. 08 ) Um estudante desenvolveu uma escala termométrica na qual o ponto de ebulição da água é 80 °Xe o ponto de fusão é − 20 °X. Assim, a temperatura de −130 °Fequivale à −120 °X. 16 ) Quando um corpo absorve calor sem mudar de fase, ocorre um aumento na energia cinética média de translação das partículas 0 4 + 1 6 = 2 2. do corpo. Resposta: Soma: 02 + Resolução nas Orientações ao professor.

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4. Resposta: I) Verdadeira; II) Falsa. Eles são fontes limitadas de energia; III) Falsa. De sua extração à sua combustão final, os combustíveis fósseis implicam em danos ambientais; IV) Verdadeira.

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UNIDADE

3 Processos de transferência de calor Marian Weyo/Shutterstock.com

Em diversas situações de nosso cotidiano ocorrem transferências de calor. Cozinhar um alimento ou colocá-lo na geladeira, tomar banho com água aquecida e utilizar um veículo são exemplos dessas situações. Em alguns fornos de pizzarias, é necessário que a lenha seja queimada constantemente, pois a argila que forma o forno não pode variar bruscamente de temperatura a fim de que não ocorra danificações em sua estrutura, como rachaduras. Além disso, o pizzaiolo analisa a espessura da massa e o tipo de recheio para então definir a quantidade de tempo que a pizza deverá ficar no forno para o seu assamento sem que haja o contato direto com a chama ou com a brasa.

Pizza sendo assada em forno à lenha.

A transferência de calor ocorre espontaneamente de corpos com maior temperatura para outros com menor temperatura, por meio de três processos básicos: condução, convecção e irradiação. A seguir, vamos estudar esses processos.

A condução é o processo de transferência de calor predominante nos sólidos, pois suas partículas estão mais próximas entre si e fortemente ligadas, porém ocorre também nos líquidos e nos gases.

ão

ç condu

Barra de ferro sobre o fogo. temperatura baixa

Esse é o principal processo de transferência de calor que ocorre para um ferreiro fabricar ferramentas. Para isso, ele precisa aquecer peças de metal a temperaturas muito altas. Ao aquecer uma barra de ferro, ele a segura com uma pinça ou uma luva protetora própria para isso, pois, mesmo que somente uma das extremidades da barra esteja em contato com as chamas, a outra extremidade também esquenta. O calor é transmitido de uma extremidade à outra por condução, por meio da interação entre partículas sem que elas próprias sejam transportadas, ou seja, o fogo faz as partículas da ponta da barra em contato com a fonte de calor vibrarem com mais intensidade, em razão da alta temperatura. Essas vibrações são transferidas às partículas vizinhas por colisões, e assim por diante, até a outra extremidade da barra.

temperatura elevada

O processo de transferência de calor por condução ocorre quando há contato entre corpos ou entre partes de um mesmo corpo com temperaturas diferentes.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Condução

calor

Representação das partículas de uma barra de ferro se aquecendo por condução térmica.

Imagens elaboradas com base em: GRUPO DE O físico e matemático francês Jean-Baptiste Joseph Fourier REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA (GREF). Física 2: física térmica e óptica. 5. ed. São Paulo: (1768-1830) formulou o primeiro tratamento matemático para a Edusp, 2007. p. 64. condução do calor, estabelecendo uma teoria da propagação de calor nos sólidos. Ele considerou que partes de um corpo em temperaturas diferentes trocavam calor entre si, criando um fluxo de energia térmica através do corpo.

Por exemplo, a parede externa de uma casa recebe a luz do Sol em toda a sua superfície e se aquece, atingindo uma temperatura (Tmaior). Como a parte interna da casa está a uma temperatura menor (Tmenor), o calor será conduzido por dentro da parede, da parte externa para a interna. Dependendo da espessura ( e) da parede, da área (A) e da diferença de temperatura, o calor é transferido para a parte interna mais rapidamente ou mais lentamente.

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06/11/2024 16:37:25

Q ϕ = _ Δt

Tmaior

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de fluxo de calor.

No SI, a quantidade de calor é expressa em joules ( J), o tempo em segundos ( s) e o fluxo de calor em ( J/s). Cada material apresenta um coeficiente de condutividade térmica, que está relacionado à capacidade do material em conduzir calor. Quanto maior a constante, maior a condução de calor. Os melhores condutores de calor são os metais, enquanto o ar é um mau condutor, conforme apresentado na tabela. Os materiais de baixa condutividade térmica são denominados isolantes térmicos, como é o caso do cimento e do tijolo, que são materiais utilizados na maioria das construções com o objetivo de diminuir a transferência de calor entre o ambiente interno e externo. Também podemos descrever o fluxo de calor por meio da equação a seguir, considerando a diferença de temperatura Tmenor) , a área (A), a espessura (e) e o coeficiente de con( Tmaior − dutividade térmica ( k) do material. k · A · ( Tmaior − Tmenor) ϕ = __________________        e

Nesse caso, a área é expressa em metro quadrado ( m 2), a espessura em metro (m), a temperatura em kelvin (K) e o coeficiente de condutividade térmica em J/s · m · Kno SI, ou usualmente cal/s · cm · °C.

Tmenor

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A rapidez com que a transferência de calor ocorre pode ser medida por meio do fluxo de calor ( ϕ) , que é a taxa de transferência de calor, ou seja, a quantidade de calor ( Q)transmitida em certo intervalo de tempo ( ∆ t).

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 208.

Condutividade térmica de algumas substâncias Substância

) k (J/s · m · K

Aço inoxidável

Chumbo

Ferro

Latão

109

Alumínio

235

Cobre

401

Prata

428

0,026

Fibra de vidro

0,048

Vidro (janela)

1,0

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 209.

A condutividade térmica dos metais também pode ser percebida quando estão em temperatura ambiente. Por exemplo, ao tocar a madeira e a fechadura de uma porta ao mesmo tempo, aparentemente o metal está mais frio, pois no metal a transferência de calor ocorre mais rapidamente do que na madeira. Luvas de proteção, penas e roupas de lã são isolantes térmicos por causa dos espaços que acumulam ar em seu interior. As roupas de inverno e os cobertores impedem a troca de calor com o ambiente porque aprisionam porções de ar em sua estrutura. As roupas de lã, por exemplo, não aquecem o corpo, elas apenas o isolam e criam um ambiente no qual o ar se aquece trocando calor com o corpo, mas impedindo que haja troca de calor com o meio externo.

Leszek Glasner/Shutterstock.com

Situações que envolvem condutores e isolantes térmicos são comuns no dia a dia. Panelas de cozinha geralmente têm o cabo feito de um material que é mau condutor de calor para que possamos retirá-las da chama sem queimar as mãos. Se o cabo da panela fosse de ferro, ou se fosse uma assadeira, grande quantidade de calor passaria rapidamente para as mãos de quem fosse manuseá-la, por isso é necessário usar luvas térmicas para tocar em metais quentes.

Pessoa utilizando roupas que são isolantes térmicos.

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Sergey Uryadnikov/Shutterstock.com

Assim como a lã, o gelo é um bom isolante térmico. Isso acontece porque, no processo de congelamento, ele aprisiona porções de ar em seu interior. Os seres humanos, percebendo essa característica, utilizam o gelo nas construções conhecidas como iglus, para se protegerem das baixas temperaturas. A neve fofa, pela quantidade de ar que acumula, também é um isolante térmico que alguns animais utilizam para se abrigarem do frio intenso. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

UNIDADE

Urso-polar (Ursus maritimus): pode atingir aproximadamente 2,5 mde comprimento.

Convecção

Urso-polar em um abrigo feito na neve.

Vimos que nos sólidos, a principal forma de propagação de calor ocorre por condução. Nos fluidos a principal forma de propagação de calor se dá por convecção térmica, que ocorre em razão do movimento de massas no fluido, criando as chamadas correntes de convecção.

O matemático grego Arquimedes de Siracusa (287 a.C.-212 a.C.) fez diversos estudos envolvendo corpos imersos em fluidos. Ele observou que corpos afundam se tiverem densidades maiores do que o fluido ou flutuam se tiverem menores densidades em relação ao fluido, o que ficou conhecido como Princípio de Arquimedes. Isso ocorre também ao considerarmos todo o fluido, como uma porção de água dentro de uma chaleira e no ar dentro de um quarto, quando ocorre variação da densidade por causa da variação de temperatura. Água fria afunda

Por esse motivo, é mais conveniente aquecer água mantendo a chama abaixo da panela, pois a massa de água em contato com a parte de baixo da panela se aquece, fica menos densa e sobe. A massa de água da superfície, em contato com o ar, está a uma temperatura menor, portanto desce, porque é mais densa. Assim, são geradas correntes de convecção que movimentam a água. O ar também se comporta desse modo. Quando queremos resfriar um ambiente, devemos instalar os condicionadores de ar na parte superior dos cômodos, porque o ar frio (mais denso) desce. A diferença de temperatura entre as massas de ar provoca uma circulação de ar por correntes de convecção. Essas correntes não se formariam se o condicionador de ar fosse instalado junto ao chão. A convecção é a responsável pela formação dos ventos. Eles são causados pela movimentação de massas de ar com diferentes temperaturas na atmosfera terrestre, formando correntes de convecção. Alguns lugares da Terra absorvem e liberam calor mais facilmente do que outros, assim o ar mais próximo da superfície terrestre nessas regiões é aquecido de forma desigual, produzindo as correntes de convecção e, consequentemente, os ventos. Nas regiões litorâneas, esse fenômeno fica mais evidente.

Água fria afunda

Água quente sobe Recipiente contendo água sobre a chama de um fogão.

ar-condicionado ar quente

ar quente ar frio

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Assim, partes de um fluido com temperaturas diferentes têm densidades diferentes, e a porção menos densa (quente) sobe, enquanto a mais densa (fria) desce. Esse processo é denominado convecção.

Drp8/Shutterstock.com

Quando um corpo composto de determinado material tem sua temperatura aumentada, ele ocupa um volume maior e sua densidade diminui, por causa da dilatação. Já quando a temperatura é diminuída ocorre a contração: o volume ocupado é menor e a densidade aumenta. Alguns materiais são uma exceção a essa regra, como a água, que tem um comportamento anômalo.

Aparelho de ar-condicionado.

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ar quente

ar frio ar frio

A brisa marítima ocorre durante o dia.

ar quente

A brisa terrestre ocorre durante a noite.

Imagens elaboradas com base em: GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA (GREF). Física 2: física térmica e óptica. 5. ed. São Paulo: Edusp, 2007. p. 78.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Outro fenômeno climático ocasionado pela mudança das correntes de convecção diurnas e noturnas é a chamada inversão térmica. Assim como acontece na areia da praia, nas regiões metropolitanas, durante o dia, a camada de ar mais próxima do chão é aquecida pelos raios solares, absorvidos e reemitidos pelo solo. Em razão da convecção, o ar quente sobe e se dispersa, resfriando até atingir uma região atmosférica conhecida como tropopausa. Contudo, à noite, o resfriamento da superfície leva os gases mais próximos do solo a diminuir de temperatura mais rápido do que aqueles logo acima, que foram aquecidos pelo processo de convecção ao longo do dia. Isso impede a formação da corrente de convecção e aprisiona o ar, que não se dispersa nem se mistura com as camadas superiores, salvo em noites de ventos fortes.

ar frio

ar morno

ar quente

Ilustrações: Eduardo Borges/Arquivo da editora

Durante o dia, com a incidência da luz solar, a areia se aquece mais rapidamente do que a água. O ar sobre ela também se aquece e sobe, causando o deslocamento do ar de menor temperatura, que está sobre o mar, em direção à areia. À noite, o processo se inverte, pois a água está mais quente pelo fato de liberar calor mais lentamente. O ar sobre ela se aquece e sobe causando o deslocamento do ar que está sobre a areia em direção ao mar.

ar morno

Imagens elaboradas com base em: ROCHA, Julio Cesar et al. Introdução à química ambiental. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2009. p. 111.

A ocorrência da inversão térmica próxima ao solo, em locais onde há alta emissão de gases poluentes, dificulta a dispersão da poluição para os níveis mais altos da atmosfera. Quando isso ocorre, a concentração dos poluentes aumenta, o que pode desencadear diversos problemas respiratórios na população dos centros urbanos.

Representação da convecção do ar que ocorre durante o dia.

Representação da inversão térmica que pode ocorrer à noite. Aloisio Mauricio/Fotoarena

Esse efeito pode durar horas e se dispersar somente ao raiar do dia, formando a neblina das épocas de inverno. Em regiões cercadas por cadeias montanhosas, pode durar vários dias.

Poluição atmosférica aprisionada próximo ao solo por causa do fenômeno de inversão térmica na cidade de São Paulo (SP), em 2022.

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UNIDADE

3 Irradiação Para a ocorrência da condução ou da convecção, é necessária a existência de um meio material, como o ar atmosférico, a água ou alguns materiais sólidos. No entanto, o calor pode se propagar mesmo quando não há meio material, como ocorre na irradiação. Como visto no capítulo anterior, todo corpo com temperatura acima do zero absoluto emite energia na forma de onda eletromagnética, comumente chamada de radiação térmica. Por exemplo, a superfície da Terra é aquecida pela radiação térmica proveniente do Sol, que atravessa o espaço e a atmosfera. Science Stock Photography/SPL/Fotoarena

Um exemplo de radiação térmica é a radiação infravermelha, a qual é percebida quando estamos próximos a uma fonte de calor, como uma fogueira. Existem equipamentos que captam essa radiação, como câmeras infravermelhas que representam a temperatura dos corpos por meio de uma escala de cores, em que as cores mais claras indicam as maiores temperaturas, enquanto as cores mais azuladas são as menores temperaturas. A superfície dos corpos emite, absorve e reflete a energia radiante. Um corpo aumenta sua temperatura caso absorva mais energia do que emite, ao passo de que se resfria quando emite mais do que absorve. Geralmente, bons absorvedores são bons emissores, porém, são maus refletores de energia, enquanto maus absorvedores são maus emissores, sendo, porém, bons refletores. Além disso, corpos escuros são bons absorvedores e corpos claros são maus absorvedores. Por exemplo, em dias de altas temperaturas, é recomendado utilizar roupas claras, pois elas absorvem menos energia térmica do que roupas de cores escuras, além de refletirem mais energia radiante.

Imagem captada com câmera infravermelha.

Os corpos que absorvem toda a radiação que incide sobre eles são chamados de corpos negros. O estudo da emissão de energia por um corpo negro relacionada à sua temperatura foi o ponto de partida para o desenvolvimento da Física Quântica, iniciado com o trabalho do físico alemão Max Planck (1858-1947). Em nosso cotidiano, utilizamos diversos objetos que consideram os processos de transferência de calor para o seu funcionamento, como é o caso da garrafa térmica. Ela reduz a troca de calor entre o líquido em seu interior e o ambiente, conservando a temperatura por maior intervalo de tempo.

O vidro espelhado evita a troca de calor por meio da irradiação, refletindo a radiação térmica emitida pelo líquido de volta para o interior da garrafa e a radiação térmica do meio externo para fora da garrafa. O vácuo entre as paredes é o método mais eficaz para impedir os processos de condução e convecção de calor do meio externo com o meio interno. Com o mesmo objetivo, algumas garrafas utilizam materiais isolantes substituindo o vácuo. Por fim, a tampa é projetada para impedir trocas de calor por meio da condução e convecção. Para isso, geralmente elas são feitas de materiais isolantes.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

tampa paredes espelhadas Eduardo Borges/Arquivo da editora

Essas garrafas são compostas de um bulbo de vidro com paredes duplas e espelhadas, entre as quais é feito vácuo, e uma tampa de material isolante térmico, como o plástico.

vácuo

Representação de uma garrafa térmica. Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 315.

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4. Resposta: I) Falsa. O cano esquentou por inteiro por causa da condução térmica; II) Verdadeira; III) Falsa. O metal é um bom condutor de calor; IV) Falsa. Sem a proteção, o ajudante poderia se acidentar, como queimar as mãos.

1. Um cozinheiro, ao preparar alimentos, deixa por

alguns minutos uma colher feita de metal dentro de uma panela em alta temperatura. Parte da colher está dentro da panela e parte está fora, mas minutos depois nota-se que toda a colher esquentou e ele não consegue manuseá-la. Com base na situação descrita, analise as afirmativas a seguir. I ) A colher esquentou por causa da convecção do ar ao seu redor. II ) Toda a colher esquentou por causa da condução. III ) Nesse caso, seria melhor que a colher fosse feita de madeira. Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s): a ) I.

c ) I e III.

e ) I, II e III.

b ) I e II.

d ) II e III. Comentários nas

Resposta: Alternativa d.

Orientações para o professor.

2. Por que os alimentos contidos em um recipiente de vidro mantêm a temperatura por mais tempo do que em um recipiente de alumínio? Resposta:

Alternativa c.

a ) Porque o recipiente de vidro isola totalmente o alimento dentro dele.

b ) Porque a condutividade térmica do alumínio é baixa e a do vidro é alta. c ) Porque a condutividade térmica do alumínio é alta e a do vidro é baixa. d ) Porque a densidade do alumínio é baixa.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. Um soldador está fazendo uma solda em uma das extremidades de um longo cano de metal. Na outra extremidade do cano, um ajudante aproxima-se, sem nenhuma proteção, para ajudar a segurar o cano. Nesse momento, o soldador avisa para que ele não toque no cano, mesmo que na outra extremidade. Com base na situação mencionada anteriormente, analise as afirmativas a seguir julgando-as como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) O soldador advertiu o ajudante porque o cano aqueceu por inteiro em razão da irradiação do calor. II ) O cano se aqueceu por inteiro por causa da condução do calor. III ) O cano, feito de metal, não se aquece por inteiro, pois é constituído de um material isolante térmico. IV ) Não havia motivo para o soldador dar esse aviso.

5. Um arquiteto está projetando uma casa para um

cliente que mora em uma região muito fria. Ele está na fase da escolha dos materiais da janela. Para que seu cliente se sinta termicamente confortável dentro da casa nos dias de extremo frio, quais das opções de vidro a seguir, de A a F, ele deve escolher para fabricar as janelas? Explique sua resposta. noprati somchit/Shutterstock.com

ATIVIDADES

e ) Porque a densidade do alumínio é alta.

3. Um equipamento muito usado em salões de be-

leza é a prancha para cabelo, popularmente conhecida como chapinha. A parte interna do equipamento que entra em contato com o cabelo é feita de metal, enquanto a parte externa é feita de plástico. Qual é a propriedade do plástico que justifica seu uso na parte externa do equipamento? Explique sua resposta.

Resposta: O plástico é usado na parte externa para que o calor da parte de metal não seja transferido para as mãos, pois o plástico tem baixa condutividade térmica.

A. B. C. D. E.

Kidsada Manchinda/ Shutterstock.com

Vidros com diferentes espessuras.

6. Uma quantidade de mercúrio ( Hg)recebe 99 cal

Prancha para cabelo.

186

em forma de calor durante 41,45 s. Calcule qual é o fluxo de calor ao qual essa quantidade de mercúrio está submetida. Para isso, considere Resposta: ϕ = 10 J/s. Resolução nas 1 cal = 4,2 J. Orientações para o professor.

5. Resposta: De acordo com a lei de Fourier, o fluxo de calor é inversamente proporcional à espessura, desse modo, para que o ambiente interno não troque calor com o externo, o vidro deve ser o mais espesso possível, portanto, a melhor escolha seria o vidro F.

06/11/2024 16:37:29

nas Orientações durante 10 s. Resoluções para o professor.

a ) Calcule o fluxo de calor da fonte. Resposta: ϕ = 50 cal/s.

b ) Considerando o fluxo constante, depois de 100 s, qual é a quantidade total de calor que a fonte emitiu? Resposta: Q = 5 000 cal.

8. As paredes de uma casa de madeira mantêm a

temperatura em seu interior a 25,0 °Cdurante o inverno, quando a temperatura ambiente atinge − 6,0 °C. Sabendo que a parede possui 8,0 m2e a madeira tem 1 ,5 cmde espessura, qual é o fluxo Resolução nas de calor através da madeira? Orientações −2 Considere k = 2,0 · 10 cal/s · m · °C. para o Resposta: 330,66 cal/s.

professor.

9. Em um ventilador está instalada uma lâmpada.

Nota-se que, após um tempo em que a lâmpada foi acesa, mesmo o ventilador estando desligado, ele gira lentamente. Isso ocorreu em virtude do(a): Resposta: Alternativa c. a ) Condução. 10. Resposta: O funcionário está b ) Irradiação. correto, pois o ar quente tende a ficar c ) Convecção. na parte superior do forno, que ficará a uma temperatura maior. d ) Condutividade térmica da lâmpada. e ) Peso da lâmpada.

10. Colocando um bolo para assar em um forno in-

dustrial, o funcionário diz que, se colocado na parte superior do forno, ele assará mais rapidamente. O funcionário está certo? Justifique o argumento do funcionário.

11. Em uma casa foram instalados painéis solares pa-

ra aproveitar a energia proveniente do Sol. Qual é o principal processo de transferência de calor envolvido na captação da energia pelos painéis? a ) Condução. Resposta: Alternativa d. b ) Convecção. c ) Condução e convecção. d ) Irradiação. e ) Não há processo de transferência de calor envolvido.

12. Em um projeto de construção, um engenheiro

está escolhendo os materiais para as paredes de uma casa em uma região com clima muito frio. Ele deseja minimizar a perda de calor através das paredes para reduzir os custos de aquecimento. Entre os materiais considerados estão: III ) lã de vidro; I ) tijolos; IV ) madeira. II ) blocos de concreto; Qual dos materiais listados anteriormente seria mais eficiente para manter o calor dentro da casa, considerando que o objetivo é minimizar a condução de calor através das paredes? Explique sua resposta.

13. Em um escritório com ar-condicionado, uma ca-

deira de escritório com um assento e encosto de tecido está sendo utilizada. O ar-condicionado está ajustado para uma temperatura confortável e o ar circula constantemente pelo escritório. Analise as seguintes afirmativas sobre a transferência de calor entre a cadeira e o usuário e julgue-as como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) O tecido da cadeira promove a convecção do calor entre o corpo do usuário e o assento da cadeira. II ) O ar-condicionado reduz a temperatura do ar ao redor da cadeira, o que afeta a eficiência da convecção do calor. III ) O calor é transferido do corpo do usuário para a cadeira principalmente por radiação térmica.

3 UNIDADE

7. Um objeto recebe de uma fonte de calor 500 cal

13. Resposta: I) Falsa. A convecção envolve o movimento do ar ou outro fluido, não diretamente o tecido da cadeira; II) Verdadeira; III) Verdadeira.

14. Complete corretamente o parágrafo a seguir com o

respectivo processo de transmissão de calor. Em um laboratório de Física, um experimento está sendo realizado para comparar a eficiência de dois métodos de aquecimento em um líquido. O primeiro método usa uma placa elétrica que aquece o líquido por ■, enquanto o segundo usa um aquecedor que aquece o líquido por ■. Resposta: Condução; convecção.

15. A transferência de calor ocorre de um corpo de

maior temperatura para menor temperatura, os processos básicos de transferência variam entre condução, convecção e irradiação. Cada material apresenta uma condutividade térmica diferente, classificando-o como um bom ou mau condutor de calor, um experimento muito simples para entender a física da transferência de calor é a bexiga com água em seu interior e colocada sobre uma chama. A respeito dessa situação assinale a alternativa correta. a ) Ao colocar uma bexiga com água perto da chama, o calor transferido da chama causa um rompimento no material da bexiga fazendo a explodir. b ) O ar atua como um isolante térmico fazendo que a chama não esquente à bexiga, mantendo a bexiga intacta. c ) A chama por ser muito fraca não transfere calor, impedindo qualquer dano à bexiga. d ) A bexiga não rompe porque a água dentro dela absorve o calor que causa uma corrente de convecção, fazendo a água mais quente subir e a água fria descer; esse processo impede o rompimento da borracha. e ) A pressão da água aquecida dentro da bexiga se iguala à pressão externa causada pela chama, evitando o rompimento da bexiga com água. Resposta: Alternativa d.

12. Resposta: A lã de vidro é um excelente isolante térmico por causa da sua baixa condutividade térmica. Ela é muito mais eficaz do que tijolos, blocos de concreto ou madeira em minimizar a condução de calor, o que ajuda a manter a casa aquecida em um clima frio.

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Efeitos das trocas de calor Quando um corpo cede ou recebe energia na forma de calor, sua temperatura pode variar e ser acompanhada da variação das suas dimensões físicas. Além disso, pode ocorrer mudança de fase da matéria.

Dilatação térmica KriKo/Shutterstock.com

Para todas as fases da matéria, ceder ou ganhar energia na forma de calor corresponde a variar a energia cinética média das partículas que constituem o corpo. Assim, observa-se o aumento ou a diminuição do espaçamento entre elas. Esse efeito é denominado dilatação térmica. Em virtude disso, as estruturas dos trilhos de trem são separadas por espaços denominados juntas de dilatação. Dessa maneira, o ferro dilatado nos dias de altas temperaturas não danifica os trilhos. Para os sólidos, classifica-se a dilatação como linear, superficial e volumétrica.

Trilho de trem deformado por causa da dilatação térmica.

Na dilatação linear, observa-se a variação somente em uma única dimensão, por exemplo, a variação do comprimento. A dilatação dos fios de transmissão de energia elétrica pode ser considerada, aproximadamente, uma dilatação linear. Nessa situação, o comprimento dos fios diminui (contração) nos dias de baixa temperatura e aumenta (expansão) nos dias de alta temperatura. A dilatação linear de um corpo depende diretamente do seu comprimento inicial, da substância que o constitui e da variação de temperatura sofrida. Portanto, a dilatação linear é expressa como:

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

T > T0

ΔL = L 0· α · Δ T em que ΔL é a variação do comprimento e L0 é o comprimento inicial, ambos com unidades no SI, em metros (m) , α é o coeficiente de dilatação linear em ° C –1 ou K –1 e ΔTé a variação de temperatura em ° Cou K.

L Representação da dilatação de um fio metálico.

O coeficiente de dilatação linear (α) é característico da substância da qual o corpo é constituído e representa a quantidade dilatada a cada unidade de temperatura variada.

A propriedade da dilatação dos sólidos é utilizada para controlar a temperatura em alguns equipamentos elétricos, como nos ferros de passar roupa. Uma lâmina composta de dois metais diferentes, ao aumentar de temperatura, dilata-se e se curva, desligando o aparelho ao atingir certa temperatura. Coeficiente de dilatação linear de algumas substâncias Substância Chumbo (Pb)

α · (°C −1) 2 9 · 10 −6

Alumínio (A𝓁) 

23 · 10 −6

Cobre ( Cu)

17 · 10 −6

Concreto

12 · 10 −6

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 195.

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A dilatação superficial, análoga à dilatação linear, é definida por:

T > T0 T0

ΔA = A0 · β · Δ T Representação da dilatação superficial de uma chapa de área inicial A0.

Chere/Shutterstock.com

em que ΔAé a variação da área e A0 é a área inicial, ambas em m 2 no SI, β é o coeficiente de dilatação superficial em ° C –1 ou K –1 e ΔT é a variação de temperatura em ° Cou K. Por definição, o coeficiente de dilatação superficial é dado por: β = 2 · α .

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Na dilatação superficial, ocorre a variação da área do corpo, portanto consideramos a dilatação em duas dimensões, comprimento e largura. No cotidiano, observa-se a dilatação superficial nas placas de concreto das calçadas ou dos azulejos, por exemplo.

A dilatação volumétrica ocorre quando há variação das três dimensões do corpo, ou seja, variação em seu volume, como nas peças de um automóvel. De forma análoga às dilatações linear e superficial, a relação que representa a dilatação volumétrica é dada por: ΔV = V0 · γ · ΔT

UNIDADE

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Motor de automóvel em funcionamento. O aumento de temperatura faz aumentar o volume das peças do motor.

em que ΔVé a dilatação volumétrica e V0 é o volume inicial, ambos em m 3 no SI, γ é o coeficiente de dilatação volumétrica em ° C –1 ou K –1 e ΔTé a variação de temperatura em ° Cou K. Por definição, o coeficiente de dilatação volumétrica é dado por: γ = 3 · α. Os líquidos também sofrem dilatação. Como não apresentam forma definida, sofrem somente dilatação volumétrica e têm somente coeficiente de dilatação volumétrica real ( γ), que depende da substância. Como os líquidos são aquecidos dentro de recipientes, cuja dilatação também deve ser considerada, a diferença entre a dilatação real do líquido e a dilatação do recipiente é definida como a dilatação aparente, ou seja, Δ V real = Δ Vaparente + Δ Vrecipiente em que γ real = γ aparente + γ recipiente. Com relação à dilatação dos líquidos, há uma propriedade importante relacionada à dilatação do líquido mais bem conhecido por todos: a água. Essa propriedade é conhecida como comportamento anômalo da água. Diferentemente do comportamento da maioria das substâncias, as quais expandem quando são aquecidas e contraem quando são resfriadas, a água ( H2 O) apresenta um comportamento denominado dilatação anômala. No resfriamento, ao atingir a temperatura de 4 °C,a água passa a expandir, aumentando seu volume e diminuindo sua densidade.

Volume (m3)

Volume × temperatura Volume (m)

Densidade × temperatura

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Volume × temperatura

Densidade (kg/m)

Temperatura (°C)

Diagrama do comportamento do volume em função da temperatura da maioria das substâncias.

8 12 Temperatura (°C)

Diagrama do comportamento anômalo do volume em função da temperatura da água.

8 12 Temperatura (°C)

Diagrama do comportamento da densidade em função da temperatura da água.

Fonte de pesquisa: HAYNES, William M. (ed.). CRC Handbook of chemistry and physics. 97. ed. Londres: CRC Press, 2017. p. 6-7.

Esse comportamento anômalo garante que a água à maior temperatura se concentre no fundo de um lago, mesmo que sua superfície esteja congelada, permitindo, portanto, a manutenção da vida nesses ambientes.

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Variação de temperatura Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que não, pois

substâncias diferentes possuem propriedades térmicas diferentes. Portanto, quando a mesma quantidade de calor é fornecida a diferentes substâncias, a variação de temperatura não será a mesma.

Joao D'Andretta/Shutterstock.com

Observe a fotografia a seguir.

6. Quando dois objetos diferentes absorvem a mesma

quantidade de energia na forma de calor, eles sofrem a mesma variação de temperatura?

Durante o dia, a areia e a água do mar recebem quantidades praticamente iguais de energia na forma de calor proveniente do Sol, mas a areia atinge maiores temperaturas do que a água. Durante a noite, tanto a areia quanto a água cedem energia para o ambiente, mas observa-se que a temperatura da água do mar se torna maior do que a da areia.

Praia no município de Caraguatatuba (SP), em 2024.

Em ambos os casos, a energia responsável em variar unicamente a temperatura é denominada calor sensível e é representada pela letra Q . Além de serem corpos diferentes, a água do mar e a areia são compostas de substâncias diferentes. Portanto, é preciso levar em conta grandezas físicas que correspondem a propriedades intrínsecas de cada material. Nesse caso, essas grandezas são a capacidade térmica e o calor específico. A capacidade térmica é a grandeza que relaciona a alteração de temperatura de um corpo com a quantidade de calor recebida ou perdida por ele, e pode ser calculada por: Q C = _ ΔT

em que Cé a capacidade térmica, Qé a quantidade de calor e ΔTé a variação de temperatura. No SI, a capacidade térmica é expressa em joule por kelvin (J / K), mas tanto na unidade de J / Kcomo na unidade de J / ° C, seu valor será o mesmo, pois uma mudança de 1 K, por exemplo, corresponde exatamente a uma mudança de 1 ° C. A capacidade térmica pode ser medida também em cal/° C. Sendo assim, a capacidade térmica é uma característica do corpo. Isto é, quantidades diferentes de água, por exemplo, apresentam valores de capacidade térmica diferentes, embora sejam a mesma substância. Por outro lado, o calor específico é uma propriedade da substância. Ele é definido como a quantidade de calor necessária para alterar a temperatura de uma unidade de massa da substância em 1 ° C. O calor específico é dado pela seguinte relação: Calor específico de algumas substâncias à temperatura ambiente ( 25 ° C)

C c = _ m

em que c é o calor específico da substância em J / kg · Kno SI, mé a massa do corpo em kgno SI e C é a capacidade térmica do corpo em J / K. No entanto, comumente se utiliza c al / g · ° C para o calor específico, sendo 1 cal / g · ° C = 1 000 J / kg · K. Confira na tabela o calor específico de algumas substâncias.

Substância

Calor específico ( cal / g · ° C)

Chumbo

0,0305

Prata ( Ag)

0,0564

Cobre

0,0923

Alumínio

0,215

Latão

0,092

Vidro

0,20

Gelo ( − 10 °C)

0,530

Mercúrio

0,033

Água do mar

0,93

Água doce

1,00

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 199.

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UNIDADE

3 Substituindo a definição da capacidade térmica na definição do calor específico, tem-se a equação denominada equação fundamental da calorimetria. Q _ Q C ΔT c = _ = _⇒ _ = m · c ∴ Q = m · c · ΔT m m ΔT

em que no SI, Qé a quantidade de calor em joule (J), m é a massa em quilograma (kg), c é o calor específico em J/kg · K e ΔTé a variação de temperatura em kelvin (K). É bastante comum expressar a quantidade de calor em calorias ( cal). Sendo a massa e o calor específico grandezas positivas: se o corpo perdeu calor (Q < 0), a temperatura ), a temperatura aumenta ( ΔT > 0 ). diminui ( ΔT < 0). Se o corpo recebeu calor ( Q > 0

Mudança de fase daphnusia images/Shutterstock.com

Confira a fotografia a seguir.

Resposta: Não. O objetivo desta questão é resgatar o conhecimento prévio dos estudantes sobre a mudança de fase. Eles podem responder que não, pois, se tratando de um material puro, enquanto ele muda de fase a temperatura não se altera.

7. Suponha que uma dada substância está recebendo calor. Em sua opinião, sempre que uma substância recebe calor, sua temperatura aumenta?

Considere uma situação em que o corpo constituído apenas por uma substância recebe calor. Em temperaturas específicas, a substância pode sofrer uma mudança de fase, na qual a temperatura do corpo permanece constante. Joalheiro aquecendo uma peça de metal com maçarico.

Nesse caso, para onde vai o calor absorvido pelo corpo se a temperatura permanece constante durante a transição de fase da matéria?

As fases sólida, líquida e gasosa se diferenciam pelo estado de agregação da matéria. Na fase sólida, as partículas formam uma estrutura rígida, apresentam mínima mobilidade e baixa energia. Na fase líquida, as partículas formam aglomerados com maior energia e maior mobilidade. Isso possibilita aos líquidos a propriedade de escoar e moldar-se ao recipiente. Na fase gasosa, as partículas não interagem entre si, a não ser por meio das colisões de curtas durações. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Portanto, para que uma substância passe de uma fase para outra, como mostrado na imagem, é necessário alterar o estado de agregação da matéria.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Dessa maneira, a energia absorvida ou cedida na mudança de fase altera a organização dos componentes, rompendo ou fazendo ligações intermoleculares, mas a temperatura não sofre alteração. Assim, a equação de calor sensível para quantificar o calor trocado durante a mudança de fase não é válida. Esquema de transição de fase.

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A quantidade de calor absorvida ou perdida na mudança de fase é chamada de calor latente e pode ser calculada pela relação a seguir. Q = m · L em que no SI, Q é a quantidade de calor em joule ( J), mé a quantidade de massa em quilograma ( kg) e L é o calor latente em joule por quilograma ( J/kg). A grandeza Lé o calor latente de mudança de fase e representa a quantidade de calor necessária para mudar o estado de uma unidade de massa de determinada substância, dada em J/kgou em cal/°C.

Para amostras de substâncias diferentes, além da quantidade de energia necessária para a mudança de fase, a temperatura na qual elas ocorrem é diferente. Para a água, sob pressão de 1 atm, sabe-se que a fusão ° C; no entanto, a fusão do cobre, por exemplo, ocorre na temperatura ocorre quando a temperatura atinge 0 de 1 083 ° C. A tabela a seguir apresenta o calor latente de mudança de fase e suas respectivas temperaturas para algumas substâncias, submetidas à pressão de 1 atm. Temperaturas e calores latentes de mudança de fase de algumas substâncias Calor latente de fusão Lf ( cal/g)

Água

Temperatura de fusão ( ° C) 0

Temperatura de ebulição (° C) 100

Calor latente de vaporização Lv (cal/g) 540

5 OH) Álcool etílico (C2 H

– 114

210

Chumbo

327

1 750

205

Cobre

1 083

2 566

1 131

Ouro (Au)

1 063

2 808

407

961

2 163

556

Substância

Prata

Fonte de pesquisa: TIPLER, Paul Allen; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas. Tradução: Paulo Machado Mors. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1. p. 432.

É importante notar que os valores mostrados no quadro valem para a pressão de 1 atm e que, se essa pressão for alterada, a temperatura de fusão ou de ebulição de uma substância também muda. Charles D. Winters/Science Source/Fotoarena

Aumentando-se a pressão sobre o gelo, por exemplo, ele se funde a uma temperatura menor do que 0 ° C, ao passo que, na pressão abaixo de 1 atm, a temperatura de fusão é maior do que a temperatura de 0 ° C. Esse efeito pode ser verificado no experimento realizado pelo físico irlandês John Tyndall (1820-1893). Abaixo do fio de cobre, a pressão é maior e o gelo se funde. Acima do gelo, como o excesso de pressão deixa de existir, a água se solidifica novamente. Tyndall chamou esse processo de regelo.

Um exemplo de aplicação desse princípio é a panela de pressão. O vapor de água é impedido de sair da panela, aumentando assim a pressão na parte interna dela, que pode atingir uma pressão de até 2 atm. Com isso, a água entra em ebulição a uma temperatura de 1 20 °C, aproximadamente, diminuindo o tempo de cozimento dos alimentos.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

A temperatura de ebulição também se altera com a pressão, de modo que, aumentando a pressão sobre o líquido, eleva-se a temperatura de ebulição.

Esquema de funcionamento de uma panela de pressão.

Experimento que mostra o processo do regelo. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

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UNIDADE

3 PRÁTICA CIENTÍFICA Processo de troca de calor

a) Resposta pessoal. O objetivo da questão é fazer os estudantes levantarem hipóteses que podem ser

durante a realização da atividade. Eles podem citar que poderíamos utilizar termômetros Por dentro do contexto testadas colocados em diferentes partes do objeto ou utilizar substâncias que evidenciem o aquecimento do

New Africa/Shutterstock.com

objeto, como parafina.

No cotidiano, os processos de transmissão de calor desempenham papel fundamental, especialmente o de condução. Esse fenômeno é mais evidente em bons condutores de calor, como os metais. Por exemplo, ao segurar uma colher de metal dentro de uma panela quente, o calor da panela é transferido pela colher até nossas mãos. Da mesma forma, caminhar descalço em um chão frio demonstra como o calor do corpo é rapidamente transferido para o piso. A fim de diminuir o efeito da condução, são utilizados materiais classificados como isolantes, por exemplo, ao retirar com luvas térmicas algo quente do interior de um forno de cozinha. a ) Em sua opinião, como poderíamos observar a propagação de calor em um objeto sólido? Materiais

• fio condutor (rígido) fino de aproximadamente 15 cm • parafusos pequenos • caixa de fósforos • vela • luvas térmicas

Como proceder

Pessoa utilizando luvas térmicas para proteger as mãos de queimaduras.

Imagens sem proporção e em cores fantasia.

A. Com cuidado, acenda a vela e, utilizando a parafina, fixe três parafusos no fio condutor, deixando 3 cmdas extremidades livres e distribuindo os parafusos em distâncias iguais, conforme mostra a imagem. Representação da etapa A.

Utilize a luva térmica para auxiliar na fixação dos parafusos com a parafina. Para isso, peça a ajuda de um adulto.

B. Após a parafina que segura os parafusos esfriar, aproxime uma das extremidades do fio condutor da chama da vela, utilizando a luva térmica para segurar a extremidade oposta e aguarde por um tempo. Observe o que acontece e faça Resposta: Espera-se que os estudantes citem exemplos de anotações no caderno. 5. situações em que a condução desejada inclui o uso de panelas

de metal, que se aquecem rapidamente no fogão, e ferros de passar roupa, que utilizam a condução para alisar tecidos. Por outro lado, a condução não desejada pode ser observada Representação da etapa B. em utensílios de cozinha com cabos de metal, que podem aquecer e, se tocados, provocar queimaduras, e em janelas ou paredes mal-isoladas, que provocam a perda de calor em dias de temperaturas baixas. Respostas das questões 1 a 4 nas Orientações para o professor.

Análise e divulgação

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Cuidado

1. Como a temperatura da extremidade do fio condutor afeta o tempo necessário para que a parafina derreta? 2. Quais fatores podem influenciar a eficiência da condução térmica no fio utilizado? 3. Como a quantidade de parafina utilizada afeta a duração do experimento? 4. De que maneira a posição dos parafusos ao longo do fio condutor influencia a velocidade de queda deles? 5. Agora, faça um cartaz expondo as conclusões a que você chegou sobre os processos de transmissão de calor, em especial o processo de condução. Insira informações referentes a situações do cotidiano, citando ocasiões em que a condução de calor é desejada e ocasiões em que a condução não é desejada. Por fim, apresente seu cartaz à turma.

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LIGADO NO TEMA Biocombustíveis Leia o trecho de notícia a seguir.

Demanda por biodiesel exigirá R$ 52,5 bi em aportes da indústria de soja no Brasil A elevação da mistura de biodiesel no diesel para 25% até 2035 vai exigir um volume de óleo de soja 296% maior que os 4,8 milhões de toneladas que o país usou em 2023, quando a mistura estava em 12%. [...] BOUÇAS, Cibelle. Demanda por biodiesel exigirá R$ 52,5 bi em aportes da indústria de soja no Brasil. União Nacional da Bioenergia, 10 maio 2024. Disponível em: https://www.udop.com.br/noticia/2024/05/10/ demanda-por-biodiesel-exigira-r-52-5-bi-em-aportes-da-industria-de-soja-no-brasil.html. Acesso em: 26 set. 2024.

O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, como óleos vegetais e gorduras animais. Ele é menos poluente do que os combustíveis fósseis, podendo substituir total ou parcialmente o diesel derivado do petróleo.

No Brasil, o biodiesel é produzido principalmente com óleo de soja, mas também pode ser produzido com mamona, girassol, amendoim, dendê, babaçu e algodão. Segundo a Companhia Nacional de Abastecimento (Conab), o país produziu aproximadamente 152,1 milhões de toneladas de soja em 2023 e, de acordo com a Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais (Abiove), no mesmo ano, o óleo de soja representou 69% da matéria-prima utilizada na produção de biodiesel.

Vasilius/Shutterstock.com

A mistura entre os dois combustíveis é classificada de acordo com a porcentagem de biodiesel adicionado. Por exemplo, uma mistura com 7% de biodiesel e 93% de diesel fóssil é chamada B7; já o biodiesel puro é denominado B100, que é obrigatoriamente adicionado ao diesel fóssil em proporções que variam conforme a legislação em vigor. Essa adição ajuda a reduzir as emissões de gases poluentes.

Folhas da soja.

De acordo com estudos, o uso do biodiesel reduz até aproximadamente 78% das emissões de dióxido de carbono em relação ao uso do diesel. Isso ocorre porque, durante seu desenvolvimento, as plantas oleaginosas cultivadas capturam e consomem o CO2 emitido pela queima desse combustível, reduzindo o acúmulo desse gás na atmosfera. Assim, o uso da biomassa orgânica não altera o ciclo do carbono, como é verificado com o uso de combustíveis fósseis. No entanto, o custo de produção do biodiesel é mais elevado do que o do diesel fóssil, além de aumentar a demanda pelo cultivo de soja, que é utilizada como alimento. Outra desvantagem do uso do biodiesel puro é o aumento da emissão de óxidos de nitrogênio na atmosfera. No entanto, essa emissão pode ser reduzida com o uso de aditivos ou ajustes nos motores. Confira no esquema como o biodiesel é produzido.

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oleaginosas

Sol

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

óleo bruto refino

colheita

extração

fotossíntese

óleo refinado

álcool

C O 2

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

sementes

4 7 6 a) Resposta: O transesterificação maior problema 5 5 biodiesel veículos automotores separação está relacionado com a emissão de gases poluentes, glicerol que contribuem Representação das etapas de produção do biodiesel. para o aquecimento global e a Imagem elaborada com base em: GAUTO, Marcelo Antunes; ROSA, Gilber Ricardo. Processos e operações poluição do ar. unitárias da indústria química. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna, 2011. p. 351. Além disso, sua queima libera partículas que 1. São cultivadas plantas oleaginosas (principalmente soja, girassol e mamona). podem causar chuva ácida, 2. Após a seleção e limpeza de grãos ou sementes, é feita a extração do óleo, um processo que pode afetando ecossistemas e ser mecânico ou feito por meio de solventes. No processo mecânico, os grãos ou as sementes são estruturas.

b) Resposta: A principal vantagem está associada ao fato de que, sendo produzido com fontes renováveis, como óleos vegetais e gorduras animais, reduz a dependência de combustíveis fósseis. Além disso, ele emite menos poluentes, contribuindo para a redução do aquecimento global e da poluição do ar. c) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a conhecer outras fontes de energia renovável utilizadas no país. Nesse trabalho, eles podem, por exemplo, relatar o uso de energia eólica, obtida por meio do uso do vento, e a energia solar; também devem refletir sobre as desvantagens de cada tipo de energia.

esmagados separando o óleo do farelo; já na extração por solventes, substâncias apolares dos solventes retiram os óleos das sementes. Algumas usinas usam os dois processos conjugados por considerarem mais proveitoso.

3. O óleo bruto passa pelo processo de refino (purificação e neutralização), transformando-se em óleo refinado composto basicamente de triglicerídeos.

4. O óleo refinado segue para o processo de transesterificação, no qual é adicionado álcool (etanol ou

metanol) em excesso, que reage com os triglicerídeos do óleo refinado, formando ésteres (biodiesel) e glicerol. São usadas soluções alcalinas de hidróxido de sódio ou potássio como catalisadoras dessa reação.

5. Na sequência, ocorrem os processos para separar o biodiesel do glicerol. O glicerol obtido é

concentrado e vendido para as indústrias, principalmente farmacêutica, cosmética e alimentícia.

6. Após essa etapa, o biodiesel é tratado. 7. O biodiesel pode ser adicionado ao diesel de petróleo, o que reduz a emissão de poluentes ao ser

queimado nos motores em que é utilizado. A quantidade de energia interna (poder calorífico) do biodiesel é ligeiramente inferior à do diesel. Isso significa que o biodiesel libera menos energia do que o diesel durante sua queima. O diesel com biodiesel adicionado é nomeado de acordo com a quantidade de biodiesel. Por exemplo, o diesel composto de 90% de biodiesel e 10% de diesel é conhecido por B90. O biodiesel puro é conhecido como B100.

8. Parte do dióxido de carbono liberado na queima do diesel é consumido pelas plantas no processo de fotossíntese, liberando gás oxigênio ( O2) e fechando o ciclo. a ) Quais são os principais problemas causados pelo uso do diesel fóssil? b ) Quais são as vantagens do uso do biodiesel como combustível, considerando todas as etapas de produção e consumo? c ) Junte-se a três colegas e façam uma pesquisa sobre outras fontes de energia renovável utilizadas no Brasil. Elenquem as vantagens e desvantagens do uso dessa alternativa em relação ao uso de fontes fósseis. Com base nessa pesquisa, produzam um podcast para ser divulgado para as outras turmas da escola, assim como para seus familiares e amigos.

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ATIVIDADES

7. Resposta: I) Falsa; O calor específico é menor; II) Falsa. Tanto o calor específico como a capacidade térmica é menor; III) A temperatura do mar diminui mais lentamente; IV) Falsa. A capacidade térmica é menor.

1. Por que os fios de transmissão de energia elétrica

não são instalados totalmente esticados entre os postes? O que aconteceria com esses fios se, por um erro na instalação, eles fossem instalados de forma esticada? Resposta: Porque no inverno eles podem se contrair. Se fossem instalados de forma esticada eles poderiam se romper devido à contração térmica.

2. Explique o que ocorre com um volume de água

ao ser resfriada de 4 ° C a 0 ° C. Qual é a relação desse fenômeno com o que ocorre ao se esquecer no freezer uma garrafa de vidro cheia de água, a ponto de estourar? Converse com seus colegas. Resposta: Nesse intervalo de temperatura, o Science Source/Fotoarena

volume da água aumenta conforme a temperatura é diminuída. Esse efeito explica por que uma garrafa de vidro estoura, pois o volume do vidro diminui enquanto o da água aumenta.

Garrafa de vidro trincada após ser esquecida dentro de freezer.

3. Cada trilho de ferro ( Fe)de uma linha férrea tem 24 mde comprimento à temperatura de 2 °C. Considerando que a dilatação ocorre em apenas uma direção e sabendo que a máxima temperatura na região é 42 °C, qual deve ser a menor distância entre dois trilhos consecutivos? 1 1·10−6° C–1) ( αFe= −2 Resposta: ΔL = 1,0560 · 10 m. Resolução nas Orientações para o professor.

4. Uma chapa de aço tem lados que medem 20 cm quando a temperatura é 0 ° C. Qual será a área da chapa quando sua temperatura for elevada até 200 ° C? ( α = 11·10−6° C–1)

401,76 cm 2. Resposta: A = Resolução nas Orientações para o professor.

5. No processo de recuperação da saúde bucal, uti-

liza-se a obturação. Trata-se da retirada e limpeza da região do dente afetada por uma cárie. Por fim, a cavidade é preenchida com resina, cujo resultado final está mostrado na fotografia. Lighthunter/Shutterstock.com

resina

Com relação ao coeficiente de dilatação da resina, comparado ao coeficiente de dilatação do dente, explique se ela deve ser maior, menor ou igual. Qual seria a consequência se fosse utilizada uma resina com o coeficiente inadequado? Explique sua resposta.

6. Qual é a capacidade térmica de uma substância de massa igual a 500 g, cuja temperatura varia de 10 ° Cpara 80 ° Cao receber uma quantidade de calor de 5 000 cal? Qual é o calor específico da substância? Resposta: C = 71,4 cal/°C, aproximadamente; c = 0,14 cal/g · ° C, aproximadamente. Resolução nas Orientações para o professor.

7. No litoral, durante o dia, o sentido do vento ocorre do mar para a areia e, durante a noite, o vento inverte seu sentido, da areia para o mar. Isso acontece porque a temperatura da areia aumenta e diminui rapidamente. Com base nisso, julgue cada afirmação a seguir como verdadeira ou falsa, justificando as falsas. I ) A temperatura da areia diminui mais rápido que a do mar, pois seu calor específico é maior e sua capacidade térmica é menor. II ) A temperatura da areia aumenta mais rápido que a do mar, pois seu calor específico e sua capacidade térmica são maiores.

III ) A temperatura do mar diminui mais rápido, pois tem menor calor específico e mais capacidade térmica do que a da areia. IV ) A temperatura da areia aumenta mais rápido, pois seu calor específico é menor e sua capacidade térmica é maior do que a da água.

8. Ao fazerem uma vistoria em um avião, os mecânicos responsáveis concluíram que a aeronave precisaria de um contrapeso para realizar a próxima viagem. Para construir esse contrapeso, os mecânicos resolveram usinar um bloco maciço de 2 000 cm3feito com alumínio. Como durante o voo pode haver uma variação de até 6 0 °C, os mecânicos precisam calcular a variação volumétrica desse bloco para saber exatamente o que poderá ser colocado ao lado dele. Resolução nas Resposta: ΔV = 8,28 cm 3.

Resina utilizada no processo de recuperação dentária.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Orientações para o professor.

Qual é a variação volumétrica desse bloco, nessas condições? Considere o coeficiente de dilatação linear do A𝓁 como α = 23 · 10 −6 °C −1.

5. Resposta: O coeficiente de dilatação da resina deve ser igual ao do dente. Se fosse maior ou menor, quando houvesse variação na temperatura, a resina causaria lesões no dente, pois as diferentes taxas de dilatação pressionariam a estrutura do dente, causando-lhe fissuras.

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9. Sobre a superfície externa de um copo com água

gelada, é comum observar a formação de gotículas de água, assim como é comum a parte interna do vidro dos carros embaçar em dias frios. Qual é a explicação para esses fenômenos? Justifique sua resposta. 10. Considere um cubo de gelo de 800 g de massa a uma temperatura de 0 ° C. Qual é a quantidade de calor necessária para liquefazer totalmente sua massa? Considere o calor latente de fusão do gelo igual a 80 cal/g.Resposta: Q = 6 4 000 cal. Resoluções das questões 10 a 12 nas Orientações para o professor. 11. A temperatura corporal normal para uma pessoa é 36,5 °C. Se ela consumir 500 mL de água a uma temperatura de 5 °C, qual é a quantidade de calor que deve ser transferida da pessoa para a água para que o líquido entre em equilíbrio térmico com o corpo? Considere o calor específico da água igual a 1 cal/g · °C. Resposta: Q = 15 750 cal. 12. O gráfico a seguir descreve a medida da temperatura de um objeto de massa 0,8 kgem função da quantidade de calor. Resposta: c = 0,125 cal/g · °C. Temperatura ×quantidade de calor

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

T (8C) 20 10

1 000

2 000

Q (cal)

Fonte de pesquisa: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 330.

Gráfico da temperatura em função da quantidade de calor.

Com base nas informações apresentadas, calcule o calor específico dessa substância.

13. Um professor de Física encontra determinado

objeto e não sabe sua composição. Ele, então, realiza os seguintes procedimentos na tentativa de detectar a substância: I ) Coloca-o em uma balança e constata que a massa do objeto é 200 g. II ) Com um refrigerador faz a temperatura do objeto passar de 20 ° Cpara − 23,5 ° C. III ) Por meio de um calorímetro, aferiu que o objeto teria perdido 800 cal. De acordo com o procedimento adotado pelo professor, determine: a ) a capacidade térmica do material; Resposta: C = 18,39 cal/°C, aproximadamente. b ) o calor específico; Resposta: c = 0,092 cal/g · °C, aproximadamente. c ) o material do qual é feito o objeto. Para isso, utilize a tabela de calor específico, da página 188.

Resposta: Pela tabela, conclui-se que o objeto é feito de cobre.

14. Em um laboratório, um cientista está estudando

a fusão e a solidificação de gelo. O calor latente de fusão do gelo é 3 34 J/g, o que significa que são necessários 334 J para fundir 1 g de gelo a 0 °Csem alterar a temperatura. Analise as afirmativas a seguir e julgue-as como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) Para transformar 50 gde gelo a 0 ° Cem água a 0 ° C, são necessários 16 700 Jde energia. II ) A quantidade de energia necessária para solidificar 50 gde água a 0 °Cem gelo a 0 °Cé menor do que a quantidade necessária para fundi-la. III ) A energia necessária para fundir 50 gde gelo é a mesma que a energia liberada ao solidificar 50 gde água. Resposta: I) Verdadeira; II) Falsa. A

UNIDADE

9. Resposta: As partículas de água presentes no ar, ao se chocarem com a superfície de vidro, a uma menor temperatura, diminuem bruscamente sua velocidade, e assim sucessivamente, depositando uma grande quantidade dessas partículas.

energia necessária para fundir e solidificar a água é a mesma; III) Verdadeira.

15. Em um experimento se aquece uma amostra de

metal e outra de água. A amostra de metal tem uma massa de 150 ge o calor específico do metal é 0,50 J / (g · ° C). A água tem uma massa de 200 g e o calor específico da água é 4,18 J / ( g · ° C). Deseja-se saber qual será o aumento de temperatura de cada substância ao adicionar 500 J de energia térmica a elas. Com base nas informações apresentadas, calcule: a ) o aumento da temperatura do metal; Resposta: ΔT = 6,7 ° C, aproximadamente. b ) o aumento de temperatura da água. Resposta: ΔT = 0,6 ° C, aproximadamente.

16. A transferência de energia de um corpo para ou-

tro pode resultar em mudanças de temperatura, de fase e dilatação ou contração térmica. Em relação aos efeitos das trocas de calor, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01) Em construções como pontes e prédios, a dilatação e contração térmica devem ser levadas em consideração, pois o aumento e diminuição de temperatura podem causar alterações nas dimensões das estruturas, gerando rachaduras, por exemplo. 02) O termômetro a base de mercúrio funciona por causa do equilíbrio térmico entre o corpo e o mercúrio, ocorrendo a dilatação do líquido para medição da temperatura. 04) Em uma dilatação volumétrica, apenas duas de suas dimensões são aumentadas, por essa razão os líquidos não respeitam uma dilação volumétrica. 08) A capacidade térmica é uma característica da substância, de modo que, dois corpos da mesma substância não podem ter valores de capacidade térmica diferentes. 16) O calor específico é diretamente proporcional à massa do corpo, sendo assim, podemos definir como capacidade térmica por unidade de massa.

16. Resposta: Soma: 01 + 02 + 16 = 19. 01) Correta; 02) Correta; 04) Falsa. Pois em uma dilatação volumétrica todas suas dimensões são aumentadas, e nos líquidos a dilatação volumétrica é a única que faz sentido por não apresentarem forma específica; 08) Falsa. A capacidade térmica é uma característica do corpo e dois corpos de mesma substância podem ter capacidades térmicas diferentes; 16) Correta.

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CAPÍTULO

A energia nos sistemas termodinâmicos

Sistemas termodinâmicos 1. O que você sabe sobre sistemas termodinâmicos?

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes relacionem sistemas termodinâmicos aos dispositivos que trocam, ou não, energia e matéria com o meio, a fim de realizar o trabalho, ou não. Podem citar o funcionamento do motor de um automóvel, por exemplo.

Quanto à interação entre os seres vivos e o ambiente, observamos que parte da energia obtida dos alimentos é dissipada na forma de calor para o meio. Portanto, em razão dessa troca de energia na forma de calor, os seres vivos são considerados elementos de um sistema termodinâmico.

Lucky Business/Shutterstock.com

Quando nos alimentamos, nosso organismo transforma a energia química armazenada nos alimentos em outros tipos de energia. Essa energia transformada possibilita ao ser humano desenvolver atividades essenciais do organismo, como a manutenção de funções vitais e a locomoção.

Pessoas durante refeição.

Um sistema termodinâmico é definido como uma região do espaço composto de determinada quantidade de matéria e energia, delimitada por fronteiras que separam o sistema do ambiente. Essas fronteiras limitam a região do espaço a ser estudada. Compartilhe ideias

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar o motor a combustão interna, que converte a energia química do combustível em energia térmica, e a energia térmica em trabalho, simplificadamente.

Além dos seres vivos, diferentes sistemas termodinâmicos fazem parte do nosso cotidiano.

a ) Junte-se a dois colegas e pesquisem outros tipos de sistemas termodinâmicos, o seu funcionamento e como ocorrem os processos de interação com o meio. Em seguida, apresentem aos colegas de turma.

Para a análise de um sistema termodinâmico, é necessário obter as informações de um conjunto de variáveis que o descreve. Trata-se das variáveis termodinâmicas ou variáveis de estado, como massa, volume, temperatura, pressão, entre outras características que definem o estado físico do sistema, ou seja, definem sua configuração em determinado instante. Os sistemas termodinâmicos são classificados em abertos, fechados e isolados. Essa classificação é definida conforme o modo que o sistema interage com o meio, dissipando ou conservando suas propriedades internas. Um sistema termodinâmico aberto é caracterizado por ter limites que permitem a troca de matéria e energia com o meio. O ser humano pode ser considerado um exemplo de um sistema aberto, pois recebe matéria e energia por meio dos alimentos que ingere, absorve parte dessa energia e cede outra parte na forma de calor para o ambiente, além de eliminar uma parcela da matéria que ingeriu.

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UNIDADE

3 O termo caloria ( cal)  é tecnicamente definido como a quantidade de energia na forma de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau Celsius. Entretanto, quando falamos sobre energia alimentar, também usamos a mesma denominação, acompanhada do múltiplo quilo, que corresponde a 1 000 calorias ( 1 kcal).  A kcalé a unidade de medida mais adequada para alimentos porque há uma grande quan 9 kcal ( 89 000 cal); tidade de energia armazenada em suas moléculas. Por exemplo, uma banana tem cerca de 8 um pão francês, 140 kcal ( 140 000 cal), aproximadamente; e o tomate em torno de 33 kcal ( 33 000 cal). De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), um indivíduo adulto saudável deve consumir entre 2 000 kcale 2 400 kcalpor dia. Para determinar suas necessidades calóricas individualizadas, é importante considerar as funções metabólicas básicas como respiração e produção celular, exercícios físicos, idade, altura e massa corpórea. Uma dieta adequada e saudável deve satisfazer necessidades humanas de energia e de todos os nutrientes essenciais, como proteínas, carboidratos, lipídios, vitaminas e minerais. 2. Você acredita que seus hábitos alimentares diários contribuem para uma dieta

equilibrada e saudável? Se não, quais estratégias pode adotar para melhorá-los?

Resposta pessoal. O objetivo desta questão é fazer com que os estudantes reflitam sobre seus hábitos alimentares e que tomem consciência de que uma dieta rica em nutrientes é fundamental para o bom funcionamento do organismo.

Dica

Para garantir que você está seguindo uma alimentação saudável, é recomendável buscar o acompanhamento de um profissional qualificado, como um nutricionista. Ele pode fornecer orientações personalizadas para melhorar seus hábitos alimentares e, consequentemente, sua saúde. Licvin/Shutterstock.com

Um sistema fechado é caracterizado por ter limites que impedem a troca de massa com o meio, isto é, a quantidade de matéria não varia. Entretanto, esses limites não impedem a interação por meio de energia. Nesse caso, ocorrem trocas de energia do sistema com a vizinhança, o que pode ser por meio de trabalho, de calor ou de outra forma de energia. Uma garrafa com água que recebe a energia solar é um exemplo de sistema fechado. A água contida no interior da garrafa absorve a energia recebida pelo Sol, aumentando sua temperatura. No entanto, a quantidade de água não é alterada, ou seja, não há trocas de massa entre o sistema e o meio, apenas trocas de energia. Outro exemplo de sistema fechado são os balões de ar quente utilizados no transporte de pessoas.

Barat Roland/Shutterstock.com

Esse dispositivo é inicialmente preenchido com ar à temperatura ambiente até preencher 60% do seu volume, quando o ar é aquecido por um maçarico localizado na sua base. A elevação da temperatura do gás em seu interior faz a velocidade média de suas moléculas aumentar, causando a expansão do volume a fim de deixá-lo menos denso que o ar fora do balão, o qual passa a flutuar. Assim como um navio que flutua na água, o balão de ar quente (menos denso) flutua no ar com menor temperatura (mais denso). Durante o voo, o balão de ar quente troca energia na forma de calor com o meio, mantendo constante a massa de ar no seu interior.

Garrafa com água sob a incidência de radiação solar.

Balão de ar quente sendo aquecido.

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Os voos de balão não são realizados com o sol a pino, pois tanto o solo quanto o ar acima dele estão muito aquecidos. Isso diminui a diferença de densidade entre o ar interno do balão e o ar do meio externo, prejudicando a flutuação.

ATIVIDADES RESOLVIDAS R1. Um grupo de amigos resolveu passear em um balão de ar quente. Após o operador aquecer o ar no interior

do balão e soltar as amarras que o prendiam ao solo, ele começou a flutuar e subir. Um dos amigos a bordo questionou o seguinte: qual é o fenômeno físico que explica o funcionamento do balão? O que o operador deve fazer para que o balão retorne ao solo? Resolução A temperatura de um corpo está relacionada ao nível de agitação das moléculas que o compõem. Assim, quando a temperatura do gás no interior do balão aumenta, as moléculas desse material adquirem maior energia cinética. Conforme o gás é aquecido, as moléculas se chocam cada vez com mais energia contra as paredes do balão, fazendo o volume dele aumentar. Isso provoca a diminuição da densidade nessa região, fazendo o balão flutuar, uma vez que a densidade do ar no exterior é maior. Para o balão retornar ao solo, basta diminuir a temperatura do gás em seu interior, aumentando assim sua densidade.

Quanto ao sistema isolado, nem matéria nem energia cruzam sua fronteira, ou seja, o sistema não é influenciado pelo ambiente. Podemos dizer que os sistemas isolados constituem um tipo especial de sistema fechado, que não interage com o ambiente ao seu redor. Nesse caso, a temperatura é sempre constante. É muito difícil obter um sistema totalmente isolado, pois todos os sistemas têm alguma interação com o ambiente ao seu redor pelas trocas de energia. Diferentemente do sistema fechado, cuja característica principal é ser completamente vedado, impedindo o fluxo de matéria, a construção de um sistema isolado requer materiais que não permitam a passagem de energia ou que, no máximo, permitam um fluxo considerado desprezível. Há alguns dispositivos, muito comuns que atuam praticamente como sistemas isolados. Como exemplo, podemos citar a garrafa térmica, geralmente usada para armazenar água quente, e a caixa térmica, em que se armazenam produtos como sucos, água, sanduíches e sorvetes para serem consumidos durante o dia. A garrafa térmica mantém a água quente, em temperatura maior que a do ambiente.

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A caixa térmica mantém bebidas e alimentos em temperatura menor que a do ambiente

Pessoa puxando uma caixa térmica em um carrinho.

Pessoa despejando água de uma garrafa térmica em uma cuia.

Esses dispositivos são desenvolvidos com o objetivo de impedir a troca de calor do seu interior com o meio externo. Neles, as bebidas e os alimentos armazenados permanecem em temperatura menor ou maior que a do ambiente por um longo período, conservando suas propriedades físicas e químicas.

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A garrafa térmica, por exemplo, tem um recipiente interno com as paredes interna e externa espelhadas, contendo ar rarefeito entre elas. Envolto ao recipiente espelhado, há uma proteção com paredes isolantes e uma tampa para vedação.

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tampa

Representação de uma garrafa térmica.

paredes espelhadas

ar rarefeito

parede isolante

ATIVIDADES RESOLVIDAS R2. Uma pizzaria se preocupa com a qualidade dos produtos e com a satisfação do consumidor. Para isso, estabelece que nenhuma pizza deve ser entregue ao cliente com temperatura inferior a 3 7 °C.

O entregador desse estabelecimento colocou duas pizzas na caixa térmica e esperou o sistema atingir o equilíbrio térmico. Em seguida, ele verificou que a temperatura delas no interior da caixa térmica era de 47 °C. Chegando ao primeiro endereço, em 7 minutos, mediu novamente a temperatura. a ) Supondo que a caixa seja um sistema termodinâmico isolado, qual foi a temperatura medida no momento da entrega? b ) Após entregar a primeira pizza, o entregador constatou um problema que impedia de vedar completamente a caixa. Então, concluiu que a segunda entrega deveria ser efetuada rapidamente, antes que a temperatura da pizza ultrapassasse o valor mínimo estabelecido pela empresa. Supondo que o valor da temperatura da segunda pizza na caixa térmica diminua a uma taxa constante de 1 ,1 °C/min, quanto tempo haveria para entregá-la conforme as normas da empresa? c ) Sabendo que após a primeira entrega se passaram mais 8 minutos para entregar a segunda, qual é a temperatura da pizza no momento dessa entrega? Resolução: a ) Considerando a caixa térmica como um sistema isolado, a temperatura no seu interior é constante, pois não há troca de calor com o ambiente. Assim, a temperatura é 47 °C. b ) Considerando a taxa de diminuição da temperatura constante, tem-se uma função de primeiro grau, do tipo T( t) = T0− 1 ,1 · t , em que T( t) é a temperatura em função do tempo, T0é a temperatura inicial e té o tempo. Assim, para que a entrega seja realizada na temperatura adequada, tem-se: 37 − 47 _ 10 T( t) = T 0 − 1,1 · t ⇒ 3 7 = 47 − 1 ,1 · t ⇒ t = _ = ∴ t ≃ 9 min (− 1,1) 1,1

c ) Utilizando a lei da função definida no item anterior, após 8 minutos, tem-se: T( 8) = 4 7 − 1 ,1 · 8 ⇒ T ( 8) = 47 − 8,8 ∴ T( 8) = 38,2 °C T( t) = T 0 − 1,1 · t ⇒

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Sistemas dissipativos Sistemas termodinâmicos classificados como dissipativos são caracterizados por processos envolvendo trocas de energia, em que parte dessa energia é dissipada em algum processo e não pode ser aproveitada para realização de trabalho. Entende-se por dissipação uma situação em que parte da energia é transformada em algum tipo de energia que não seja o objetivo do sistema (não é útil). Porém, quando todas as formas de energia são consideradas, de fato, a energia total do sistema é conservada. Dario Sabljak/Shutterstock.com

O motor a combustão de um automóvel é um exemplo de sistema dissipativo. Ele converte a energia química armazenada no combustível em energia de movimento transmitida para as rodas do veículo, fazendo-o se deslocar. Contudo, grande parte da energia é dissipada em outras formas que não são úteis para fazer o veículo se mover, como o ruído do motor (energia sonora), o aquecimento dele (energia térmica) etc. Dica Embora a energia utilizada para o aquecimento do motor seja uma quantidade dissipada do sistema, ela é importante para o seu bom funcionamento, principalmente na melhoria da lubrificação de suas peças, em que o óleo automotivo também se aquece.

Imagem em infravermelho de um automóvel.

O planeta Terra também pode ser classificado como um sistema termodinâmico dissipativo. Grande parte da energia recebida do Sol é utilizada para a manutenção da vida e da biodiversidade do planeta, como o aquecimento da água dos rios, dos mares e dos lagos, que, ao se evaporar, dá início ao ciclo da água, enquanto o aquecimento da atmosfera forma os ventos, responsáveis pela distribuição das chuvas para todas as regiões do planeta. Por outro lado, a Terra dissipa parte de sua energia na forma de calor para o espaço. Essa parcela de energia dissipada que escapa do planeta não contribui de forma útil para o sistema termodinâmico terrestre. No entanto, se considerarmos a energia dissipada somada à energia útil do sistema termodinâmico terrestre, verifica-se que a energia total é conservada, ou seja, é equivalente a toda energia recebida pelo Sol.

Considerando os exemplos de sistemas termodinâmicos dissipativos citados, podemos classificar tanto o organismo vivo (ser humano, por exemplo) quanto o motor do automóvel como sistemas abertos, pois ambos trocam matéria e energia com o ambiente. Já o sistema terrestre pode ser considerado um sistema fechado, pois praticamente não troca matéria com o espaço em volta dele, contudo troca energia absorvendo energia do Sol e emitindo energia térmica para o espaço.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação do corpo humano como um exemplo de sistema termodinâmico dissipativo aberto.

alimentos: matéria e energia corpo humano dejetos

calor Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Um organismo vivo, tal como o corpo humano, é outro exemplo de sistema termodinâmico dissipativo. Podemos notar que a energia proveniente do alimento não é completamente aproveitada e convertida em energia para manter as funções vitais do organismo ou para ser utilizada em alguma atividade cotidiana, como andar ou correr. Em vez disso, parte dela acaba sendo dissipada para o ambiente e não pode ser aproveitada para executar tarefas.

Ilustração elaborada com base em: DURAN, José Enrique Rodas. Biofísica: conceitos e aplicações. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011. p. 109.

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ATIVIDADES RESOLVIDAS R3. Uma determinada marca de automóveis deseja melhorar o desempenho de seus veículos para que consu-

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mam menos combustível. Para isso, ela desenvolveu um motor modelo B para substituir o antigo modelo A nos novos veículos que serão produzidos. Ambos são de 1 000 cilindradas (1.0). Para que fossem comparados, eles foram submetidos a uma série de testes. Os resultados obtidos foram resumidos da seguinte maneira: I ) Não foi observada nenhuma diferença de potência entre os modelos. II ) O modelo B apresentou um ruído médio cerca de 20% menor que o modelo A. III ) A temperatura média do modelo A foi cerca de 10% maior que a do modelo B após o mesmo período ligado. a ) Considerando o motor do automóvel como um sistema termodinâmico, em qual classe de sistema ele se encaixa? Por quê? b ) Analisando as três características dos modelos A e B, qual deles consumirá menos combustível? Resolução: a ) O motor do automóvel é um sistema termodinâmico aberto, pois o combustível (matéria) é inserido no interior da câmara de combustão pela válvula de admissão e expele os gases após a combustão pela válvula de escape. Ele também é um sistema dissipativo, pois apenas uma fração da energia armazenada no combustível é aproveitada para fazê-lo se mover. b ) O modelo B consome menos combustível, pois dissipa menos energia na forma de calor e ruído, fornecendo a mesma potência que o modelo A fornece.

Sistemas conservativos Sistemas conservativos são caracterizados por processos envolvendo trocas de energia totalmente aproveitadas para a realização de trabalho. Em outras palavras, nesses sistemas nenhuma quantidade de energia é dissipada. Os sistemas conservativos são fundamentados no princípio de conservação de energia, segundo o qual a energia total interna do sistema se mantém constante.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Consideremos a situação ideal apresentada a seguir. Trata-se de dois objetos com temperaturas diferentes que trocam energia na forma de calor e estão inseridos em um recipiente perfeitamente isolado, sem trocar energia com o meio externo. Professor, professora: Comente com os estudantes que não há um sistema perfeitamente isolado na natureza.

calor

parede termicamente isolada

TA > TB Representação de um sistema termicamente isolado.

Observa-se a troca de calor entre eles até que suas temperaturas sejam as mesmas (equilíbrio térmico). Após atingir o equilíbrio térmico, o calor total perdido ( −)  pelo corpo de maior temperatura é igual ao calor total recebido ( +)  pelo corpo de menor temperatura, de maneira que a soma algébrica dos calores trocados seja nula. Assim: 0 ∑ Q = 0 ou Q perdido + Qrecebido =

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O recipiente utilizado em experimentos de trocas de calor é o calorímetro. Trata-se de um dispositivo constituído de um recipiente interno envolvido por paredes isolantes que impedem as trocas de calor com o meio externo, assim como a garrafa térmica, mencionada anteriormente. Na tampa, há um orifício para inserir um termômetro. Desse modo, o calorímetro é considerado termicamente isolado.

Andrei Nekrassov/Shutterstock.com

Nessa situação não consideramos a troca de energia com o recipiente, mas nos experimentos realizados em laboratório nem sempre é possível desprezar essas parcelas de calor trocadas com o recipiente, sobretudo quantidades que são da ordem de grandeza da energia trocada entre os corpos.

Todavia, o calorímetro também participa das trocas de calor com os objetos colocados em seu interior. Assim, é necessário conhecer sua capacidade térmica (C) para conhecer o calor (Q)  perdido ou recebido por ele. Q = C · ΔT Calorímetro.

Portanto, nas situações em que se considera a energia na forma de calor trocada com o recipiente, este deve ser incluído como mais um elemento na equação. Em relação à energia mecânica, um sistema é considerado conservativo quando os efeitos das forças dissipativas são desconsiderados, como a força de atrito. Para isso, considere uma skatista descendo uma rampa livre de qualquer força que possa dissipar energia, como mostra a figura a seguir. C.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

Professor, professora: Relembre os estudantes de que energia mecânica está relacionada à capacidade de um corpo em realizar trabalho. Se essa capacidade estiver relacionada ao movimento, refere-se à energia cinética. Já se estiver relacionada à posição do corpo, refere-se à energia potencial.

Representação de uma skatista se movendo sobre uma rampa.

Nota-se que, durante a descida, ocorre a transformação total da energia potencial gravitacional armazenada (quando a skatista está em A) em energia cinética (quando ela está em B). Observa-se também que, durante a subida, toda energia cinética em B é transformada novamente em potencial, em C. Como o sistema é conservativo, a skatista atinge a mesma altura inicial. Com isso, a energia total do sistema é conservada, ou seja, a energia mecânica é a mesma em qualquer momento do movimento da skatista sobre a rampa. 3. Caso a skatista estivesse em um sistema dissipativo, ou seja, considerando as forças dissipativas, como seu movimento se descreveria?

Resposta: A energia mecânica do sistema diminuiria, portanto a velocidade adquirida na descida seria menor e a altura adquirida na subida seria menor que a altura inicial.

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3 ATIVIDADES RESOLVIDAS

zeelbervarg/Shutterstock.com

R4. Leia o texto a seguir sobre como os iglus protegem os inuítes contra o frio. Depois, responda às questões. Os iglus são construídos com blocos de gelo e cobertos com uma camada de neve e esses materiais são isolantes térmicos, pois aprisionam ar em seu interior. Além disso, eles são construídos em dois patamares, levando-se em conta a diferença de densidade entre o ar com maior temperatura e o ar com menor temperatura. O ar mais frio se concentra no nível inferior, próximo à entrada do iglu. Como o ar mais quente sobe, as camas são construídas no nível superior. Uma fonte de calor, como uma lamparina a óleo, também ajuda a aquecer o ambiente.

Iglu em Novosibirsk, na Rússia, em 2021.

a ) Considerando o iglu como um sistema termodinâmico, avalie as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) A parte interior do iglu é um sistema perfeitamente isolado, sem interagir com o exterior. II ) A parte interior do iglu é um sistema fechado, trocando calor apenas com o exterior. b ) A parte interior do iglu pode ser considerada um sistema termodinâmico conservativo? Justifique sua resposta. Resolução: a ) I) Falsa. Na prática, não é possível construir um sistema perfeitamente isolado do ambiente. II) Verdadeiro. b ) Sim. Essa região do iglu atua aproximadamente como um sistema isolado, retendo o calor liberado pelo corpo da pessoa que o ocupa e evitando que seja liberado para o exterior, mantendo a habitação com uma temperatura mais agradável.

R5. O corpo humano coberto pelo casaco pode ser considerado um sistema isolado e conservativo? Explique. Resolução: Não. Apesar de diminuir a sensação de frio ao reduzir a taxa de calor do corpo para o ambiente, o corpo humano é considerado um sistema aberto e dissipativo.

R6. Um calorímetro caseiro pode ser produzido com materiais simples, seja um copo de vidro ou de isopor, seja outros recipientes capazes de impedir as trocas de calor com o ambiente. Contudo, em um laboratório de pesquisas, esse tipo de dispositivo não é suficiente para obter os dados com a precisão necessária para as pesquisas dos cientistas, pois: I ) o calorímetro caseiro não é capaz de medir qualquer variação de temperatura dos corpos em seu interior. II ) o calorímetro feito com material de baixo custo não é capaz de impedir as trocas de calor com o ambiente de forma suficientemente eficaz, deixando parte do calor ser transferido para o ar em volta dos corpos, por exemplo. III ) esse tipo de calorímetro pode muito bem ser utilizado em qualquer tipo de experimento. Resolução: A opção II está correta.

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PRÁTICA CIENTÍFICA Trocas de calor em um calorímetro Por dentro do contexto

a ) Como ocorrem as trocas de massa e de energia em uma panela de pressão? Espera-se que os estudantes citem que a panela de

Plernz/Shutterstock.com

Ao analisarmos os diferentes tipos de sistemas em termos de suas interações com o ambiente, podemos identificar três categorias principais: sistemas abertos, fechados e isolados. Como vimos anteriormente, a garrafa térmica pode ser classificada praticamente como um sistema isolado, pois reduz a troca de massa e de energia com o meio externo. Já uma panela de pressão é classificada como um sistema aberto porque troca massa e energia com o meio externo. Panela de pressão sobre a chama de um fogão.

pressão recebe energia da chama do fogão e cede energia para o ambiente pelas laterais e pela tampa. Além disso, troca matéria com o ambiente ao liberar vapor pela válvula.

Materiais

• potes de isopor

• cronômetro

• 2 pequenos recipientes iguais, preferencialmente de vidro

• 2 termômetros de cozinha

• aquecedor de água (pode ser utilizado um micro-ondas, uma chaleira elétrica, uma panela e um fogão etc.)

Dica

• água • balança digital

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Os pequenos recipientes iguais podem ser xícaras, potes de sobremesa ou de geleia. O importante é que o recipiente caiba dentro do pote de isopor e seja resistente ao calor.

Como proceder A. Faça um furo e insira um termômetro no centro da tampa do pote de isopor. B. Aqueça a água até ela se aproximar do ponto de fervura. Depois, distribua a água em quantidades iguais nos dois recipientes de vidro. Para isso, utilize a balança para verificar a igualdade das quantidades. Anote os valores da balança em seu caderno.

Imagem referente à etapa A. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

C. Meça a temperatura de ambas as quantidades de água contidas nos recipientes de vidro e anote-a em seu caderno. Dica Para manusear água quente, peça a ajuda de um adulto.

Dica Caso os dois recipientes de vidro sejam diferentes, lembre-se de descontar a massa deles para obter a massa de água. Para isso, meça na balança a massa de cada recipiente separadamente e vazios.

Imagem referente à etapa B.

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Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

D. Agora, posicione um dos recipientes de vidro no interior do pote de isopor e feche-o, de modo que o termômetro fique em contato com a água. E. Insira o outro termômetro no outro recipiente de vidro, que ficará exposto ao ambiente. Dica

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Caso não tenha dois termômetros, faça a prática em dois momentos diferentes. No entanto, atente para que a temperatura inicial e a quantidade de massa de água sejam as mesmas. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Imagem referente à etapa F.

F. A cada 10 minutos, verifique a temperatura dos dois recipientes, anotando-as em seu caderno. Repita as medições por um intervalo de tempo de 1 hora. G. Após o tempo de medições, meça a massa de água dos dois recipientes de vidro utilizando a balança. H. Calcule a quantidade de massa que foi perdida em cada recipiente. I. Utilize os valores de temperatura anotados e faça um gráfico de temperatura em função do tempo. J. Por fim, repita os procedimentos para quantidades diferentes de água em cada recipiente de vidro.

Análise e divulgação Respostas das questões 1, 3, 9 e 11 nas Orientações para o professor. 1. Quais foram os materiais utilizados para construir os dispositivos classificados como sistemas termodinâmicos aberto e isolado?

2. Como você compara os dois dispositivos para classificá-los como aberto ou isolado?Resposta: Espera-se que os estudantes relatem características das montagens que evidenciem a troca de energia e matéria com o ambiente, concluindo que o calorímetro é um sistema fechado e o vidro exposto é aberto. 3. Quais grandezas físicas foram analisadas nessa comparação?

4. Qual foi a diferença na evolução da temperatura da água entre o recipiente dentro do calorímetro e o reciA temperatura dos dois caiu ao longo do tempo, mas a temperatura da água piente fora dele ao longo do tempo? Resposta: fora do calorímetro diminuiu mais rapidamente.

5. Como a presença do calorímetro afetou a taxa de variação da temperatura da água em comparação com o Resposta: O calorímetro dificultou a perda de energia da água para o ambiente, pois o poliestireno

recipiente que estava fora? expandido atuou como um isolante térmico.

6. Quais foram as condições ambientais durante o experimento e como elas influenciaram a temperatura da

água nos dois recipientes? Resposta: A temperatura do ambiente era menor que a temperatura da água (os estudantes podem citar a temperatura no momento que realizaram o experimento), logo a água perdeu energia para o ambiente.

7. Como o gráfico de temperatura em função do tempo pode demonstrar a diferença entre a água no caloríme-

tro e a água exposta ao ambiente? Resposta: O gráfico da água dentro do calorímetro mostra uma diminuição mais lenta na temperatura ao longo do tempo, enquanto a água exposta ao ambiente resfria muito mais rapidamente. Isso acontece porque o calorímetro isola a água e reduz a troca de calor com o ambiente, enquanto a água exposta perde calor para o ar de maneira mais intensa.

8. Qual é a relação entre a taxa de variação da temperatura ao longo do tempo nos dois recipientes e o isola-

mento térmico proporcionado pelo calorímetro? Resposta: A inclinação da curva da água no calorímetro é menor, o que indica que a temperatura está variando mais lentamente. Isso significa que o calorímetro está isolando melhor a água e impedindo a troca rápida de calor com o ambiente. A água exposta tem uma inclinação maior no gráfico, o que mostra que está perdendo calor mais rapidamente.

9. Qual é a diferença nas quantidades de água observadas nos dois recipientes após 1 hora e o que isso indica?

10. Como a diferença na quantidade de água após 1 hora reflete a troca de calor entre o ambiente e os dois

Espera-se que os estudantes mencionem que a menor quantidade de água no recipiente exposto ao ambiente recipientes? Resposta: reflete que houve mais troca de calor com o ambiente, o que aumentou a evaporação. No calorímetro, houve menos troca de calor, o que resultou em menos evaporação e mais água restante após 1 hora.

11. Faça uma atividade de divulgação científica dos resultados do experimento sobre a evolução da tempera-

tura da água por meio da produção de um vídeo explicativo. Ele pode ser publicado em redes sociais a fim de divulgar suas conclusões. Para isso, defina os pontos a serem abordados no vídeo, como o objetivo do experimento, a metodologia, os resultados obtidos e as conclusões. Grave explicações claras sobre cada etapa do experimento e os resultados obtidos, seguindo o planejamento.

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ATIVIDADES

1. b) Resposta: Não. Porque há uma troca contínua de calor com o ambiente externo através do condensador e uma troca de energia com a fonte externa (energia elétrica que alimenta o compressor). NÃO ESCREVA NO LIVRO. 1. d) Resposta: T( 150)= 5 ,00 °C. Resolução nas Orientações para o professor. 1. e) Resposta: t = 1 00 minutos. Resolução nas Orientações para o professor.

1. Um refrigerador utiliza um compressor alimenta-

do por uma fonte de energia externa (energia elétrica) para promover o fluxo de gases ao longo de um circuito fechado. Nesse processo, o calor do interior do aparelho é retirado e levado para a parte posterior, conhecida como radiador (ou condensador). Considerando o refrigerador um sistema termodinâmico, responda às questões a seguir. compressor

yevgeniy11/Shutterstock.com

condensador

Resposta nas Orientações para o professor.

2. Explique por que há vácuo entre as paredes espelhadas de uma garrafa térmica.

3. Em uma locomotiva a vapor, o carvão é colocado

Compressor e condensador de um refrigerador.

a ) Qual é o tipo de sistema termodinâmico desse refrigerador? Explique. Resposta: Sistema fechado. b ) O refrigerador pode ser considerado um sistema isolado? Por quê?

c ) Se faltar energia elétrica e houver consequentes interrupções do funcionamento do compressor, o refrigerador é capaz de manter a temperatura constante em seu interior? Por quê? Resposta nas Orientações para o professor.

d ) Considere a seguinte situação: a temperatura no interior do refrigerador, antes de faltar energia elétrica, era de 2,00 °C, mas, por causa de um defeito na vedação das portas, esse aparelho está perdendo rapidamente a capacidade de manter essa temperatura por longos intervalos de tempo. Supondo que a temperatura nessa geladeira esteja aumentando a uma taxa constante de 0,02 °C por minuto, calcule a temperatura nesse aparelho após duas horas e meia. e ) Alguns alimentos como carnes, peixes e derivados de leite são perecíveis e precisam ser guardados no refrigerador para serem conservados em boas condições de consumo por mais tempo. Segundo a portaria de vigilância sanitária, os laticínios precisam ser mantidos a uma temperatura máxima de 4 ,00 °C. Nessas condições, qual é o tempo máximo para manter um iogurte na geladeira desligada, apresentada no item d, sem que ele estrague?

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f ) Com o compressor desligado, o ato de abrir e fechar a porta da geladeira constantemente altera a forma como sua temperatura varia ao longo do tempo? Mas, se ele estiver ligado enquanto a porta for aberta e fechada repetidamente, pode haver aumento na conta de energia elétrica? Explique.

4. Resposta: O sistema termodinâmico da fotossíntese nas plantas pode ser classificado como um sistema aberto. Isso ocorre porque, durante a fotossíntese, as plantas trocam energia e matéria com o ambiente.

em uma fornalha para ser queimado. Essa fonte de energia é utilizada para aquecer a água em uma caldeira, que, ao ser aquecida, libera vapor. Esse vapor é coletado por uma estrutura no topo da caldeira e direcionado por tubulações até os cilindros, que contêm pistões, fazendo um movimento oscilatório, transmitindo essa energia aos eixos da locomotiva, que a fazem se mover. Considerando a locomotiva a vapor um sistema termodinâmico, em que classe de sistemas ela pode ser classificada? Resposta: Sistema aberto, pois há trocas

de energia e matéria com o ambiente.

4. Na fotossíntese, as plantas absorvem a energia na forma de calor e luz proveniente do Sol e a utilizam para converter o gás dióxido de carbono e a água em glicose e oxigênio, ou seja, convertem em energia potencial química (glicose e outros carboidratos). Com base nesse processo, como é possível classificar o sistema termodinâmico da fotossíntese nas plantas? Explique sua resposta.

5. Uma estudante, realizando experimentos sobre conservação de energia, aquece uma pequena barra de metal até a temperatura de 3 15 °C e, rapidamente a coloca no interior de um calorímetro contendo 0 ,3 kgde água à temperatura de 20 °C, fechando o calorímetro na sequência. Acompanhando as variações de temperatura, no termômetro acoplado ao calorímetro, a estudante verifica que o equilíbrio térmico ocorre na temperatura de 55 °C. Sabendo que a massa da barra de metal é mm = 0 ,08 kg, o calor específico do metal vale cm = 0 ,6 cal/g · °Ce o calor específico da água é ca = 1 cal/g · °C, determine: a ) a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro utilizado no experimento.

1 980 cal. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: QC =

b ) a capacidade térmica do calorímetro. Resposta: CC ≃ 56,6 cal/°C.

c ) a temperatura de equilíbrio caso o calorímetro utilizado fosse ideal.

Resposta: T ≃ 60,7 °C. Resolução nas Orientações para o professor. 2. Resposta: Para impedir trocas de energia na forma de calor com o meio externo por meio dos processos de convecção e condução térmica.

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6. Um motor a combustão interna é um exemplo

preenchidos com ar comum. O piloto pode fazer a nave subir ou descer ao controlar a quantidade de ar nesses compartimentos menores. Tendo isso em mente e considerando o dirigível um sistema termodinâmico, classifique as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas e justifique as falsas.

a ) A queima do combustível gera trabalho mecânico diretamente, sem perda de energia para o ambiente.

I ) O dirigível, assim como um balão, pode ser classificado como um sistema fechado.

de sistema aberto que converte a energia química contida no combustível em outras formas de energia. Considerando esse processo, qual é a alternativa que descreve corretamente as principais etapas da transformação de energia nesse sistema? Resposta: Alternativa d.

II ) O dirigível é um sistema isolado, pois não realiza trocas de energia ou matéria com o ambiente.

b ) A energia química do combustível é completamente convertida em energia cinética do veículo e calor útil para aquecimento do motor.

III ) Um dirigível consiste em um sistema aberto, pois realiza trocas de matéria e energia com o ambiente.

c ) Durante a combustão, a energia é transformada principalmente em luz e calor, que são totalmente utilizados para impulsionar o veículo.

b ) Apesar de ser altamente inflamável, o gás hidrogênio (H2)era utilizado para preencher o zepelim Hindenburg. Além dos motivos políticos e econômicos, que propriedades físicas do hidrogênio fizeram os alemães escolherem esse gás para tal finalidade?

d ) Parte da energia liberada na queima do combustível é convertida em trabalho mecânico para movimentar o veículo, enquanto outra parte é dissipada. e ) Todo o calor gerado pela queima do combustível é convertido em trabalho útil para o veículo, sem perda de energia térmica.

8. Sistemas termodinâmicos estão na região macros-

7. Leia o trecho de reportagem apresentado sobre o diEverett Collection/Shutterstock.com

rigível zepelim Hindenburg, e responda às questões.

Incêndio no dirigível zepelim Hindenburg, em Nova Jersey, nos Estados Unidos, em 1937.

A era dos dirigíveis no transporte aéreo comercial chegou ao fim, em 6 de maio de 1937, com um acidente que ficou conhecido como Desastre de Hindenburg. Trinta e seis pessoas morreram depois que o luxuoso modelo LZ-129 pegou fogo [...] ANDRADE, José Carlos. Desastre de Hindenburg levou ao fim a era dos dirigíveis, Agência Brasil, 6 maio 2022. Disponível em: https://agenciabrasil. ebc.com.br/radioagencia-nacional/geral/audio/2022-05/desastre-de -hindenburg-levou-ao-fim-era-dos-dirigiveis. Acesso em: 22 ago. 2024.

a ) Um dirigível é uma aeronave que se assemelha a um balão, mas tem formato diferente. Ele é preenchido com um gás menos denso que o ar, o que o faz flutuar e levantar voo. No dirigível são acoplados um motor com propulsor, que permite movimentos e manobras, e um leme, para direcionar esses movimentos. Há compartimentos menores

UNIDADE

7. a) Resposta: I) Falsa. Quando o piloto precisa fazer o dirigível descer ou subir, ele preenche ou remove ar (matéria) dos compartimentos menores da aeronave, fazendo esse sistema trocar matéria com o ambiente. II) Falsa. O dirigível realiza trocas de matéria com o ambiente. Além disso, a temperatura em seu interior não é isolada da temperatura do exterior, ocorrendo assim trocas de calor. III) Verdadeira.

7. b) Resposta: O princípio de funcionamento de um dirigível se dá por meio do preenchimento de seu compartimento principal com um gás que lhe permita flutuar, isto é, que seja mais leve que o ar. Uma vez que o hidrogênio é o elemento químico mais leve da tabela periódica, ele é ideal para essa função.

cópica do estudo, logo não é necessário observarmos microscopicamente o sistema, descrevendo individualmente o movimento das partículas que o compõem. Para representar um sistema termodinâmico e seus estados, usamos variáveis como volume, temperatura e pressão. Dados seus conhecimentos sobre sistemas termodinâmicos, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01 ) Uma pessoa andando pela rua representa um sistema aberto, pois está constantemente trocando energia com o meio.

02 ) Um sistema termodinâmico pode ser descrito como algo que está inserido em uma fronteira, permitindo ou não a troca de energia. 04 ) Se todo o universo fosse considerado um sistema termodinâmico ele seria um sistema isolado, já que não existiria um meio para troca de energia. 08 ) Para um sistema isolado a energia total do sistema não pode mudar, sendo assim não ocorre trocas de energias internas dentro do sistema isolado. 16 ) Um sistema termodinâmico fechado é um sistema que não troca de matéria com o ambiente, por causa disso uma garrafa de plástico contendo água e uma garrafa térmica são ambos sistemas fechados, pois para os dois casos não ocorre troca de matéria com o meio. Resposta: Soma: 01 + 02 + 04 = 07. 01) Correta. 02) Correta. 04) Correta. 08) Falsa, pois em um sistema isolado ocorre trocas internas de energia. 16) Falsa, pois a garrafa térmica é um sistema isolado, impedindo a troca de matéria e energia com o meio.

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9. Resposta: I) Falsa. O ar-condicionado troca energia e matéria com o ambiente externo. II) Verdadeira. III) Falsa. Mesma justificativa que a da afirmativa I. IV) Falsa. Mesmo que a temperatura externa tenha sido maior para o Sistema I, o Sistema II teve maior redução de ruído. V) Verdadeira.

9. Uma empresa de construção deseja melhorar a

eficiência energética de seus prédios utilizando um novo sistema de ar-condicionado, denominado Sistema II, para substituir o antigo Sistema I nos novos edifícios. O Sistema II apresentou um ruído médio cerca de 30% menor que o do Sistema I, e a temperatura média externa ao prédio equipado com o Sistema I foi cerca de 15% maior que a do prédio equipado com o Sistema II após o mesmo período de funcionamento.

12. Um balão de ar quente é constituído de um cesto de vime, para o transporte de passageiros e de cargas, de uma fonte de calor e de um envelope feito de material sintético com a capacidade de conter o ar aquecido, como mostra a imagem apresentada. envelope

pio3/Shutterstock.com

Considerando o conjunto edifício e ar-condicionado um sistema termodinâmico, analise se as afirmativas são verdadeiras ou falsas, justificando as falsas no caderno. I ) O ar-condicionado pode ser classificado como um sistema termodinâmico fechado, pois não troca matéria com o ambiente. II ) O ar-condicionado pode ser classificado como um sistema termodinâmico aberto, pois troca matéria e energia com o ambiente. III ) O ar-condicionado pode ser classificado como um sistema termodinâmico isolado, pois não troca matéria nem energia com o ambiente. IV ) Com base nas características fornecidas, o Sistema I é mais eficiente energeticamente, pois ele opera a uma temperatura externa mais alta. V ) Com base nas características fornecidas, o Sistema II é mais eficiente energeticamente, pois apresenta menor ruído e dissipa menos calor para o ambiente.

10. Classifique os seguintes sistemas listados a se-

guir como abertos, fechados ou isolados. I ) Café quente em uma garrafa térmica de ótima qualidade. II ) Líquido refrigerante na serpentina de um refrigerador. III ) Calorímetro de laboratório. IV ) Motor de automóvel durante seu funcionamento. V ) Planta viva. VI ) Mistura de água e álcool utilizada como indicador em termômetros clínicos.

Respostas das atividades 11 e 12 nas Orientações para o professor.

11. No rótulo de um copo térmico estavam as seguin-

tes informações sobre o tempo que a garrafa conserva os líquidos em seu interior: água quente 2 h e água fria 4 h. De acordo com essas informações e com seus conhecimentos sobre sistemas termodinâmicos, como podemos classificar esse copo térmico, considerando que a quantidade de água em seu interior não se altera? Justifique sua resposta.

210

10. Resposta: São sistemas termodinâmicos abertos: IV e V. São sistemas termodinâmicos fechados: II e VI. São sistemas termodinâmicos isolados: I e III.

15. Resposta: mg ≃ 227 g. Resolução nas Orientações para o professor.

fonte de calor

cesto de vime Balão de ar quente.

Para o voo do balão, o ar no interior do envelope é aquecido. Explique por que ocorre essa flutuação.

13. Em um calorímetro ideal, cuja capacidade térmi-

ca pode ser desprezível, foram misturadas duas quantidades de água: 200 ge 400 g, com temperaturas iniciais de 20 °Ce 80 °C, respectivamente. Qual é a temperatura da mistura ao atingir o 60 °C. Resolução nas equilíbrio térmico? Resposta: T = Orientações para o professor.

14. Para um motor térmico, foram fornecidos 1 000 Jde

energia na forma de calor e observa-se a transformação de 700 Jem trabalho. Qual é a energia dissipada pelo sistema? O que essa quantidade representa?

15. Em um calorímetro ideal foram inseridos 50 gde va-

por de água à temperatura de 100 °Ce um bloco de gelo que estava na temperatura do ponto de fusão da água. Ao final do equilíbrio térmico verificou-se que ambas as massas sofreram mudança de fase para o estado líquido e se encontravam à temperatura de 50 °C. Determine a massa de gelo que foi inserida no calorímetro, considerando que o calor latente de vaporização da água é Lv= 540 cal/g; o calor latente de fusão da água é Lf= 80 cal/ge que o calor específico da água é c = 1 cal/g · °C.

14. Resposta: 300 J. Representa a quantidade de energia que não foi convertida em energia útil para o funcionamento do motor.

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CAPÍTULO

Hidrostática e hidrodinâmica

Propriedades dos fluidos Para o desenvolvimento das plantas, é necessário que ocorra o transporte de água e sais minerais da raiz para as partes aéreas, como caule e folhas. Para isso, essas substâncias atravessam estreitos vasos, chamados xilema. Esse movimento para cima ocorre em razão da adesão das moléculas de água com as paredes dos vasos e da coesão entre as próprias moléculas de água. As propriedades da água que facilitam seu transporte pelo interior da planta também são características de outras substâncias chamadas fluidos, pois podem fluir ou escoar. Líquidos e gases são fluidos por não terem arranjo molecular definido, não assumindo, assim, forma fixa e moldando-se ao recipiente que os contém. Entretanto, os líquidos têm volume definido, enquanto os gases ocupam todo o volume do local onde estão contidos.

Representação de moléculas de água na fase gasosa.

Clive Freeman/Biosym Techonologies/SPL/Fotoarena

Os líquidos têm suas moléculas mais próximas umas das outras do que os gases, portanto resistem às forças de compressão, mantendo seu volume. Essa propriedade é chamada de incompressibilidade dos líquidos. Já um gás, quando pressionado sem mudança de fase, tem seu volume reduzido. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação de moléculas de água na fase líquida.

A viscosidade é uma propriedade dos fluidos relacionada ao atrito interno e à resistência ao escoamento. Fluidos mais viscosos têm mais dificuldade para escoar, como o mel. Dizemos que o mel é mais viscoso do que a água porque ele resiste mais do que a água para escoar.

Representação da interação entre moléculas da superfície de um líquido, formando uma fina película.

Jan Miko/Shutterstock.com

Eduardo Borges/Arquivo da editora

A tensão superficial relaciona-se à tendência de a superfície dos líquidos se contrair, formando uma espécie de película. Isso ocorre em razão das atrações moleculares que geram uma força de coesão, como representado na ilustração. Uma situação na qual esse fenômeno pode ser observado é quando um inseto se sustenta sobre a superfície da água.

Mel escoando de uma colher.

Ser vivo adulto Alfaiate (G. lacustris): pode atingir aproximadamente 8,4 mmde comprimento.

Joao Seabra/Shutterstock.com

A tensão superficial e a capilaridade são outras propriedades dos fluidos líquidos que podemos destacar.

Inseto da espécie Gerris lacustris, conhecido popularmente como alfaiate, sustentado pela superfície da água em decorrência da tensão superficial.

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Quando colocamos parte de uma toalha dentro da água, ela se encharca pela capilaridade produzida pelas fibras do tecido.

Charles D Winters/Science Source/Fotoarena

A capilaridade é a capacidade de os líquidos fluírem espontaneamente em tubos muito finos ou espaços muito estreitos. Quando colocamos um tubo muito fino de vidro dentro de um copo com água, observamos que a água sobe pelo interior do tubo. Nesse caso, as moléculas do líquido aderem às paredes do vidro por forças de adesão e, enquanto essa força for maior do que a força peso sobre a coluna de líquido, a água sobe. Se o tubo for largo, a força peso equilibra a força de adesão mais rapidamente. Toalha molhada devido ao fenômeno da capilaridade

Densidade dos fluidos A densidade é a concentração de massa em determinado volume, ou seja, é uma propriedade que mostra como a matéria está distribuída em certo corpo, podendo ser um corpo maciço ou oco. A densidade é a quantidade de massa por volume, expressa na relação a seguir. m d = _ V

,2 · 10 −4 m 3, portanto sua densidade Para o copo vazio mostrado na figura a seguir, o volume total é de 3 é de aproximadamente 9,06 · 1 0 2 kg/m 3. 0,290 m d = _ = _ = 9,06 · 10 2∴ d = 9,06 · 10 2 kg/m 3 V 3,2 · 1 0 −4

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Se o copo fosse preenchido com vidro, teríamos um cilindro de vidro homogêneo. A massa dele seria 0,8 kg, ocupando o mesmo volume. Nesse caso, a densidade seria a concentração de massa do vidro, chamada de massa professora: Se julgar conveniente, calcule com os estudantes o valor da específica (μ). Professor, Representação de um copo massa específica do vidro. de vidro sobre uma balança. m _ μ = V Massas específicas de algumas substâncias Para o cilindro maciço de vidro, temos que a massa esSubstância 3) Massa específica (kg/ m 2,5 · 1 0 3 kg/m³. pecífica vale μ vidro = Para corpos maciços e homogêneos, assim como substâncias puras, a densidade tem o mesmo valor que a massa específica. Por esse motivo, neste capítulo, usaremos o termo densidade com mais frequência. A massa específica de uma substância ou de um objeto pode variar com a temperatura e com a pressão. A tabela mostra a massa específica de alguns materiais nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP), ou seja, pressão °C. atmosférica ao nível do mar ( 1 atm) e temperatura de 0 A conversão entre as unidades de massa específica e densidade pode ser feita da seguinte forma: 1 kg _ 1g 1g _ = 6 = _ 3 ⇒ 10 3 kg/ m 3= 1 g / cm 3 1 m³ 10 cm³ 10 cm³

Hidrogênio ( H) 

0,089

1,293

Gasolina

6,8 · 10²

Álcool (etanol)

8,06 · 10²

Água (H2 O) 

1 · 1 0³

Gelo

9,2 · 10²

Vidro

2,4 − 2,8 · 10³

Alumínio ( A𝓁) 

Ferro ( Fe) 

Chumbo (Pb) 

Ouro (Au) 

Eduardo Carriça/Arquivo da editora

No SI, a massa é expressa em quilograma (kg); o volume, em metros cúbicos (m 3); e a densidade, em quilograma por metro cúbico ( kg/ m 3). Há outras unidades, como o g/cm 3e o kg/L.

2,7 · 10³ 7,96 · 10³ 11,3 · 10³ 19,3 · 10³

Fonte de pesquisa: TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas. Tradução: Paulo Machado Mors. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1. p. 432.

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UNIDADE

3 Pressão nos fluidos 1. Por que um objeto afiado corta com facilidade?

A maneira como a força é aplicada e a área sobre a qual ela é aplicada são condições que influenciam o → efeito da força. A relação entre a intensidade de uma força F agindo perpendicularmente a uma superfície e a área Adessa superfície é denominada pressão ( p). 1. Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que um objeto afiado tem uma área menor para transferir a força aplicada, resultando em uma pressão maior, influenciando no corte.

F p = _ A

Apesar de a força ser uma grandeza vetorial, a pressão é uma grandeza escalar. No SI, força é expressa em newton (N); área é expressa em metros quadrados (m 2)  ; e pressão, em pascal (Pa),homenagem ao matemático e filósofo francês Blaise Pascal (1623-1662). 1 Pa = 1 N/m 2 O fato de a pressão depender da área de aplicação de uma força explica facas afiadas cortarem melhor. A pressão necessária para cortar um objeto é obtida com uma força de menor intensidade quando a área de aplicação da força é reduzida. Há também outras unidades de medida usuais associadas à pressão, como o bar, o psi (pound per square inch, ou libra por polegada quadrada), o atm (atmosfera) e o torr (torricelli) – também conhecido como milímetros de mercúrio (mmHg)  –, de modo que: 1 bar = 1 0 5 Pa

1 atm = 7 60 mmHg = 10 5 Pa

1 psi ≃ 7 000 Pa

A pressão não se aplica somente a sólidos. Se você já sentiu um incômodo nos ouvidos em um voo de avião ou em um mergulho no mar, experimentou o efeito da diferença de pressão entre o ouvido interno e o ambiente externo. Isso ocorre porque a pressão dos fluidos, como o ar atmosférico e os líquidos, eleva-se com o aumento da profundidade. Essa variação da pressão está diretamente relacionada à composição e ao comportamento do fluido. A atmosfera, por exemplo, que é a camada de gases que circunda o planeta, se dilui progressivamente, até confundir-se com o vácuo interplanetário. Ela tem massa total de gases estimada em 5 · 10 18 kg, mantida junto do planeta em decorrência da interação da gravidade, pressionando toda a superfície terrestre, o que origina a pressão atmosférica. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

área de 1 m2

Eduardo Borges/Arquivo da editora

Como a densidade de gases da atmosfera diminui com a altitude, a pressão atmosférica máxima ocorre em locais com altitude zero, ou seja, ao nível do mar.

coluna de ar com 10 000 kg

Ao nível do mar, uma coluna de ar sobre uma área de 1 m  2 tem massa de aproximadamente 10 000 kg, conforme ilustrado na imagem apresentada. Para g = 1 0 m/s  2, a pressão atmosférica é dada por: FP _ m · g _ 10 000 · 10 patm = _ = = ∴ 1 A A

∴ patm = 1 · 10 5 Pa

Representação de uma coluna de ar sobre uma área de 1 m2. Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 267.

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No arranjo feito por Torricelli, para o mercúrio escoar totalmente do tubo, o nível do recipiente deveria aumentar, indo contra a ação da pressão atmosférica. No entanto, isso não ocorreu: a pressão atmosférica na superfície livre do mercúrio foi equilibrada pela coluna de 76 cmou 760 mmde mercúrio ( 760 mmHg) no interior do tubo. Tal unidade de medida de pressão foi definida como 1 torr, em homenagem a esse pesquisador. 1 atm = 760 mmHg = 760 torr

Eduardo Borges/ Arquivo da editora

pHg

760 mm patm

mercúrio (Hg)

Barômetro de Torricelli.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 268.

Os corpos que se encontram na atmosfera terrestre estão sempre sob ação da pressão atmosférica, por todos os lados.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

área (A)

Seguindo o que foi feito no experimento de Torricelli, podemos utilizar uma coluna de líquido sobre um ponto para calcular a pressão exercida pelo líquido. Confira, na ilustração do cilindro com líquido, que a altura h é medida do ponto até a superfície. Sem considerar a pressão atmosférica, a pressão exercida pela coluna de líquido pode ser determinada por meio da massa (m) e do volume (V) de líquido da coluna. m = d · V d = _ ⇒ m V

V = A · h

Eduardo Carriça/Arquivo da editora

O valor da pressão atmosférica foi medido pelo físico e matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), em 1643, quando inventou o primeiro barômetro de mercúrio, instrumento utilizado para medir pressão.

Representação de uma coluna de líquido.

A pressão é dada pela força peso do líquido sobre a área no nível do ponto. FP m · g d · V · g d · A · h · g F p = _ ⇒ p = _ ⇒ p = _ ⇒ p = _⇒ p = _∴ p = d · g · h A A A A A

A relação encontrada indica a pressão exercida pelo líquido no ponto marcado. Assim, podemos concluir que a pressão depende da densidade do fluido e da aceleração da gravidade, pois tem ligação com a força peso da coluna de fluido. Se a experiência de Torricelli fosse realizada com água, a altura da coluna seria diferente, considerando a pressão atmosférica de 1 atmcomo 10 5 Pae a densidade da água como 10 3 kg/m³: p = d · g · h ⇒ 10 5= 1 0 3· 10 · h ⇒ h = 10 ∴ h = 10 m Assim, a pressão atmosférica é equivalente à pressão exercida por uma coluna de 10 m de coluna de água (mca) . 1 atm = 10 5 Pa = 10 mca Em razão dessa relação, um mergulhador que está a uma profundidade de 1 0 mna água sente uma pressão de 2 atm. Além da pressão atmosférica sobre a superfície da água, tem a pressão exercida pela coluna de 10 mde água acima do mergulhador. Portanto, a cada 1 0 mque o mergulhador descer, a pressão sobre ele aumentará 1 atm.

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p = p atm + plíquido ⇒ p = patm + d · g · h

patm

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

patm1dgh

Eduardo Carriça/Arquivo da editora

A pressão atmosférica somada à pressão do líquido resulta na pressão total.

Representação de um cilindro com líquido indicando a pressão atmosférica e a pressão do líquido.

UNIDADE

Ela é denominada pressão absoluta e ocorre sempre que o líquido estiver com a superfície aberta para a atmosfera. Menno van der Haven/Shutterstock.com

Outra conclusão sobre a relação foi descrita pelo matemático belga Simon Stevin (1548-1620), no livro Princípios de hidrostática. Na obra, o autor estabeleceu que a pressão em um ponto no interior de um fluido depende da altura de líquido acima desse ponto, e não do volume, conclusão conhecida como teorema de Stevin. Levando tudo isso em conta, considere o aparato apresentado, que se chama sistema de vasos comunicantes. Ao preencher um deles, o líquido pode fluir para os outros, de modo a encher todos eles, estabilizando-os no mesmo nível. Vasos comunicantes com diferentes formatos.

hB A

pA = p B ⇒ patm + d A · g · hA = patm + dB · g · hB B ∴ dA · hA = dB · h

Eduardo Carriça/Arquivo da editora

Pelas propriedades dos vasos comunicantes, tubos em forma de “U” podem ser utilizados na determinação da densidade de um líquido, de acordo com a densidade de outro, desde que não se misturem. Como pontos no mesmo líquido e à mesma altura têm pressão igual, é possível comparar as pressões dos pontos A e B. Os dois ramos estão abertos; portanto, estão sob a pressão atmosférica.

Representação de um vaso comunicante com água e óleo.

Manômetro de tubo aberto com a válvula fechada.

Manômetro de tubo aberto com a válvula aberta.

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Os vasos comunicantes também podem ser utilizados para determinar a pressão exercida nos fluidos, em instrumentos chamados manômetros. No manômetro de tubo aberto, há um tubo em “U” contendo líquido, sendo uma das extremidades do tubo ligada ao recipiente e a outra, aberta na atmosfera. Com a válvula fechada, o líquido ocupa a mesma altura nos dois ramos do tubo. Ao abrir a válvula, a pressão do gás desloca o líquido, produzindo uma diferença de nível entre as superfícies do líquido.

Imagens elaboradas com base em: HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 66.

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ATIVIDADES

4. Resposta: A pressão em um ponto dentro de um fluido é proporcional à profundidade do fluido acima desse ponto. Assim, a base da barragem deve ser mais larga para suportar maior pressão da água na parte inferior. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. Resposta: Cubo A – alumínio; cubo B – ferro. Resolução nas Orientações para o professor.

1. Um cubo maciço A, de 1 73 g, é feito de apenas

um material, e outro cubo B, de 5 00 g, é feito de outro material. Ambos têm arestas iguais a 4 cm. Verifique de qual material possivelmente é feito cada cubo. Para isso, consulte a massa específica de algumas substâncias na tabela apresentada na página 210. Considere que ambos estão a 0 ° C.

9. Com um manômetro de mercúrio, o resultado

obtido na medição da pressão de um gás está representado na imagem. Qual é a pressão do gás em mmHge no SI?

100 mmHg ≃ 1 3 157,9 Pa. Resolução nas Resposta: pgás = Orientações para o professor.

gás

2. Com relação à pressão, explique por que chutei-

3. Ao construir uma casa, é comum instalar a cai-

xa-d’água em um nível acima da residência. Explique por que isso é feito.

4. As barragens de represas são normalmente cons-

Eduardo Borges/ Arquivo da editora

truídas com a base inferior maior do que a base superior. De acordo com os conceitos de fluidos em repouso, explique por que deve haver essa diferença.

Representação de uma barragem de represa.

5. Qual é a pressão exercida pela água no fundo

de um copo de volume igual a 250 mL, altura de 8 cm, completamente cheio, em P a? A massa es3 pecífica da água vale 10 kg/m³e g = 10 m/s².

Resposta: p = 800Pa. Resolução nas Orientações para o professor.

6. Determine a pressão total exercida no fundo

de um recipiente cilíndrico com volume igual a 785,4 cm³e raio igual a 5 cm, cheio de água até a extremidade, em um local onde a pressão atmosférica vale 1 · 105 Pa. Resposta: p = 1,01 · 1 0 5 Pa. Resolução nas Orientações para o professor.

7. Em 2014, o egípcio Ahmed Gamal Gabr chegou à

marca de 332,35 mde profundidade em um mergulho utilizando snorkel (tubo de respiração bucal). A qual profundidade equivaleria a pressão suportada por Nuno se o mergulho fosse realizado no mar Morto, onde a densidade é aproximadamente 1,24 · 1 03 kg/m³? Resposta: h = 2 68,02 m. Resolução nas Orientações para o professor.

8. Um tubo com formato em “U” contém água e

Representação do tubo em “U”.

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40 mm Representação do manômetro de mercúrio.

10. No ano de 2023, um veículo tripulado que tenta-

va chegar aos restos do naufrágio do Titanic implodiu a uma profundidade de cerca de 3 400 m devido à pressão exercida pela água. Sabendo que a água do mar tem densidade média de 1,025 · 1 03 kg/m3, determine quantas vezes a pressão sobre o veículo é maior que a pressão atmosférica. Resposta: p = 3 48 · patm. Resolução nas Orientações para o professor.

11. Calcule a diferença de pressão entre dois pon-

tos no interior de um líquido que se encontra em repouso, em Pa. Os pontos estão a uma diferença de profundidade de 8 0 cm. Considere que a massa específica do líquido vale 0,8 · 103 kg/m3 e use g = 10m/s2. Resposta: Δp = 6 400 Pa. Resolução nas Orientações para o professor.

12. Tem-se dois blocos maciços de prata, densidade 10,5g/cm3, com dimensões e massas diferentes. Um deles, de volume desconhecido, é colocado na balança para medir sua massa, conforme mostrado na imagem. Quando se pretende medir a massa do segundo bloco, com volume de 15cm3, a balança passa por um problema e desliga. Determine o volume do primeiro bloco, em cm3, e a massa do segundo bloco, em gramas. Resposta: V1 = 2 3,8cm 3 e m2 = 1 57,5 g. Resolução nas Orientações para o professor.

Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

Resposta: dóleo = 0,8 g/cm 3. Resolução nas 0,5 cm Orientações para o professor. 2 cm

140 mm

Eduardo Borges/ Arquivo da editora

óleo em equilíbrio, como mostrado na imagem. Se a massa específica da água é 1 g/cm³, qual é a massa específica do óleo?

3. Resposta: Ao colocar a caixa-d’água em um nível superior, a pressão da água que chega aos encanamentos da casa será maior.

Eduardo Borges/ Arquivo da editora

ras com travas são utilizadas no futebol de campo e esquis são usados na neve.

Representação de um bloco de prata sobre uma balança e outro bloco sobre a mesa.

2. Resposta: No futebol, as chuteiras devem proporcionar mais fixação dos pés no solo. O aumento de pressão em razão da diminuição da área de contato entre as travas da chuteira e o solo cumpre esse papel. Por outro lado, a pressão é diminuída nos esquis em decorrência do aumento da área de contato com a neve, o que possibilita deslizar com mais facilidade.

06/11/2024 16:49:21

UNIDADE

3 Princípios de Pascal e Arquimedes

Resposta pessoal. Os estudantes podem responder que o elevador hidráulico é capaz de produzir grande quantidade de força. 2. Por que um elevador hidráulico é capaz de levantar um veículo? Podem também mencionar que já observaram o funcionamento de um deles.

Blaise Pascal, considerando as próprias observações sobre os experimentos de Torricelli, afirmou que, no topo do tubo de um barômetro, no espaço deixado pela coluna de mercúrio, havia um vácuo parcial. Além disso, constatou que, conforme a altitude aumenta, a coluna de mercúrio diminui. Pascal também desenvolveu as prensas hidráulicas e algumas seringas. O trabalho com esses aparelhos realizado por ele ficou conhecido como princípio de Pascal, conforme enunciado a seguir.

Fobosvobos/Shutterstock.com

KPG-Payless/Shutterstock.com

A variação de pressão em qualquer ponto de um fluido em repouso, em um recipiente, transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido.

Seringa sendo utilizada para aplicar vacina.

Colocando um líquido em um tubo com formato de “U” e instalando êmbolos em suas extremidades, se uma força for aplicada em um deles, a variação da pressão (∆p) será transmitida integralmente para todas as partes do líquido e para o outro êmbolo. Se os ramos do tubo forem iguais, as forças nos dois lados serão iguais. → No entanto, se os ramos forem diferentes, uma força F 1 aplicada na área A1 causará variação de pressão que será transmitida ao outro ramo, surgindo uma → força F 2 na área A2. Como a variação de pressão é a mesma, temos que: F1 F2 _ = _ A1 A2

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

F1 A1

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

Macaco hidráulico posicionado para levantar um carro.

Representação de um tubo em “U” no qual uma força é aplicada na área menor ( A1). Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 67.

Dessa maneira, é possível equilibrar uma força de grande intensidade com outra de menor intensidade. De acordo com as áreas dos pistões, a força é multiplicada respeitando a conservação de energia, como ocorre nas máquinas simples. A força de menor intensidade exerce deslocamento maior, enquanto a de maior intensidade faz deslocamento menor. Assim, os trabalhos realizados pelas duas forças são iguais. Outra situação relacionada às propriedades dos fluidos é a seguinte: se uma pessoa tentar levar uma rocha do fundo de um rio para a superfície, perceberá que, enquanto estiver submersa, será mais fácil sustentá-la. Quando estiver acima da superfície da água, a intensidade da força necessária para erguer a rocha aumenta. Corpos imersos em água parecem mais leves do que quando estão fora da água, mesmo que a força peso sobre eles tenha a mesma intensidade nos dois casos.

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→ Isso ocorre porque há uma força denominada empuxo ( E ) agindo sobre o corpo, em sentido oposto à força peso, enquanto ele está imerso em um fluido. O empuxo é uma consequência do aumento de pressão com a profundidade. As forças que atuam no corpo em razão da pressão estão representadas na ilustração, tendo direção perpendicular à superfície do corpo. As componentes horizontais que estão à mesma profundidade se cancelam, mas as componentes verticais não, uma vez que a parte inferior do corpo recebe pressão maior, pois está em maior profundidade. A força resultante no corpo, relativa à pressão, é o empuxo, que tem orientação vertical para cima.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia. E

Representação da força de empuxo sobre o corpo imerso.

Corpo imerso em água.

Ilustrações: Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

A intensidade da força de empuxo está relacionada com a quantidade de líquido deslocada pelo corpo. Foi Arquimedes quem encontrou essa relação.

volume de líquido deslocado Representação de um corpo suspenso sobre um recipiente com líquido.

Representação de um corpo sendo mergulhado em um líquido.

Ilustrações: Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

O volume de líquido deslocado ( Vd) pelo corpo pode ser determinado quando este é mergulhado em um recipiente completamente preenchido com líquido e o volume do líquido derramado é coletado. A intensidade do empuxo é igual à intensidade da força peso na massa de líquido deslocado ( md). E = Fp = md · g

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 250.

A massa do líquido pode ser expressa em relação à densidade do líquido e o volume deslocado. md _ ⇒ m d = dL · V d dL = Vd Então, o empuxo é dado por: E = dL · g · Vd Este é o princípio de Arquimedes: Um corpo total ou parcialmente submerso em um fluido recebe força de empuxo dirigida para cima, de módulo igual à força peso do fluido que desloca. Como a massa do corpo não influencia a intensidade do empuxo, um corpo oco e outro maciço, de mesmo volume, recebem a ação do mesmo empuxo, ainda que tenham massas diferentes. No entanto, o corpo de maior massa afunda, enquanto o oco flutua. Para saber se um corpo flutua ou afunda, devemos comparar a força peso e o empuxo sobre ele. Considere as três situações apresentadas, nas quais o corpo está inicial Vd. mente com todo seu volume ( Vc) submerso, ou seja, Vc =

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UNIDADE

3 Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

• Se a intensidade da força peso sobre o corpo for maior do que o empuxo ( FP > E), o corpo afundará, pois a força resultante tem o mesmo sentido da força peso. A densidade do corpo ( dc) será maior do que a densidade do líquido ( dL).

dL · g · Vd ⇒ d c · g · Vc > dL · g · Vd ∴ d c > dL FP > E ⇒ m · g >

Corpo com movimento descendente em um fluido.

dL · g · Vd ⇒ d c · g · Vc < dL · g · Vd ∴ d c < d L FP < E ⇒ m · g <

Como o corpo está totalmente submerso, ele se deslocará até que FP = E. • Se a intensidade da força peso sobre o corpo for igual ao empuxo FP = E, o corpo estará sempre submerso no fluido, independentemente do lugar onde esteja, pois a força resultante será sempre nula. dL · g · Vd ⇒ d c · g · Vc = dL · g · Vd ∴ d c = d L FP = E ⇒ m · g = Assim, para saber se um corpo afunda ou flutua em um fluido, basta verificar se a densidade dele é maior ou menor do que a densidade do fluido.

Ilustrações: Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

• Se a intensidade da força peso sobre o corpo for menor do que o empuxo (FP < E), o corpo flutuará, pois a força resultante tem o mesmo sentido do empuxo. A densidade do corpo será menor do que a densidade do fluido.

Corpo com movimento ascendente em um fluido.

O conhecimento sobre a natureza da força de empuxo tem várias aplicações práticas no cotidiano, por exemplo, no desenvolvimento e na construção de barcos. Nessa atividade, a força de empuxo é responsável pela flutuação de toneladas de aço e outros materiais que são mais densos do que a água. Isso é possível graças ao formato dos cascos dos navios, que aumenta o volume total submerso, tornando a densidade média deles menor do que a da água. Chico Ferreira/Pulsar Imagens

Apesar de grandes navios terem uma engenharia especializada, tanto no projeto quanto na construção, em comunidades ribeirinhas do Brasil, a fabricação de barcos é embasada em conhecimentos transmitidos do fabricante para o aprendiz. Mesmo não tendo instrução formal, eles aplicam os conceitos de pressão, densidade, empuxo e volume em suas atividades. Os carpinteiros escolhem as madeiras para o revestimento do barco de acordo com a resistência delas: quanto mais rígida, mais adequada ela está. Professor, Estrutura de barco em construção em professora: um estaleiro em Valença (BA), em 2019. Comente com os estudantes que a característica que os carpinteiros chamam de dureza está relacionada à densidade da madeira.

O conhecimento sobre as características das madeiras é fundamental na construção naval, pois influencia a flutuabilidade, a estabilidade e a durabilidade das embarcações. As escolhas feitas pelos carpinteiros refletem uma compreensão prática das propriedades físicas da madeira. Eles também entendem que é o formato dos barcos que faz com que flutuem e, que eles podem afundar se a quantidade de massa colocada em cima do barco for excessiva. Assim como os objetos flutuam na água em decorrência do empuxo, os corpos envolvidos pelo ar também sofrem a força de empuxo. No entanto, tal força é significativamente menor em razão da baixa densidade do ar em comparação com a água. A densidade do ar é cerca de 1 ,2 g / cm 3 ao nível do mar, enquanto a da água é de aproximadamente 1 000 g / cm 3.

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PRÁTICA CIENTÍFICA Construção de um elevador hidráulico Por dentro do contexto

Esse tipo de elevador é particularmente conhecido por sua capacidade de transportar cargas pesadas e operar de maneira suave e silenciosa. Elevadores hidráulicos representam uma solução eficiente e robusta para o transporte vertical em diversas situações.

Bill45/Shutterstock.com

Os elevadores hidráulicos são dispositivos amplamente utilizados para o transporte vertical de pessoas e cargas em edifícios de diferentes tamanhos. Eles funcionam com base em um sistema hidráulico que utiliza fluidos pressurizados para mover o elevador.

Elevador hidráulico de automóvel.

a ) De que forma o princípio de Pascal é aplicado no funcionamento de um elevador hidráulico? Resposta: Espera-se que os estudantes comentem que no elevador hidráulico é utilizado

um fluido para transferir a força de um ponto a outro, como descreve o princípio de Pascal.

Materiais

• palitos de madeira • tachinhas

• seringas sem agulha

• tesoura com pontas arredondadas

• fita adesiva

• 15 cmde mangueira flexível

• cola quente

• água

• retângulo de papelão com 30 cm × 15 cm

• arame utilizado para fechar embalagem de pão • régua • lápis grafite

Como proceder A. Faça três marcações em 12 palitos, sendo uma marcação no centro e uma em cada extremidade, a 1 cm de distância das pontas. B. Dos palitos marcados na etapa anterior, faça um recorte retangular em uma das extremidades em 4 palitos, como mostrado na imagem. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Imagem referente à etapa B.

Para fazer os recortes retangulares e os furos nos palitos, é possível utilizar um estilete. Para isso, peça a ajuda de um adulto.

C. Alinhe as marcações centrais de 2 palitos e insira uma tachinha. Depois, alinhe as marcações das extremidades com outros palitos e também insira uma tachinha, como mostra a imagem apresentada. Os últimos palitos da estrutura devem ser os palitos com o recorte retangular na extremidade.

Imagem referente à etapa C.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Dica

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UNIDADE

3 D. Repita a etapa C para montar uma segunda estrutura idêntica. E. Insira um palito de sorvete nos recortes das extremidades, como mostra a imagem. Aplique um pouco de cola nos pontos onde as partes recortadas dos palitos foram encaixadas nos outros palitos. F. Posicione a estrutura montada com palitos sobre o centro do pedaço de papelão e fixe a base com fita adesiva. Depois, abaixe a estrutura de palitos e posicione uma das seringas sobre o papelão, com seu êmbolo totalmente pressionado, de forma que ela fique com a ponta do êmbolo encostada no palito e perpendicular a ele, fixando-a com fita adesiva.

Imagem referente à etapa E.

H. Agora, movimente o êmbolo da seringa que contém água e observe o que acontece. Anote suas observações no caderno. Depois, adicione objetos sobre a estrutura de palitos e novamente movimente o êmbolo da seringa com água. Anote novamente suas observações no caderno.

Análise e divulgação

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

G. Fixe a seringa à estrutura de palitos com o pedaço de arame. Depois, encha com água uma segunda seringa e conecte as seringas por meio de uma mangueira, conforme mostra a imagem.

Imagem referente à etapa G.

4. Resposta: Para seringas de tamanhos diferentes, as seringas maiores (com maior área de pistão) exigem menos força para mover o elevador, mas necessitam de maior volume de água para o mesmo movimento. Por outro lado, seringas menores movem o elevador com mais rapidez, mas exigem mais força para realizar o movimento. Portanto, existe uma relação inversa entre a área do pistão e a pressão necessária para movimentar o elevador.

1. Quais materiais utilizados formam a parte hidráulica do sistema? Resposta: A parte hidráulica é formada por seringas, mangueira e água.

2. Qual seria a diferença no movimento dos êmbolos das seringas se compararmos duas situações: uma em que ambas comportam o mesmo volume de água e outra em que uma tem metade do volume da outra? Resposta: Se uma das seringas comportasse o dobro do volume de água que a outra, quando pressionássemos a seringa menor, o êmbolo da seringa maior se moveria apenas a metade da distância percorrida pelo êmbolo da maior.

3. O que aconteceria com o movimento do elevador se, em vez de água, as seringas e a mangueira estivessem preenchidas por ar? Resposta: O ar é muito mais compressível do que a água, logo o elevador não se moveria assim que a seringa fosse pressionada. Parte da força aplicada na seringa seria gasta comprimindo o ar.

4. Como a pressão da água dentro das seringas influencia o movimento do elevador hidráulico? 5. Como a disposição dos palitos de sorvete afeta a estabilidade e eficiência do elevador hidráulico? Resposta: Estruturas triangulares proporcionam mais estabilidade e resistência ao peso, mas, quando os palitos são dispostos em formas retangulares ou quadradas, a estrutura tende a ser mais frágil. Para isso, proponha aos estudantes que montem estruturas diferentes e façam testes de resistência. 6. Faça um vídeo de divulgação científica sobre a construção do elevador hidráulico. No vídeo, apresente o

elevador montado nessa atividade, fazendo uma rápida explicação dos conceitos que explicam seu movimento. Em seguida, mostre uma aplicação desses conceitos em uma situação do dia a dia. Por fim, divulgue o vídeo em redes sociais para compartilhar suas conclusões. Resposta pessoal.

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1. Para utilizar um tubo de creme dental comple-

tamente cheio, basta apertar a embalagem em qualquer local, o que causará a saída dele pela abertura. Explique, de acordo com o princípio de Pascal, por que isso ocorre.

2. Considere o elevador hidráulico a seguir, com d2

d1 F2

Eduardo Borges/Arquivo da editora

pistões de massas desprezíveis.

Resposta: Vd = 40% = V obj

Resolução nas Orientações para o professor.

6. Considere que um objeto de massa igual a 0 ,5 kg e um volume de 2 · 1 0−3m3tenha sido colocado em um líquido com densidade 0,8 g/ cm3. nas Orientações para o professor.

7. Icebergs são grandes blocos de gelo que se des-

a ) Qual é a intensidade mínima da força F1que deve ser aplicada no pistão menor, capaz de equilibrar a carga sobre o pistão maior?

Resposta: F1 = 2 N. Resoluções nas Orientações para o professor.

b ) Se o pistão menor descer 80 cm, qual será o deslocamento para cima do pistão maior? Resposta: h = 8 · 1 0 −3 m.

3. O aparato mostrado na imagem a seguir, feito

com seringas, uma mangueira e água, representa o funcionamento de um elevador hidráulico. Um corpo de 1 kgfoi colocado sobre o pistão de área menor, e uma força foi aplicada sobre o pistão de área maior.

Eduardo Borges/Arquivo da editora

a ) Essa maneira de utilizar esse aparato é a mais adequada? Justifique. b ) Se o raio da seringa maior é o triplo do raio da seringa menor, a força aplicada para equilibrar o corpo de 1 kgé equivalente à força peso de um corpo de qual massa, em kg? Use g = 1 0 m/ s2.

Resposta: F = 90 N. Resolução nas Orientações para o professor.

4. Uma bola de futebol flutua na água. Aplicando uma força sobre ela, é possível afundá-la. Ao fazer isso, a intensidade do empuxo sobre a bola aumenta ou diminui? Justifique.

Resposta: A intensidade do empuxo aumenta, pois aumenta o volume de água deslocada.

222

em uma mistura líquida de densidade 2 g/ c m3. Qual é a fração do volume do corpo que está submersa no líquido, em porcentagem?

b ) Qual é a intensidade do empuxo que age sobre o objeto? Resposta: E = 5 N

Sendo d1 = 2 m, d2 = 20 me a carga com massa igual a 20 kg, responda:

Representação do elevador hidráulico.

5. Um objeto de densidade 0 ,8 g/cm3foi colocado

a ) Qual é o volume de líquido deslocado pelo 0,625 m 3= 625 cm 3. Resoluções objeto? Resposta: Vd =

Representação de um elevador hidráulico.

3. a) Resposta: Não, pois, para manter o corpo de 1 kgem equilíbrio, temos de aplicar uma força com intensidade maior do que a força peso do corpo.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

prendem de geleiras ou plataformas de gelo e flutuam em águas oceânicas. Entretanto, somente 10% de seu volume total fica acima da superfície da água. Considerando que a densidade da água do mar é igual a 1 025 kg/ m 3, qual é a den 922,5 kg / m 3. sidade dos blocos de gelo? Resposta: d = Resolução nas Orientações para o professor.

8. Uma das principais aplicações do princípio de Pascal é o elevador hidráulico, que auxilia a movimentação de cargas pesadas. O fato de o elevador hidráulico apresentar vantagem mecânica, pois multiplica uma força exercida, significa que ele viola o princípio de conservação de energia? Resposta nas Orientações para o professor.

9. Uma esfera é mergulhada em um líquido de den-

sidade 1 000kg/m3. Como a densidade da esfera é menor que a densidade do líquido, foi necessário prendê-la ao fundo com uma corda inextensível de massa desprezível. Eduardo Borges/Arquivo da editora

ATIVIDADES

Representação da esfera presa com uma corda no interior de um líquido.

Sabendo que a esfera possui uma massa igual a 0,8 kge seu volume é de 3,5 L, calcule a intensidade da força de tração na corda. 7 N. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: FT = 2

10. Um elevador hidráulico possui pistões cilíndri-

cos com raios de 5 cme 20 cm. Se uma massa de 20 kg for colocada sobre um suporte no pistão maior, qual é a intensidade da força que deve ser aplicada no pistão menor para manter o sistema em equilíbrio? Considere g = 10 m/s2.

2,5 N. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: F1 = 1

1. Resposta: De acordo com o princípio de Pascal, uma variação de pressão em qualquer ponto do fluido – nesse caso, o creme dental – é transmitido integralmente a todos os pontos do fluido. Essa variação de pressão causa uma força resultante do creme dental, que se desloca para fora do tubo.

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José Vitor Elorza/ASC Imagens

Fluidos em movimento Observe a fotografia e responda. 3. Que movimento uma folha de papel faz quando sopramos o ar por sua superfície superior? Resposta: A folha de papel é deslocada para cima.

O estudo dos fluidos em movimento é conhecido como Hidrodinâmica. Faremos um estudo mais geral, considerando apenas o chamado fluido ideal. Para isso, vamos considerar que esse fluido é incompressível, apresenta a mesma densidade por todo o seu volume e tem viscosidade desprezível, não ocorrendo, assim, perdas de energia.

UNIDADE

Jovem segurando uma folha de papel e soprando ar pela parte superior dela.

O escoamento do fluido ideal ocorre com velocidade constante em qualquer ponto, sem variação de direção ou sentido com o passar do tempo. Esse tipo de escoamento é chamado estacionário. Já nos movimentos das fumaças ou das águas do mar, ocorre a variação da velocidade das partículas, caracterizando um tipo de movimento chamado não estacionário ou turbulento. B. Nos túneis de vento, o fluxo do ar é estacionário. Kiyoshi Takahase Segundo/Alamy/ Fotoarena

MikeDotta/Shutterstock.com

A. A fumaça subindo realiza um movimento turbulento.

A vazão ( Φ) de um fluido corresponde ao volume que passa por certa área de secção transversal em um intervalo de tempo.

Representação do escoamento de um gás com corante contornando uma esfera em um túnel de vento. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

∆V Φ = _ ∆t

No SI, volume é expresso em metro cúbico ( m 3); intervalo de tempo, em segundo ( s) ; e vazão, em metro cúbico por segundo ( m 3/s). Outras unidades podem ser utilizadas, como litro por segundo ( L / s)  e metro cúbico por minuto ( m 3/min).

Sergio Lima/Arquivo da editora

Incêndio em fábrica de solvente em Novara, na Itália, em 2023.

Representação de um fluido escoando por um condutor com secção transversal de área constante. Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 74.

Secção transversal: região delimitada pela intersecção entre a forma geométrica espacial e um plano paralelo à base dela. Na imagem anterior, está representada pela letra A.

Pela imagem, um elemento do fluido que passa pela área na região 1 se move até a área da região 2 em certo intervalo de tempo, com velocidade constante. Nesse intervalo de tempo, o volume de fluido que passa pela área de secção reta é dado por ∆V = A · ∆s. Assim, a vazão pode ser também escrita como: ∆V A · ∆s Φ = _ = _ ⇒ Φ = A · v ∆t ∆t

223

06/11/2024 16:51:42

Considere agora um condutor com secções transversais de áreas diferentes. Conforme apresentado na página anterior, quando o fluido passa por um estreitamento, as linhas de corrente ficam mais próximas, o que representa aumento de velocidade. Para que a vazão de um fluido permaneça constante, uma redução da área de secção transversal por onde o fluido escoa resulta em um aumento de velocidade de escoamento.

Ds1 A1 Ds2

Sergio Lima/Arquivo da editora

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 73.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação de um fluido escoando em um condutor com secções transversais de áreas diferentes.

Como o fluido é incompressível, o mesmo volume que sai da região 1 entra na região 2, garantindo assim a vazão constante:

A relação entre velocidade e área da secção transversal é denominada equação da continuidade para escoamento de um fluido ideal. Essa conclusão pode ser verificada em um feixe de água que sai de uma torneira. Com a queda livre, a velocidade dos elementos do fluido aumenta e, como a vazão é a mesma, o feixe fica mais estreito.

Eduardo Borges/Arquivo da editora

A2 · ∆ s2 A1 · ∆ s1 _ ∆V 2 _ ∆ V1 _ Φ 1 = Φ 2 ⇒ _ = ⇒ = ⇒ A1 · v1 = A 2 · v2 ∆t ∆t ∆t ∆t

Feixe de água saindo de uma torneira.

Princípio de Bernoulli e efeito Coandă O físico e matemático holandês Daniel Bernoulli (1700-1782) lançou, em 1738, a obra Hidrodinâmica, na qual apresentou seus estudos sobre o movimento dos fluidos. Ele relacionou a velocidade de escoamento à pressão interna do fluido, caracterizando o que ficou conhecido como princípio de Bernoulli. Se a velocidade de um fluido aumenta ao longo de uma linha de corrente, a pressão interna do fluido diminui. Isso significa que, onde as linhas de corrente do fluido estão mais próximas, a velocidade é maior e a pressão, menor. Do mesmo modo, quando as linhas estão mais afastadas, a velocidade é menor e a pressão, maior. Esse princípio nos auxilia a entender diversas situações no cotidiano. Confira a seguir alguns exemplos.

Representação do perfil de uma asa de avião. Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 274.

Sergio Lima/Arquivo da editora

O formato do perfil das asas dos aviões, ilustrado a seguir, faz com que as linhas de corrente de ar se aproximem na parte de cima da asa, tendo velocidade maior do que na parte de baixo. Assim, a pressão do ar é menor acima da asa, se comparada com a pressão abaixo dela. Dessa diferença surge uma força resultante de sustentação para cima, permitindo que o avião voe.

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06/11/2024 16:51:42

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Kanjanee Chaisin/Shutterstock.com

Já nos carros de corrida, é necessária uma força resultante para baixo, a fim de aumentar a aderência e a estabilidade em altas velocidades. Por isso, é comum a utilização de acessórios como os aerofólios, que funcionam, de certa forma, como asas de aviões invertidas. Aerofólio de um carro da corrida.

UNIDADE

O engenheiro romeno Henri-Marie Coandă (1886-1972) propôs outra interpretação para esses fenômenos: o efeito Coandă. Ao construir seu primeiro avião, ele observou que, quando um fluido escoava sobre uma superfície curva, forças faziam o fluido se prender à superfície, seguindo sua curvatura. Isso ocorre porque a camada mais externa de um fluido que se move sobre uma superfície curva tem velocidade aumentada, provocando diminuição da pressão da camada mais interna que acompanha a superfície. Essa diferença de pressão entre a parte superior e inferior da superfície curva mantém o fluido próximo a ela. Quando sopramos o ar acima do papel, ele também adere à superfície do mesmo, como ocorre no telhado da casa. E, da mesma forma, há o surgimento de uma força resultante que atua empurrando o papel para cima, como mostrado na fotografia a seguir.

José Vitor Elorza/ ASC Imagens

Representação da força resultante no telhado de uma casa em razão do movimento rápido do ar.

Pessoa soprando a superfície superior de uma folha de papel, deslocando-a para cima.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 274.

O efeito Coandă nos ajuda a entender outro importante fenômeno, chamado de efeito Magnus. O físico alemão Heinrich Gustav Magnus (1802-1870) estudou outro aspecto da relação entre velocidade e pressão de um fluido, referente ao efeito dos movimentos de translação e rotação de um corpo imerso em fluido. Quando uma bola de futebol é chutada com “efeito”, ela gira em torno do próprio eixo. Essa rotação faz o ar ao redor da bola se mover mais rapidamente de um lado do que do outro, ocasionando a aderência dele na região em que a bola gira no mesmo sentido de seu movimento. Isso resulta em diferença de pressão, que gera uma força perpendicular à direção do movimento da bola, desviando-a de sua trajetória, de modo que ela descreve uma curva. região de alta pressão

Assim, o efeito Magnus pode ser entendido como o fenômeno hidrodinâmico que consiste no desvio na trajetória de sólidos que se movem girando através de um fluido. Confira a imagem de uma bola de futebol vista de cima, que representa esse efeito. Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 274

V F

trajetória percorrida pela bola

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

Sergio Lima/Arquivo da editora

O ar que passa sobre o telhado da casa adere à superfície e tem suas linhas de corrente aproximadas. Assim, sua velocidade aumenta, gerando uma região de baixa pressão. Esses fenômenos provocam o surgimento de uma força resultante que empurra o telhado para cima.

região de baixa pressão Representação de uma bola transladando e rotacionando através de um fluido.

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06/11/2024 16:51:43

CONEXÕES com ... BIOLOGIA e SOCIOLOGIA

Estudos dos efeitos provocados no solo pelas chuvas Leia a manchete a seguir.

Deslizamento de terra mata duas pessoas em Minas Gerais Desastre ocorreu em Caratinga, após desabamento de casa VILELA, Pedro Rafael. Deslizamento de terra mata duas pessoas em Minas Gerais. Agência Brasil, 16 jan. 2023. Disponível em: https://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/noticia/2023-01/ deslizamento-de-terra-mata-duas-pessoas-em-minas-gerais. Acesso em: 28 set. 2024.

A infiltração da água no solo é um processo crítico que pode alterar suas características físicas e mecânicas, influenciando diretamente a estabilidade das encostas. Quando a chuva intensa ocorre, a água infiltra-se no solo, o que pode levar a uma diminuição na coesão das partículas do solo e na sua resistência ao cisalhamento, fatores que são essenciais para a estabilidade das encostas. A física dos movimentos de fluidos explica que, durante uma chuva, conforme o solo se satura, a pressão da água nos poros aumenta, reduzindo a força de resistência do solo ao deslizamento e facilitando o movimento de suas camadas.

Focus Pix/Shutterstock.com

Os estudos sobre os impactos das chuvas em áreas urbanas são fundamentais para entender e mitigar os riscos de enchentes e deslizamentos de terra. Esses fenômenos podem ter consequências devastadoras, causando perdas humanas, danos materiais e impactos socioeconômicos significativos.

Desastre de deslizamento de terra no município de Petrópolis (RJ), em 2022.

Vários fatores podem aumentar ou diminuir os riscos de deslizamentos de terra, como a topografia, o tipo de solo, a vegetação que compõe a área e o tipo de utilização do solo. As catástrofes geradas pelas chuvas, como enchentes e deslizamentos, tendem a afetar mais severamente as populações vulneráveis. Em muitos casos, essas populações residem em áreas de risco por causa de fatores econômicos e sociais. O conceito de racismo ambiental pode ser utilizado para entender como grupos marginalizados, frequentemente comunidades de baixa renda e minorias étnicas, são desproporcionalmente afetados por desastres ambientais. Essas comunidades geralmente têm menos acesso a recursos para mitigação e recuperação de desastres, e muitas vezes são relegadas a áreas mais propensas a riscos ambientais, como encostas íngremes ou áreas próximas a rios. A falta de infraestrutura adequada e a ausência de políticas públicas eficazes exacerbam a vulnerabilidade dessas populações. Os estudos científicos são vitais para aprofundar nosso entendimento sobre os processos que provocam enchentes e deslizamentos. Além disso, é crucial considerar as dimensões sociais e econômicas dos desastres, reconhecendo que as populações vulneráveis são as mais afetadas. Abordar as causas profundas das mudanças climáticas e implementar estratégias de mitigação eficazes são passos essenciais para proteger essas comunidades e criar cidades mais resilientes. a ) Explique como o uso da terra em áreas urbanizadas pode aumentar o risco de enchentes e deslizamentos. Resposta: Áreas urbanizadas com superfícies impermeáveis aumentam o escoamento superficial, diminuindo a infiltração da água no solo e elevando o risco de enchentes e deslizamentos.

b ) De que maneira as mudanças climáticas estão aumentando a frequência e a intensidade de As mudanças climáticas estão aumentando a temperatura global, o que eleva a eventos de chuva extrema? Resposta: capacidade da atmosfera de reter umidade, resultando em chuvas mais intensas e frequentes. c ) Como podemos equilibrar o desenvolvimento urbano com a necessidade de preservar Implementando práticas de planejamento urbano sustentável que áreas naturais para prevenir desastres? Resposta: incluam zonas de conservação, uso de tecnologias permeáveis e integração de

226

espaços verdes, além de políticas de reurbanização que respeitem os limites ambientais.

06/11/2024 16:51:44

ATIVIDADES

UNIDADE

3 NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Resoluções das questões 1, 2, 3, 4, 5 e 6 nas Orientações para o professor.

259,2 m3inicialmente vazia. Calcule o tempo necessário para enchê-la completamente com o auxílio de uma mangueira de vazão igual a 72 L/s. Resposta: Δt = 3 600 s = 1 h

5. Para irrigar um campo de futebol na temporada

de pouca chuva, o sistema de irrigação utiliza diferentes tubulações. A figura a seguir representa parte delas. A1

2. Um fluido escoa por um condutor de área de sec-

ção transversal igual a 2 0 cm2com velocidade de 5 m/s. Calcule a vazão dele.

,01 m 3/s Resposta: ϕ = 0

3. A aterosclerose é um problema de saúde em que

placas contendo colesterol se depositam nas artérias. A aorta é a artéria mais importante do corpo humano, com secção transversal de 2,5 cm2, pela qual o sangue atravessa a velocidade de 30 cm. a ) Qual é o tempo necessário para que 1 cm3de sangue passe pela secção transversal da artéria saudável? Resposta: Δt = 0 ,013 s b ) Considere que a artéria esteja obstruída por uma placa de colesterol e sua secção transversal seja 2 cm2. Qual é a velocidade do fluxo de sangue na artéria que apresenta depo 3 7,5 cm/s sição de colesterol? Resposta: v =

4. Um sistema de captação de água da chuva é liga-

do a diversos reservatórios. Um desses reservatórios possui capacidade de 1 000 Le, em um dia chuvoso, levou 200 minpara ficar completamente cheio. Em relação à essa situação, calcule: a ) A vazão da tubulação utilizada para encher o reservatório. Resposta: ϕ = 5 L/min b ) A velocidade de escoamento, sabendo que a tubulação possui um diâmetro de 10 cm. Resposta: v = 0,63 m/min

Representação de um tubo com diferença na secção transversal.

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

1. Considere uma caixa-d’água com volume de

O tubo tem área de secção transversal A1 = 6,0 cm 2 e velocidade v1 = 5 m/s, e a área de secção transversal do tubo secundário é A2 = 3,0 cm 2. Calcule a velocidade v2 da água quando passar pela secção transversal secundária. Resposta: v2 = 10 m/s

6. A falta de água potável é um problema que,

7. Explique o que um jogador de futebol ou de tê-

nis deve fazer com a bola a fim de que ela realize uma trajetória curva durante seu deslocamento, até atingir o alvo desejado.

7. Resposta: Os jogadores devem dar à bola um movimento de translação e de rotação em torno de um eixo, ou seja, ela deve ter uma velocidade de translação e uma velocidade angular. Essa combinação produz diferença de pressão entre os lados opostos da bola, gerando força resultante que curva a trajetória dela. Esse é o chamado efeito Magnus.

RETOME O QUE ESTUDOU

Respostas nas Orientações para o professor.

Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir.

1. O Sol emite diferentes tipos de ondas eletromagnéticas e uma parte delas chega à Terra. Qual faixa do espectro eletromagnético é emitida em maior quantidade pelo Sol e como a percebemos?

2. Em um período de dois minutos, escreva em pedaços de papel alguns termos que descrevam os efeitos da

absorção ou da perda de calor por uma substância. Em seguida, explique por que estruturas como viadutos precisam de juntas de dilatação.

3. Explique qual é a diferença entre calor sensível e calor latente. 4. Explique o que é um sistema termodinâmico. 5. Elabore um esquema que explique os tipos de sistemas termodinâmico, diferenciando-os, caracterizando-os e citando exemplos do cotidiano para cada um deles. Utilize textos e imagens para isso.

6. Se colocarmos uma folha de papel sobre a boca de um copo com água e virarmos esse copo com a boca para baixo, a água não escoa. Qual é a relação dessa situação com o experimento de Torricelli?

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MAIS QUESTÕES 1. (UCS-RS) Um cenário que começa a preocupar os

especialistas em tecnologia é o limite que as fibras óticas apresentam para suportar o transporte de quantidades maiores de informação na forma de ondas eletromagnéticas, a fim de suportar a demanda da internet. Em essência, uma onda eletromagnética é caracterizada por Resposta: Alternativa b. a ) um campo elétrico constante no espaço e no tempo e um campo magnético que varia no tempo. b ) campos elétrico e magnético se propagando no espaço assumindo valores máximos e mínimos periodicamente. c ) um campo magnético constante no espaço e no tempo e, um campo elétrico que varia no tempo. d ) variações de pressão mecânica no material. e ) oscilações longitudinais e transversais simultâneas do meio material.

2. (UEPG-PR) O físico escocês James Clerk Maxwell

02 ) Raios X e raios gama são exemplos de radiações ionizantes, pois são capazes de alterar a estrutura da molécula e átomos. 04 ) As ondas eletromagnéticas possuem no vácuo uma velocidade de propagação de aproximadamente 3 · 108 m / s. 08 ) Uma onda eletromagnética com comprimento de onda de 750 · 10−9mterá uma frequênResolução nas cia de 4 · 104Hz, no vácuo. Orientações para o

Resposta: Soma: 02 + 04 + 08 = 14

professor.

3. (Enem/MEC) Um professor percebeu que seu

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Dentre as propriedades de ondas citadas, aquela associada ao aumento do brilho do laser é o(a) a ) amplitude. b ) frequência. c ) fase da onda. d ) velocidade da onda. e ) comprimento de onda.

Resposta: Alternativa a.

4. (UFRGS-RS) Assinale a alternativa que preenche

corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem. A luz é uma onda eletromagnética formada por campos elétricos e magnéticos que variam no tempo e no espaço e que, no vácuo, são entre ■ si. Em um feixe de luz polarizada, a direção da polarização é definida como a direção ■ da onda. a ) paralelos – do campo elétrico b ) paralelos – do campo magnético c ) perpendiculares – de propagação d ) perpendiculares – do campo elétrico e ) perpendiculares – do campo magnético Resolução: Alternativa d.

5. (UEMG) “É que minha neta, Alice, de 15 meses,

228

06/11/2024 16:49:17

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

6. (UPF-RS) Isaac Newton é reconhecido como um dos grandes gênios da humanidade. Em sua lápide, na Abadia de Westminster, em Londres, está escrito: “Disse Deus ‘Faça-se Newton’ e houve luz nas jazidas”. Dentre suas contribuições para o desenvolvimento da Física, estão os estudos relacionados à dispersão da luz do Sol ao atravessar um prisma de vidro. Nessas condições, ocorre a decomposição da luz branca nas várias cores. Com relação ao fenômeno de dispersão da luz branca, analise as informações a seguir. I ) O arco-íris aparece quando os raios de luz branca incidem em gotículas de água presentes na atmosfera. II ) A cor que sofre menor desvio quando a luz branca atravessa um prisma de vidro é a vermelha. III ) A frequência das cores que compõem a luz branca não sofre alteração ao atravessar um prisma. IV ) No interior de um prisma de vidro, as diversas cores que compõem a luz branca apresentam velocidades de propagação diferentes.

Resposta: Está correto o que se afirma em: Alternativa d.

a ) II e IV, apenas.

d ) I, II, III e IV.

b ) I e III, apenas.

e ) I e II, apenas.

c ) I, III e IV, apenas.

7. (Enem/MEC) Informações digitais – dados – são

8. (Uece) Um estudante de Física resolveu construir

uma escala termométrica X e observou que uma variação de 4 0°na escala Celsius corresponde a uma variação de 60° na escala X. Sabendo que 20 ° Xcorresponde ao ponto de fusão da água, é correto afirmar que o ponto de ebulição da água em graus X é igual a Resposta: Alternativa c. a ) 200. b ) 150.

Resolução nas Orientações para o professor.

c ) 170. d ) 90.

9. (Enem/MEC) Um fabricante de termômetros

orienta em seu manual de instruções que o instrumento deve ficar três minutos em contato com o corpo para aferir a temperatura. Esses termômetros são feitos com o bulbo preenchido com mercúrio conectado a um tubo capilar de vidro. De acordo com a termodinâmica, esse procedimento se justifica, pois é necessário que Resposta: Alternativa c.

a ) o termômetro e o corpo tenham a mesma energia interna. b ) a temperatura do corpo passe para o termômetro. c ) o equilíbrio térmico entre os corpos seja atingido. d ) a quantidade de calor dos corpos seja a mesma. e ) o calor do termômetro passe para o corpo.

gravadas em discos ópticos, como CD e DVD, na forma de cavidades microscópicas. A gravação e a leitura óptica dessas informações são realizadas por um laser (fonte de luz monocromática). Quanto menores as dimensões dessas cavidades, mais dados são armazenados na mesma área do disco. O fator limitante para leitura de dados é o espalhamento da luz pelo efeito de difração, fenômeno que ocorre quando a luz atravessa um obstáculo com dimensões da ordem de seu comprimento de onda. Essa limitação motivou o desenvolvimento de lasers com emissão em menores comprimentos de onda, possibilitando armazenar e ler dados em cavidades cada vez menores.

10. (Enem/MEC) O ser humano é incapaz de enxer-

Em qual região espectral se situa o comprimento de onda do laser que otimiza o armazenamento e a leitura de dados em discos de uma mesma área?

c ) absorva o feixe de raios X, reemitindo parte de sua energia na região do visível.

a ) Violeta.

d ) Vermelho.

b ) Azul.

e ) Infravermelho.

c ) Verde.

Resposta: Alternativa a.

gar a radiação infravermelha e as ondas de rádio (baixas frequências), assim como a ultravioleta e os raios X (altas frequências). A observação dessas faixas do espectro pode ser realizada por meios indiretos, por exemplo, usando um cintilador, que é uma placa utilizada como sensor para detectar um feixe de raios X, pois emite luz quando o feixe incide sobre ela. Para que uma pessoa enxergue a incidência de raios X no cintilador, é necessário que essa placa Resposta: Alternativa c.

a ) reflita o feixe de raios X, alterando sua polarização.

b ) transmita o feixe de raios X, alterando sua polarização.

d ) absorva o feixe de raios X, reemitindo parte de sua energia na região do ultravioleta. e ) absorva o feixe de raios X, reemitindo parte de sua energia na região do infravermelho.

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

11. (Enem/MEC) Em uma indústria alimentícia, para

Resolução nas Orientações para o professor.

T (°C) 120

100

No processo de concentração do produto, é utilizada energia proveniente Resposta: Alternativa d. a ) somente do calor latente de vaporização. b ) somente do calor latente de condensação. c ) do calor sensível e do calor latente de vaporização.

UNIOESTE/2023

produção de doce de leite, utiliza-se um tacho de parede oca com uma entrada para vapor de água a 120 °Ce uma saída para água líquida em equilíbrio com o vapor a 100 °C. Ao passar pela parte oca do tacho, o vapor de água transforma-se em líquido, liberando energia. A parede transfere essa energia para o interior do tacho, resultando na evaporação de água e consequente concentração do produto.

de gelo, aquecido por uma fonte contínua de calor, à pressão de 1 atmosfera, até se transformar em vapor superaquecido, como função do tempo de aquecimento.

B t1

C t2

t(min)

-10 A

A partir da análise do gráfico, pode-se dizer que:

d ) do calor sensível e do calor latente de condensação.

I ) A amostra passa por duas mudanças de estado físico ao longo do tempo de observação.

e ) do calor latente de condensação e do calor latente de vaporização.

II ) A amostra passa por três mudanças de estado físico ao longo do tempo de observação.

12. (Enem/MEC) Em uma aula experimental de calori-

metria, uma professora queimou 2 ,5 gde castanha-de-caju crua para aquecer 350 gde água, em um recipiente apropriado para diminuir as perdas de calor. Com base na leitura da tabela nutricional a seguir e da medida da temperatura da água, após a queima total do combustível, ela concluiu que 5 0% da energia disponível foi aproveitada. O calor específico da água é 1 cal g−1 °C−1, e sua temperatura inicial era de 20 °C. Resolução nas Orientações para o professor.

Quantidade por porção de 10 g(2 castanhas)

III ) Considerando o calor específico do gelo igual a 0,50 cal / g · °Ce o calor latente de fusão igual a 80 cal / g, a quantidade de calor absorvida pelo sistema do instante inicial (t = 0 s) ao instante t2é de 42 500 cal. IV ) Considerando o calor específico da água igual a 1,0 cal / g · °Ce o calor latente de vaporização igual a 540 cal / g, a quantidade de calor absorvida pelo sistema entre os instantes t2e t4é de 270 cal. São CORRETAS as assertivas: Resposta: Alternativa c. a ) I, III e IV.

Valor energético

70 kcal

Carboidratos

0,8 g

c ) I e III.

Proteínas

3,5 g

d ) III e IV.

Gorduras totais

3,5 g

e ) II e III.

Qual foi a temperatura da água, em grau Celsius, medida ao final do experimento? a ) 25

d ) 50

b ) 27

e ) 70

c ) 45

Resposta: Alternativa c.

13. (Unioeste-PR) Uma curva de aquecimento e res-

friamento é o gráfico que mostra a variação de temperatura de uma amostra de uma substância quando aquecida ou resfriada, incluindo eventuais mudanças de estado físico. O gráfico a seguir mostra a evolução da temperatura de 500 gramas

b ) II, III e IV.

14. (UERR) A temperatura pode ser medida em di-

versas escalas diferentes, desde que sejam compatíveis. Considerando-se que, na escala Fahrenheit, os pontos de fusão e ebulição da água são iguais, respectivamente, a 32 °F e a 212 °F, um corpo com 43 °Cna escala Celsius, terá, na escala Fahrenheit, uma temperatura Resposta: Alternativa d. a ) inferior a 80 °F. b ) superior a 80 °Fe inferior a 90 °F. c ) superior a 90 °Fe inferior a 100 °F. d ) superior a 100 °Fe inferior a 110 °F.

nas Orientações e ) superior a 110 °F. Resolução para o professor.

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06/11/2024 16:49:17

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

não viscosos e em regime estacionário. Assinale 1 6 = 2 0 o que for correto. Resposta: Soma: 04 + 01 ) A velocidade de um fluido em um tubo de diâmetro variável é menor na região de menor área de seção transversal.

provoca o escoamento da água para o recipiente de baixo. R

0,4 m

02 ) A pressão de um fluido em um tubo horizontal de diâmetro variável é maior na região de maior velocidade.

UNESP/2013

15. (UEM-PR) Considere fluidos incompressíveis,

A B

1,2 m

04 ) A pressão de um fluido em movimento em um tubo de diâmetro constante é menor na região de maior altura. 08 ) A movimentação ascendente ou descendente de submarinos submersos no mar pode ser explicada pela equação de Bernoulli. 16 ) A elevação de um automóvel sobre um dos pistões de uma prensa hidráulica pode ser explicada pelo princípio de Pascal.

16. (UFPR) Uma plataforma plana horizontal tem uma área A. Sobre ela, é colocado um objeto de massa m constante, que fica estático no local, sujeito apenas à força gravitacional e à força exercida pela plataforma. As forças envolvidas no problema são todas orientadas perpendicularmente à plataforma. O objeto exerce uma pressão de valor P = 2,0 · 104 Pa sobre a plataforma, e a massa do objeto vale m = 600 g. Considerando as informações apresentadas, assinale a alternativa que apresenta corretamente o valor da área A da plataforma. Resposta: Alternativa a. a) A = 3 ,0 · 1 0−4m2 b ) A = 6,0 · 10−4m2

Resolução nas Orientações para o professor.

c ) A = 3,0 · 10−5m2 d ) A = 6,0 · 10−5m2 e ) A = 3,0 · 10−6m2

17. (Unesp) O sifão é um dispositivo que permite transferir um líquido de um recipiente mais alto para outro mais baixo, por meio, por exemplo, de uma mangueira cheia do mesmo líquido. Na figura, que representa, esquematicamente, um sifão utilizado para transferir água de um recipiente sobre uma mesa para outro no piso, R é um registro que, quando fechado, impede o movimento da água. Quando o registro é aberto, a diferença de pressão entre os pontos A e B

Considere que os dois recipientes estejam abertos para a atmosfera, que a densidade da água seja igual a 10 3 kg / m 3 e que g = 10 m / s 2. De acordo com as medidas indicadas na figura, com o registro R fechado, a diferença de pressão PA – PB, entre os pontos Ae B, em pascal, é igual a a) 4 000. b) 1 0 000.

Resposta: Alternativa d. Resolução nas Orientações para o professor.

c) 2 000. d) 8 000. e) 1 2 000.

18. (Enem/MEC) Para oferecer acessibilidade aos portadores de dificuldades de locomoção, é utilizado, em ônibus e automóveis, o elevador hidráulico. Nesse dispositivo é usada uma bomba elétrica, para forçar um fluido a passar de uma tubulação estreita para outra mais larga, e dessa forma acionar um pistão que movimenta a plataforma. Considere um elevador hidráulico cuja área da cabeça do pistão seja cinco vezes maior do que a área da tubulação que sai da bomba. Desprezando o atrito e considerando uma aceleração gravitacional de 10 m / s2, deseja-se elevar uma pessoa de 65 kg em uma cadeira de rodas de 15 kgsobre a plataforma de 20 kg. Qual deve ser a força exercida pelo motor da bomba sobre o fluido, para que o cadeirante seja elevado com velocidade constante? a) 2 0 N b) 1 00 N

Resposta: Alternativa c. Resolução nas Orientações para o professor.

c) 2 00 N d) 1 000 N e) 5 000 N

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4 UNIDADE

ENERGIA E SOCIEDADE

Nesta unidade, vamos estudar... • uso de energia elétrica; • usinas elétricas; • matriz elétrica brasileira; • carga e força elétricas; • campo e potencial elétricos; • corrente elétrica; • circuitos elétricos; • resistência e potência elétrica; • consumo de energia elétrica; • geradores e transformadores elétricos; • fissão e fusão nuclear; • acidentes nucleares; • teoria da relatividade restrita e geral; • Física quântica.

Lançado ao mar em 1954, o USS Nautilus (SSN-571) foi o primeiro submarino nuclear operacional do mundo. Esse tipo de embarcação é movido por energia gerada em reatores nucleares em seu interior. Diferentemente de submarinos movidos a combustível ou energia elétrica, a grande quantidade de energia nuclear gerada nos reatores permite que percorram grandes distâncias submersos. Isso possibilitou, por exemplo, que o SSN-571 fosse o primeiro a concluir o trânsito sob o Polo Norte, em 3 de agosto de 1958. Após o Nautilus, diversos outros submarinos movidos a esse tipo de energia foram desenvolvidos. Apesar de seu elevado poder energético, a utilização de energia nuclear gera resíduos radioativos e, portanto, necessitam de destino e tratamento adequados, incluindo seu armazenamento em tanques e locais específicos até que a radiação emitida atinja níveis seguros. Além da geração de energia, a radioatividade, inerente a alguns elementos químicos, tem diversas outras aplicações benéficas, mas, ao mesmo tempo, pode representar risco ao ambiente e aos seres vivos. Respostas nas Orientações para o professor.

a ) A energia nuclear também é utilizada para a geração de energia elétrica. No entanto, os resíduos desse tipo de usina podem causar poluição do ambiente ou contaminação nos seres vivos. Em sua opinião, como é possível tornar a geração de energia elétrica menos prejudicial ao ambiente e à sociedade? b ) A tripulação de submarinos nucleares é treinada para o caso de ocorrer um acidente na embarcação. Você já ouviu falar de algum acidente nuclear? Em caso afirmativo, relate aos colegas o que sabe sobre isso. c ) Os estudos sobre a emissão e a absorção de energia pelos átomos resultaram na Física quântica. O que você sabe sobre essa área da Física? Converse com os colegas sobre o assunto.

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U.S. Naval History and Heritage Command/Science Source/Fotoarena

Submarino nuclear USS Nautilus (SSN-571) entrando no porto em Nova York, nos Estados Unidos, em 25 de agosto de 1958, após sua viagem sob o Polo Norte.

233

06/11/2024 16:48:36

CAPÍTULO

Energia elétrica e Sociedade

O uso da energia elétrica Confira a tabela a seguir, que mostra o consumo de energia elétrica no Brasil, por região, incluindo residências, indústrias e comércios. Consumo total de energia elétrica por região no Brasil ( MWh)

Ano

2019

2020

2021

2022

2023

Norte

33 088 608

34 719 971

36 514 556

38 056 526

41 079 507

Nordeste

83 206 833

81 255 473

86 917 447

88 172 997

94 971 188

Sudeste

238 451 059

233 031 882

246 566 450

247 910 900

255 255 037

Sul

89 420 939

88 703 014

92 760 592

94 683 410

97 910 656

Centro-Oeste

38 418 628

38 944 303

39 842 543

40 564 795

42 683 957

Total Brasil

482 586 067

476 654 642

502 601 588

509 388 629

531 900 346

Região

Fonte de pesquisa: BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. Consumo mensal de energia elétrica por classe (regiões e subsistemas). Disponível em: https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/Documents/ CONSUMO%20MENSAL%20DE%20ENERGIA%20EL%c3%89TRICA%20POR%20CLASSE.xls. Acesso em: 28 ago. 2024.

Na tabela anterior, notamos que o consumo total de 1. Cite motivos que podem estar associados ao energia elétrica no Brasil aumentou entre 2019 e 2023. aumento do consumo de energia elétrica no Para que essa demanda seja suprida, o país constrói Brasil e no mundo. novas usinas elétricas e busca novas formas sustentáveis 2. Converse com um colega sobre quais impactos, de gerar essa energia. Também é necessária a conscienpositivos e negativos, esse aumento do consumo tização da sociedade, de modo a compreender a imporde energia elétrica pode causar à sociedade. tância de haver controle no consumo energético, evitando 1. Resposta pessoal. Possíveis respostas: Crescimento populacional, desperdícios. aumento do uso de aparelhos eletroeletrônicos, entre outros fatores.

O acesso à energia elétrica facilita diversas atividades do cotidiano, possibilitando a otimização do trabalho, a melhoria e o funcionamento de equipamentos em indústrias, hospitais e domicílios, entre outras atividades. Compartilhe ideias

2. Resposta pessoal. Os estudantes podem mencionar como impactos positivos: inovação tecnológica, melhoria da qualidade de vida e desenvolvimento econômico; e negativos: poluição, mudança climática e exploração descontrolada de recursos naturais.

Preste atenção ao seu redor e analise as atividades diárias tentando identificar quais delas demandam o consumo de pessoal. É importante que os estudantes percebam que a energia elétrica energia elétrica. Resposta deve ser utilizada de maneira consciente, de modo a evitar os desperdícios.

a ) Junte-se a um colega e conversem sobre a maneira como utilizam a energia elétrica no cotidiano. Vocês se consideram consumidores conscientes de energia elétrica? Divulguem as conclusões para a turma e discutam o assunto.

Mesmo com os avanços no setor de geração e distribuição de ener3. Que programas sociais gia elétrica e do papel fundamental que ela tem na vida das pessoas, relacionados à distribuição atualmente muitas pessoas ainda não têm acesso a esse serviço. Por isso, de energia elétrica são é importante a aplicação de programas de inclusão social às redes de desenvolvidos em seu estado? distribuição de energia elétrica, de modo a melhorar a qualidade de vida Resposta pessoal. É importante que os estudantes da população.

conheçam programas governamentais destinados a auxiliar as pessoas que necessitam de energia elétrica.

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UNIDADE

Usinas elétricas Leia o trecho de reportagem a seguir, sobre a crise de energia elétrica no país no início de 2021. O Ministério de Minas e Energia informou que as instituições do setor energético trabalham para garantir que não haja novo risco de racionamento de energia no país, por conta da crise hidrológica enfrentada atualmente. [...] PARA EVITAR novo racionamento de energia no país. O Dia, Rio de Janeiro, 14 jun. 2021. p. 10.

4. Na região onde você reside, já houve racionamento de energia elétrica ou desligamentos forçados (apagões)? Em caso positivo, cite quais foram os motivos que levaram a essa situação.

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que os apagões podem ser realizados para o racionamento de energia elétrica, por causa da baixa capacidade de geração de energia, causada por longos períodos de estiagem, entre outros fatores.

A crise de energia elétrica ocorreu pela associação de diferentes fatores, entre eles o aumento da demanda de energia, a falta de investimentos para ampliar a oferta de energia elétrica e longos períodos sem chuva. Com isso, a quantidade de recursos para gerar energia elétrica diminuiu e o total de energia gerada não foi suficiente para atender ao consumo residencial e industrial. Situações como essa indicam a necessidade de se pensar em alternativas para aumentar a geração e manter o fornecimento de energia elétrica. No caso do Brasil, busca-se menos dependência das usinas hidrelétricas e diminuição do uso das termelétricas, visto que estas utilizam combustíveis fósseis. A matriz energética de uma região, de um país ou do mundo representa o conjunto de fontes de energia disponíveis para abastecer diversas atividades sociais, como cozinhar, movimentar automóveis e máquinas industriais e gerar eletricidade. No gráfico a seguir, podemos notar que, atualmente, o Brasil tem matriz energética com aproximadamente 47% da energia proveniente de fontes renováveis, embora o consumo de energia das fontes não renováveis ainda seja maior. Além disso, percebemos que boa parte da matriz energética depende do ciclo da água, por isso a falta de chuvas pode afetar a geração de energia elétrica no país.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Matriz energética do Brasil (2023)

eólica e solar 4,3% carvão mineral 4,4% outras renováveis 7,2%

nuclear 1,2% outras não renováveis 0,6% petróleo e derivados 35,1%

lenha e carvão vegetal 8,6% gás natural 9,6% hidráulica 12,1%

derivados de cana-de-açúcar 16,8%

Fonte de pesquisa: BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. BEN Relatório Síntese 2024: ano base 2023. Disponível em: https://www.epe.gov. br/sites-pt/publicacoes -dados-abertos/publicacoes/ PublicacoesArquivos/ publicacao-819/topico-715/BEN_ Síntese_2024_PT.pdf. Acesso em: 29 ago. 2024.

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Compartilhe ideias

Resposta pessoal. Os estudantes devem conhecer a matriz elétrica de sua região ou estado e relacioná-la às características ambientais do local. Para isso, têm de compreender que a geração de energia elétrica varia de acordo com a demanda, a região e o seu desenvolvimento, além dos recursos naturais disponíveis. As condições geográficas do Brasil favorecem as usinas hidrelétricas, eólicas e solares.

A matriz elétrica mundial é baseada, em sua maior parte, em combustíveis fósseis, como petróleo, gás natural e carvão mineral; já o Brasil possui matriz elétrica com mais fontes renováveis.

a ) Junte-se a três colegas e pesquisem a composição da matriz elétrica da região ou do estado onde vocês moram. Em seguida, montem um gráfico de setores representando a porcentagem de cada fonte de energia. Discutam a respeito das condições ambientais que contribuem para a composição dessa matriz elétrica.

Apesar da grande variedade de matriz energética renovável, o país ainda utiliza fontes não renováveis, como o gás natural, o petróleo e o carvão mineral. A utilização dessas fontes se dá no complemento da oferta de energia e garante a estabilidade do fornecimento para a sociedade. Esses recursos não renováveis, apesar de contribuírem para a diversificação e a segurança energética, enfrentam desafios relacionados a impactos ambientais e sustentabilidade a longo prazo.

Matriz elétrica brasileira – Fontes renováveis e não renováveis

nuclear 2,0%

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O Brasil tem investido significativamente em energia eólica e solar, que vêm mostrando um rápido crescimento. A biomassa também desempenha um papel importante na matriz energética brasileira, destacando-se na produção de etanol utilizando cana-de-açúcar, além de usar outros resíduos orgânicos.

fóssil 8,8% não renovável 10,8%

outras renováveis 2,1% solar 7,0% hidráulica 58,9% eólica 13,2%

biomassa 8,0%

Fonte de pesquisa: BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. BEN Relatório Síntese 2024: ano base 2023. p. 38. Disponível em: https://www.epe. gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/ PublicacoesArquivos/publicacao-819/topico-715/BEN_ Síntese_2024_PT.pdf. Acesso em: 3 set. 2024.

renovável 89,2%

Total das fontes renováveis Total das fontes não renováveis

As usinas elétricas são instalações nas quais diferentes tipos de energia são transformados em energia mecânica e, depois, em energia elétrica nas turbinas e nos geradores, respectivamente.

Luis War/Shutterstock.com

Os geradores elétricos são compostos de um sistema de bobinas e ímãs. Quando ocorre um movimento relativo entre as partes, surge na bobina uma corrente elétrica, que é distribuída para as redes de transmissão.

Usina hidrelétrica de Itaipu, na região de fronteira entre Brasil e Paraguai, em 2022.

Professor, professora: Diga aos estudantes que a corrente elétrica na bobina é gerada por meio de um fenômeno conhecido como indução eletromagnética, que será estudado mais detalhadamente. Ele ocorre toda vez que um ímã se desloca no interior de uma bobina.

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06/11/2024 16:48:37

UNIDADE

4 Nas usinas hidrelétricas, utiliza-se o movimento da água para girar a turbina ligada ao gerador. Para isso, é feita uma represa no curso de um rio, acumulando grande quantidade de água no reservatório. A energia potencial gravitacional da água no reservatório é transformada em cinética no duto. A água em movimento passa pela turbina ligada ao gerador, fazendo-a girar, transformando energia mecânica em elétrica. linhas de transmissão de energia

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

reservatório casa de força canal

gerador duto

rio

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Professor, professora: Comente com os estudantes que a energia cinética é a energia relacionada ao movimento dos corpos, enquanto a energia potencial gravitacional corresponde à energia armazenada em razão da posição dos corpos, em relação a um sistema de referência.

turbina

Representação de uma usina hidrelétrica.

Como o principal recurso das usinas hidrelétricas é a água, a gestão correta e a disponibilidade desse recurso alteram o funcionamento dessas usinas. Entre as usinas hidrelétricas do país, a de maior destaque é a de Itaipu.

Uma alternativa de combustível para uma usina termelétrica é a biomassa, um recurso renovável, diminuindo assim seus impactos ambientais.

Delfim Martins/Pulsar Imagens

As usinas termelétricas são responsáveis por aproximadamente 18% da energia elétrica gerada no país. Elas utilizam a energia térmica da queima de combustíveis fósseis, como petróleo, carvão mineral e gás natural, para aquecer a água nas caldeiras, transformando-a em vapor. O vapor de água é direcionado para as pás das turbinas ligadas ao gerador elétrico. Usina termelétrica Pecém I, no município de São Gonçalo do Amarante (CE), em 2022.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O processo utilizando biomassa inicia-se com a coleta e o preparo dos resíduos orgânicos, que podem incluir bagaço de cana-de-açúcar, madeira, resíduos agrícolas ou resíduos urbanos. Esse resíduo é então triturado e seco para que, em seguida, seja queimado em uma câmara de combustão. A queima da biomassa gera calor, que é utilizado para aquecer água e produzir vapor. Esse vapor é direcionado para uma turbina, que gira e aciona um gerador elétrico, para enfim obter energia elétrica.

biomassa

turbina

vapor câmara de combustão

água

Além da queima direta, algumas usinas de biomassa utilizam processos de digestão anaeróbica. Nesse processo, a biomassa é decomposta por microrganismos em um ambiente sem oxigênio (O2), produzindo biogás, composto principalmente de metano, que pode ser utilizado como combustível. gerador

Representação de uma usina geradora de eletricidade utilizando biomassa.

237

07/11/2024 12:24:36

As usinas nucleares, também chamadas termonucleares, funcionam de modo semelhante às termelétricas, mas utilizam como fonte de energia o urânio ( U) . Essas usinas são conhecidas por sua capacidade de gerar grandes quantidades de energia com baixa emissão de gases, considerada limpa em termos de poluição do meio ambiente por emissão de gases relacionados ao efeito estufa, tornando-as uma opção atraente para reduzir a dependência de combustíveis fósseis. Além disso, esse tipo de usina opera de forma contínua e estável, pois não depende de fatores climáticos como a falta de chuvas ou a ausência de ventos, e pode complementar outras fontes de energia, como as renováveis.

O Brasil tem duas usinas termonucleares em funcionamento − Angra I e Angra II − e uma em construção − Angra III. Juntas, elas contribuem com uma parte da matriz energética brasileira, considerada relativamente pequena em comparação com outras fontes de energia e com a de outros países, como a França, em que a energia nuclear corresponde a cerca de 70% de sua matriz energética.

Fabricio Araujo/Shutterstock.com

No entanto, as usinas nucleares têm desvantagens significativas, como administrar os resíduos radioativos, que mesmo depois de muitos anos permanecem ativos, exigindo um armazenamento seguro. Além disso, há riscos de possíveis acidentes nucleares, como os de Chernobyl, na Ucrânia, e Fukushima, no Japão, o que gera graves consequências para o meio ambiente e para a saúde humana.

Usinas nucleares Angra I e Angra II, no município de Angra dos Reis (RJ), em 2022.

O funcionamento de uma usina nuclear se dá a partir do uso de materiais radioativos, como urânio ou plutônio, no reator. Nesse local, o material radioativo passa pelo processo de fissão nuclear controlado, que consiste no bombardeamento desses elementos com nêutrons, dividindo-se em átomos menores e liberando uma enorme quantidade de energia na forma de calor, usado para aquecer água, produzindo vapor. Esse vapor é então direcionado para uma turbina, fazendo-a girar e acionar um gerador, resultando, enfim, na energia elétrica. Confira a seguir a imagem que representa a estrutura e o funcionamento de uma usina nuclear.

pressurizador

gerador de vapor

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

envoltório de contenção

vaso de pressão

turbina

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

linhas de transmissão de energia

bomba

gerador elétrico

condensador bomba de alimentação

circuito primário circuito secundário

tanque de água de alimentação

sistema de água de refrigeração

Representação do funcionamento de uma usina nuclear.

1. O líquido no circuito primário passa pelo núcleo do reator e se aquece pela energia liberada na fissão nuclear do urânio.

2. O líquido aquecido flui pelo bomba

mar

circuito e aquece a água no circuito secundário, produzindo vapor.

3. O vapor é utilizado para

movimentar a turbina do gerador e gerar energia elétrica.

238

07/11/2024 12:24:37

John Marx/Shutterstock.com

UNIDADE

Parque eólico em São Gonçalo do Amarante (CE), em 2023.

A energia elétrica obtida das usinas solares, assim como a energia eólica, é considerada uma energia do futuro, em razão da necessidade de fontes de energia limpa e renovável e dos avanços das tecnologias relacionadas ao melhor aproveitamento da energia solar e à produção de aerogeradores mais eficientes. O tipo de usina solar mais conhecido é o que usa painéis com células fotovoltaicas, que transformam diretamente a luz solar em energia elétrica.

vento

eixo

caixa de engrenagens

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O vento que atinge as pás do aerogerador faz que elas girem. Esse movimento é então transferido para o eixo, que está conectado a um gerador responsável por transformar a energia mecânica do movimento em energia elétrica.

pá

gerador Representação do funcionamento de um aerogerador. Joa Souza/Shutterstock.com

As usinas eólicas funcionam transformando energia cinética dos ventos em energia elétrica, no movimento das pás dos aerogeradores. Por isso, esse tipo de usina é construído em regiões específicas, onde há alto fluxo de ar, como em regiões litorâneas. O Brasil é o país que mais gera energia elétrica por usinas eólicas na América Latina, e a maioria das usinas do país está localizada na Região Nordeste.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Usina solar em Brejinhos (BA), em 2023.

Outro tipo de usina solar, chamada usina solar térmica, usa o calor proveniente do Sol para aquecer um líquido e produzir vapor de água para girar a turbina de um gerador elétrico. Embora o Sol seja a maior fonte de energia disponível para a humanidade, toda geração de energia elétrica nas usinas solares ainda representa muito pouco da matriz elétrica brasileira. 5. Em caso de falta de abastecimento elétrico, os chamados apagões, quais alternativas você sugeriria para suprir a falta de abastecimento?

Resposta pessoal. Possível resposta: Poderiam ser utilizados geradores elétricos a gasolina ou a diesel ou baterias, no caso, de sistemas fotovoltaicos.

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06/11/2024 16:47:44

LIGADO NO TEMA Energias renováveis e geração de energia elétrica Analise a imagem a seguir.

As águas invadiram casas e estabelecimentos comerciais, causando a perda imediata de bens materiais e, para muitos, o fim de meios de subsistência. Comunidades vulneráveis são frequentemente as mais afetadas, enfrentando não apenas a perda de suas moradias, mas também a interrupção de serviços essenciais, como saúde e educação.

Douglas Pfeiffer/Shutterstock.com

A fotografia mostra não apenas a devastação natural, mas também impactos sociais e econômicos.

Enchente na cidade de Porto Alegre (RS), em 2024.

As mudanças climáticas têm se tornado uma preocupação crescente em escala global. Essas mudanças, causadas pelo aumento das temperaturas médias do nosso planeta, têm como consequências eventos climáticos extremos mais frequentes, tais como os ocorridos no Rio Grande do Sul entre abril e maio de 2024. Eles causam grande destruição e diversas mortes, além do derretimento das calotas polares e elevação do nível dos oceanos. É consenso na comunidade científica que essas mudanças climáticas são fortemente agravadas pela ação humana, principalmente pela queima de combustíveis fósseis e pelo desmatamento. A utilização de carvão, petróleo e gás natural como principais fontes de energia liberam grandes quantidades de dióxido de carbono ( CO 2) e outros gases do efeito estufa na atmosfera. Essas emissões intensificam o efeito estufa natural, contribuindo significativamente para o aquecimento global. Uma parcela relevante do uso desses combustíveis fósseis destina-se à geração de energia elétrica, um dos pilares do desenvolvimento econômico e social contemporâneo. No entanto, essa dependência de fontes não renováveis de energia tem um custo ambiental elevado, o que torna imperativo buscar alternativas mais sustentáveis. Em resposta a essa necessidade, a Agenda 2030 das Nações Unidas estabelece diversos objetivos sustentáveis, nos quais enfatiza a necessidade de aumentar a participação das energias renováveis na matriz energética global, melhorar a eficiência energética e promover o investimento em infraestrutura energética limpa, além de garantir a todos o acesso à energia a preços razoáveis e reconhecer a importância da energia no processo de desenvolvimento da nossa sociedade, ao mesmo tempo que enfatiza a necessidade de uma transição para fontes renováveis. A energia solar, por exemplo, captada por meio de painéis fotovoltaicos, transforma a luz do sol diretamente em eletricidade. Esse método é especialmente promissor em razão da disponibilidade da luz solar. Já a energia eólica, gerada pelo movimento das turbinas acionadas pelo vento, tem experimentado uma rápida expansão e é uma das formas mais econômicas de energia renovável. A hidreletricidade utiliza a energia do fluxo de água para gerar eletricidade. Embora tradicional, continua a ser uma fonte de energia importante. Além dessas, a biomassa e a energia geotérmica também desempenham papéis cruciais, convertendo resíduos orgânicos e o calor da Terra em energia elétrica utilizável por nós.

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06/11/2024 16:47:45

A transição para energias renováveis e acessíveis não é apenas uma questão ambiental, mas também de justiça social e econômica. O acesso a fontes de energia limpas e modernas pode melhorar significativamente a qualidade de vida, sobretudo em regiões menos desenvolvidas, onde a falta de eletricidade ainda é uma realidade. As energias renováveis podem proporcionar oportunidades de desenvolvimento sustentável, criando empregos, promovendo a inovação tecnológica e fortalecendo a resiliência das comunidades diante das mudanças climáticas. Leia o trecho da notícia a seguir.

Fontes renováveis atingem 49,1% na matriz energética brasileira Aumento da renovabilidade nos últimos anos evidencia ainda mais a liderança do Brasil nas ações que visam à transição energética por meio da inserção de novas fontes Nos últimos dois anos, a participação das renováveis na Oferta Interna de Energia (OIE) brasileira aumentou para 49,1%, em 2023. Em 2021, o percentual de fontes renováveis na matriz energética brasileira era de 45%. [...] O incremento das fontes renováveis nas últimas duas décadas evidencia a liderança que o Brasil vem apresentando nas ações que visam à transição energética, especialmente por meio da inserção e fortalecimento de novas fontes na matriz energética brasileira. [...] FONTES renováveis atingem 49,1% na matriz energética brasileira. Gov.br, 20 jun. 2024. Disponível em: https://www.gov.br/mme/ pt-br/assuntos/noticias/fontes-renovaveis-atingem-49-1-na-matriz-energetica-brasileira. Acesso em: 2 out. 2024.

Matriz energética mundial (2023) 6,5%

4% 31,6%

8,2%

23,2%

Petróleo Carvão Gás natural Outras renováveis Hidráulica Nuclear

26,5% Distribuição da matriz b) Resposta: Espera-se que os energética mundial em 2023. estudantes citem que os governos podem incentivar a adoção do uso de energias renováveis por meio Fonte de pesquisa: ENERGY INSTITUTE. Statistical Review of World Energy 2024. 73. ed. Disponível em: https://www.energyinst.org/ de medidas como oferecer subsídios e incentivos fiscais para empresas e statistical-review. Acesso em: 3 out. 2024. indivíduos que investem em tecnologias limpas ou a regulamentação de metas obrigatórias para a participação de energias renováveis na matriz energética.

Keithy Mostachi/Arquivo da editora

O Brasil é um exemplo notável no uso de energias renováveis, com a maior parte de sua energia elétrica proveniente de fontes como hidreletricidade, eólica e biomassa. Essa matriz energética diversificada e sustentável coloca o país em uma posição de destaque em termos de energia limpa. No entanto, globalmente, as taxas de utilização de energias renováveis deixam a desejar. Muitos países ainda dependem fortemente de combustíveis fósseis para gerar eletricidade, o que continua a ser uma grande fonte de emissões de CO  2 e outros poluentes.

Portanto, a promoção das energias renováveis e a transição para uma matriz energética sustentável são essenciais para mitigar os impactos das alterações climáticas. Isso pode levar a um futuro em que a energia limpa e acessível esteja disponível para todos, contribuindo para um desenvolvimento global mais equilibrado e ecologicamente responsável. Assim, colaboração internacional, políticas públicas robustas e engajamento da sociedade civil são fundamentais para alcançar esse objetivo ambicioso e necessário. a ) Como a transição para energias renováveis pode impactar a economia global a curto e longo prazo? b ) De que maneira as políticas governamentais podem promover a utilização de fontes renováveis de a) Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que a transição exige investimentos significativos em energia? infraestrutura, pesquisa e desenvolvimento, o que pode gerar um impacto econômico inicial elevado. c ) Pesquise possíveis desvantagens das energias renováveis e cite maneiras de contorná-las.

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar algumas fontes, como a solar e eólica, que dependem de condições climáticas. Uma possível solução seria desenvolver uma rede elétrica inteligente que possa equilibrar oferta e demanda ou então diversificar a matriz energética.

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06/11/2024 16:47:45

1. Um colega faz a você as seguintes afirmativas. a ) Os dispositivos utilizados nas usinas elétricas e ligados às turbinas poderiam se chamar “transformadores de energia” em vez de nas Orientações “geradores”. Respostas para o professor.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. A ilustração a seguir mostra o diagrama de uma casa com painéis solares instalados e como eles estão conectados aos equipamentos eletrônicos e à rede elétrica externa. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

b ) As energias da água, do vento e dos combustíveis fósseis, utilizadas nas usinas elétricas, têm como fonte primária o Sol.

painéis solares

Você julga essas afirmativas como verdadeiras ou falsas? Em ambos os casos, justifique sua resposta.

rede

2. Na Usina Hidrelétrica de Sobradinho, na Bahia, foi implantado um sistema de painéis fotovoltaicos flutuante no reservatório da usina. A ideia é que a usina solar flutuante atue em conjunto com a usina hidrelétrica, evitando assim interrupções na geração de energia elétrica em virtude de fatores climáticos. Em relação a essa instalação e às usinas hidrelétricas, responda às perguntas a seguir. Se necessário, faça uma pesquisa.

conversor

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

ATIVIDADES

5. Resposta: A adoção em massa de carros elétricos pode levar a um aumento significativo na demanda por energia elétrica, especialmente durante os horários de pico de recarga, como à noite, quando muitos proprietários conectam seus veículos para recarregar. Esse aumento na demanda pode sobrecarregar a infraestrutura elétrica.

medidor

Diagrama de conexão de um sistema de painéis solares domésticos.

Nesse sistema ilustrado, os painéis solares são utilizados para:

Andre Dib/Pulsar Imagens

a ) Transformar energia luminosa em calor. b ) Gerar eletricidade a partir de calor. c ) Armazenar energia térmica. d ) Converter energia solar em eletricidade. e ) Produzir energia mecânica a partir da luz solar. Resposta: Alternativa d.

5. Nos últimos anos, a busca por alternativas sus-

Usina solar flutuante na hidrelétrica do município de Sobradinho (BA), em 2018.

a ) Apesar de as usinas hidrelétricas utilizarem grandes áreas alagadas, alterando o ambiente, elas são amplamente empregadas em diversos países. Quais são as principais vantagens das usinas hidrelétricas sobre os outros tipos de nas Orientações usina? Respostas para o professor. b ) Quais são os fatores climáticos que podem influenciar o funcionamento das usinas hidrelétricas e das solares fotovoltaicas?

3. No Brasil, 35,1% da energia é baseada no petró-

leo e seus derivados, o que leva o ser humano a sempre buscar novas fontes de energia. Discuta os motivos que levam à diminuição do consumo de energia proveniente do petróleo e novos investimentos em energias renováveis.

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tentáveis de transporte tem crescido significativamente. Os carros elétricos surgem como uma solução promissora para a redução de emissões de gases poluentes e diminuição da dependência de combustíveis fósseis. Esses veículos são movidos por motores elétricos alimentados por baterias recarregáveis. Além dos benefícios ambientais, a adoção em massa de carros elétricos traz desafios importantes para a infraestrutura de fornecimento de energia elétrica. Explique como a adoção em massa de carros elétricos pode impactar a demanda por energia elétrica nas cidades.

6. A energia nuclear no Brasil comporta apenas

1,2% da energia total produzida no país, e globalmente ainda é foco de discussões políticas e ambientais, um ponto a favor é a quantidade de energia produzida, e seus contra-argumentos são que a energia nuclear é insustentável, perigosa e propicia o desenvolvimento de armas nucleares. Explique se os contra-argumentos apresentados acima são validos. Respostas nas

3. Resposta: O aumento da população e a melhor qualidade de vida gera um maior consumo de energia, sendo assim o consumo do petróleo é maior do que é gerado, além da grande poluição produzida pelo dióxido de carbono que fica armazenado nos oceanos e na atmosfera. Esses motivos levam o ser humano a buscar fontes de energias renováveis.

Orientações para o professor.

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7. Alguns geradores elétricos podem ser utilizados

para gerar energia elétrica diretamente no local onde ela será utilizada, como em propriedades rurais. A seguir, estão listados os tipos de geradob) Resposta: O res que podem ser utilizados. 11. produto da queima do I ) Gerador hidráulico. hidrogênio é a água. Nos processos de obtenção e II ) Gerador a carvão. queima do hidrogênio não ocorre liberação de gases III ) Gerador fotovoltaico.poluentes, por isso, pode ser IV ) Gerador a gasolina.

classificado como combustível limpo.

Os tipos de geradores que não emitem poluentes durante o processo de geração de energia são: Resposta: Alternativa d. a ) I e IV.

d ) I e III.

b ) II e IV.

e ) III e IV.

c ) II e III.

8. As usinas nucleares são frequentemente vistas

Roman Kybus/Shutterstock.com

como poluidoras por causa das grandes torres de resfriamento que emitem nuvens densas, como mostradas na imagem a seguir. No entanto, essa impressão pode ser enganosa. Pesquise o funcionamento de uma usina nuclear e explique por que essas emissões não representam poluição ambiental, detalhando os processos envolvidos na geração de energia nuclear e o papel das torres de resfriamento.

10. Segundo dados do Balanço Energético de Alagoas

(Beal), os resultados indicam que o estado de Alagoas teve 87% de sua matriz energética em 2023 originada de fontes renováveis. Além disso, o mesmo relatório aponta que, no setor industrial alagoano, o consumo de energia tem como fonte majoritária o bagaço da cana, com 72,2%; em seguida, o gás natural, com 20,28%; a eletricidade, com 7,28%; a lenha, com 0,15%; e o óleo combustível, com 0,09% do total das fontes de energia para as indústrias.

UNIDADE

8. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes comentem que as torres de resfriamento utilizam a evaporação da água para transferir o calor residual do processo de geração de energia para a atmosfera, reaproveitando parte da água. As nuvens observadas nessas torres são formadas pela condensação do vapor de água e não geram poluição no ar.

Somando-se os valores referentes às fontes renováveis, verifica-se que 99,77% da energia utilizada pelo setor industrial de Alagoas vem desse tipo de fonte de energia. Apesar de a maior parte da energia utilizada pelas indústrias em Alagoas serem consideradas de fontes de energia renovável, explique como elas podem contribuir para a poluição e o impacto ambiental negativo. Resposta nas Orientações para o professor.

11. O hidrogênio (H2)verde é emergente como uma

solução crucial na busca por um futuro energético sustentável. Esse combustível limpo e versátil oferece uma alternativa promissora para a descarbonização de diversos setores, do transporte à indústria pesada. Ele é produzido utilizando fontes de energia renovável, como a energia solar, eólica ou hidrelétrica, para alimentar o processo de eletrólise da água.

Allahfoto/Shutterstock.com

A imagem a seguir mostra um esquema dos passos da produção do hidrogênio verde.

Torres de resfriamento de uma usina de energia elétrica, na República Tcheca, em 2021.

9. Usualmente, os locais onde a energia elétrica é

produzida, como usinas hidrelétricas e termelétricas, estão distantes dos centros urbanos e fabris onde é utilizada. Para que essa energia possa ser utilizada, é necessário um sistema de infraestrutura que conecte esses pontos. Ele abrange desde linhas de transmissão até as conexões elétricas em residências e edifícios comerciais. Cite outros dois exemplos de infraestrutura elétrica que fazem parte dessa transmissão.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Esquema do processo de produção do hidrogênio verde.

a ) Identifique cada estrutura presente e explique suas funções no processo. Resposta nas Orientações para o professor.

b ) Um dos motivos para a utilização do hidrogênio é o produto formado no processo de sua queima. Qual é esse produto? Ele justifica a classificação do hidrogênio como um combustível limpo?

9. Resposta pessoal. Podem ser citados postes de sustentação, torres de alta-tensão e cabos condutores que conectam postes, transformadores de energia e subestações de transmissão.

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CAPÍTULO

Transmissão de energia elétrica

Introdução à eletricidade Stocker SVP/Shutterstock.com

Pand P Studio/Shutterstock.com

Confira as fotografias a seguir.

Transformadores da rede de distribuição de energia elétrica.

Torres de transmissão de energia elétrica.

1. Quais são as propriedades que os materiais utilizados nos fios de alta-tensão devem ter para que ocorra a transmissão de energia elétrica da usina elétrica ao consumidor?

Resposta: Os materiais devem ser condutores e dúcteis, além de moldados na forma de fios. fen deneyim/Shutterstock.com

Os sistemas de geração e transmissão de energia elétrica conectam as usinas geradoras aos consumidores residenciais, comerciais e industriais, formando grandes circuitos elétricos.

A forma mais simples de um circuito elétrico é constituída de um gerador ligado a um receptor. No caso, trata-se de um equipamento elétrico que utiliza energia elétrica para funcionar, por meio de fios, como mostrado na fotografia.

Circuito elétrico simples.

Para que os equipamentos funcionem corretamente, os fios devem ser feitos de materiais que apresentem ductilidade e condutibilidade. Isso porque, assim, podem ser moldados em fios, mantendo certa resistência e permitindo a movimentação de cargas elétricas. O comportamento dos condutores e dos isolantes está relacionado à sua estrutura atômica e às suas propriedades. Os átomos são formados de três partículas: os prótons, que apresentam carga elétrica positiva; os nêutrons, com carga neutra; e os elétrons, que têm carga elétrica negativa. Tanto os prótons quanto os nêutrons se localizam em uma região mais interna do átomo, chamada núcleo. Já os elétrons ficam em uma região do átomo chamada eletrosfera. Imagem sem proporção e em cores fantasia. A.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Quando átomos de materiais condutores, como o cobre ( Cu) , o ouro ( Au)  e a prata (Ag) , unem-se para formar um sólido, os elétrons mais afastados do núcleo ficam livres para se mover ao longo do material, como mostrado em A. Esses são os chamados elétrons livres (ou de condução), que compõem a corrente elétrica.

Representação dos elétrons livres nos materiais condutores.

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06/11/2024 16:46:54

UNIDADE

4 Isso ocorre devido ao fato de que os metais são formados a partir da ligação metálica. Nesse caso, os átomos de metal liberam alguns de seus elétrons mais externos, formando uma “nuvem” de elétrons livres que se deslocam por meio de uma rede de íons metálicos positivos. Esses elétrons são os responsáveis pelas características de condutores de energia, brilho metálico e ductibilidade. Nos materiais isolantes, a quantidade de elétrons livres é pequena ou nula, como mostrado em B.

Forance/Shutterstock.com

Os semicondutores são os responsáveis pela revolução nos equipamentos eletrônicos, em virtude da possibilidade da construção de novos componentes eletrônicos e microchips para computadores, por exemplo. O elemento químico silício ( Si)  é um dos semicondutores mais conhecidos, mas geralmente não é utilizado puro. A fim de controlar a condutividade do material, são adicionados a ele outros elementos químicos, que chamamos de impurezas. Dessa forma, com variações de temperatura ou pouca energia, são liberados elétrons no material.

Representação dos elétrons livres nos materiais isolantes. Imagem sem proporção e em cores fantasia. Ms Mikel/Shutterstock.com

Alguns materiais, em determinadas situações, comportam-se como isolante; já em outras, como condutor. Esses materiais são classificados como semicondutores.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Os fios condutores que utilizamos no cotidiano têm uma capa isolante para evitar acidentes e choques elétricos. Apesar de a energia elétrica ser fundamental para nossa vida, precisamos utilizá-la com os devidos cuidados.

Pessoa segurando um disco de silício para a produção de componentes eletrônicos semicondutores.

Outros materiais podem se comportar como condutores perfeitos. Essa propriedade foi percebida pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) no ano de 1911, em um experimento com mercúrio (Hg) a uma temperatura de 4 K ( − 269 °C). Os materiais que apresentam essa propriedade são chamados de supercondutores. A maior limitação para o uso desses materiais é que a supercondutividade ocorre geralmente em temperaturas abaixo de 90 K ( − 183 °C). Os supercondutores são utilizados em equipamentos de ressonância magnética para criar campos magnéticos intensos, o que forma as imagens dos tecidos internos do corpo humano. Além disso, esse tipo de material é aplicado em aceleradores de partículas, como o LHC (large hadron collider), para manter as partículas em trajetórias circulares. Um dos efeitos da supercondutividade é a levitação magnética, na qual a interação entre ímãs permanentes e ímãs supercondutores é capaz de sustentar corpos, opondo-se à força gravitacional que atua sobre o corpo, conforme mostrado na fotografia. Para isso, é necessário o resfriamento do material até que ele se torne supercondutor. Esse fenômeno já é utilizado nos trens de levitação magnética, os maglevs (sigla em inglês para magnetic levitation), que podem viajar com velocidade acima de 400 km/h. Por meio das pesquisas com a supercondutividade, serão possíveis novas aplicações tecnológicas e a redução do desperdício de energia.

Ímã levitando sobre uma cerâmica supercondutora resfriada.

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Mihai Simonia/Shutterstock.com

Carga e força elétricas A eletricidade está relacionada a diversos fenômenos que podemos observar no cotidiano, como as descargas elétricas atmosféricas, de raios e relâmpagos. 2. Você já ouviu pequenos estalos ao retirar uma roupa de tecido sintético ou de lã? Já sentiu pequenos choques ao tocar em uma maçaneta de metal ou em outra pessoa? Você sabe por que essas situações ocorrem?

Os fenômenos elétricos estão relacionados à estrutura da matéria, ou seja, à estrutura atômica. O átomo tem um núcleo, no qual se encontram os prótons e os nêutrons, e seus elétrons se localizam na eletrosfera. Em geral, os corpos na natureza são eletricamente neutros. Isso significa que eles são compostos de átomos que têm o mesmo número de elétrons (cargas elétricas negativas) e de prótons (cargas elétricas positivas), de modo que a carga elétrica total do átomo seja zero.

nêutrons

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

prótons Sergio Lima/Arquivo da editora

Descargas elétricas na atmosfera.

núcleo eletrosfera elétrons Representação da estrutura do átomo de carbono (C) .

Q = n · e

Representação de um eletroscópio de folhas.

haste recipiente

em que: • n é o número de cargas em excesso;

• e é a carga elementar, com e = ± 1,6 · 10 −19 C.

Yuri Korchmar/Shutterstock.com

Entretanto, com a aplicação de energia, é possível tanto retirar elétrons dos átomos de um corpo quanto adicioná-los a ele. Isso pode ser percebido quando uma pessoa passa um pente de plástico no cabelo e os fios ficam eriçados, ocorrendo um processo de eletrização. Quando esses processos ocorrem entre dois ou mais corpos, os elétrons transferem-se de um corpo para o outro. No caso, obedecem ao princípio de conservação das cargas, de modo que os corpos podem ficar eletricamente negativos ou eletricamente positivos. Confira a seguir. • Corpo eletricamente negativo: a quantidade de elétrons é maior do que a de prótons (o corpo recebeu elétrons). • Corpo eletricamente positivo: a quantidade de prótons é maior do que a de elétrons (o corpo cedeu elétrons). A carga elétrica de um corpo, nas unidades do SI, é dada em coulombs ( C)  e é proporcional ao número de elétrons em excesso ou em falta. O valor da carga elétrica ( Q)  é dado pela seguinte relação:

Utiliza-se o sinal positivo para excesso de prótons, e o sinal negativo é utilizado para o excesso de elétrons. Depois de passar um pente de plástico nos cabelos, ele pode ser utilizado para atrair pedaços de papel ou mexer as lâminas ou as folhas de um eletroscópio, por exemplo.

folhas

Aproximando do eletroscópio corpos eletricamente carregados, suas folhas se abrem, graças à interação elétrica. Contudo, se o corpo estiver neutro, nada acontecerá.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 427.

2. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que os estalos e os choques estão relacionados às cargas elétricas que estavam acumuladas e, depois, foram transferidas.

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UNIDADE

4 PRÁTICA CIENTÍFICA Eletroscópio de folhas Por dentro do contexto

4. Resposta: Espera-se que os estudantes expliquem que, quando o eletroscópio fica carregado, suas folhas ficam com cargas de mesmo sinal. Dessa forma, em virtude da interação elétrica entre as cargas elétricas, as folhas se repelem.

O eletroscópio é um dispositivo utilizado para detectar a presença de cargas elétricas, sendo uma ferramenta importante no estudo da eletricidade estática. Ele auxilia a visualização de conceitos fundamentais sobre cargas, como atração e repulsão, e a compreensão de como os objetos podem ser eletri3. Resposta: Os estudantes podem citar que as folhas do eletroscópio reagem camente carregados. Materiais

da mesma maneira, afastando-se ao aproximarmos o bastão de vidro ou o bastão de plástico do eletroscópio. No entanto, o bastão de vidro adquire carga positiva quando atritado com a lã, e o plástico, carga negativa.

• pote de maionese limpo e seco • fio de cobre (aproximadamente 15 cmde comprimento) • papel-alumínio • tesoura com pontas arredondadas • estilete

• pano de lã • bastão de vidro • papel sulfite • canudo plástico

Como proceder

Cuidado

A. Faça um pequeno furo no centro da tampa do pote utilizando o estilete. O diâmetro do furo deve ser suficiente para passar o fio de cobre.

Somente um adulto deve manipular o estilete. Peça a ele que realize a etapa A.

cmde cada uma das extremidades do fio de B. Em seguida, retire a capa plástica de aproximadamente 2 cobre. Insira o fio de cobre pelo furo na tampa do pote, ajustando-o para que fique bem fixo no furo e dobre a extremidade do fio que ficará dentro do pote, fazendo uma espécie de gancho. Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

C. Faça uma esfera amassando o papel-alumínio e coloque-a na extremidade do fio de cobre que ficará para fora do pote. D. Para as folhas do eletroscópio, recorte duas tiras de papel-alumínio com aproximadamente 3 cmde comprimento e 1 cmde largura. Em seguida, faça um pequeno furo em uma das extremidades de cada folha e as pendure na extremidade do fio que foi dobrado em formato de gancho, de modo que possam se mover livremente. Tampe o pote. E. Esfregue um bastão de vidro com um pano de lã para eletrizá-lo e o aproxime da esfera de alumínio do eletroscópio. Repita o processo utilizando um canudo plástico atritato com o papel sulfite. F. Repita o processo anterior, mas, agora, toque o bastão na esfera do ele1. Resposta: Ao aproximar o bastão de vidro carregado do eletroscópio, as folhas troscópio.

Análise e divulgação

Eletroscópio.

metálicas se afastam (se abrem). Nesse caso, as cargas do bastão e das folhas do eletroscópio têm sinais opostos, pois está ocorrendo eletrização das folhas por indução.

1. Ao aproximar o bastão de vidro carregado do eletroscópio, o que acontece com as folhas metálicas? O que isso indica sobre o tipo de carga presente no bastão e no eletroscópio?

3. Compare os resultados obtidos ao aproximar o bastão de vidro eletrizado e o bastão de plástico eletriza-

do do eletroscópio. Como as folhas reagem a cada um dos bastões e o que isso indica sobre a natureza das cargas presentes em cada material?

4. Explique por que as folhas metálicas do eletroscópio se afastam quando ele está carregado. Qual é o papel da repulsão eletrostática no movimento das folhas?

2. Resposta: Ao tocar o bastão no eletroscópio, há uma transferência de cargas para o eletroscópio e eles ficam com cargas de mesmo sinal.

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Há três processos de eletrização: por atrito, por contato ou por indução. A eletrização por atrito ocorre quando dois corpos de materiais diferentes são atritados, havendo transferência de elétrons de um corpo para o outro. Portanto, os corpos eletrizam-se com cargas de sinais opostos.

Erica Finstad/Shutterstock.com

Na fotografia a seguir, o atrito da roupa do garoto com o escorregador fez que eles ficassem eletrizados. No garoto, percebemos isso pelo eriçamento de seus cabelos.

Garoto com os cabelos eriçados em razão do atrito com o escorregador.

Série triboelétrica Lista de materiais vidro lã papel algodão borracha sintética polietileno borracha de silicone Fonte de pesquisa: TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros: eletricidade e magnetismo, óptica. Tradução: Naira Maria Balzaretti. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v 2. p. 3.

A eletrização por atrito ocorre porque alguns materiais tendem a doar elétrons ao serem atritados, enquanto outros tendem a recebê-los. Por meio de experimentos, os materiais foram organizados em uma sequência chamada série triboelétrica, mostrado na tabela. Nela, os materiais que aparecem mais acima têm maior tendência a doar elétrons (ficando eletricamente positivos) e os que aparecem mais abaixo, a receber elétrons (ficando eletricamente negativos). Na situação apresentada na imagem, se a roupa do garoto for feita de algodão e o escorregador for feito de polietileno, a roupa fica eletrizada positivamente e o escorregador, negativamente. Dica

Professor, professora: Após a construção do eletroscópio, realize a atividade com os estudantes.

Uma maneira de observar o efeito da eletrização por atrito é atritar um canudo plástico com um pedaço de papel e colocar o canudo próximo a um eletroscópio.

Assim, caso o garoto toque em alguém, eles podem experimentar um pequeno choque elétrico. Essa transferência de cargas por meio do contato entre os corpos é chamada de eletrização por contato. Nesse tipo de eletrização, pelo menos um dos corpos deve estar inicialmente eletrizado. No caso, ela ocorre tanto nos condutores quanto nos isolantes. A diferença é que, se os corpos colocados em contato forem condutores, as cargas elétricas se redistribuirão pela superfície dos corpos, se forem isolantes, não. Caso o contato entre os corpos seja feito sem que haja condução elétrica para os outros corpos do ambiente, ou seja, de maneira isolada, a carga em excesso se mantém, conforme o princípio da conservação das ). cargas. Isto é, a carga inicial é igual à carga final (Q0 = Q

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UNIDADE

4 Além disso, se os corpos forem idênticos e feitos do mesmo material, a carga elétrica é dividida igualmente entre ambos. Confira a seguir a representação da eletrização por contato de dois corpos idênticos e de mesmo material. O corpo A está eletrizado com carga positiva; o corpo B, com carga negativa.

QA 5 50 μC

QB 5 –30 μC

Representação das esferas Ae B antes do contato.

QA + QB 2 Representação das esferas Ae B durante o contato.

Q’A 5 10 μC

Q’B 5 10 μC

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação das esferas Ae B após o contato.

Ao final, vemos que os corpos ficam eletrizados com cargas de mesmo sinal. Se os corpos tiverem cargas de mesmo valor, mas com sinais opostos, ficarão, ao final da eletrização por contato, com carga neutra. A eletrização por indução não necessita de contato e ocorre quando aproximamos um objeto eletricamente carregado (indutor) a um corpo neutro ou também carregado (induzido). Como as cargas elétricas interagem entre si, o indutor provoca uma separação de cargas no induzido, que pode ser apenas temporária. Para que o induzido fique eletrizado, é necessário conectá-lo a um terceiro corpo, que pode receber ou ceder elétrons, processo chamado aterramento. Ele recebe esse nome porque, geralmente, o corpo utilizado para escoar excessos de cargas elétricas é o planeta Terra. Confira a seguir a representação da eletrização por indução com um indutor negativo. A. Coloca-se um corpo condutor eletricamente neutro sobre um suporte isolante. B. Em seguida, um corpo eletricamente negativo é colocado próximo ao corpo neutro e gera a separação de cargas na esfera. C. A ligação do aterramento permite que os elétrons entrem ou saiam do condutor. D. Com o aterramento retirado e o indutor afastado, a esfera fica eletrizada positivamente. C.

Representação do processo de eletrização por indução em quatro etapas (A, B, C e D).

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 414.

Dica

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Se o indutor estivesse eletrizado positivamente, o induzido teria carga final com sinal oposto (negativo).

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Yuri Korchmar/Shutterstock.com

Como mostrado na descrição da eletrização por indução, as cargas elétricas interagem entre si, atraindo-se ou repelindo-se. A intensidade da força elétrica que atua entre os corpos é diretamente proporcional ao produto do valor das cargas dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. Essa relação ficou conhecida como lei de Coulomb, pois foi apresentada pelo cientista francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), que fez diversos experimentos referentes às interações elétricas com o auxílio de uma balança de torção. Esse equipamento permitia medir a força de atração ou de repulsão entre duas esferas eletricamente carregadas. A lei de Coulomb pode ser representada matematicamente da seguinte forma: k · | Q|· | q| FE = _ d 2

Representação da balança de torção utilizada por Coulomb.

em que: • F E é a força elétrica entre as cargas; • | Q| e | q| são os módulos das cargas elétricas envolvidas; • d é a distância entre elas.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Cargas de sinais opostos se atraem. – FE

Cargas de mesmo sinal se repelem. – FE

Representação de cargas positivas se repelindo.

Representação de cargas negativas se repelindo.

d Representação de cargas de sinais opostos se atraindo.

– FE

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

A força elétrica é uma grandeza vetorial, mas a lei de Coulomb apresentada é usada apenas para determinar sua intensidade. Assim, o módulo das cargas foi utilizado porque a interação elétrica pode ser de atração ou de repulsão.

Imagens elaboradas com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: eletromagnetismo. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 3. p. 5.

A constante de proporcionalidade ké chamada de constante eletrostática, sendo característica do meio no qual as cargas se encontram. Para o vácuo, a constante eletrostática é representada por k0, e vale: k0 = 9 · 10 9 N · m 2/ C 2

ATIVIDADES RESOLVIDAS R1. Qual é o valor da força elétrica entre um próton e um elétron que estão separados por uma distância d = 5 ,3 · 1 0−13mem um átomo de hidrogênio ( H)?

Resolução

Como as cargas do próton e do elétron apresentam o mesmo módulo, temos | Q|= | q|= 1,6 · 10 −19 C, portanto a força elétrica vale: k · | Q|· | q| 9 · 10 9· 1 ,6 · 10 −19· 1,6 · 10 −19 ___________ 23,04 · 10 −29 _________________________ ⇒ F =        = ∴ FE ≃ 8 ,2 · 10 −4N FE = _ E −26 −13 2 28,09 · 1 0 d 2 (5,3 · 10 )

Como as cargas têm sinais opostos, então a força é atrativa.

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Campo e potencial elétricos Os experimentos de Coulomb demonstram uma propriedade interessante das interações elétricas, isso porque elas ocorrem a distância, assim como a interação gravitacional. Para explicar essas interações a distância, utilizamos os conceitos de campo e potencial.

UNIDADE

Sergio Lima/Arquivo da editora

A região em torno de uma carga elétrica na qual podem surgir interações elétricas é denominada campo elétrico. Para verificar a existência do campo elétrico em torno de uma carga pontual Q, podemos utilizar cargas de prova próximos a ela. Na imagem a seguir, nota-se que surge uma força de repulsão na carga de prova q1 e uma força de atração na carga de prova q2, por conta da influência do campo elétrico da carga Q.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

FE q1

Representação da interação elétrica entre Q e q1 e entre Qe q2, em razão campo elétrico de Q.

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: eletromagnetismo. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 3. p. 10.

→ O campo elétrico, representado por E , é uma grandeza vetorial, portanto tem módulo, direção e sentido. Pela interação entre a carga Q e uma carga de prova, o campo elétrico pode ser calculado pela seguinte relação: → F E → _ E = q

em que: → • F E é a força elétrica em newton ( N) ;

Dica As cargas de prova devem ter módulos muito

menores do que os da carga Qpara que o • q é o valor da carga de prova em coulomb ( C) ; campo elétrico da carga de prova não atrapalhe → • E é o campo elétrico expresso em newton por coulomb ( N / C) . a medição. → O vetor campo elétrico E , gerado por uma carga pontual Q, tem direção da reta que passa pelo ponto e pela carga, ou seja, direção radial à carga. Se a carga que gera o campo elétrico for positiva, o campo elétrico é orientado no sentido contrário à carga. No entanto, se a carga que gera o campo for negativa, o campo elétrico é orientado no sentido da carga.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Aplicando a lei de Coulomb na relação do campo elétrico, podemos obter a intensidade do campo elétrico produzido pela carga pontual Q a uma distância d sem necessitar da carga de prova, como mostrado a seguir. k · | Q|· | q| _ FE k · | Q| d 2 _ _ E = ⇒ E = ∴ E = _ 2 |q| |q| d Q

P E d

E P d

Representação do campo elétrico de duas cargas pontuais, uma positiva e outra negativa, a uma distância d. Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: eletromagnetismo. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 3. p. 28.

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Linhas de campo de uma carga elétrica positiva.

Linhas de campo elétrico de uma carga elétrica negativa.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O campo elétrico pode ser representado geometricamente utilizando-se as linhas de campo elétrico. Para cargas pontuais, as linhas de campo têm direção radial à carga e sentido orientado saindo das cargas positivas e chegando às cargas negativas. Uma carga elétrica positiva inserida nas proximidades sofrerá uma força na mesma direção do campo, e uma carga negativa sofrerá uma força no sentido oposto.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Imagens elaboradas com base em: TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: eletricidade e magnetismo. Tradução: Naira Maria Balzaretti. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v.2. p. 17-19.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Ao aproximar duas cargas pontuais, as linhas de campo interagem, ocorrendo o fenômeno da atração ou da repulsão eletrostática. Para duas cargas pontuais de mesma intensidade e sinais opostos, as linhas de campo têm origem na carga positiva e terminam na carga negativa. Para duas cargas pontuais com a mesma intensidade e sinais iguais, as linhas se deformam de modo que, entre as cargas, há uma região de campo elétrico nulo.

Representação das linhas de campo elétrico ao redor de um par de cargas pontuais de sinais opostos.

Representação das linhas de campo elétrico ao redor de um par de cargas pontuais negativas.

Como vimos anteriormente, uma carga elétrica pode exercer forças elétricas sobre outras cargas elétricas nas proximidades. Se essas cargas estiverem livres para se movimentar, a força elétrica causa uma aceleração e, consequentemente, um deslocamento. Nesse caso, a força elétrica está realizando um trabalho que pode ser calculado pela seguinte relação: τ = F · Δ s O trabalho de uma força também pode ser representado pela variação da energia do corpo ( τ = ΔE), no caso de cargas elétricas em campos elétricos, a energia que está em transformação é a energia potencial elétrica (EPE). Portanto, para mover uma carga qao longo de uma linha de força de um campo elétrico entre dois pontos, A e B, é necessário que a força elétrica realize trabalho, que vale: τ FE = EPEA − EPEB A energia potencial elétrica de uma carga q a uma distância d de outra carga Q pode ser calculada da seguinte forma: Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que, em k · Q · q EPE = _ d

em que:

• EPE é a energia potencial elétrica em joules ( J) ;

• Q é a carga fixa;

• q é a carga de prova e dé a distância entre elas.

um causa gravitacional, surgem forças gravitacionais por causa da massa dos corpos, de maneira semelhante ao que ocorre no campo elétrico com as cargas elétricas. A energia armazenada no campo gravitacional é a energia potencial gravitacional.

3. Cite outro campo em que podemos perceber a atuação de forças e no qual pode ser armazenada energia potencial.

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Podemos utilizar a energia potencial elétrica para uma configuração de cargas elétricas, porém é mais conveniente trabalhar com a grandeza chamada potencial elétrico (V), que corresponde à energia potencial elétrica por quantidade de carga. Desse modo, cada ponto no espaço tem um valor de potencial elétrico correspondente que é dado pela expressão:

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

UNIDADE

Representação de cargas de prova a uma distância dde uma carga Q.

k · Q V = _ d

em que: • Qé a carga fixa em coulomb ( C) ;

Imagem elaborada com base em: TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: eletricidade e magnetismo. Tradução: Naira Maria Balzaretti. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v.2. p. 24.

• dé a distância em metro ( m) ;

• ké a constante eletrostática do meio em N · m 2/ C 2;

• Vé o potencial elétrico em joule por coulomb ( J / C) .

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Os pontos de mesmo potencial em torno de cargas elétricas podem formar as chamadas superfícies equipotenciais. Mover partículas sobre essas superfícies não exige a realização de trabalho nem consome energia elétrica, pois são sempre perpendiculares às linhas de campo elétrico. A seguir, são apresentadas superfícies equipotenciais em diferentes situações.

Superfícies equipotenciais para uma carga pontual.

superfícies equipotenciais

Superfícies equipotenciais para um par de cargas de sinais opostos.

Superfícies equipotenciais para placas eletricamente carregadas.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Perceba que o potencial pode assumir valores positivos ou negativos. A distâncias muito grandes da carga, o potencial para cargas positivas ou negativas é nulo. Além disso, as cargas de prova positivas se movem do maior para o menor potencial e as cargas negativas se movem do menor para o maior potencial. E A VA = 20 V

Representação de elétrons movendo-se de um menor potencial elétrico para um maior potencial elétrico no interior de um fio condutor.

B VB = 40 V

Nesse deslocamento, a força elétrica realiza trabalho, levando a carga de um potencial VA até um potencial VB, de modo que: τ FE τ FE = q · ( VA − VB) ⇒ τ FE = q · U ∴   U = _ q em que: Ué a diferença de potencial (ddp) entre os pontos A e B ( U = VA − VB), que também é chamada de tensão elétrica, medida em volt (V).

Com isso, podemos concluir que, para movimentar uma carga entre dois pontos, é necessária uma d dp ou tensão. Pilhas e baterias comuns fornecem ddp de 1,5 Ve 9 V, respectivamente, e provocam o movimento de cargas em circuitos elétricos.

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Resposta pessoal. O objetivo da questão é levar os estudantes a relacionar ao conteúdo abordado os valores de ddp de tomadas, fontes de equipamentos eletrônicos, brinquedos a pilha, equipamentos a bateria, entre outros.

4. Cite duas situações de seu cotidiano em que você identifica valores relacionados à d dp.

Os valores que encontramos em nossas tomadas, 1 27 Ve/ou 220 V, são valores de ddp(ou tensão) que utilizamos para ligar equipamentos elétricos.

Dica No Brasil, a tensão de 110 V deixou de ser utilizada.

Esses valores vêm da diferença de potencial entre os fios que chegam às casas. Os fios utilizados no fornecimento de energia elétrica são chamados de fase (fio eletrizado) e neutro. Geralmente, a ligação entre um fio fase e um neutro fornece uma ddpde 127 V; já a ligação entre dois fios fases fornece ddpde 220 V. A terceira conexão nos plugues das tomadas (pino central) é o aterramento, uma medida de segurança que ajuda a proteger os equipamentos elétricos contra sobrecargas. Compartilhe ideias

Resposta pessoal. Os estudantes devem citar que o aterramento ajuda a escoar cargas quando há sobrecargas no sistema de transmissão de energia elétrica. Além disso, descarregar cargas estáticas acumuladas na carcaça de máquinas e veículos proporciona, em conjunto com os para-raios, um caminho de escoamento para descargas atmosféricas (raios).

Apesar de ser um importante sistema de segurança, muitas pessoas, erroneamente, retiram a conexão do aterramento dos plugues ou montam instalações elétricas sem o aterramento.

A característica principal do capacitor é sua capacitância, que está relacionada à quantidade de carga acumulada por ele quando submetido a certa diferença de potencial:

Capacitores em diferentes formatos. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

campo elétrico (E ) 1 1 1 1 1Q U 2 2 2 2 2Q

Q C = _ U

em que:

• Q é a carga elétrica em coulomb ( C);

Representação de um capacitor de placas paralelas. Shujaa_777/Shutterstock.com

• U é ddpem volt ( V);

• C é a capacitância do capacitor em faraday ( F) , que corresponde ao coulomb por volt ( C / V) .

É importante haver um espaçamento entre as placas dos capacitores porque os materiais isolantes podem se tornar condutores caso sua rigidez dielétrica seja quebrada. A fotografia mostra a quebra da rigidez elétrica do ar por altas voltagens. No caso de um capacitor, se aplicássemos uma tensão muito elevada, poderíamos estabelecer um arco de corrente entre as placas.

Sergio Lima/Arquivo da editora

Outra aplicação dos conceitos de carga, campo elétrico e ddp é o capacitor. Esse componente é utilizado nos circuitos elétricos para armazenar carga elétrica. Ele é constituído de um par de condutores, chamados armaduras, separados por certa distância. Entre as armaduras, adiciona-se um material isolante (dielétrico), como ar, papel, óleo mineral e cerâmicas. As armaduras podem ser esféricas, cilíndricas ou placas paralelas. Em um capacitor de placas paralelas, conectando uma delas a um potencial positivo e a outra a um potencial negativo, acumulam-se cargas elétricas correspondentes aos potenciais nas placas, de modo que a intensidade de cargas Q em ambas as placas é igual. Por conta das cargas, surge um campo elétrico entre as placas.

Zagach Design/Shutterstock.com

a ) Pesquise as funções do aterramento e como ele funciona. Em seguida, divulgue para a comunidade escolar as informações obtidas de modo a expor os cuidados que devemos ter com instalações elétricas.

Experimento que mostra o rompimento da rigidez dielétrica do ar com formação de arco elétrico.

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

1. Os fenômenos elétricos fazem parte de nosso

cotidiano. Considerando o que você aprendeu a respeito do assunto, analise as afirmativas a seguir corrigindo as falsas. a ) Os átomos são compostos de partículas que têm cargas elétricas positivas e negativas. b ) Um corpo que tem cargas elétricas estará eletricamente carregado. c ) Na eletrização por atrito, os corpos adquirem cargas de sinais opostos. d ) Um corpo eletricamente carregado com cargas positivas, ao tocar em um corpo neutro, doa-lhe prótons. e ) Um corpo neutro também pode ser atraído por corpos eletricamente carregados.

2. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes descrevam o processo de eletrização por indução.

6. Um colega foi para a aula de Ciências da Natu-

reza e suas Tecnologias antes de você e resolveu te contar antecipadamente o que será feito. Ele disse que serão realizados experimentos científicos para compreender os fenômenos elétricos e a eletrostática: serão utilizados dois fios leves de náilon e papel-alumínio (metal condutor) para fazer pequenos pêndulos eletrostáticos, além de outros materiais que permitiram a realização dos três tipos de eletrização. Esse colega tirou fotografias do pêndulo em três diferentes situações e as mostrou a você. O que se pode dizer sobre a carga elétrica de cada esfera nas situações a seguir? II

III Sergio Lima/Arquivo da editora

2. Explique com suas palavras como é possível eletrizar um corpo com a ajuda de outro já carregado, mas com uma carga de sinal oposto.

3. Por que no processo de eletrização de um corpo é mais fácil perder elétrons do que prótons?

po ficou com uma quantidade de 6 · 1024 pró23 tons e 4 · 10 elétrons. Qual é a carga elétrica líquida desse corpo? Caso necessário, utilize o valor de 1,6 · 1 0−19Cpara a carga elementar. a ) + 5,80 · 10 23 C b ) − 5,80 · 10 23 C

Resposta: Alternativa c. 5

c ) + 8,96 · 1 0 C d ) − 8,96 · 1 0 5 C

Resolução nas Orientações para o professor.

5. Ao esfregar uma régua de plástico no cabelo e

aproximar em pedaços picotados de papel, vemos um exemplo de atração elétrica. Com base nos seus conhecimentos sobre carga e força elétrica assinale a alternativa correta. Resposta: Alternativa c. a ) Existem três tipos de cargas elétricas, cargas positivas, cargas negativas e cargas neutras, em que o número de cargas positivas mais o número de cargas negativas é igual ao número de cargas neutras. b ) Quando um corpo está positivamente carregado significa que houve um aumento no número de prótons. c ) A força elétrica apresenta uma mesma geometria que a força gravitacional. d ) Quando uma eletrização temos uma certa quantidade de carga transferida, indicando assim que a carga elétrica é uma substância. e ) Cargas negativas são criadas quando se eletriza uma régua de plástico esfregando-a no cabelo.

Representação de pêndulos eletrostáticos em três situações diferentes (I, II e III).

7. Um bastão de vidro eletrizado com carga po-

sitiva é aproximado de duas esferas metálicas, A e B , inicialmente neutras e em contato. Sem movimentar o bastão, as esferas são afastadas uma da outra e o bastão é levado para longe delas. Os arranjos são mostrados na ilustração a seguir. A

Sergio Lima/Arquivo da editora

4. Após passar por processo de eletrização, um cor-

UNIDADE

ATIVIDADES

1. Resposta: a) Falsa. Têm nêutrons também. b) Falsa. Estar eletricamente carregado significa ter quantidades diferentes de elétrons e prótons. c) Verdadeira. d) Falsa. O corpo positivo recebe elétrons do neutro. e) Verdadeira.

Representação do processo de eletrização realizado com as esferas condutoras Ae B.

Se um pêndulo eletrostático for colocado em contato com o bastão e depois aproximado das esferas, separadamente, ele: Resposta: Alternativa c. a ) será atraído pelas duas esferas. b ) permanecerá em repouso. c ) será atraído por A e repelido por B. d ) será repelido pelas duas esferas. e ) será repelido por A e atraído por B.

3. Resposta: Por conta de sua posição na constituição do átomo, em que 6. Resposta: I. Os corpos estão eletricamente neutros. II. Os corpos estão eletrizados com cargas de mesmo sinal. III. Os corpos podem estar os elétrons estão na eletrosfera, mantidos por força eletrostática, eletrizados com cargas de sinais opostos ou um deles estar neutro. enquanto os prótons estão no núcleo, mantidos por força forte.

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seguir.

01 ) O módulo da força eletrostática entre duas cargas puntiformes é diretamente proporcional ao produto das magnitudes das cargas. 02 ) A força eletrostática entre duas cargas diminui com o aumento da distância entre elas. 04 ) A constante de Coulomb depende do meio onde as cargas estão situadas. 08 ) A força eletrostática entre duas cargas positivas é atrativa e entre duas negativas é repulsiva. Resposta: Soma: 01 + 02 + 04 = 07 Qual é o valor da soma das afirmativas corretas? 08) Incorreta. A interação entre duas cargas positivas é de repulsão.

9. Considere duas cargas fixas, QA= 18 μC e

QB= 2 μC, no vácuo, respectivamente nos pontos A e B, a uma distância de 1 muma da outra. Colocando-se uma carga de prova positiva q no segmento AB, qual é sua distância ao ponto A, em centímetros, para que ela permaneça em repouso? Resposta: Alternativa d. Resolução nas Orientações a ) 25

para o professor.

b ) 40

12. Nos vértices do quadrado a seguir, estão localiza-

das duas cargas com Q1= − 9 μCe Q2= 15 μCno vácuo. Determine o potencial elétrico resultante 4 · 10 5 V. Resolução nas no ponto P. Resposta: VR = Orientações para o professor.

P Sergio Lima/Arquivo da editora

8. Sobre a interação eletrostática, avalie os itens a

inicialmente neutro Q1

4 cm

Representação de cargas posicionadas nos vértices de um quadrado.

13. Se quadruplicarmos a carga elétrica acumulada por um capacitor, como ficará a diferença de potencial entre suas placas? Justifique sua resposta. Resposta: Quadruplicará também, mantendo o capacitor. Resolução nas Orientações para o professor.

14. As especificações de um capacitor indicam que ele tem uma capacitância de 20 μF. Caso ele seja ligado a uma diferença de potencial de 60 V, qual é o valor da carga acumulada?

0 −3C. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: 1,2 · 1

c ) 50

15. As cargas elétricas podem se atrair e se repelir mes-

d ) 75 e ) 85

10. Considere três cargas elétricas (q1= − 16 μC,

Resposta: E = 0 N/C. Resolução nas Orientações para o q1 professor. q2 q3 2⋅d

Representação de cargas elétricas fixas no vácuo.

Sergio Lima/Arquivo da editora

q2= + 1,0 μC e q3= − 4,0 μC) mantidas fixas no vácuo, como mostra a figura. O valor da distância dé 1 ,0 cm. Calcule o módulo do campo elétrico na posição da carga q2, em N/C.

11. A Terra é circundada por um campo elétrico natural

com intensidade de aproximadamente 120 N/C em sua superfície, com direção radial e sentido para dentro, ou seja, para o centro do planeta. Sobre essa informação, responda às questões a seguir. a) Resposta: Negativamente carregada, já que as linhas de campo convergem para um ponto.

a ) A Terra é carregada positiva ou negativamente? Explique. b ) Considere a Terra uma esfera condutora de raio R. A que altura, em função de R, a intensidade do campo elétrico será quatro vezes menor comparada à da superfície do nosso planeta? Resposta: d = R.

mo sem estarem uma em contato com a outra; essa é uma das características de forças que atuam por campo. Com referência ao processo de interação da força elétrica exercida de uma partícula para outra, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01 ) A força elétrica é suficiente para explicar por que uma carga elétrica sente atração ou repulsão, pois as cargas opostas se atraem e as cargas iguais se repelem, sendo um processo natural. 02 ) A atração entres as cargas elétricas com sinais opostos é devido ao campo elétrico que sai da carga negativa e entra na carga positiva. 04 ) O campo elétrico e a força elétrica são grandezas vetoriais, portanto a direção do campo entre duas cargas quaisquer será sempre na mesma direção da força elétrica, uma vez que são diretamente proporcionais, ou seja, o aumento do campo aumenta a força elétrica entre as cargas. 08 ) A força elétrica é conservativa, sendo possível associar uma energia potencial elétrica. 16 ) Como o potencial elétrico é expresso na unidade volt e o campo elétrico, na unidade newton por coulomb, podemos converter a unidade de campo elétrico para unidade de 16 = 2 4. Resolução volt por metro. Resposta: 08 + nas Orientações para o professor.

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06/11/2024 16:46:58

ATO image/Shutterstock.com

Corrente elétrica Ao acionar um interruptor para acender as lâmpadas em nossa casa, vemos que elas funcionam instantaneamente. 5. O que você acha que acontece no

UNIDADE

momento que o interruptor é ligado?

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que é aplicada uma diferença de potencial nos contatos da lâmpada e ela é percorrida por uma corrente elétrica.

Pessoa acionando o interruptor da iluminação de uma sala.

Vimos anteriormente que nos materiais condutores, como cobre, ouro e a prata, há elétrons livres que se movem aleatoriamente em sua estrutura. Aplicando uma diferença de potencial nas extremidades do condutor, um campo elétrico é criado no interior do material e os elétrons livres sofrem a ação de uma força elétrica que os impulsiona em uma direção preferencial. Assim, mesmo com o movimento aleatório, os elétrons livres têm um deslocamento resultante no sentido contrário ao campo elétrico gerado. Esse fluxo de portadores de cargas elétricas no interior do material condutor é chamado de corrente elétrica. A intensidade da corrente elétrica (i) em um fio é determinada pelo fluxo líquido de cargas ou quantidade de cargas elétricas ( Q) que atravessa a secção reta do fio (plano imaginário perpendicular ao fio) em certo intervalo de tempo. Considerando o fluxo constante de cargas elétricas: Q n · e i = _ = _ Δt Δt

em que:

• Q é a quantidade de cargas em coulomb (C); • Δ té o intervalo de tempo em segundos ( s);

• ié a intensidade da corrente em ampere ( A). A corrente elétrica fornecida por uma pilha ou bateria é chamada de corrente contínua (CC), e a fornecida pela rede elétrica é chamada corrente alternada (CA).

Corrente contínua (CC)

Corrente alternada (CA)

O gerador (pilhas e baterias) tem um polo positivo e um negativo, fixos. Os elétrons se movem ordenadamente no mesmo sentido, do polo negativo para o polo positivo.

O gerador tem polos que oscilam entre positivo e negativo (com uma frequência de 60 vezes por segundo ou 60 Hz). Dessa forma, o campo elétrico muda de sentido e os elétrons realizam um movimento oscilatório, ora em determinado sentido, ora em sentido oposto.

Outra característica importante da corrente elétrica é seu sentido. O sentido real da corrente elétrica, que equivale ao sentido do deslocamento dos elétrons, é do polo negativo para o positivo. No entanto, costuma-se utilizar o sentido convencional da corrente elétrica, que vai do polo positivo para o negativo. O sentido convencional tem fundamentos históricos, pois foi definido antes da descoberta da constituição atômica e de que as correntes elétricas nos sólidos são constituídas de elétrons. Essa convenção se mantém até os dias atuais.

sentido real i

sentido convencional

Ilustração de Keithy Mostachi/Arquivo da editora. Foto: fen deneyim/Shutterstock.com

As características desses tipos de corrente são apresentadas a seguir.

Circuito elétrico simples com a representação do sentido convencional e do sentido real da corrente elétrica.

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06/11/2024 16:45:25

Circuitos elétricos

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

A rede elétrica brasileira forma um sistema confiável, no qual, caso ocorra algum contratempo, outras usinas e linhas podem abastecer cidades ou regiões afetadas.

Joa Souza/Shutterstock.com

As ligações entre as usinas e as regiões do país podem ser consideradas um grande circuito elétrico. Dica Confira na indicação a seguir um mapa que mostra o sistema elétrico brasileiro. Disponível em: http://www. ons.org.br/PublishingImages/paginas/Dez_19%20-%20 Sistema%20de%20Transmissao%20-%20Horiz.%2024. jpg. Acesso em: 29 ago. 2024.

Torres de transmissão e subestação de energia elétrica.

Todos os equipamentos elétricos podem ser considerados circuitos elétricos, tanto uma lanterna quanto um computador. Um circuito elétrico é composto, basicamente, de geradores (como pilhas, baterias e usinas), fios condutores (como os de cobre) e equipamentos elétricos (isto é, receptores, como lâmpadas, chuveiros e ferros de passar roupas). Confira a seguir a representação de um circuito elétrico. condutor

condutor i

receptor

receptor gerador

gerador i

chave fechada

Representação de um circuito elétrico simples fechado.

Representação de um circuito elétrico simples aberto.

chave aberta

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 442-444.

• O gerador (que fornece a ddp) é representado por duas linhas de tamanhos diferentes, em que a maior representa o polo positivo e a menor, o polo negativo. Representação esquemática de um capacitor.

• Os condutores são representados por linhas retas. • A chave é representada por dois pontos de conexão e é responsável por ligar (chave fechada) e desligar (chave aberta) o circuito elétrico. Os circuitos elétricos podem ser mais complexos, incluindo diferentes ligações e diversos dispositivos. Para isso, podemos ligar três fios em um mesmo ponto, cada um se conectando a um gerador ou receptor. Assim, temos um nó no circuito, no qual a corrente elétrica se divide ou se junta. Um ramo do circuito é um segmento entre dois nós consecutivos. Por fim, uma malha é definida como um conjunto de ramos que formam um circuito fechado.

malha

nó

ramo

nó

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

• O receptor (que transforma a energia elétrica em outros tipos de energia) pode ser representado por um retângulo. No entanto, há representações específicas para alguns receptores, como os capacitores.

Representação de um circuito elétrico com nós, ramo e malha.

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06/11/2024 16:45:26

UNIDADE

Resistência elétrica Fernando Vivaldini/Fotoarena

Confira a fotografia, que mostra o interior de um chuveiro elétrico. 6. Qual é a função de um chuveiro elétrico?

Resposta: Aquecer a água utilizada no banho, por exemplo.

7. Como é o funcionamento de um chuveiro elétrico? Resposta: Transforma a energia elétrica em energia térmica, aquecendo a água.

O chuveiro elétrico está presente na maioria das residências do Brasil e tem o objetivo de transferir a energia térmica gerada por um dispositivo chamado resistor para a água do encanamento, aquecendo-a antes que caia sobre o corpo.

Resistores de um chuveiro elétrico.

Resistores são dispositivos condutores que permitem a passagem de corrente elétrica, mas com certa dificuldade. Essa propriedade é chamada de resistência elétrica. Eles são muito comuns em aplicações nas quais é desejável transformar a energia elétrica em energia térmica, como em ferro de passar roupas e aquecedores. Essa transformação de energia é denominada efeito Joule, em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule (1818-1889). No entanto, muitas vezes, os resistores aquecem tanto que parte dessa energia elétrica também é convertida em energia luminosa, isto é, o condutor incandesce e emite luz, como nas antigas lâmpadas incandescentes.

A resistência elétrica (R) é medida, no SI, pela unidade ohm ( Ω), nome dado em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm (1789-1854), e os resistores são representados pelo símbolo a seguir. Representação esquemática de um resistor.

matej_z/Shutterstock.com

Os resistores elétricos são componentes necessários para a construção dos mais diversos circuitos elétricos. Seus valores de resistência são identificados por meio de um código de cores, como os da fotografia.

Cada resistor tem uma sequência de cores que permite identificar sua resistência. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

No século XIX, Ohm constatou que a quantidade de corrente elétrica que atravessava um condutor variava de acordo com o tipo de material do qual ele era feito, percebendo que materiais bons condutores tinham pouca resistência à passagem da corrente elétrica. Ele percebeu que a diferença de potencial e a corrente elétrica que atravessa um material, à temperatura constante, relacionavam-se de maneira proporcional e direta, obedecendo à seguinte relação:

Denominada lei de Ohm, essa relação representa a redução do potencial elétrico provocada por um resistor no qual passa uma corrente elétrica. Os resistores que obedecem à lei de Ohm são chamados de resistores ôhmicos. No entanto, nem todos os materiais apresentam esse comportamento. Alguns, por exemplo, têm sua resistência afetada por variações de temperatura e podem não seguir o comportamento linear entre a diferença de potencial e a corrente elétrica. Assim, tais materiais foram denominados não ôhmicos.

Curvas características de resistores ôhmicos e não ôhmicos U (V)

Sergio Lima/Arquivo da editora

U3 U1 U2 _ _= _ = = …   = constante = R ∴ U = R · i i1 i2 i3

resistor não ôhmico resistor ôhmico resistor não ôhmico

i (A)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de Física: eletromagnetismo. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 3. p. 143.

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06/11/2024 16:45:27

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

A característica de um material que indica sua resistência à passagem de correntes elétricas é chamada de resistividade (ρ), medida, no ). A tabela apresenta a resistividade de deterSI, em ohm-metro ( Ω · m Resposta pessoal. Espera-se que, para responder a essa questão, os minados materiais. estudantes se baseiem no controle da resistência de um chuveiro

Resistividade elétrica de alguns materiais à temperatura ambiente de 20 °C Material

elétrico, que tem chaves com diferentes posições, por exemplo, “inverno”, “verão” e

8. É possível alterar a resistência de um resistor sem substituí-lo por outro? “desligado”. Isto é, o chuveiro pode consumir mais energia, aquecendo mais a água, sem que o resistor seja substituído.

Ohm percebeu que, além da relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial aplicada nos resistores, outros fatores interferem na resistência de um condutor: o tipo de material, definido pela resistividade (ρ), que é diferente para cada material, o comprimento ( L)

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

L R = ρ · _ A

área da seção transversal

prata

1,62 · 10 −8

cobre

1,69 · 10 −8

ouro

2,35 · 10 −8

ferro

9,68 · 10 −8

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: eletromagnetismo. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 3. p. 141.

e a espessura (A), como mostra a imagem.

Portanto, a resistência elétrica em relação às características do condutor pode ser determinada por:

Resistividade (Ω · m)

fio condutor Dimensões de um condutor.

A comprimento do condutor (L)

Nos circuitos elétricos, geralmente utilizamos associações de resistores para obter uma resistência equivalente. Assim, os resistores da associação funcionam da mesma forma que um único resistor equivalente.

fen deneyim/Shutterstock.com

Sergio Lima/Arquivo da editora

É possível associar resistores em série, como na imagem a seguir. Nesse tipo de associação, cada componente é alimentado pela mesma corrente elétrica, mas por valores de tensão diferentes, cuja soma resulta na tensão total. i R2

Circuito elétrico com dois resistores associados em série.

Circuito elétrico com duas lâmpadas associadas em série.

Portanto, o efeito dos resistores sobre o circuito é o mesmo das resistências individuais somadas, ou seja: Req = R1 + R2 Em circuitos em que os resistores são ligados em série, é importante notar que, caso um deles pare de funcionar, a corrente no circuito todo é cortada e o circuito fica aberto.

i R1

Circuito elétrico com dois resistores associados em paralelo.

fen deneyim/Shutterstock.com

Sergio Lima/Arquivo da editora

A associação dos resistores também pode ser feita em paralelo. Nesse caso, a tensão em cada resistor é igual à tensão fornecida pelo gerador. Entretanto, a corrente elétrica é diferente para cada um deles, a soma das correntes resulta na corrente elétrica total do circuito.

Circuito elétrico com duas lâmpadas associadas em paralelo.

Assim, em um circuito em paralelo, a resistência equivalente é dada por: 1 1 _ 1 _ = _+ Req R1 R2

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Automação do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica

b) Resposta: Graças aos avanços tecnológicos, como o desenvolvimento de softwares, é possível transmitir e distribuir energia elétrica com mais segurança, além de reduzir perdas de energia entre o local onde ela é gerada e as residências. Tales Azzi/Pulsar Imagens

Atualmente, as quedas de energia estão bastante reduzidas. Isso, em geral, se dá pelos sofisticados sistemas de automação no sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica. A rede é continuamente monitorada por sistemas computacionais. Dessa forma, possíveis problemas são corrigidos automaticamente: uma falha em uma linha de transmissão, a parada de uma usina ou mesmo o rompimento de um cabo de energia são compensados por sistemas redundantes, por meio de outras ligações, outras usinas ou outras linhas de transmissão integradas ao sistema.

UNIDADE

Sala de controle da Usina Hidrelétrica de Itaipu, no município de Foz do Iguaçu (PR), em 2019.

Nesse sistema, há softwares desenvolvidos para identificar os pontos em que ocorrem a sobrecarga e o curto-circuito. Assim, o sistema isola esses pontos, a fim de evitar algum tipo de acidente. O trecho a seguir apresenta essas informações. c) Resposta: Com o processo de automação, os problemas de transmissão de [...]

energia são rapidamente corrigidos, sem necessitar da ação humana. Com isso, os consumidores são poupados da falta de abastecimento e dos transtornos causados pela falta de energia elétrica.

A tecnologia é chamada de “self healing”, termo em inglês que indica a capacidade da rede de identificar e isolar a origem do desligamento, restaurando o fornecimento aos demais consumidores, sem a necessidade de interação humana. [...] após a execução de um projeto-piloto bem sucedido na região Sudoeste do Paraná, que apontou uma redução de 70% dos desligamentos no circuito testado. [...] COPEL intensifica automação da rede contra desligamentos. Abradee. Disponível em: https://abradee.org.br/copel-intensifica-automacao-da-rede-contra-desligamentos/. Acesso em: 29 ago. 2024.

As soluções para os possíveis problemas detectados são pré-programadas e ocorrem de maneira instantânea à sua detecção ou, em casos mais complexos, podem partir de centros de monitoramento remoto, com controladores especializados que acessam o equipamento que apresenta defeito sem precisar se deslocar até o local do problema. Por isso, o atendimento à demanda ocorre de maneira mais ágil e eficiente. Mesmo que as equipes de manutenção levem algumas horas para chegar ao local e dar o suporte necessário às linhas de transmissão ou às subestações de energia, o consumidor pode nem perceber que houve algum problema na rede de distribuição. Além disso, a desativação automática de partes danificadas do sistema auxilia na segurança da população, uma vez que cabos rompidos e energizados poderiam cair sobre calçadas ou estradas, colocando pessoas e animais em risco. Esses sistemas buscam se inovar a cada dia. Seu aperfeiçoamento caminha com o desenvolvimento de novas tecnologias relacionadas à transmissão e à distribuição de energia, adquiridas por meio de grandes investimentos em infraestrutura, ciência e tecnologia. a ) O fornecimento de energia na atualidade é mais eficiente e seguro do que antigamente? Explique. b ) Qual é a relação entre os avanços tecnológicos e o processo de automação na distribuição de energia elétrica? c ) Qual é a importância da automação da rede de distribuição de energia elétrica? Justifique sua resposta. a) Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que hoje a distribuição de energia ocorre de maneira mais segura. Os novos processos de transmissão cumprem vários requisitos de proteção para que as pessoas possam utilizar a energia elétrica com mais segurança.

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06/11/2024 16:45:28

Uso seguro da eletricidade Por dentro do contexto

a) Espera-se que os estudantes se conscientizem dessa situação e observem potenciais riscos em suas residências. b) O objetivo dessa questão é verificar se os estudantes reconhecem a importância dos equipamentos de proteção em circuitos elétricos. Diga a eles que, ao exceder o valor tolerável de corrente elétrica que deve passar pelo fusível, ele se rompe e interrompe a passagem de corrente, evitando acidentes. wk1003mike/Shutterstock.com

PRÁTICA CIENTÍFICA

Ligar diversos aparelhos em uma única tomada é uma prática comum em muitas residências e escritórios, especialmente em espaços nos quais há poucas opções de pontos de energia. No entanto, essa prática é um sério risco à segurança, tanto dos equipamentos quanto das pessoas. Quando muitos aparelhos são conectados a uma única tomada ou extensão, a carga elétrica pode exceder a capacidade do circuito, resultando em sobrecarga. Isso provoca o aquecimento excessivo dos fios e, eventualmente, um curto-circuito, uma das principais causas de incêndios elétricos.

Extensão queimada em razão da ligação de vários equipamentos a ela.

Um curto-circuito ocorre quando a eletricidade segue por um caminho inadequado, gerando um pico de corrente que superaquece os fios. Isso resulta na queima de fusíveis ou disjuntores, dispositivos de segurança cuja função é interromper a eletricidade quando há risco. Além do risco de incêndio, sobrecarregar uma tomada pode prejudicar os aparelhos eletrônicos conectados a ela. O fornecimento irregular de eletricidade pode causar picos de energia, danificando os componentes internos dos aparelhos. Por isso, é fundamental respeitar os limites de potência de uma tomada e usar equipamentos como filtros de linha ou disjuntores adequados para evitar sobrecargas. Esses dispositivos ajudam a distribuir melhor a energia e oferecem proteção adicional contra picos de tensão, preservando tanto a segurança do ambiente quanto o bom funcionamento dos aparelhos. a ) Em sua casa, é comum utilizar vários dispositivos em uma única tomada? b ) De que forma o fusível presente em filtros de energia é útil em uma situação na qual vários dispositivos são ligados à mesma tomada? Materiais

• 3 LEDs vermelhos • 2 pilhas de 1,5 V • 2 fios de cobre • suporte para pilhas

• multímetro com cabos ponta de prova • lixa • fita adesiva

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Como proceder A. Encaixe corretamente as pilhas em série no suporte, alternando as polaridades. B. Lixe as extremidades dos fios do próprio suporte utilizando a lixa. Imagem referente à etapa A.

Dica LEDs só permitem a passagem de corrente elétrica em um único sentido e quando submetidos à determinada diferença de potencial elétrico (ddp) mínima entre seus terminais. Para um LED vermelho, essa ddp é aproximadamente 1,6 V.

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06/11/2024 16:45:29

C. Enrole essas extremidades nos contatos de um LED. Mas atenção: o fio conectado ao polo positivo da pilha deve ser conectado ao terminal positivo do LED (o mais comprido).

UNIDADE

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

4. Resposta: Espera-se que os estudantes verifiquem que os valores da corrente elétrica no circuito aumentaram com a adição dos LEDs, como deve ocorrer em um circuito em paralelo. Como os LEDs são iguais, a mesma tensão elétrica estabelece a mesma intensidade de corrente elétrica em cada um, resultando assim no aumento da intensidade da corrente elétrica total no sistema.

Imagem referente à etapa C.

D. No multímetro, selecione a opção voltímetro e meça corretamente a tensão elétrica fornecida ao LED. Escolha o filtro mais adequado para ler e anote o valor.

5. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que em cada fusível temos uma corrente elétrica tolerável, o que garante a utilização segura dos equipamentos elétricos. Caso a intensidade da corrente elétrica ultrapasse esse valor, o fusível se aquece além do limite permitido e seu filamento sofre fusão, interrompendo assim o circuito elétrico.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

E. Agora, selecione a opção “amperímetro” e meça corretamente a corrente elétrica estabelecida pelo LED. Escolha o filtro mais adequado para a leitura e anote o valor fornecido. 6. Resposta pessoal. Os estudantes podem responder: usar equipamentos elétricos em bom estado de conservação; usar fios condutores com a devida proteção isolante; não deixar equipamentos elétricos ligados por longos intervalos de tempo; não ligar mais de um equipamento elétrico à mesma tomada, utilizando os chamados multiplicadores de tensão (benjamim); optar pelos filtros de energia com fusíveis; caso seja inevitável, usar equipamentos elétricos ligados à mesma tomada.

Imagem referente à etapa E.

F. Na conexão dos fios com o LED, adicione um segundo LED, conectando o terminal maior de um dos LEDs ao terminal maior do outro e fazendo o mesmo com os terminais menores. Repita os itens D e E. G. Adicione o terceiro LED da mesma maneira que foi descrito no item F e repita os itens D e E.

1. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que foi feita uma associação em série porque nenhuma das pilhas fornecia a ddp suficiente para acionar o LED. 3. Resposta: Espera-se que os estudantes verifiquem que os valores foram sempre os mesmos, característica de um circuito em paralelo. Como a associação de LEDs foi feita em paralelo, a tensão elétrica a que eles foram submetidos foi a mesma.

Análise e divulgação

1. Qual tipo de associação foi feita com as pilhas utilizadas? Por que essa associação foi necessária? 2. Os 3 LEDs foram ligados entre si em série ou em paralelo? Justifique sua resposta. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que foram associados em paralelo.

3. Com relação às medidas das tensões elétricas, o que ocorreu com seus valores conforme cada equipamento foi adicionado ao circuito? Explique o que foi observado.

4. Com relação às medidas das correntes elétricas, o que ocorreu com seus valores conforme cada equipamento foi adicionado ao circuito? Explique o que foi observado.

5. Por que o fusível é considerado um dispositivo de segurança e seu uso é importante em circuitos que têm diversos equipamentos elétricos conectados?

6. Quais atitudes durante a utilização de equipamentos elétricos podem evitar acidentes envolvendo eletricidade?

7. Escreva um artigo em um blog detalhando os resultados experimentais obtidos e suas conclusões. Nesse

artigo, explore os riscos de ligar vários equipamentos em uma mesma tomada e ofereça soluções, como a instalação de mais tomadas ou o uso de filtros de linha. Compartilhe o artigo em suas redes sociais para ampliar o alcance.

7. Resposta: O objetivo dessa questão é incentivar os estudantes a divulgar os resultados da atividade realizada. Espera-se que eles alertem sobre os riscos de ligações elétricas incorretas e proponham soluções para evitar acidentes com o uso de eletricidade.

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06/11/2024 16:45:30

CONEXÕES com ... BIOLOGIA e QUÍMICA

A impedância é um conceito fundamental na eletricidade, que representa a medida que um material ou circuito tem de resistir à passagem da corrente elétrica. Além de resistores, que são comumente associados a essa resistência, outros elementos, como capacitores e indutores, quando submetidos a correntes elétricas, provocam essa resistência à circulação de corrente. A combinação desses elementos em um circuito influencia a forma como a corrente flui por ele. No contexto do corpo humano, a impedância torna-se particularmente interessante, pois o corpo, composto em grande parte de água e íons no sangue e em outros fluidos corporais, é capaz de conduzir eletricidade. Os componentes do corpo humano se comportam como diferentes elementos de um circuito elétrico, conduzindo eletricidade de forma distinta. Professor, O exame de bioimpedância explora essa propriedade do professora: peça corpo humano para avaliar a composição corporal. O equique os estudantes pamento aplica uma corrente elétrica de baixa intensidade observem os eletrodos na mão que percorre o corpo e, durante o exame, a corrente elétrica e no pé da pessoa deitada na maca, enfrenta diferentes níveis de resistência dependendo do tipois são por esses po de tecido que atravessa. Os músculos, por exemplo, são componentes que ricos em água e eletrólitos, portanto conduzem eletricidade o aparelho faz a corrente elétrica de maneira mais eficiente do que a gordura corporal, que fluir pelo corpo da pessoa para medir tem menos quantidade de água. Isso possibilita ao aparelho Oficiais do exército estadunidense a impedância. diferenciar e indicar a quantidade de massa muscular, gorrealizando teste de composição dura visceral, gordura corporal total, entre outras propriedacorporal por bioimpedância, em 2022. des do corpo. No entanto, é importante destacar que alguns fatores podem influenciar os resultados da bioimpedância. Um deles é o estado de hidratação do indivíduo, o qual pode alterar a condutividade elétrica do corpo, influenciando os valores medidos. Um indivíduo que tenha ingerido pouca quantidade de água, por exemplo, por estar com nível de hidratação abaixo do necessáa) Resposta pessoal. Espera-se rio, pode ter a impedância aumentada, resultando em uma subestimação da massa muscular. que os estudantes Os dados fornecidos por um exame de bioimpedância são importantes para a saúde, pois mencionem que permitem avaliar a composição corporal de um indivíduo, auxiliando a análise do estado nutriinterpretar isoladamente os cional da pessoa. Além disso, a identificação da quantidade de gordura visceral permite a adodados fornecidos ção de medidas preventivas mais eficazes, pois está associada a riscos maiores de desenvolver pela doenças metabólicas. bioimpedância, sem o É importante lembrar que os resultados da bioimpedância não devem ser considerados acompanhamento de um profissional isoladamente. Para garantir um cuidado adequado com a saúde, é fundamental realizar outros de saúde, pode tipos de exames médicos e contar com o acompanhamento de profissionais especializados, levar a decisões equivocadas que como médicos (principalmente endocrinologistas) e nutricionistas. Esses profissionais são caimpactam pazes de interpretar os dados da bioimpedância em conjunto com outras informações clínicas, negativamente o como exames de sangue, avaliações hormonais e históricos de saúde, oferecendo um diagnósbem-estar. Por exemplo, um tico mais preciso e um plano de tratamento personalizado. resultado que sugira baixa massa muscular pode levar alguém a adotar dietas ou regimes de exercícios inadequados, sem considerar outros fatores de saúde.

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Operation 2022/Alamy/Fotoarena

Bioimpedância

a ) Quais são os possíveis riscos de interpretar isoladamente os dados fornecidos pela bioimpedância, sem o devido acompanhamento médico, e como isso pode impactar as decisões relacionadas à saúde e ao bem-estar? b ) De que maneira a utilização da bioimpedância, em conjunto com uma avaliação médica completa, pode contribuir para o alcance dos objetivos propostos pela Agenda 2030, principalmente no que diz respeito ao Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 3? Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem que a bioimpedância oferece uma análise detalhada da composição corporal, permitindo a identificação de fatores de risco, como o excesso de gordura visceral, que está relacionado a diversas doenças crônicas. Com esses dados, profissionais de saúde podem desenvolver estratégias personalizadas de prevenção e tratamento, levando o paciente a adotar hábitos saudáveis, prevenindo doenças.

06/11/2024 16:45:30

ATIVIDADES

1. Ao ativar um equipamento elétrico, ele realiza

um processo e cessa sua atividade em um intervalo de 8 segundos. A intensidade da corrente elétrica consumida é verificada por meio de um amperímetro e varia de acordo com o tempo, conforme o gráfico a seguir. Sabendo que a carga elementar é e = 1 ,6 · 10 −19C, determine a quantidade de carga elétrica e a quantidade de elétrons que atravessam o condutor durante os 8 segundos.

Gráfico de i × tpara um equipamento elétrico

4. De acordo com os conceitos de resistor, julgue as

afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) O resistor é construído especialmente para dificultar a passagem de corrente elétrica. II ) Se o comprimento do material condutor é dobrado e sua área transversal é mantida, sua resistência é dobrada e sua resistividade é reduzida pela metade. III ) As dimensões, a condutividade e a temperatura são grandezas que afetam a resistência elétrica. IV ) Mantida a resistência constante em um resistor ôhmico enquanto a voltagem do circuito diminui pela metade, a corrente é dobrada de seu valor inicial.

i (mA) 46 Sergio Lima/Arquivo da editora

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. Resposta: Q = 0 ,23 C; n = 1,44 · 1 0 18 elétrons. Resolução nas Orientações para o professor.

UNIDADE

5. Um condutor tem 8 mde comprimento e uma área 0

t (s)

Fonte de pesquisa: TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: eletricidade e magnetismo. Tradução: Naira Maria Balzaretti. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 2. p. 152.

2. Os resistores são componentes fundamentais

em circuitos elétricos e eletrônicos, influenciando, por exemplo, a corrente elétrica que passa pelo circuito. Uma das características que um resistor pode ter é ser do tipo ôhmico. Essa característica implica que: a ) tem uma resistência que varia com a corrente elétrica que passa por ele. Resposta: Alternativa b. b ) a curva característica de um gráfico da tensão em função da corrente que passa por ele é uma linha reta que passa pela origem. c ) a resistividade depende da frequência da corrente elétrica que passa por ele. d ) o valor de resistência é nulo se não houver corrente elétrica passando por ele. e ) a resistividade negativa só acorre se a corrente elétrica que passa por ele for maior que determinado valor.

3. Qual é a corrente produzida por uma pessoa ao tocar nos terminais de uma bateria de 12 Vse: a ) a resistência do corpo for de 100 000 Ω?

1 ,2 · 10 −6 A. Resoluções nas Orientações para o professor. Resposta: i =

b ) a sua pele estiver muito úmida e a sua resistência cair para 1 000 Ω?

transversal de 4 mm2. Considerando a resistividade desse condutor igual a 1,6 · 1 0−5 Ω · m, julgue os itens a seguir e dê a soma dos itens corretos: 01 ) A resistência desse condutor é de 32 Ω. 02 ) A diferença de potencial elétrico entre seus terminais quando ele é percorrido por uma corrente de 4 Aé de 512 V. 04 ) Se esse condutor for cortado na metade de seu comprimento e uma das partes for utilizada como um novo condutor, sua nova resistência será o dobro da inicial. 08 ) Se a área transversal do condutor for dobrada, sua resistência será reduzida pela metade. Soma: Resposta: Soma: 01 + 08 = 09. Resolução nas Orientações para o professor.

6. Dois resistores, quando associados em série sob

um potencial de 1 2 V, têm a medida da corrente 4 elétrica dada por um amperímetro de i = _ A. 3 Quando esses resistores forem associados em paralelo, o valor da corrente lida pelo amperímetro será de 5,4 A. Então, o valor das resistências Alternativa b. Resolução nas será de: Resposta: Orientações para o professor. a ) 4 Ωe 2 Ω. b ) 4 Ωe 5 Ω. c ) 5 Ωe 1 Ω. d ) 4,5 Ωe 4,5 Ω. e ) 7 Ωe 2 Ω.

7. Resposta: 200 Ω. Resolução nas Orientações para o professor.

7. Calcule a resistência equivalente para dois resistores de 200 Ω em paralelo ligados em série com mais dois resistores de 200 Ω em paralelo.

Resposta: i = 0,012 A. 4. Resposta: I) Verdadeira. II) Falsa. A resistividade depende exclusivamente do material de que o resistor é constituído. III) Verdadeira. IV) Falsa. A ddpe a corrente elétrica são diretamente proporcionais, portanto a intensidade da corrente elétrica diminui pela metade quando a ddptambém diminui.

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Potência elétrica e consumo de energia elétrica Sergio Lima/Arquivo da editora

A imagem a seguir representa uma fatura de energia elétrica mensal, na qual estão destacados a quantidade de energia consumida e o valor total a pagar por ela. 9. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem chuveiro, ferro de passar roupas, secador de cabelos, aquecedor etc.

Energia

Elétrica Emitida em 05/08/2 Produto Descrição

Un.

Consumo

01 ENERGIA ELET CONSUMO kWh B

d C l

l d ICMS 90 46

240 V l

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

10. Resposta: São equipamentos que apresentam altos valores de potência.

ICMS 26 3

9. Quais são os equipamentos de sua 317,76

casa que consomem mais energia elétrica?

10. Quais são as características desses equipamentos?

Fatura de energia elétrica mensal.

Todos os dispositivos elétricos são capazes de transformar a energia elétrica em algum outro tipo de energia, como a mecânica, que pode mover um objeto. A capacidade de um dispositivo de transformar a energia elétrica em outro tipo de energia está relacionada à sua potência elétrica, cuja unidade de medida, no SI, é o joule por segundo (J/s) , também chamado de watt ( W) . Ela é determinada pela relação entre a quantidade de energia elétrica transformada ou transferida e o respectivo intervalo de tempo para que tal fenômeno ocorra, ou seja: EE P = _ Δt

Com base na equação anterior, conclui-se que o aparelho que apresenta maior valor de potência elétrica é o que mais consome energia elétrica, considerando o mesmo intervalo de tempo de funcionamento. Assim, podemos utilizar essa equação para o cálculo da energia elétrica consumida. EE = P · Δt No SI, a energia elétrica consumida é dada em watt-segundo ( W · s) , no entanto, no cotidiano, utiliza-se o quilowatt-hora ( kWh) , isto é, a potência com o múltiplo quilo e o tempo indicado na unidade hora. Em 2010, foram proibidas a fabricação, importação e comercialização de lâmpadas incandescentes. Um dos motivos é sua baixa eficiência. Para a mesma luminosidade, isto é, para o mesmo benefício percebido pelo consumidor, uma lâmpada incandescente de 60 Wde potência é equivalente a uma lâmpada fluorescente de 15 Wou uma lâmpada LED de 7 Wde potência, por exemplo. Isso significa que, considerando uma situação em que essas três lâmpadas permaneçam acesas 10 horas por dia durante um mês, o consumo total de energia seria 18 kWh, 4,5 kWh e 2,1 kWh, respectivamente. Se o custo para cada kWh fosse R$ 1,30, os valores a serem pagos seriam R$ 23,40, R$ 5,85 e R$ 2,73, respectivamente. Logo, caso a lâmpada incandescente fosse substituída por uma fluorescente, o consumidor teria uma economia de 75%; caso fosse substituída por uma lâmpada LED, a economia seria de 88%. Além da redução do valor a ser pago pela fatura de energia, a substituição das lâmpadas incandescentes colabora para a conservação do meio ambiente, diminuindo a produção de lixo, visto que a durabilidade das lâmpadas fluorescentes ou LED é muito maior.

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UNIDADE

4 A potência elétrica também pode ser definida por meio das grandezas diferença de potencial e corrente elétrica, pois elas são diretamente proporcionais à potência, isto é: P = U · i No caso específico de um resistor, a potência elétrica corresponde à energia elétrica convertida em energia térmica (dissipada), que pode ser calculada em relação à resistência elétrica do resistor. Da lei de Ohm, U sabe-se que U = R · iou i = _ . Portanto, substituindo na equação, temos: R U 2 P = R · i 2 ou P = _ R

A fim de conscientizar a população sobre o consumo racional de energia elétrica, criou-se o selo do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel). Esse selo acompanha todos os equipamentos que consomem energia (elétrica, gás, gasolina etc.).

Procel

Compartilhe ideias

a ) Junte-se a um colega e pesquisem qual é o objetivo do selo Procel, como se iniciou esse projeto e de que maneira ele foi elaborado. Por fim, conversem com outra dupla sobre as informações pesquisadas, relacionando-as ao que atualmente entendemos por consumo consciente de energia elétrica. Resposta: Espera-se que os estudantes

compartilhem suas informações sobre o uso do selo Procel, elaborado de acordo com testes realizados em laboratório, a fim de classificar a eficiência do dispositivo Selo Procel de eficiência energética em questão. Escolher equipamentos elétricos de uma lavadora de roupas com mais eficientes é uma maneira de praticar o classificação A (mais eficiente). consumo consciente de energia elétrica.

Cuidados com a energia elétrica

Esses profissionais são peritos em construir sistemas elétricos, isto é, são pessoas que receberam instrução e treinamento específicos para agir com segurança. Além disso, eles devem utilizar equipamentos de proteção individual (EPIs), que os protegem contra possíveis acidentes, como receber uma descarga elétrica. Entre esses materiais de proteção, podemos citar botas e luvas de material isolante, ferramentas especiais, macacão com tratamento antichama e capacete. Caso os serviços ocorram em lugares de grande altitude, eles também podem utilizar cadeiras suspensas.

Dmitry Kalinovsky/Shutterstock.com

Receber uma descarga elétrica é sempre algo muito perigoso. Acima de 2 0 mA, a corrente elétrica em nosso corpo pode causar dor e dificuldades para respirar. Valores mais altos têm consequências ainda mais graves, como desmaios, queimaduras e até mesmo morte. Portanto, todos os reparos elétricos de uma residência devem ser realizados apenas por profissionais.

Eletricista fazendo manutenção na rede elétrica.

A energia elétrica traz imensos benefícios para nossa vida, mas deve ser tratada com cautela e muito conhecimento técnico. Sempre contrate um profissional capacitado para fazer manutenções em sua residência. a ) Quais cuidados você deve ter com a energia elétrica em sua residência?

Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que todo serviço de manutenção elétrica deve ser feito por um profissional da área; nas tomadas, inserir apenas os objetos pertinentes; não utilizar dispositivos elétricos com fios descascados ou algum outro tipo de avaria que possa comprometer seu funcionamento; entre outros cuidados.

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ATIVIDADES

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

1. O que é dissipado em um circuito elétrico: corrente ou energia elétrica? Justifique.

Resposta: Energia elétrica.

2. Nas instalações elétricas residenciais, para a pre-

Sergio Lima/Arquivo da editora

venção de incêndios, usa-se o disjuntor, um dispositivo que interrompe a passagem da corrente elétrica quando esta ultrapassa a intensidade da corrente suportada. Deseja-se instalar um chuveiro de 3 500 W, em uma tensão de 220 V. Qual é, aproximadamente, o valor mínimo da corrente elétrica que o disjuntor deve deixar passar sem Alternativa c. Resolução desarmar? Resposta: nas Orientações para o professor.

6. Quando um chuveiro é ligado a uma rede elétri-

ca de 220 V, apresenta uma potência de 6 050 W. Sabendo que o mesmo chuveiro é ligado a uma rede de 110 V, responda às questões a seguir.

Resoluções nas Orientações para o professor.

a ) Qual é a resistência do chuveiro? Resposta: 8 Ω.

b ) Qual é a nova potência operada pelo chuveiro? Resposta: 1 512,5 W.

c ) Para que o chuveiro funcione corretamente nessa tensão elétrica e com a mesma potência, seu resistor deve ser substituído por outro com qual valor de resistência? Resposta: 2 Ω.

a ) 5 A

c ) 16 A

b ) 12 A

d ) 22 A

d ) Qual é a energia consumida em 3 0 minde funcionamento do chuveiro com novo resistor?

3. Considere o circuito elétrico a seguir.

7. Para manuseio de equipamentos elétricos sem-

Resposta: 3,025 kWh.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de associação de resistores.

Sendo R1 = 1 Ω, R2 = 2 Ω, R3 = 3 Ω, R4 = 4 Ω, 1 _ R5 = = 4 Ωe R6 = Ω, qual é a potência elétrica 8 dissipada por todos os resistores quando for aplicada uma diferença de potencial elétrico de 10 V nos terminais A e B? Resposta: 50 W. Resolução nas Orientações para o professor.

4. Um empresário abriu uma lavanderia de roupas.

Para controlar os gastos, comprou uma secadora de roupas com potência de 2 000 W. Sabendo que a secadora funcionará 4 h por dia e que o custo de 1 kWhé R$ 0,50, quantos reais o empresário gastará em 30 dias em razão dos custos de energia elétrica com essa secadora?

Resposta: R$ 120,00. Resolução nas Orientações para o professor.

5. Para tomar chimarrão, é preciso usar uma resis-

tência elétrica ligada a uma tensão de 110 Vpara aquecer 1 kgde água de 20 °Cpara 80 °C. Sabendo que o aquecimento leva 2 5 mine que o calor específico da água é 4,2 · 103 J/kg · °C, analise as sentenças a seguir, classifique-as em verdadeiras ou falsas e justifique as falsas. Considere que toda energia dissipada na forma de calor pela resistência é integralmente transmitida à água para aquecê-la. Resposta nas Orientações para o professor. I ) A energia absorvida pela água é 3 · 105 J. II ) A potência elétrica da resistência é 420 W. III ) A resistência elétrica é 72 Ω.

pre devemos tomar os devidos cuidados, pois uma corrente de poucos amperes pode ser fatal para o ser humano. As correntes elétricas que percorrem as tomadas das residências podem ter valores de cerca de 10 Aa 24 A, portanto toda manutenção deve ser feita com os aparelhos desligados e por profissionais que utilizam os devidos equipamentos de proteção. Uma pessoa, mesmo sabendo de todos os cuidados necessários, decidiu arrumar o resistor elétrico de seu chuveiro por conta própria e escolheu cortá-lo pela metade, alegando que iria melhorar o funcionamento do chuveiro elétrico. A respeito da atitude tomada por essa pessoa, discuta o que aconteceria com o chuveiro elétrico quando fosse ligado e se a pessoa estava correta em relação a um melhor funcionamento do equipamento.

Resposta nas Orientações para o professor.

8. Alguns animais apresentam comportamento semelhante a circuitos elétricos. Por exemplo, o peixe poraquê da espécie Electrophorus voltai pode gerar grande diferença de potencial, produzindo correntes elétricas capazes de causar paralisia muscular em suas presas ou em seres humanos. As diferenças de potencial são geradas por órgãos especializados, que são constituídos de células chamadas eletrócitos ou eletroplacas. Cada eletrócito pode produzir uma diferença de potencial de aproximadamente 150 mV. a ) Se um poraquê possui eletrócitos associados em série e produz uma corrente de 2 A, qual é a potência elétrica gerada por esse animal?

Resposta: P = 1 710 W. Resoluções nas Orientações para o professor.

b ) Se o mesmo poraquê produziu descargas elétricas de cerca de 2 s cada, determine a energia elétrica consumida no processo. 4,75 kWh 8. b) Resposta: E  E =

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CAPÍTULO

Geração de energia elétrica

Geradores e transformadores elétricos Leia a manchete a seguir.

1. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre o desenvolvimento de diferentes tecnologias empregadas em mobilidade urbana e seus benefícios para o meio ambiente.

O carro elétrico e o movido a etanol são as melhores opções para o meio ambiente É o que demonstra um estudo na Poli, o qual comparou as emissões de gases de efeito estufa entre veículos movidos a gasolina e etanol e os elétricos e cujo diferencial é a metodologia empregada O CARRO elétrico e o movido a etanol são as melhores opções para o meio ambiente. Jornal da USP, 10 maio 2023. Disponível em: https://jornal.usp.br/radio-usp/o-carro-eletrico-e-o-movido-a-etanol-sao-as-melhores-opcoes-para-o-meio-ambiente/. Acesso em: 30 ago. 2024.

1. Você sabe o que são veículos elétricos e veículos híbridos?

A manchete apresenta informações sobre a busca por um tipo de mobilidade sustentável, baseada em fontes de energia renováveis com menos emissão de gases poluentes para o meio ambiente. Mas como é gerada a energia necessária para o funcionamento dos veículos elétricos e híbridos?

Labrador Photo Video/Shutterstock.com

dínamo

Dínamo acoplado à roda de uma bicicleta.

Esses veículos têm um sistema de reaproveitamento de energia que consiste em um gerador, conhecido como dínamo. Esse tipo de gerador é utilizado em bicicletas comuns, transformando energia mecânica em energia elétrica para o acionamento dos faróis, por exemplo. Os dínamos funcionam quando um material condutor é colocado em movimento em um campo magnético, ou quando um material magnetizado se movimenta no interior de uma bobina. A variação do campo magnético causada quando um ímã se desloca no interior da bobina induz a uma diferença de potencial em suas espiras, levando as cargas elétricas dos fios a adquirir um movimento ordenado, gerando a corrente elétrica. Esse fenômeno é chamado indução eletromagnética.

Bobina: fio condutor arranjado de maneira a formar diversas espiras, isto é, vários círculos ao redor de uma mesma região central.

Bascar/Shutterstock.com

Nos veículos híbridos, existem dois motores: um a combustão interna e outro elétrico. Além disso, há um sistema chamado frenagem regenerativa. Esse sistema é acionado pela frenagem, momento em que o motor elétrico passa a atuar como gerador elétrico (dínamo) e transforma parte da energia cinética das rodas em energia elétrica que recarrega a bateria. O motor a combustão também auxilia o recarregamento da bateria do veículo. Fotografia mostrando os dois motores de um carro híbrido.

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Phil_Berry/Shutterstock.com

A indução eletromagnética também é usada nos sistemas de segurança de aeroportos, quando as pessoas passam por detectores de metais. Caso elas estejam portando quantidade significativa de ferro ( Fe) ou outros metais, o campo magnético das espiras do sistema é alterado e um alarme é disparado. Dica A simetria entre a obtenção de efeitos magnéticos por efeitos elétricos e de efeitos elétricos por efeitos magnéticos foi compreendida teoricamente pelo físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), em 1864, mesmo sem levar em consideração a existência do elétron, desconhecido até então. Suas publicações marcaram o início do Eletromagnetismo.

Pessoas passando pelo detector de metais no Aeroporto Internacional Sabiha Gökçen, na Turquia, em 2020.

Força eletromotriz induzida ( fem)

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Quando inserimos um ímã no interior de uma bobina, surge no condutor uma corrente elétrica com determinado sentido (A), efeito que não é verificado com o ímã em repouso (B). Entretanto, quando se retira o ímã, surge no condutor uma corrente elétrica em sentido contrário ao anterior (C), como representado nas imagens a seguir. B.

A Representação da corrente elétrica induzida em um condutor por um ímã entrando no interior da bobina.

A Representação da corrente elétrica induzida em um condutor por um ímã em repouso no interior da bobina.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Representação da corrente elétrica induzida em um condutor por um ímã saindo do interior da bobina.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 471.

A. Quando o ímã é inserido na bobina, surge nela uma corrente elétrica. B. O ímã em repouso no interior da bobina não induz a corrente elétrica. C. Quando o ímã é retirado da bobina, surge uma corrente elétrica no sentido contrário ao criado quando ele foi inserido. A corrente que surge na bobina é chamada corrente induzida, e é gerada por uma força eletromotriz induzida ( fem – ε) , a qual é produzida pelo movimento do ímã em relação à bobina, ou vice-versa. Isso significa que a força eletromotriz induzida surge quando há um movimento relativo entre a fonte do campo magnético e o condutor, cuja intensidade é diretamente proporcional à rapidez com a qual ocorre o movimento. Dica O número de espiras da bobina também influencia a fem induzida, isto é, mover o ímã no interior de uma bobina com o dobro de espiras produz 2 · ε. Em uma bobina com 4 vezes mais espiras, a feminduzida será de 4 · ε, e assim por diante.

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UNIDADE

Cacio Murilo/Shutterstock.com

Tales Azzi/Pulsar Imagens

Nas usinas geradoras de energia elétrica, a voltagem é induzida ao se movimentar uma bobina dentro de um campo magnético estacionário. Nas usinas hidrelétricas, por exemplo, utiliza-se a água para mover a turbina acoplada ao gerador, transformando energia mecânica em elétrica.

Eixo da turbina na Usina Hidrelétrica de Itaipu, no município de Foz do Iguaçu (PR), em 2019.

Aerogeradores no município de Caucaia (CE), em 2024.

Joa Souza/Shutterstock.com

A energia elétrica gerada nas usinas tem alta voltagem (aproximadamente 14 kV), pois isso facilita sua transmissão e distribuição. Entretanto, a rede elétrica residencial do Brasil fornece tensões alternadas de 1 27 Ve 2 20 V. Para isso, utiliza-se um dispositivo chamado transformador, como o da fotografia, que diminui a tensão da energia elétrica que chega da distribuição para as residências. Dica Os dínamos utilizados em lanternas de mão e de bicicletas funcionam como os geradores das usinas elétricas.

Dica O engenheiro sérvio Nikola Tesla (1856-1943) construiu geradores muito parecidos com os usados atualmente, mas um pouco mais complexos do que o modelo básico já discutido. Seu modelo possuía um rotor (núcleo de ferro com fios de cobre enrolados ao seu redor) que girava por meio da energia de uma queda-d’água ou de vapor no interior de um intenso campo magnético, produzindo voltagem e corrente alternada. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

O funcionamento do transformador está baseado na indução eletromagnética. Ele consiste em dois enrolamentos ou bobinas com número de espiras diferentes, em torno de um núcleo de ferro.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

aparelho elétrico núcleo de ferro Up Us Np enrolamento primário

Transformador de alta-tensão da rede de distribuição de energia elétrica, no município de Salvador (BA), em 2020.

Ns enrolamento secundário

Representação de um transformador.

O enrolamento primário é conectado a uma fonte de tensão alternada (gerador), em que a corrente elétrica alternada torna seu campo magnético variável, produzindo um fluxo magnético também variável. Esse fluxo funciona como um ímã em movimento dentro do enrolamento secundário que, de acordo com a lei de indução de Faraday, induz nele uma tensão e uma corrente alternada.

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Dica A indução eletromagnética pode ser resumida pela lei de Faraday, em que a voltagem induzida em uma bobina é proporcional ao produto do número de espiras pela área da seção transversal de cada espira e pela taxa com a qual o campo magnético varia no interior das espiras.

Compartilhe ideias

Os transformadores desempenham um papel fundamental para o funcionamento dos dispositivos elétricos. a ) Junte-se a dois colegas e pesquisem os tipos de transformadores presentes em dispositivos utilizados no cotidiano. Verifiquem se esses transformadores funcionam com corrente elétrica contínua. Em seguida, apresentem-nos aos outros colegas.

A tensão em cada enrolamento é proporcional ao seu respectivo número de espiras, ou seja, a tensão Up no enrolamento primário está relacionada ao número de espiras Np, assim como a tensão Us no secundário está relacionada ao número de espiras Ns. Então, para os dois enrolamentos, a transformação se dá por: Up Np _ = _ Us Ns

Portanto, conclui-se que se o número de espiras for diferente, pode-se obter uma tensão de saída maior ou menor do que a tensão de entrada, ao passo que, se os enrolamentos tiverem o mesmo número de espiras, a tensão de saída será igual à de entrada. Dica O transformador que tem mais espiras no enrolamento secundário Ns > Np é chamado elevador de tensão, pois Us > Up. O transformador que apresenta menos espiras no enrolamento secundário Ns < Np é chamado abaixador de tensão, pois Us < Up.

Potência e rendimento de geradores elétricos Potência é uma grandeza que relaciona a quantidade de energia transformada com o intervalo de tempo em que a transformação ocorre. No gerador elétrico, ocorre a transformação de determinado tipo de energia (total) em elétrica (útil) e térmica (dissipada). Portanto, sabendo que a potência elétrica de um dispositivo pode ser calculada por P = i · U, a potência associada a um gerador elétrico é obtida multiplicando-se a equação geral dos geradores pela corrente elétrica.

em que:

(U = ε − r · i)· i ⇒ i · U = i · ( ε − r · i)∴   i · U = i · ε − r · i 2

• Pútil = i · Ucorresponde à potência útil fornecida pelo gerador ao circuito elétrico; • Ptotal = i · ε corresponde à potência total do gerador;

• Pdissipada = r · i 2 corresponde à potência dissipada, ou seja, gerada e não aproveitada.

P t − P d. Pelas potências destacadas, é possível escrever: i · U = i · ε − r · i 2 como Pu = Dica

Para um gerador real, a ddpUestabelecida em um circuito é dada pela fem εmenos a queda de potencial causada por sua própria resistência interna r , o que pode ser escrito da seguinte forma: U = ε − r · i

Essa relação é conhecida como equação geral dos geradores elétricos.

Já o rendimento do gerador corresponde à proporção da energia total realmente utilizada em um circuito elétrico. Para um gerador elétrico real, seu rendimento pode ser obtido pela razão entre a potência útil e a potência total ou pela razão entre a ddp ( U)e a fem ( ε).

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a) Resposta: Espera-se que os estudantes pesquisem Pútil _ U os transformadores utilizados em dispositivos η = _ = elétricos de pequeno porte e de uso comum. É Ptotal ε importante perceberem que os transformadores funcionam apenas com corrente elétrica alternada, e não contínua. De acordo com a lei de indução de Faraday, o fluxo de campo magnético variável produz a força eletromotriz induzida, e assim é produzida a corrente elétrica induzida. Se a corrente elétrica for contínua, o campo magnético gerado é constante, ou seja, o fluxo magnético é uniforme. Portanto, não ocorre a indução eletromagnética na bobina secundária.

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UNIDADE

4 A guerra das correntes A guerra das correntes ou batalha das correntes ocorreu no final do século XIX. Nessa época, os inventores estadunidenses Thomas Edison (1847-1931), George Westinghouse (1846-1914) e Nikola Tesla (1856-1943) começaram uma disputa sobre como deveria ser feita a distribuição de energia elétrica. Então, iniciou-se uma batalha para mostrar o melhor sistema de geração, transmissão e fornecimento de energia, em que Edison defendia a corrente contínua (CC), enquanto Westinghouse e Tesla defendiam a corrente alternada (CA). Nessa época já existia uma rede elétrica pública nos Estados Unidos, usada principalmente para alimentar lâmpadas incandescentes e motores elétricos. A exploração dessa rede elétrica revertia grandes benefícios a Thomas Edison, que tinha obtido várias patentes pela invenção da lâmpada e de diversos dispositivos para gerar corrente contínua. As primeiras usinas de Thomas Edison usavam combustíveis fósseis para alimentar os geradores elétricos e o calor irradiado por eles aquecia residências e fábricas próximas. Outras pessoas tentavam entrar nesse negócio lucrativo, como o empresário George Westinghouse. Ele contratou Tesla, que futuramente obteve uma patente para seu dispositivo construído para gerar e distribuir corrente alternada.

Dica

BGI Supplies/Diamond Films

Erman Gunes/Shutterstock.com

Tesla construiu geradores parecidos com os usados atualmente, em que um núcleo de ferro com fios condutores enrolados ao seu redor podia girar no interior de um campo magnético intenso, acionado por uma turbina, a qual era movimentada pela energia de uma queda de água ou com o movimento de vapor sob grande pressão.

Bobina de Tesla no Museu Nikola Tesla, em Belgrado, Sérvia, em 2023.

Assista ao filme A batalha das correntes (Direção de Alfonso Gomez-Rejon, produção Film Rites. Estados Unidos: Diamond Films do Brasil Produção e Distribuidora Audiovisual Ltda., 2017. 108 min). Ele retrata a jornada dos inventores que ajudaram a construir a história da eletricidade e da modernidade por meio da luz, reconstituindo a sociedade da época e a necessidade de criar, realizar e construir de seus personagens. Capa do filme A batalha das correntes.

A guerra das correntes acabaria com a vitória do sistema de corrente alternada de Tesla e Westinghouse para a distribuição de energia a longas distâncias. Uma de suas principais vantagens com relação ao sistema de corrente contínua era a facilidade de poder aumentar ou diminuir a tensão utilizando transformadores, por causa da alternância do fluxo de elétrons, com menos perda de energia. a ) Nikola Tesla foi um dos maiores cientistas da história. Suas invenções mudaram a realidade da época e são usadas até os dias atuais. Qual é a importância dos estudos sobre os elementos históricos e suas contribuições para o desenvolvimento do conhecimento científico? Exponha suas opiniões aos colegas. a) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a refletir sobre a importância dos conhecimentos historicamente construídos e perceber que o resgaste histórico contribui para o estudo e o desenvolvimento da ciência, além de incentivar uma visão crítica sobre os processos pelos quais a Ciência passa e sua relação com a sociedade de cada época.

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Lennox Wright/Shutterstock.com

PRÁTICA CIENTÍFICA Transformação de energia Por dentro do contexto Diversas atividades do cotidiano envolvem transformações de energia, entre elas a geração de energia elétrica. A energia elétrica é uma das formas de energia mais consumidas no mundo e pode ser obtida por meio da transformação de qualquer outro tipo de energia em energia elétrica. Para isso, foram desenvolvidos dispositivos capazes de realizar tais transformações. a ) Você sabe como esses dispositivos funcionam? b ) Como é possível construir um dispositivo que transforme energia mecânica em energia elétrica?

• papelão

• elástico de borracha

• tesoura com pontas arredondadas

• LED

Gerador elétrico em um hospital.

Dica

• compasso

• parafusos (sem ponta) de aproximadamente 3 cmde comprimento • cola instantânea (cola à base de e 0,5 cmde diâmetro cianoacrilato) • motor elétrico (de carrinho de brinquedo, • fita-crepe aparelho de CD ou DVD, impressora etc.)

Como proceder

b) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a levantar hipóteses de como eles podem construir um gerador elétrico. Eles podem citar que é possível utilizar um motor elétrico simples para transformar energia mecânica em elétrica.

A. Desenhe no papelão um retângulo de aproximadamente 20 cmde comprimento por 10 cmde largura.

B. Em outra região do papelão, fora do retângulo desenhado no passo anterior, faça com o compasso dois círculos de aproximadamente 8 cm de diâmetro e um círculo de aproximadamente 7 cmde diâmetro.

Os componentes eletrônicos, como o motor e o LED, podem ser comprados em uma loja específica para isso.

Cuidado Evite utilizar parafusos com ponta afiada. Prefira parafusos com ponta plana a fim de evitar acidentes.

20 cm

5 cm

5 cm 10 cm

5 cm

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

a) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes comentem que os geradores elétricos geralmente possuem uma turbina acoplada a um gerador e que, para girar a turbina, podemos utilizar transformações que envolvem energia térmica, Materiais mecânica e nuclear para gerar energia elétrica.

C. Faça dois furos no retângulo nas posições indicadas na imagem. D. Recorte o papelão conforme os traços, obtendo três discos, sendo dois maiores e iguais e um menor, além de um retângulo.

7 cm

Dica Você pode usar um lápis ou o próprio compasso para fazer os furos no papelão.

8 cm

Imagem referente às etapas A e B.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

E. Agora, insira um dos parafusos no furo de um dos discos maiores. Você pode aproveitar o furo feito pelo compasso como guia para posicionar o parafuso. F. Cole os três discos, deixando o disco menor no centro, formando uma polia. cm de G. Faça outro furo na polia, a aproximadamente 2 distância da borda, e insira o segundo parafuso nele. H. Retire o parafuso da polia e coloque-o em um dos furos no retângulo. Em seguida, coloque a polia novamente no parafuso.

Peças encaixadas nos passos G e H.

Piotr Wytrazek/Shutterstock.com

I. Conecte o motor ao LED. Os motores elétricos costumam ter dois contatos elétricos em sua base, como mostra a imagem. Os LEDs deverão ser conectados nesses pontos. Alguns motores já vêm com fios fixados a esses contatos. Nesse caso, é necessário apenas enrolar cada fio em uma das pernas do LED. Se não houver os fios, pode-se dobrar os contatos do LED ao redor dos contatos do motor.

Motor elétrico. Imagem referente à etapa I.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

J. No retângulo de papelão, faça um recorte do tamanho e formato do motor. Em seguida, encaixe o motor elétrico nesse recorte, deixando o eixo do motor para o mesmo lado da polia. Por fim, passe o elástico dentro da polia e ao redor do eixo do motor. K. Gire a polia no sentido horário. Depois, gire novamente a polia, mas no sentido anti-horário. Anote no caderno o que foi observado. L. Faça movimentos de giro mais rápidos e mais lentos para ambos os sentidos, horário e anti-horário, anotando no caderno os efeitos observados.

Análise e divulgação

UNIDADE

Polia acoplada ao motor elétrico.

2. Resposta pessoal. Pelo movimento da mão, os ímãs entraram em movimento no interior da bobina, gerando um fluxo magnético que induziu uma corrente elétrica nos fios de cobre, e a energia elétrica foi transformada em energia luminosa nos LEDs.

1. Quais foram as transformações de energia envolvidas no funcionamento do sistema que foi montado? Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que a energia mecânica foi transformada em energia elétrica e, posteriormente, em energia luminosa. 2. Como ocorreram essas transformações de energia?

3. Quais foram as evidências que comprovaram a presença das formas de energia observadas e suas respectivas transformações?

Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que a energia elétrica surge ao movimentar a mão, transformação evidenciada ao acender os LEDs.

4. O gerador construído poderia ser melhorado? Como? Resposta pessoal. Os estudantes podem responder que, ao usar uma bobina com núcleo de ferro e um ímã mais forte em forma de barra, o efeito do movimento do ímã poderia ser intensificado.

5. Descreva como seria possível adaptar o sistema existente para que funcione utilizando outra fonte de energia.

Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que, para movimentar a polia acoplada ao motor/gerador elétrico, eles poderiam utilizar o movimento da água (com uma roda-d’água) ou utilizar o movimento do ar (com um cata-vento), por exemplo.

6. Junte-se a dois colegas e elaborem uma apresentação de seminário para o restante da turma a fim de

divulgar os resultados do experimento por meio de slides contendo vídeos e dados obtidos. Acrescentem ao vídeo suas observações e suas conclusões, bem como as respostas para as questões iniciais. Ao final da apresentação, reservem alguns minutos para responder às dúvidas dos colegas.

6. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a divulgar os resultados de sua observação/investigação. Eles devem apresentar as respostas das hipóteses levantadas durante a realização da atividade, assim como os resultados obtidos.

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ATIVIDADES

2. Resposta: Cada espira contribui para gerar uma força magnética contrária ao movimento. Assim, NÃO ESCREVA aumentando-se o número de espiras, aumenta-se a intensidade da força magnética. NO LIVRO. 4. Resposta: I) Verdadeira. II) Verdadeira. III) Falsa. Com a espira parada não ocorre variação do fluxo nem indução de força eletromotriz. IV) Verdadeira.

1. O fenômeno da indução eletromagnética tem

Um estudante resolve construir um protótipo de um aerogerador utilizando uma espira acoplada a um cata-vento capaz de rotacionar em um campo magnético uniforme. A espira está ligada a uma lâmpada no lado oposto ao do cata-vento. De acordo com essas informações, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas.

como produto final a energia elétrica. A indução em uma bobina ocorre quando: a ) é aplicada uma diferença de potencial entre os terminais da bobina. b ) uma corrente elétrica percorre os fios que constituem a bobina. c ) existir um campo magnético constante em seu interior.

I ) O giro da espira no interior do campo magnético causa o brilho da lâmpada e a corrente elétrica gerada é alternada.

d ) provoca-se uma variação no fluxo magnético em seu interior. Resposta: Alternativa d.

II ) Conforme a espira gira, o campo magnético exerce sobre ela um torque oposto ao seu movimento.

2. Ao empurrar um ímã para o interior de uma bo-

bina, é sentida uma força contrária à tentativa de introduzi-lo. Por que a força é ainda maior se a bobina for composta de uma quantidade maior de espiras?

III ) Caso a espira pare de girar, a força eletromotriz continua a existir, já que um campo constante gera uma força eletromotriz, mas não uma corrente elétrica.

3. Em uma usina nuclear, a transformação de ener-

gia começa com a fissão nuclear do material radioativo no reator, que libera grande quantidade de energia térmica. Essa energia térmica aquece a água, transformando-a em vapor de alta pressão. O vapor é então direcionado para girar turbinas conectadas a geradores, que convertem a energia mecânica das turbinas em energia elétrica por meio de um processo de indução eletromagnética. Caso haja um mal funcionamento do maquinário da usina e a pressão do vapor aumente subitamente, qual será o comportamento da força eletromagnética induzida nos geradores?

IV ) Quanto maior a velocidade do giro da espira, maior o fluxo do campo magnético e maior a energia gerada, e, assim, o brilho da lâmpada aumentará.

5. Na última diminuição da voltagem no transporte

de energia às residências, ela chega a 13 800 V, passando por um transformador e caindo para Aproximadamente 92 voltas. Resoluções 127 V. Resposta: nas Orientações para o professor. a ) Se o enrolamento primário tem 10 000 voltas, qual é a quantidade de espiras no secundário?

b ) Em um transformador ideal, a potência nos enrolamentos primário e secundário é igual. Qual é a relação entre as correntes dos enrolamentos secundário e primário?

4. A energia eólica é o tipo de energia renovável

Gesiel Vargas/Shutterstock.com

que transforma a energia cinética do vento em energia elétrica por meio de um gerador, denominado aerogerador, que fica acoplado a um cata-vento, como mostrado na imagem a seguir.

7. a) Resposta: U = 7,2 V. Resolução nas Orientações para o professor.

Resposta: Aproximadamente 108,7.

6. Considere um gerador com uma fem de 2 Ve uma corrente no circuito igual a 0,1 A. Determine:

,2 W. Resoluções Resposta: P = 0

t a ) a potência total. nas Orientações para o professor.

cata-vento

b ) a potência dissipada, sendo a resistência interna igual a 0,2 Ω. Resposta: Pd = 0 ,002 W. c ) a potência útil. Resposta: Pu = 0 ,198 W.

7. Um gerador elétrico possui uma força eletroaerogerador

motriz de 9 Ve, quando ligado em um circuito elétrico, é percorrido por uma corrente de 3 A. Considerando que a resistência interna desse gerador é de 0,6 Ω, determine: a ) a diferença de potencial entre os polos do gerador. Resposta: U = 7,2 V. Resoluções nas

Gerador eólico no município de Osório (RS), em 2022.

276

3. Resposta: O aumento da pressão do vapor vai levar a um aumento na velocidade de rotação das turbinas. Isso provocará um aumento na variação do campo magnético em função do tempo.

Orientações para o professor.

b ) o rendimento desse gerador. Resposta: η = 0,8 = 80%.

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8. As guitarras elétricas, diferentemente dos violões,

StartosXIII/Shutterstock.com

não têm caixas de ressonância para amplificar o som. Por isso, elas são equipadas com dispositivos chamados captadores, que consistem em bobinas de fios condutores que são enroladas em torno de ímãs permanentes, conforme mostrado na fotografia. Dessa forma, as cordas da guitarra que geralmente são feitas de níquel ou aço interagem com o campo magnético desses ímãs. Ao fazer as cordas vibrarem, cria-se uma oscilação no campo magnético no interior da bobina e, assim, gera-se uma corrente induzida. Esse sinal elétrico é recebido pelo amplificador e passado aos alto-falantes, produzindo o som característico desse instrumento.

Sobre o funcionamento desse transformador, avalie as alternativas a seguir, indicando a somatória das corretas.

UNIDADE

9. Resposta: 02 + 04 + 16 = 22. 01) Falsa. O aparelho ficara sob uma tensão elétrica maior, pois há mais voltas no enrolamento secundário. 02) Verdadeira. 04) Verdadeira. 08) Falsa, pois os transformadores elétricos funcionam com corrente alternada. 16) Verdadeira.

01 ) Quando um aparelho elétrico for ligado no enrolamento secundário desse transformador, ele ficará sob uma tensão menor do que a do enrolamento primário. 02 ) O núcleo do transformador deve ser feito de material que interage com o campo magnético gerado pela corrente elétrica, como o ferro. 04 ) Esse transformador pode alterar a tensão elétrica de 127 Vpara 220 V. 08 ) Não há diferença entre ligar esse transformador em uma fonte de corrente alternada ou em uma fonte de corrente contínua. 16 ) Se o enrolamento primário desse transformador estiver conectado em uma tomada de 127 V, ao ligar um aparelho desenvolvido para funcionar em 127 V, ele queimará.

10. Michael Faraday foi um dos principais nomes re-

Captadores de guitarra.

Se as cordas de aço da guitarra fossem trocadas por cordas de náilon como as dos violões, o que aconteceria? Indique a alternativa correta. a ) O uso de cordas de náilon aumentaria a corrente elétrica induzida nos captadores. b ) As cordas de náilon, por não serem ferromagnéticas, não produziriam corrente elétrica nos captadores. c ) As cordas de náilon funcionariam da mesma forma que as cordas de aço, não alterando o som emitido pela guitarra. d ) As cordas de náilon vibrariam com frequência diferente das cordas de aço, gerando um sinal muito fraco. Resposta: Alternativa b.

9. Confira a imagem do transformador e, na sequência, indique as alternativas corretas.

lacionados aos estudos do Eletromagnetismo. Ele desenvolveu diversos experimentos, os quais eram explicados com linguagem simples. A formulação matemática que unificou os fenômenos elétricos e magnéticos veio em 1864, com James Clerk Maxwell, nas relações que ficaram conhecidas como as equações de Maxwell. Uma das principais descobertas de Faraday foi sobre a indução e o comportamento da força eletromotriz. A respeito da lei da indução de Faraday, indique a alternativa correta. Resposta: Alternativa e. a ) Corrente elétrica são elétrons em movimento, incapazes de produzir campo magnético. b ) Em um transformador, a variação do campo magnético na bobina para o circuito de saída não será capaz de gerar energia elétrica, pois a variação do campo magnético causará uma interferência destrutiva. c ) Se um ímã se mover rapidamente perto de uma espira de material condutor, a corrente será menor.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

d ) Na transmissão de energia elétrica comercial, a indução eletromagnética não é adequada para esse processo, pois a alta-tensão maximiza as perdas de energia em forma de calor.

Representação de um transformador.

e ) A variação de um ímã em um material condutor gera um campo elétrico capaz de produzir uma corrente elétrica.

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CAPÍTULO

Reações nucleares

Fissão e fusão nuclear Rivaldo Barboza/Arquivo da editora

Confira a representação do Sol na imagem desta página.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

1. Resposta: Espera-se que os estudantes relacionem que ocorrem reações nucleares no Sol, especificamente a fusão nuclear, que acontece no núcleo solar, fundindo núcleos de hidrogênio para a formação de átomos de hélio, liberando grande quantidade de energia na forma de luz e calor.

Representação de ambiente iluminado pela luz solar.

1. Como a imagem desta página pode ser relacionada às reações nucleares?

A luz solar é importante para os processos químicos da vida. As plantas e algas, por exemplo, utilizam luz para a realização da fotossíntese, processo fundamental para a manutenção de todas as cadeias alimentares do ecossistema. Toda a luz e a energia que chegam à Terra provêm do interior do Sol, cujo núcleo é composto de grande quantidade de átomos de hidrogênio (H) comprimidos por intensa força gravitacional. Por meio da reação provocada pelas colisões entre si, esses átomos de hidrogênio se combinam e formam o átomo de hélio (He), liberando muita energia por meio da emissão de fótons (luz). A reação em que átomos mais leves se fundem para gerar átomos mais pesados é chamada de fusão nuclear, caracterizando um tipo de reação nuclear.

O número atômico (Z) corresponde ao número de prótons no interior do núcleo do átomo. Caso o átomo tenha carga elétrica neutra, o número de elétrons é o mesmo que o de prótons. O número de massa ( A) é a soma do número de prótons e de nêutrons. Portanto, podemos representar o átomo de hidrogênio e hélio, por exemplo, como 11 H e 42He, respectivamente.

Hidrogênio 1,01

He Hélio 4,00

Ilustrações: Cynthia Sekiguchi/Arquivo da editora

O átomo de hidrogênio consiste apenas em um próton (no núcleo) e um elétron (na eletrosfera), enquanto o átomo de hélio é composto de dois prótons e dois nêutrons (no núcleo), além de dois elétrons (na eletrosfera).

Símbolos dos elementos químicos hidrogênio e hélio.

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UNIDADE

4 Acredita-se que no início do Universo havia apenas átomos de hidrogênio, poucos átomos de hélio e resquícios de berílio ( Be) e lítio ( Li). Após a formação das estrelas, todos os outros elementos químicos que conhecemos, por exemplo, o oxigênio ( O) e o carbono ( C), originaram-se de fusões nucleares que aconteciam no interior delas. Entretanto, essas reações ocorrem até a formação do núcleo de ferro ( Fe), pois, para que ocorra qualquer processo de fusão nesse elemento, é necessário gastar energia. O processo de fusão nuclear é realizado em laboratórios científicos, mas ainda não foi possível construir uma usina que seja economicamente viável e gere mais energia do que consome para que tal procedimento ocorra. Por outro lado, há reações nucleares que transformam os átomos por meio do decaimento radioativo alfa, beta e gama. No geral, esse é um processo de fissão nuclear, no qual um núcleo atômico mais pesado é quebrado em um ou mais núcleos atômicos mais leves, emitindo energia.

Em um artigo de 1934, a física e química alemã Ida Noddack (1896-1978) criticou corretamente os resultados experimentais obtidos por Enrico Fermi (1901-1954), físico italiano naturalizado estadunidense. O pesquisador afirmava ter conseguido produzir, por meio do bombardeamento de átomos de urânio com nêutrons, elementos químicos artificiais e radioativos, chamados elementos transurânicos, que tinham número atômico superior ao urânio ( Z = 92). Noddack sugeriu que Fermi não havia conseguido executar tal feito, mas que, em vez disso, tinha provocado a desintegração do núcleo de urânio, produzindo átomos mais leves. A argumentação de Noddack foi a primeira menção ao processo de fissão nuclear.

Pictorial Press Ltd/Alamy/Fotoarena

Os núcleos instáveis são aqueles que naturalmente sofrem decaimento radioativo. Eles têm elevadas energias de ligação e liberam energia ao se transformarem em núcleos de outros elementos. Também é possível que processos nucleares ocorram nos núcleos estáveis, porém, para isso, é necessário que eles sejam forçados por meio da aplicação de energia externa.

Ida Noddack.

No entanto, a conclusão de Noddack não teve relevância na época, já que não proporcionava uma prova experimental para o processo de fissão. Alguns cientistas, inclusive, chegaram a mencionar que a ideia era absurda. Anos mais tarde, em 1938, os químicos alemães Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980), com a colaboração da física austríaca Lise Meitner (1878-1968), concluíram, por meio de experimentos, que o processo de fissão nuclear era um feito possível, validando a previsão de Noddack.

Fabricio Araujo/Shutterstock.com

O processo de fissão nuclear é muito utilizado para gerar energia elétrica em usinas nucleares. Exemplos disso são as usinas de Angra dos Reis, no Rio de Janeiro.

Usinas nucleares Angra 1 (à direita ao fundo) e Angra 2 (à esquerda), no município de Angra dos Reis (RJ), em 2022.

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Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

As usinas de fissão nuclear utilizam a reação nuclear do urânio-235 ( U-235) (A = 235 e Z = 92), elemento químico extremamente pesado que passa pelo processo de fissão, produzindo, quando bombardeado por um nêutron ( 10n), o núcleo de criptônio-91 ( Kr-91) e bário-142 ( Ba-142). Nessa reação, ocorre liberação de grande quantidade de energia por meio da radiação gama, além de outras três partículas de nêutron: 1   n + 235 U → 142 Ba + 91 Kr + 3 10n + 2 γ 92 36 56 0 1 0

γ 235 92

γ 91 36

a) Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que o lado positivo da energia nuclear é a geração de energia elétrica com baixa emissão de carbono, os tratamentos como a radioterapia e os diagnósticos por imagem. A radioatividade também tem aplicações na indústria, por exemplo, na produção de materiais e na esterilização de produtos e na 142 56Ba exploração espacial, fornecendo energia a 235 sondas. No entanto, tais reações também são 92U usadas na construção de armas nucleares. A manutenção de arsenais nucleares é vista por algumas nações como uma forma de 1 dissuasão e um símbolo de poder, o que 0n dificulta o desarmamento, especialmente em razão da desconfiança mútua entre países. 1 0

1 0

Representação do processo de fissão nuclear do urânio-235.

n 235 92

235 92

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Ilustração elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 639.

Essas três partículas de nêutron são liberadas e atingem outros três núcleos de urânio, que, por sua vez, passam pela mesma reação, gerando mais nove nêutrons capazes de atingir outros nove núcleos de urânio, iniciando uma reação em cadeia. Entretanto, nas usinas nucleares, tais reações são controladas. Após a reação e a geração de energia, é preciso lidar com os rejeitos radioativos produzidos, que devem ser armazenados com segurança, pois continuam emitindo radiação por um longo período. Apesar do uso pacífico da energia nuclear, a reação de fissão nuclear também ocorre em contextos de guerra: a reação em questão, em sua forma potencializada, foi utilizada para a construção de bombas nucleares que destruíram as cidades de Hiroshima e Nagasaki, no Japão, em 1945, acarretando graves consequências e grande sofrimento para a população local pelas décadas que se seguiram. O processo de fusão nuclear também pode ser utilizado para a construção de bombas, as chamadas bombas de hidrogênio, que têm poder de destruição ainda maior do que as bombas de fissão. Compartilhe ideias

As reações nucleares desempenham um papel importante em diversas áreas, como na Medicina, na geração de energia, nas aplicações tecnológicas e no desenvolvimento da Ciência. É necessário considerar os desafios associados às reações nucleares, pois eles exigem posicionamento, reflexão sobre sustentabilidade, manejo seguro dos resíduos nucleares e atenção às demais questões éticas que envolvem o uso dessa tecnologia. a ) Junte-se a dois colegas e discutam sobre os diferentes usos das reações nucleares e suas implicações. Considerem como a energia nuclear é usada tanto para contextos pacíficos quanto em contextos militares. Reflitam sobre os desafios e benefícios associados a essa tecnologia. Elaborem uma lista com os pontos positivos e negativos de sua utilização e registrem suas conclusões no caderno. Por fim, elaborem um infográfico que ilustre as principais informações sobre as oportunidades e os cuidados necessários relacionados à energia nuclear. b ) Organizem uma apresentação para os demais estudantes da turma, demonstrando o infográfico elaborado e oportunizando a exposição de ideias de outros grupos. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é propiciar aos estudantes uma discussão rica, com o desenvolvimento do desejo por sustentabilidade, do raciocínio crítico e do pensamento científico.

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06/11/2024 16:42:21

UNIDADE

4 Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que, se expostos a altas doses de radiação, a saúde dos indivíduos pode ser imediatamente comprometida, acarretando queimaduras e síndrome aguda da radiação, que pode ser fatal. Em níveis mais baixos, a exposição prolongada pode aumentar significativamente o risco de câncer e outras doenças ao longo da vida. Além disso, a contaminação 2. Quais são os perigos relacionados a acidentes envolvendo materiais radioativos? ambiental é um grande risco, pois materiais radioativos podem se espalhar para o solo, a água e o ar, afetando ecossistemas inteiros e contaminando fontes de alimentos e água potável.

Acidentes nucleares

Radioatividade trágica Luiz Novaes/Folhapress

[...] o dia 13 de setembro representa uma triste memória na história de Goiânia. Nesse dia, teve início na cidade o maior acidente radiológico do Brasil e um dos maiores do mundo. É por isso que a Lei nº 12.646, de 16 de maio de 2012, instituiu o 13 de setembro como Dia Nacional de Luta dos Acidentados por Fontes Radioativas. [...] Técnicos retirando lixo radioativo de área contaminada com césio-137 no município de Goiânia (GO), em 1987.

Houve uma sucessão de falhas na fiscalização do descarte daqueles equipamentos e falta de informação sobre a nocividade daquela pedra brilhante com 19 gramas de césio-137. Esse foi o cenário que levou várias pessoas à morte e deixou diversas sequelas em milhares de vítimas, que tiveram diferentes níveis de contato com o material radioativo. [...] RADIOATIVIDADE trágica. Assembleia Legislativa do Estado de Goiás, 13 set. 2021. Disponível em: https://portal.al.go.leg.br/noticias/119816/radioatividade-tragica. Acesso em: 31 ago. 2024.

O contato com o elemento trouxe consequências à saúde de mais de 1 000 pessoas envolvidas no caso, inclusive oficiais militares, médicos e peritos. Casas foram demolidas, objetos pessoais precisaram ser retirados e isolados e até mesmo o solo foi afetado, provocando danos econômicos e ambientais, além de estigmatização às vítimas. Em 2011, no município de Fukushima, no Japão, uma usina nuclear foi atingida por um tsunami que danificou suas construções. As falhas no resfriamento do reator causaram uma reação nuclear incontrolável, com vazamento de radiação por meio do ar e da água do oceano. O incidente causou direta e indiretamente mais de 1 000 mortes e fez mais de 100 mil pessoas terem de abandonar suas casas.

Dica Para mais informações a respeito do acidente em Goiânia, acesse o site do governo do estado de Goiás. Disponível em: https://goias.gov.br/ saude/cesio-137-goiania/. Acesso em: 30 ago. 2024. TEPCO/AFP

Em um edifício abandonado, no município de Goiânia (GO), no ano de 1987, dois jovens encontraram uma máquina que continha um material azul e brilhante. Tratava-se do césio-137 (Cs-137), elemento altamente radioativo.

Dica Para saber mais sobre o acidente em Fukushima, leia a reportagem a seguir, publicada quando o evento completou 10 anos. Disponível em: https://www.gov.br/gsi/pt-br/ centrais-de-conteudo/noticias/2020/10-anos-do -acidente-nuclear-de-fukushima. Acesso em: 30 ago. 2024.

Acidente na usina nuclear no município de Fukushima, no Japão, em 2011.

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Igor Kostin/Laski Diffusion/Getty Images

O acidente nuclear que teve o impacto mais grave ocorreu no município de Chernobyl, na antiga União Soviética, atual Ucrânia, em 1986. Durante um teste de segurança malconduzido, alguns sistemas foram desativados. Com isso, teve início uma falha que causou um rápido aquecimento e uma explosão, lançando material radioativo por toda a região.

Usina nuclear semanas após o desastre, em Chernobyl, na Ucrânia, em 1986.

Atualmente, um raio de 30 km ao redor da usina é despovoado e inabitável. Uma grande estrutura de concreto foi construída ao redor do reator destruído, a fim de tentar evitar o vazamento de mais materiais radioativos. Os números oficiais sobre as mortes causadas pelo desastre referem-se a algumas dezenas de militares e trabalhadores da usina. Entretanto, acredita-se que milhares de pessoas tenham morrido ao longo dos anos em razão do desenvolvimento de doenças relacionadas à contaminação por meio de radiação.

O grau de contaminação dos seres vivos que são expostos à radiação nuclear (direta ou indireta) depende de dois fatores: a quantidade de energia e a qualidade da radiação.

George Sheldon/Shutterstock.com

Nos Estados Unidos, ocorreu o acidente nuclear de Three Mile Island, no distrito de Dauphin, em 1979. Falhas em uma das centrais da usina possibilitaram o escape de grande quantidade de líquido. Apesar de ter causado a evacuação de centenas de pessoas nas proximidades da usina, o reator foi controlado, evitando que uma catástrofe ainda maior ocorresse.

Usina nuclear Three Mile Island, nos Estados Unidos, em 2018.

A grandeza que mede a energia da radiação é chamada de dose absorvida e é expressa pela unidade y (gray). Um ser humano, quando exposto à radiação de 1 Gy, por exemplo, pode apresentar sintomas G como náusea e vômito. Se a intensidade ultrapassar 9 Gy, é possível que acarrete até morte. A soma de toda a energia a que o organismo é exposto em determinado período denomina-se dose. A dose equivalente, com unidade Sv (Sievert), é a medida que leva em consideração a qualidade da radiação, uma vez que 1 Gyde radiação gama é menos nocivo a um ser vivo do que 1 Gyde radiação alfa. Ela é definida pela dose absorvida multiplicada por um fator de qualidade, que assume o valor igual a 1 para raios X, gama ou beta (menos nocivos) e igual a 20 para nêutrons com determinadas energias, radiação alfa ou outros produtos da fissão nuclear (núcleos pesados). Portanto, estima-se que a exposição a uma energia em radiação alfa seja 20 vezes mais perigosa do que a mesma energia em radiação gama ou beta. Professor, professora: Comente com os estudantes que a central nuclear à esquerda, da usina Three Mile Island, está desativada desde o acidente em 1979.

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06/11/2024 16:42:23

UNIDADE

fonte radioativa Representação de pessoa e objeto recebendo doses de radiação.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) regulamenta atividades envolvendo materiais radioativos no Brasil e determina que profissionais que atuam com materiais radioativos ou em ambientes de risco podem receber dose média anual de 20 mSv, enquanto outras pessoas podem ser expostas a uma dose máxima anual de 1 mSv. dose equivalente: dano biológico sobre o ser humano, medida em Sv

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

dose absorvida: energia absorvida por um material, medida em Gy

É preciso entender que a radiação está naturalmente presente em nosso cotidiano, como quando nos aproximamos de outras pessoas, entramos em edificações de concreto, expomo-nos à luz solar e até mesmo ao comer bananas. A banana contém grande quantidade de potássio ( K), importante elemento químico que auxilia no funcionamento dos músculos, além de apresentar muitos outros benefícios à saúde. Alguns dos átomos de potássio dessa fruta são naturalmente radioativos (isótopo potássio-40). Portanto, quando a ingerimos, estamos nos expondo à radiação.

Em uma única banana há aproximadamente 0,1 μSv. Isso significa que precisaríamos comer 10 000 bananas no intervalo de um ano, ou quase 30 bananas por dia durante um ano, para atingir a dose máxima de 1 mSv estipulada pela CNEN. Pensando em outra situação, quando realizamos, por exemplo, um exame de raio-X no braço, estamos expostos a uma radiação de aproximadamente 1 μSv, que é equivalente ao consumo de dez bananas.

Medidores de radiação

3. Além da banana, quais outros alimentos têm elementos radioativos em sua composição? Se necessário, faça uma pesquisa.

Resposta: Os estudantes podem mencionar castanha-do-pará, batata, iogurtes etc.

A radiação é invisível aos nossos olhos, no entanto os efeitos dela sobre a matéria são notáveis. Levando isso em conta, construíram-se medidores de radiação que auxiliam os profissionais a averiguar regularmente a segurança nas instalações nas quais materiais radioativos são manipulados.

Para proteção de pessoas que manuseiam os materiais radioativos, além de se expor à radiação pelo menor tempo possível e manter a máxima distância da fonte emissora, são utilizados materiais que as blindam contra a radiação, como biombos de chumbo (Pb) e equipamentos de proteção individual (EPIs): luvas, aventais, roupas especiais, entre outros. a ) Por que alguns materiais de proteção à radiação são feitos de chumbo?

Egoreichenkov Evgenii/Shutterstock.com

Esses medidores foram construídos de acordo com a maneira como ocorre a interação da radiação com a matéria. Por exemplo, para medir a capacidade de ionizar os componentes de um gás e, assim, gerar correntes elétricas, foi construído o contador Geiger.

Pessoa utilizando o contador Geiger para medir níveis de radiação.

Resposta: O chumbo possibilita a absorção e o bloqueio de diferentes tipos de radiação, como raios X e raios gama, impedindo que passem através de si. Além disso, o chumbo é relativamente barato e fácil de moldar, o que o torna ideal para fabricar barreiras protetoras.

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Modelo padrão de partículas Resposta: São as menores partículas que constituem a matéria, não

4. O que são partículas elementares? podendo ser divididas, isto é, não apresentando subestruturas. 5. Além dos prótons, nêutrons e elétrons, você conhece alguma outra partícula? Resposta pessoal. Espera-se que, com esta questão, seja possível resgatar os conhecimentos prévios dos estudantes. Dê oportunidade para que todos se expressem.

No início do século passado, estabeleceu-se a teoria de que os átomos eram compostos de prótons, nêutrons e elétrons, e acreditava-se que essas eram as únicas partículas existentes. O físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), no ano de 1930, propôs a existência de uma partícula chamada neutrino, que seria essencial para os processos nucleares envolvendo a emissão de radiação beta. A existência dela foi comprovada experimentalmente anos mais tarde. Além disso, também nos anos 1930, pesquisas com raios cósmicos começaram a detectar inúmeras novas partículas cujas propriedades não podiam ser compreendidas como uma recombinação de prótons, nêutrons e elétrons. Mark Garlick/SPL/Fotoarena

Os raios cósmicos são partículas extremamente energéticas, normalmente originadas em explosões estelares e que podem ter energia cinética centenas e até milhares de vezes maior do que os prótons utilizados nos aceleradores de partículas atuais. Quando eles interagem com núcleos atômicos presentes na atmosfera terrestre, criam um efeito em cascata, no qual são criadas diversas partículas secundárias, não observadas em energias habituais. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de partículas geradas por raios cósmicos.

A partir do ano de 1960, as partículas prótons e nêutrons não eram mais consideradas elementares. Isso se deve à descoberta de outras partículas, chamadas quarks, que compõem os prótons e os nêutrons. Nas décadas seguintes, foram descobertas várias outras partículas e, com base nisso, construiu-se uma nova teoria para explicar todo esse conjunto de partículas elementares, o chamado Modelo padrão da Física das partículas. Essa teoria se completou no ano de 2012, com a detecção do bóson de Higgs, uma partícula relacionada à massa de todas as partículas conhecidas. As partículas elementares são divididas em hádrons e léptons. Hádrons são partículas massivas, como os prótons e os nêutrons, por exemplo, compostas de quarks. Há vários outros hádrons que foram detectados na natureza ou produzidos em laboratório, nos aceleradores de partículas, por meio de possíveis combinações dos seis tipos de quarks conhecidos. A combinação de dois quarks forma os mésons, como o méson pi (ou píon), descoberto pelo físico brasileiro César Lattes (1924-2005). Os mésons são hádrons formados pela combinação de apenas dois quarks. 2 Já os prótons e nêutrons são compostos de dois tipos de quarks: up, com carga elétrica _ da carga do 3 1 próton, e down, com carga elétrica − _ da carga do próton. 3 Resposta: O próton é a partícula positiva, com o mesmo

6. Qual é a carga elétrica do próton? E a do nêutron? módulo da carga do elétron, isto é, 1,6 · 10 −19 Cou e. Já o nêutron é a partícula com carga elétrica nula. 7. Qual deve ser a composição do próton e do nêutron em termos da soma dos quarks up e down?

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Resposta: De acordo com a soma das cargas elétricas dos quarks up e down, o nêutron é constituído por dois quarks down e um quark up, resultando na soma igual a zero. O próton, por sua vez, é composto de dois quarks up e um quark down, resultando na carga elétrica e.

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Os léptons são partículas de menor massa, isto é, são partículas leves. O exemplo mais conhecido é o da partícula elementar elétron. Outros exemplos de léptons são os múons e os taus, partículas semelhantes ao elétron e que têm mesmo valor de carga elétrica. Por último, o neutrino, constituído de massa extremamente pequena e carga elétrica nula.

UNIDADE

Para a maioria dessas partículas, existe outra semelhante, com mesma massa, embora com carga elétrica oposta, chamada antipartícula. O pósitron, por exemplo, é conhecido como antipartícula do elétron, pois tem a mesma quantidade de massa do elétron e carga elétrica igual, porém positiva. Já o antipróton, como o nome sugere, é a antipartícula do próton, composta de mesma quantidade de massa e mesma quantidade de carga, no entanto esta é negativa. Quando uma partícula colide com sua antipartícula, ocorre o que chamamos de aniquilação, isto é, a desmaterialização, em que são convertidas em radiação ou em outras partículas.

QUARKS

≃1,28 GeV/c2

≃173,1 GeV/c2

charm

top

≃4,7 MeV/c2 – ½

≃96 MeV/c2 – ½

≃4,18 GeV/c2 – ½

down

strange

bottom

≃0,511 MeV/c2 –1 ½

≃105,66 MeV/c2 ≃1,7768 GeV/c2 –1 –1 ½ ½

0 0 1

≃124,97 GeV/c 0 0

glúon

Higgs

γ fóton

≃91,19 GeV/c2 0 1

múon

tau

bóson Z

<1,0 eV/c2 0 e ½

<0,17 MeV/c2 0 μ ½

<18,2 MeV/c2 0 τ ½

≃80,39 GeV/c2 ±1 1

neutrino do elétron

neutrino do múon

neutrino do tau

bóson W

LÉPTONS

elétron

BÓSONS ESCALARES

massa ≃2,2 MeV/c2 carga spin ½

bósons vetoriais

interações / partículas mensageiras (bósons)

BÓSONS DE GAUGE

três gerações da matéria (férmions)

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação do Modelo padrão da Física de partículas.

O Modelo padrão também apresenta as chamadas partículas de interação. Elas funcionam como mediadoras das forças fundamentais da natureza: força elétrica, força forte, força fraca e força gravitacional. A força elétrica é mediada pelo fóton, que é a partícula da luz. A força forte é a responsável pela formação e pela estabilidade dos núcleos atômicos, mediada por partículas chamadas glúons. A força fraca, por exemplo, é responsável por alguns dos processos radioativos, mediada pelos bósons Ze bósons W. A força gravitacional é a força responsável pela coesão universal, mediada pelos grávitons. Dica A partícula elementar gráviton é hipotética, pois ainda não foi comprovada.

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LIGADO NO TEMA Desenvolvimento da bomba atômica Em 1939, o físico alemão Albert Einstein (1879-1955), após um pedido do físico húngaro Leo Szilard (1898 -1964), assinou uma carta destinada a Franklin D. Roosevelt (1882-1945), então presidente dos Estados Unidos. Nela, os físicos informavam as novas descobertas em relação à geração de energia por reações nucleares e a possibilidade de construção de bombas com base nesse fenômeno. Na época em que Einstein escreveu a carta, o regime nazista estava crescendo na Alemanha, tanto que, no mesmo ano em que ela foi enviada, iniciou-se a Segunda Guerra Mundial (1939-1945). Assim, o medo de que os nazistas conseguissem desenvolver armas nucleares antes das demais nações foi o que incentivou Einstein a assinar a carta. Pouco tempo depois do envio dessa carta, os Estados Unidos iniciaram o Projeto Manhattan, responsável pelo desenvolvimento das bombas atômicas, que foram lançadas nas cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki em 1945, no fim da guerra. A iniciativa começou em 1942 e foi extinta em 1947, reunindo diversos cientistas, como os estadunidenses Julius Robert Oppenheimer (1904-1967), Arthur Compton (1892-1962) e Richard Feynman (1918-1988); o italiano Enrico Fermi (1901-1954); o inglês James Chadwick (1891-1974); o dinamarquês Niels Bohr (1885-1962); além do já mencionado húngaro Szilard. Representação da explosão de uma bomba atômica.

Rivaldo Barboza/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

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Everett Collection/Shutterstock.com

A bomba lançada sobre Hiroshima liberou uma quantidade de energia de aproximadamente 15 quilotons, causando a morte instantânea de cerca de 80 mil pessoas. Estima-se que, nessa cidade, cerca de 237 mil pessoas tenham sido mortas direta e indiretamente pelos efeitos da bomba atômica.

Quilotons: unidade utilizada para medir a energia liberada na explosão de bombas atômicas.

A bomba lançada sobre Nagasaki liberou cerca de 21 quilotons de energia, matando instantaneamente entre 40 mil e 75 mil pessoas e ferindo cerca de 60 mil habitantes. c) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é, com base no que foi abordado na seção, levar os estudantes à reflexão sobre a ética na aplicação dos conhecimentos científicos. Eles podem sugerir a análise das consequências das pesquisas científicas e das aplicações dos produtos gerados por elas. No caso da descoberta da reação de fissão nuclear, por exemplo, ela poderia ter sido aplicada somente como uma nova fonte de energia para a geração de energia elétrica, mas foi usada também para criar a bomba atômica.

Everett Collection/Shutterstock.com

Museu de Ciência e Indústria destruído pela bomba na cidade de Hiroshima, no Japão, em 1945.

Ruínas provocadas pela explosão da bomba atômica na cidade de Nagasaki, no Japão, em 1945.

Após observarem o poder de destruição das bombas atômicas em testes e bombardeios, diversos cientistas se dispuseram contra o uso desse tipo de armamento, inclusive os que trabalharam no desenvolvimento dele. Einstein, conhecido por suas convicções pacifistas, afirmou que lamentava ter apoiado, em carta enviada a Roosevelt, o desenvolvimento da bomba atômica. Em resposta, ele participou da elaboração de um manifesto pedindo que armas nucleares não fossem mais produzidas nem utilizadas. a ) Discuta como a aplicação do conhecimento científico em situações como a abordada nesta seção pode afetar a sociedade. Considere os impactos sociais e éticos envolvidos. b ) Analise como o contexto histórico pode influenciar a condução das pesquisas científicas, com base no exemplo apresentado nesta seção. Resposta: Espera-se que os estudantes percebam que o contexto histórico da época, a Segunda Guerra Mundial, direcionou diversas pesquisas científicas para o desenvolvimento de armamentos c ) Junte-se a três colegas e pesquisem, em livros e na internet, artigos científicos sobre ética mais eficazes, na Ciência. Em seguida, utilizando um editor apropriado para tal, montem uma apresen- como o Projeto Manhattan. tação com textos, imagens e áudio a respeito do que é ética, do uso dela no desenvolvimento científico e dos cuidados que a sociedade deve ter na aplicação e na divulgação desse conhecimento. Por fim, com ajuda do professor, providenciem um projetor e exponham os resultados da pesquisa aos colegas da turma e à comunidade escolar. a) Resposta: Espera-se que os estudantes comentem que

as pesquisas sobre as reações nucleares, assim como outros tipos de investigação, proporcionaram benefícios para a sociedade, como uma nova fonte de energia, mas também possibilitaram o desenvolvimento de armamentos com grande poder de destruição.

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ATIVIDADES

1. Resposta: Maior quantidade de energia. Se o átomo de urânio fosse quebrado em três partes, as massas dos núcleos resultantes seriam menores. Assim, mais massa seria convertida em energia nessa reação.

1. O núcleo de urânio, por meio da fissão nuclear,

sofre a divisão em dois outros núcleos, liberando energia. Se o mesmo urânio for quebrado em outros três pequenos núcleos, seria liberada maior ou menor quantidade de energia? Explique.

5. Com base nas definições das reações nucleares de fusão e fissão, julgue as afirmativas a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) Na fusão nuclear, dois ou mais núcleos leves se combinam para formar um mais pesado, liberando grande quantidade de energia.

2. Os processos de fusão e fissão nucleares são fun-

II ) A fissão nuclear é o processo de dividir um núcleo leve em dois ou mais núcleos pesados, liberando energia.

damentais para a produção de energia, tanto em contextos naturais quanto em aplicações humanas. A fusão nuclear é o processo que ocorre no interior das estrelas, incluindo o Sol, em que núcleos de hidrogênio se combinam para formar hélio, liberando uma grande quantidade de energia. A fissão nuclear, por outro lado, é usada atualmente em usinas nucleares, a fim de gerar eletricidade, por meio da divisão dos núcleos de urânio em núcleos menores. Com base nisso, qual das alternativas a seguir descreve corretamente a diferença entre fusão e fissão nuclear? Resposta: Alternativa b. a ) A fusão nuclear ocorre quando um núcleo pesado é dividido em núcleos menores; a fissão nuclear combina núcleos leves para formar um mais pesado. b ) A fusão nuclear é o processo que combina núcleos leves para formar um mais pesado, liberando energia; a fissão nuclear é o processo de dividir um núcleo pesado em núcleos menores, também liberando energia. c ) A fusão nuclear é o processo usado atualmente em usinas nucleares para gerar eletricidade; a fissão nuclear ocorre naturalmente nas estrelas.

III ) Tanto a fusão quanto a fissão nuclear liberam energia em decorrência da conversão de massa em energia, conforme descrito pela equação de Einstein, E = m · c2. IV ) As reações de fusão nuclear são atualmente utilizadas em usinas nucleares para gerar eletricidade comercialmente.

6. Classifique as reações a seguir como fissão ou fusão nuclear e justifique a sua escolha. 1 0

32 He → 42 He + 11 H + Energia b ) 21 H +

7. Considere que um núcleo de urânio-235 seja bombardeado por um nêutron. Nessa reação, ocorre a fissão nuclear descrita a seguir. 1 1  n   + 235 92U → 94 Sr + 140 54Xe + Y ·  n   38 0 0

Qual será o valor do coeficiente Y presente na reação? Resposta: Y = 2. Resolução nas Orientações para o professor.

8. As reações nucleares de fissão e fusão nuclear li-

3. As reações nucleares englobam a alteração da massa dos elementos envolvidos e a liberação de energia. Em um processo de fusão nuclear, quando a energia da reação é liberada, a massa total do material é: Resposta: Alternativa b. b ) reduzida. c ) aumentada.

6. a) Resposta: A reação representa um processo de fissão nuclear, pois de um elemento mais pesado são gerados outros dois mais leves.

6. b) Resposta: A reação representa um processo

d ) nula. de fusão nuclear, pois dois elementos leves se combinam, formando um mais pesado.

4. Qual é a quantidade de energia que foi transferida para uma pessoa de 76 kgque foi exposta à radiação de 1, 5 Gy? Use 1 Gy = 1 J/kg.

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1 0

    + 235 92U → 137 52Te + 97 Zr + 2   n   + Energia a )  n 52

d ) Tanto a fusão quanto a fissão nuclear resultam na formação de núcleos mais leves partindo de núcleos mais pesados.

a ) constante.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

14 J. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: E = 1 5. Resposta: I) Verdadeira. II) Falsa. A fissão é o processo em que um núcleo pesado é dividido em núcleos menores, liberando energia. III) Verdadeira. IV) Falsa. As usinas nucleares utilizam a fissão para a geração de energia elétrica.

beram grande quantidade de energia. A respeito desses processos de liberação de energia julgue as afirmativas a seguir como verdadeiras ou falsas, corrigindo as falsas. I ) As reações nucleares envolvem altas energias porque alteram os núcleos atômicos, retirando prótons e/ou nêutrons desses núcleos, diferentemente da energia necessária para alterar a quantidade de elétrons dos átomos. II ) As bombas atômicas usadas na Segunda Guerra Mundial vêm da fissão nuclear, em que os nêutrons livres produzidos pela fissão dos núcleos pesados tendem a fissionar mais núcleos pesados em um curto intervalo de tempo. III ) Em uma usina nuclear, o processo de reação em cadeia do nêutron não é controlado, pois, caso fosse, não seria possível liberar a quantidade de energia necessária para a geração de energia elétrica na usina. Resposta: I) Verdadeira. II) Verdadeira. III) Falsa; o processo de reação em cadeia nas usinas nucleares é controlado para evitar desastres, o processo não controlado resulta em uma bomba atômica.

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9. A usina nuclear brasileira, situada em Angra dos

Reis, no Rio de Janeiro, conta com duas centrais: Angra 1 e Angra 2. Para um futuro próximo, será posta em funcionamento mais uma central: Angra 3. A usina opera com um reator de água pressurizada (PWR) e seu princípio consiste na quebra de um átomo de urânio-235 por meio de uma colisão com nêutrons, gerando outros dois átomos mais leves. Isso ocasiona uma grande liberação de energia. Esse processo é denominado fissão nuclear. Suponha que ela ocorra como neste esquema: 1 1   + 235 92U → 144 55Cs + X + 2 ·  n   + energia  n 0 0

Com base nisso, determine o número atômico e o número de massa do elemento X indicado na reação. Resposta: Z = 37e A = 90. Resolução nas Orientações para o professor.

10. Analise as afirmações a seguir a respeito da energia nuclear. Resposta: Alternativa d.

I ) As usinas nucleares usam o processo de fusão nuclear para gerar energia elétrica, já que ele é mais eficiente do que a fissão nuclear. II ) Um dos principais desafios da geração de energia elétrica nas usinas nucleares é o destino dos rejeitos radioativos gerados durante a produção de energia. III ) A energia nuclear é uma das principais fontes de energia elétrica no Brasil. IV ) Uma das vantagens das usinas nucleares é que elas não geram gases que contribuem para o efeito estufa. Está(ão) correta(s) a(s) afirmativa(s): a ) I.

c ) II e III.

b ) I e II.

d ) II e IV.

e ) I, III e IV.

11. Leia o texto a seguir, sobre o Modelo Padrão de partículas. Resposta: Alternativa b.

“O Modelo Padrão de partículas é uma teoria que explica três das quatro forças fundamentais da natureza: a ■, a ■ e a ■. Além disso, descreve partículas fundamentais, como os ■ e os ■.” Qual das alternativas a seguir contém as palavras que completam corretamente as lacunas? a ) gravidade, força eletromagnética, força forte, quarks, mésons b ) força forte, força fraca, força eletromagnética, quarks, léptons c ) força eletromagnética, gravidade, força fraca, bósons, léptons d ) força forte, gravidade, força fraca, fótons, mésons

UNIDADE

4 12. O Modelo Padrão de partículas é uma teoria fun-

damental na Física, que descreve as partículas elementares e suas interações. De acordo com o Modelo Padrão, existem várias partículas que compõem a matéria, bem como partículas mediadoras das forças fundamentais. Entre elas, estão os quarks e os léptons, que são considerados fundamentais, já que não são compostos de outras partículas. Resposta: Alternativa b. Com base no Modelo Padrão, qual das alternativas a seguir está correta? a ) Os quarks são os únicos constituintes dos prótons e nêutrons, enquanto os léptons são as partículas que medeiam as interações fortes. b ) Existem seis tipos de quarks e seis tipos de léptons, cada um com características diferentes, como carga elétrica e massa. c ) As partículas mediadoras das forças fundamentais, como os fótons, são compostas de combinações de quarks e léptons. d ) No Modelo Padrão, os prótons e nêutrons são considerados partículas fundamentais, assim como os quarks e léptons.

13. No tratamento para a cura do câncer, especialistas

verificam a relação da quantidade de radiação ionizante cedida por fótons, nêutrons, elétrons ou íons por unidade de massa, a fim de determinar a dose que um paciente deverá receber na região constituinte de células cancerígenas. Essa e relação pode ser descrita como D = _, em que m D é a dose de radiação medida em joule por quilograma ( Gy), eé a energia ionizante ( J)e m , a massa (kg). Se um indivíduo em tratamento, com massa igual a 80 kg, precisar de duas doses diárias de 200 cGy, que quantidade de energia ionizante ele deverá receber em 10 dias?

Resposta: eT = 3 200 J. Resolução nas Orientações para o professor.

14. Com base nos seus conhecimentos sobre o

Modelo padrão de partículas, julgue os seguintes itens como verdadeiros ou falsos. I ) A classificação das partículas pode ser realizada com base nas interações fundamentais a que estão sujeitas; a interação gravitacional, como age sobre todas as partículas, sempre deve ser considerada nos estudos subatômicos. II ) As partículas de interação do Modelo padrão são o fóton, o glúon e os bósons Z, We Higgs. III ) Os férmions não respeitam ao princípio de exclusão de Pauli. IV ) Cada lépton tem um neutrino associado.

14. Resposta: I) Falso, pois a força de interação gravitacional é a força fundamental mais fraca das 4 forças, que requer corpos massivos; para partículas subatômicas, a força gravitacional é desprezível; e forças como força forte, força fraca e eletromagnéticas são predominantes. II) Verdadeiro. III) Falso, os férmions respeitam o princípio de exclusão de Pauli, pois duas partículas não podem ocupar o mesmo estado quântico. IV) Verdadeiro.

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CAPÍTULO

Física contemporânea

No final de 1900, meses após a palestra de Lorde Kelvin, o físico alemão Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) apresentou uma hipótese para a emissão de radiação por corpos quentes, que solucionava uma das “nuvens” destacadas por Lorde Kelvin. Até então, a radiação eletromagnética emitida por um corpo aquecido era considerada contínua. No entanto, para Planck, era necessário considerar que a energia emitida ou absorvida na forma de radiação eletromagnética ocorresse em quantidades discretas, com valores bem definidos, que foram denominadas quantum de energia.

Transocean. Séc. XX. Instituição Smithsoniana, Washington, D.C., EUA

O final do século XIX foi marcado por diversas mudanças na maneira como alguns conceitos físicos eram até então interpretados. Áreas da chamada Física clássica, como Mecânica, Óptica, Termodinâmica e Eletromagnetismo, eram consideradas como teorias completas e consolidadas. Contudo, cientistas do período estudavam problemas que não podiam ser explicados pelos conceitos teóricos clássicos de então. Um desses cientistas foi o físico e matemático irlandês William Thomson (1824-1907), conhecido como Lorde Kelvin. Em 1900, ele proferiu uma palestra intitulada Nuvens do século dezenove sobre a teoria dinâmica do calor e da luz. Nessa palestra, Kelvin recapitulou os avanços obtidos pela Física desenvolvida até o século XIX, chamando a atenção da comunidade científica para duas situações ainda não compreendidas, que ele denominou de “nuvens”. • A primeira “nuvem” exposta por Lorde Kelvin foi o fato de não conseguir verificar a existência do éter luminífero, meio pelo qual a luz deveria se propagar. Apesar das várias tentativas, não havia como explicar por que a luz sempre tinha a mesma velocidade no vácuo, não importando o referencial. • A segunda “nuvem” seria a falta de concordância entre os valores teóricos e os dados experimentais para o espectro da radiação térmica emitida por um corpo aquecido. Além dessas limitações, havia outros efeitos e fenômenos que ainda não eram compreendidos, como o efeito fotoelétrico, a propriedade raCerâmica incandescente em um forno, dioativa de alguns elementos e a emissão dos raios X, detectados pelo emitindo radiação térmica visível. físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923), em 1895.

Danila Shtantsov/Shutterstock.com

Introdução à Física contemporânea

Assim, as energias permitidas no modelo de Planck têm valores restritos a determinadas quantidades, ou seja, a energia é quantizada. Retrato de Max Planck. A hipótese da quantização de energia chamou a atenção do físico alemão Albert Einstein (1879-1955). Além disso, para Einstein, os problemas mencionados por Kelvin demonstravam ser necessária uma reinterpretação completa das teorias físicas clássicas da época. Considerando a proposta de Planck, Einstein retomou a discussão sobre a natureza ondulatória e/ou corpuscular da luz, pois, se os quanta existissem, a luz e outras radiações poderiam se comportar como partículas sendo emitidas uma a uma e interagiriam com a matéria. Porém, diferente de um corpo que tem massa, a energia desses quanta estava associada à frequência da radiação.

Professor, professora: Comente com os estudantes que quanta é o plural da palavra quantum, ambas do latim.

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Einstein também sugeriu que a solução para explicar as incompatibilidades entre a Mecânica e o Eletromagnetismo, como o fato de a luz sempre ter a mesma velocidade, não importando o referencial adotado, não viria da determinação do éter, mas de uma nova interpretação para alguns conceitos, como espaço, tempo, massa e energia, considerados absolutos e invariantes. Ele, então, propôs a teoria da relatividade restrita, considerando que os conceitos citados anteriormente não eram absolutos e invariantes, pois deveriam depender do referencial inercial adotado, além de considerar o seu movimento.

Lucien Chavan. c. 1904. Museu Histórico de Berna, Suíça

Esse modelo criado por Einstein deu significado físico à hipótese de Planck, possibilitando a descrição do efeito fotoelétrico, que ocorre quando há emissão de elétrons de uma placa na qual incidem feixes luminosos de frequências específicas, o que não era explicado pela teoria clássica do Eletromagnetismo, estabelecida no final do século XIX. A explicação do efeito fotoelétrico rendeu a Einstein o Prêmio Nobel de Física, em 1921.

UNIDADE

Retrato de Albert Einstein, em 1905.

Essas hipóteses e teorias deram início a um conjunto de conhecimentos que chamamos de Física moderna e servem de base para diversas tecnologias que utilizamos atualmente.

Teoria da relatividade restrita Na Mecânica clássica, as medidas de velocidades são feitas sempre em relação a um sistema de referência, chamado de referencial. Para isso, escolhe-se um referencial em repouso, para então medir a velocidade com a qual o corpo se move em relação a ele. Mudar o referencial pode alterar o estado de movimento de um corpo. Por exemplo, uma pessoa sentada em uma cadeira na sala de aula está em repouso em relação à Terra, mas em movimento em relação à Lua. Se os referenciais são inerciais, isto é, referenciais, nos quais um corpo que não está sujeito a forças está em repouso ou em movimento em linha reta e uniforme, a mudança entre eles não altera as leis da Física.

Observando os fenômenos que ocorrem dentro da cabine do navio, não há como distinguir se ela está em repouso ou em MRU, a não ser que se olhe pela janela.

ODIN Daniel/Shutterstock.com

Quem estabeleceu que as leis físicas são as mesmas em qualquer referencial inercial foi o cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642) por meio da observação de insetos que voavam dentro da cabine de um navio em repouso e de uma goteira que caía dentro de uma garrafa. Se o navio fosse colocado em movimento retilíneo uniforme (MRU), a velocidade observada no voo dos insetos deveria ser a mesma, assim como as gotas continuariam caindo dentro da garrafa. Com isso, ele concluiu que os resultados para os fenômenos são os mesmos, com o navio em repouso ou em MRU. Assim, foi criado o princípio da relatividade de Galileu. Cabine de um navio de cruzeiro em Marselha, na França, em 2022.

Posteriormente, o físico e matemático inglês Isaac Newton (1643-1727) enunciou o princípio da relatividade em seu livro, como descrito a seguir. [...] O movimento de corpos encerrados em um dado espaço são os mesmos entre si, esteja esse espaço em repouso, ou se movendo uniformemente em uma linha reta sem qualquer movimento circular. [...] NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural – Livro I. 2. ed. 2. reimp. São Paulo: Edusp, 2012. p. 61.

Utilizando o mesmo exemplo de Galileu, Newton acrescentou, ainda, que a prova desse princípio é que, em um navio em repouso ou em movimento retilíneo e uniforme, todos os movimentos observados são os mesmos.

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Essa invariância para os fenômenos observados ocorre porque tanto para Galileu quanto para Newton não havia diferença entre os tempos medidos em dois referenciais inerciais diferentes, pois o tempo era considerado absoluto. No entanto, um problema surgiu quando o princípio da relatividade de Galileu e Newton foi aplicado para explicar fenômenos eletromagnéticos, indicando que a teoria da relatividade ou a teoria do Eletromagnetismo precisava ser modificada. Nesse caso, percebeu-se que essa teoria era válida apenas para velocidades pequenas, muito menores que a velocidade da luz que era usada no Eletromagnetismo. Foi considerando esse e outros problemas que Einstein propôs a sua teoria da relatividade, que pode ser dividida em duas partes: restrita ou especial, tratando de medidas feitas em referenciais inerciais; e geral, que remete às medidas feitas em qualquer referencial, da qual derivou uma nova interpretação para a interação gravitacional.

Postulados da teoria da relatividade restrita A teoria da relatividade restrita recebeu esse nome por ser válida apenas para referenciais inerciais, ou seja, para dois observadores que se movam com velocidades constantes um em relação ao outro. Ela é fundamentada em dois postulados, em que o primeiro aborda a possibilidade ou não de distinguir situações de repouso das que estariam em movimento uniforme e retilíneo. O princípio da relatividade, como se tornou conhecido no final do século XIX, surgiu como uma consequência da primeira lei de Newton, a lei da inércia. Como o movimento retilíneo uniforme é considerado equivalente às situações de repouso, os observadores em ambos os casos deverão concordar sobre o resultado das experiências físicas. Contudo, o Eletromagnetismo prevê efeitos diferentes para cargas elétricas em repouso e para aquelas em movimento uniforme. Segundo Einstein, é necessário considerar que não apenas as leis da Mecânica, mas também as leis de todos os fenômenos físicos, incluindo os eletromagnéticos e os ópticos, sejam as mesmas em todos os sistemas de referenciais inerciais, o que leva ao postulado da relatividade. Postulado da relatividade: todas as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movem com velocidade uniforme em relação aos outros. É importante notar que isso não significa que os dois observadores concordarão em tudo. Por exemplo, considere uma partida de futebol em que o atacante e o goleiro observam o movimento de uma bola durante um chute. Na situação A, o goleiro verá a bola se aproximar com a velocidade que adquiriu do chute mais a velocidade do atacante. Já na situação B, o atacante verá a bola se afastar com uma velocidade menor que a observada pelo goleiro. Ainda que ambos não observem as mesmas velocidades, concordarão que houve variação da velocidade da bola após a defesa, por conta da força exercida sobre ela pelo goleiro, ou seja, as leis da Física permanecem idênticas em ambos os casos.

Ilustrações: Eduardo Borges/ Arquivo da editora

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B. atacante va

goleiro

atacante

v’b

v b = 60 km/h v a = 10 km/h

goleiro

v’g

v’ b = 50 km/h v g = 0 km/h

Velocidade da bola em relação ao atacante, com o goleiro em repouso.

v’ a = 0 km/h

v’ g = - 10 km/h

Velocidade da bola em relação ao goleiro, com o atacante em repouso.

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UNIDADE

4 Essas invariâncias das leis, de acordo com a mudança do referencial, devem ser válidas para quaisquer fenômenos físicos, como os do Eletromagnetismo. Para aplicar o postulado da relatividade ao Eletromagnetismo e fazê-lo corresponder às experiências, Einstein propôs um segundo postulado, com consequências consideradas radicais para a Mecânica da época. Como segundo postulado para a sua teoria da relatividade restrita, Einstein propôs que a velocidade da luz, no vácuo, é completamente independente do estado de movimento tanto da fonte quanto do observador desse feixe luminoso. Postulado da constância da velocidade da luz: a velocidade da luz, no vácuo, tem o mesmo valor em todos os sistemas de referência, independentemente de a fonte emissora estar em repouso ou em movimento.

Considere o caso de dois carros se deslocando em pistas con 0 km/h, mas em sentidos opostos, quando um trárias, cada um a 9 passa ao lado do outro. A alguns metros de distância, há um radar eletrônico que usa micro-ondas para as medições.

Guilherme Casagrandi/Arquivo da editora

Com isso, Einstein afirmava a não existência de um referencial preferencial, como o éter, uma vez que a luz se moveria com a mesma velocidade para todos os referenciais inerciais. Contudo, para que os dois postulados não fossem excludentes, foi necessário alterar alguns conceitos tidos como inquestionáveis em nosso dia a dia. vb

Os feixes de micro-ondas saem do radar com velocidade de, aproximadamente, 3 · 10 8 m/s. Se os motoristas de ambos os carros calculassem a velocidade do feixe, obteriam o mesmo valor, sem aumento ou diminuição de velocidade. Nesse caso, mesmo que os dois carros estejam se movendo a favor ou contra o sentido de propagação do feixe, a velocidade calculada por ambos será de aproximadamente 3 · 10 8 m/s, exatamente a mesma velocidade caso estivessem em repouso.

Outra consequência consiste no fato de que a velocidade da luz passa a ser considerada uma velocidade limite. Isso significa que nenhum objeto massivo consegue alcançar essa velocidade e nenhuma outra partícula, mesmo sem massa, consegue superá-la. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de dois carros se movendo em sentidos opostos em uma avenida.

Os postulados da teoria da relatividade restrita de Einstein levam a algumas consequências que contrariam o senso comum. Dois eventos percebidos como simultâneos para certo observador, em repouso ou em movimento com velocidade constante, deixam de ser simultâneos quando percebidos por outro observador que se move a uma velocidade constante diferente, ou seja, a passagem do tempo não necessariamente será a mesma para os dois observadores em referenciais inerciais diferentes. Não estamos acostumados a observar esses efeitos, pois eles apenas se tornam perceptíveis para velocidades acima de 70% da velocidade da luz. Isso significa que o tempo pode ser dilatado? O que realmente significa uma contração espacial? A resposta para essas questões tem grandes implicações filosóficas, com consequências no entendimento da natureza e sua evolução. Passados mais de 100 anos das propostas desses postulados, as consequências da teoria da relatividade especial de Einstein foram postas à prova inúmeras vezes por testes experimentais. E, até então, não se observou nenhuma divergência entre suas previsões e os fenômenos naturais.

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Relatividade do tempo

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Para a Mecânica clássica de Galileu e Newton, o tempo é absoluto, invariante, uma grandeza independente, que transcorre da mesma forma em qualquer referencial adotado. Esse conceito, no entanto, só é válido para movimentos com velocidade muito menor que a velocidade da luz. Há na teoria da relatividade restrita de Einstein, que tem como postulado a velocidade da luz ser constante em qualquer referencial inercial, uma particularidade em relação à passagem do tempo: o tempo não passa da mesma forma em todos os referenciais, ou seja, relógios em referenciais diferentes marcam tempos diferentes. Vamos fazer algumas experiências mentais. Imagine um relógio em cima de uma torre e uma pessoa dentro de um ônibus que percorre uma rua em frente à torre com o relógio. A luz refletida pelos ponteiros do relógio da torre marcando nove horas chega rapidamente aos olhos dessa pessoa, a qual tem um relógio de pulso que também marca, exatamente nesse momento, nove horas.

Para estudar esse efeito, considere agora um trem executando um movimento retilíneo uniforme com → velocidade v em relação ao solo. No piso desse trem, uma fonte luminosa emite um feixe de luz vertical que se propaga até o teto, onde existe um espelho plano que reflete o feixe luminoso, como ilustrado a seguir.

espelho

Dt0

Um observador dentro do trem mede o intervalo de tempo ∆ t 0 do evento, que consiste na propagação da luz até o espelho e na sua volta à fonte. Conhecendo a distância d, do piso ao teto, e sabendo que a velocidade da luz é c , esse intervalo de tempo pode ser obtido por meio da definição de velocidade. 2 · d ∆s v = _ ⇒ ∆ t0 = _ c ∆t

Representação de um ônibus se movendo próximo a um relógio. Ilustrações: Rafael Luís Gaion/Arquivo da editora

Se a pessoa estiver se afastando do relógio movendo-se tão rápido quanto a luz, a informação luminosa que chegará até ela seria a dos ponteiros às nove horas. Nessa situação-limite, é como se o tempo estivesse “congelado” em relação à pessoa. Porém, se ela entrar em repouso, haverá uma diferença entre o seu relógio de pulso e o relógio da torre por causa da relatividade do tempo. Nesse caso, o relógio de pulso estaria atrasado.

Trem com uma fonte de luz e espelho em seu interior.

fonte de luz

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 664.

A relação mostrada é válida para o observador dentro do trem, que não nota qualquer efeito diferente porque está se movendo com o trem e a fonte de luz, ou seja, estão no mesmo referencial. Assim, se a altura d do trem fosse de absurdos 2 25 000 km(lembre-se de que estamos realizando experimentos mentais), a luz levaria 1,5 spara se mover da fonte até o espelho e retornar a ela. 2 · d _ 2 · 225 000 ∆ t0 = _ = = 1,5 ∴ ∆ t0 = 1,5 s c 300 000

Para um observador fora do móvel, que consegue observar o feixe de luz sendo emitido e refletido no → espelho, devemos considerar a velocidade v do móvel. Em relação a esse observador, o evento apresentará características diferentes, pois a trajetória da luz não será mais vertical.

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UNIDADE

Rafael Luís Gaion/Arquivo da editora

Propagação da luz dentro do trem em relação a um observador externo.

Imagens desta página elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 664-665.

observador

Para o observador fora do trem, a luz percorre duas vezes uma distância L , com velocidade cem um intervalo de tempo ∆ tmedido por ele. Analisando a geometria da situação, temos um triângulo no qual: • as distâncias Lcorrespondem a dois lados de um triângulo isósceles; a luz percorre 2 · Lem um intervalo de tempo ∆ t, medido pelo observador fora do trem; • a distância ∆ scorresponde à base do triângulo, que o trem percorre com velocidade v → no intervalo de tempo ∆ t, medido pelo observador fora do trem; • a altura desse triângulo corresponde à distância d, do piso ao teto do trem; a luz percorre 2 · d em um intervalo de tempo ∆ t0, medido pelo observador dentro do trem. Assim, considerando apenas o movimento da luz quando sai da fonte até atingir o espelho, temos o triângulo retângulo representado a seguir, com base no teorema de Pitágoras. 2 2 2 ∆ t0 ∆t ∆t ∆s L 2= d 2+ ( _ ) ⇒ ( c · _ ) = ( c · _ ) + ( v · _ ) ⇒ 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 v · ( ∆ t) = c · ( ∆ t0) ⇒ ⇒ c · ( ∆ t) − 2

Sergio Lima/Arquivo da editora

espelho L5c?

fonte

∆t 2

d5c?

∆t0 2

c 2· ( ∆ t0) ⇒ ⇒ ( c 2− v 2)· ( ∆ t) = 2 2 2 v c 2· ( ∆ t0) ⇒ ⇒ c 2· 1 − _ ( c 2)· ( ∆ t) = ∆ t0 2 2 v 2 t = _ _ ⇒ 1 − _ ( c 2)· ( ∆ t) = ( ∆ t0) ⇒ ∆ v 2 1− ( _ ) c 2

√

∆t ∆s 5v? 2 2

Representação geométrica da propagação da luz da fonte ao espelho.

Na relação anterior, ∆ t0 é chamado de intervalo de tempo próprio, quando o evento ocorre no mesmo referencial no qual é observado. Já ∆ t é denominado intervalo de tempo dilatado. Considerando novamente os valores numéricos anteriores, temos que, para o observador dentro do trem com 2 25 000 kmde ,5 spara ir até o espelho e voltar à fonte. Considerando que o móvel esteja a uma velocialtura, a luz levou 1 dade de 40% da velocidade da luz ( 120 000 km/s ou 1,2 · 10 5 km/s) em relação ao observador, o intervalo de tempo medido por ele será de: ∆ t0 1,5 ______________ ≅ 1    ,64 ∴ ∆ t ≅ 1 ,64 s ∆ t = _ _ = ________________ 5 2 v 2 _ 1,2 · 10 1 − ( ) c 1    − _ ( 3,0 · 10 5) Ou seja, houve uma dilatação do tempo. A expressão obtida pode ser generalizada e o intervalo de tempo dilatado pode, então, ser escrito da seguinte forma:

√

∆ t = γ · ∆ t0 1 em que γ, conhecido como fator de Lorentz, vale: γ = _ _ v 2 1 − ( _ ) c

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Usando a relatividade de Einstein, temos que o intervalo de tempo de um evento, medido por referenciais inerciais diferentes, não é igual. O tempo transcorre mais lentamente para referenciais em movimento do que para referenciais em repouso, ou seja, ocorre uma dilatação do tempo nos referenciais em movimento. No caso, o intervalo de tempo medido em um relógio dentro do trem foi menor que o intervalo medido em um relógio em repouso fora do trem.

Mechanik/Shutterstock.com

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Por isso, para corrigir os efeitos da dilatação temporal, ajustes relativísticos são necessários nos relógios atômicos colocados em satélites de localização, como os que compõem o sistema de posicionamento global (GPS, da sigla em inglês), por estarem em órbita ao redor do planeta em velocidades altas. Isso é necessário para que esses equipamentos sejam capazes de fornecer uma localização em tempo real na Terra.

Representação do satélite GLONASS-K, que integra o sistema GPS.

Relatividade do comprimento Além da análise do tempo, a relatividade de Einstein forneceu uma explicação para o que ocorre com o comprimento de um corpo na direção do movimento, quando este se move em velocidades próximas à da luz. Ele propôs que ocorre uma variação do espaço ao redor do corpo em movimento, interferindo, assim, no comprimento do corpo. Para um referencial inercial adotado no corpo em movimento, o corpo tem um comprimento L0 chamado de comprimento próprio. Quando esse corpo passa a se mover em relação a outro referencial inercial, com velocidade v, seu comprimento Lmedido nesse referencial é dado por:

√

v 2 L = L0 · 1 − ( _ ) c

Representação da relatividade do comprimento para um corpo com velocidade próxima à da luz.

v50

v 5 0,87 ? c

v 5 0,995 ? c

Rafael Luís Gaion/ Arquivo da editora

Pode-se observar que a expressão tem o mesmo fator de Lorentz ( γ) obtido para o caso temporal, dessa L0 forma a relação anterior também pode ser escrita como L = _ γ . É importante frisar que essa variação de comprimento ocorre apenas na direção do movimento, como ilustrado a seguir.

v 5 0,999 ? c

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 676.

Dessa forma, um corpo de comprimento L0 em movimento com velocidade de 87% da velocidade da luz 8 (2,61 · 10 m/s), em relação a um referencial em repouso, tem seu comprimento reduzido quase pela metade, como mostram os cálculos a seguir.

√

____________

0,87 · c L = L 0 · 1 − ( _ ) = L 0 · 1    − ( _ ⇒ L = L0 · 0,5 c c ) v 2

A contração do espaço não altera a estrutura atômica ou molecular do objeto, pois se trata de uma medida relativa. Como o espaço ao redor do corpo se contrai, a medida entre suas extremidades se torna menor quando realizada por um observador em repouso. Para viagens com velocidades relativísticas (próximas à velocidade da luz), a dilatação do tempo e a contração dos comprimentos são efeitos de um mesmo fenômeno.

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Teoria da relatividade geral Em 1915, cerca de dez anos após publicar a teoria da relatividade restrita, Einstein divulgou sua generalização, denominada teoria da relatividade geral, que teve consequências a respeito dos efeitos da gravidade, fornecendo uma nova forma de interpretar a interação gravitacional.

4 UNIDADE

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Conforme a lei da inércia de Newton, uma pessoa dentro de um elevador que não emite ruído e sem visão para o exterior não consegue distinguir se está em repouso ou em MRU. Nesse caso, o corpo permanece equilibrado sobre o piso do elevador graças à ação da força peso e da força normal. No entanto, essa pessoa sentiria os efeitos da aceleração ao iniciar um movimento ou ao desacelerar para atingir o repouso. Quando o elevador acelera para cima, por exemplo, o corpo é lançado para baixo, situação semelhante à ação da atração gravitacional da Terra. Considere as situações a seguir.

a5g

a50

Representação de uma pessoa no interior de um elevador que se move com velocidade constante em um local com ausência de interação gravitacional.

Representação de uma pessoa no interior de um elevador que se move com aceleração de mesma intensidade que a aceleração gravitacional em um local com ausência de interação gravitacional.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 688-689.

A. O movimento de um elevador com velocidade constante (a = 0), em um local sem interação gravitacional com a

B. Contudo, caso o elevador suba acelerando, essa

pessoa tenderá a ficar sobre o piso do elevador, por conta da inércia. Se a aceleração do elevador para cima for igual à aceleração da gravidade da Terra (a = g), a pessoa fica sobre o piso do elevador com a mesma sensação de estar sobre a superfície da Terra.

Terra, causaria à determinada pessoa, nesse elevador, uma situação equivalente à ausência de interação gravitacional, chamada de imponderabilidade, dando-lhe a sensação de “ausência de peso”.

Essa equivalência entre interação gravitacional e um referencial acelerado com a mesma aceleração da gravidade é chamada de princípio da equivalência, utilizado por Einstein em sua teoria da relatividade geral. O desvio observado na luz quando se está dentro de um elevador acelerado também é causado pela interação gravitacional.

trajetória de luz observada em um referencial fora do elevador

v v

a5g

trajetória de luz observada por um referencial dentro do elevador deflexão Rafael Luís Gaion/ Arquivo da editora

Ilustrações: Eduardo Borges/Arquivo da editora

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Considere que o elevador tenha um orifício em uma de suas laterais, por onde incide um feixe luminoso. Quando o elevador estiver subindo com aceleração dada por a = g , um observador externo ao elevador veria o feixe se propagando em trajetória retilínea. Já um observador interno veria o feixe incidir na lateral oposta em uma posição abaixo do orifício. Isso ocorre por conta de o elevador acelerar e se movimentar para cima enquanto a luz se propaga. Assim, se considerarmos o princípio da equivalência, o mesmo efeito de desvio da luz em decorrência da aceleração do elevador seria causado por uma interação gravitacional. No entanto, de acordo com a lei da gravitação universal de Newton, a interação gravitacional é consequência da interação entre corpos por conta de suas massas. Rafael Luís Gaion/Arquivo da editora

Sendo assim, como a gravidade poderia ter alguma ação sobre a luz se ela não tem massa? C. Para Einstein, ainda na relatividade restrita, temos a relação entre A. massa e energia, em que a massa de um objeto pode ser convertida B. em energia, e vice-versa. Dessa forma, a luz pode sofrer influência da interação gravitacional. Conforme essa proposta de Einstein, os raios de luz emitidos por uma estrela sofrem desvios ao passarem por um campo gravitacional intenso gerado por um grande astro, como o Sol, chegando à Terra por caminhos distintos, efeito conhecido como lente gravitacional. Esse efeito deve ser considerado em estudos astronômicos, pois um mesmo astro pode estar sendo observado de posições distintas. A denominação “lente” é uma referência aos desvios dos raios de luz causados pelas lentes esféricas, em razão do fenômeno da refração. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Um astro celeste localizado em A seria observado nas posições B e C aqui na Terra.

Após afirmar que a luz não tem massa e que sua trajetória pode ser curvada pela interação gravitacional, Einstein afirmou que uma massa muito grande causa uma deformação do espaço-tempo à sua volta, e a luz se propaga nesse espaço-tempo curvo. Nessa nova geometria, o espaço-tempo é interpretado como um meio flexível que pode ser dobrado e torcido, de modo a descrever o seu campo gravitacional.

LIGO/T.PYLE/SPL/Fotoarena

Em vez de visualizar forças gravitacionais entre massas, pensaremos em massas que, ao se movimentarem, respondam à curvatura do espaço-tempo que elas habitam. As saliências, depressões e dobras do espaço-tempo é que consistem em fenômenos da gravidade.

Representação da deformação do espaço-tempo causada por duas massas, em duas dimensões.

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Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Uma analogia extremamente simplificada para ter uma noção do espaço-tempo pode ser feita colocando uma bola de boliche em uma cama elástica. Quanto maior a massa da bola, mais ela deforma ou dobra a superfície da lona elástica.

Representação da lona de uma cama elástica deformada por conta da massa de uma bola de boliche.

UNIDADE

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 696.

Rafael Luís Gaion/Arquivo da editora

Todo objeto tem massa e, portanto, cria uma deformação no espaço-tempo ao seu redor. Quando o objeto se move, a curvatura do espaço-tempo ao redor se ajusta à nova posição do objeto. Quando dois objetos com grandes massas interagem, eles produzem ondulações no espaço-tempo. Essas ondulações são parecidas com as geradas por movimentos da bola sobre a superfície de um lençol. As ondulações se afastam de uma fonte gravitacional com velocidade da luz e são denominadas ondas gravitacionais, previstas por Einstein em 1915.

Representação das ondas gravitacionais geradas pela interação entre duas massas no espaço-tempo ao seu redor.

No dia 11 de fevereiro de 2016, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), nos Estados Unidos, anunciou a detecção das ondas gravitacionais previstas por Einstein. Após várias detecções, cientistas concluíram que eram ondas gravitacionais produzidas por dois buracos negros com massas cerca de 29 a 36 vezes maiores que a do Sol.

Christian Offenberg/Alamy/Fotoarena

A detecção das ondas gravitacionais confirma mais uma vez a teoria da relatividade geral de Einstein. Esse fato também inaugura uma nova era de pesquisas em Astronomia, permitindo o estudo do Universo por métodos diferentes. Como exemplo, temos a observação indireta de buracos negros, que agora podem ser detectados e investigados pelas ondas gravitacionais produzidas.

Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), localizado na Louisiana, nos Estados Unidos, em 2015.

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CONEXÕES com ... ARTE

O gênero ficção científica tem como característica o desenvolvimento de histórias fictícias que utilizam conceitos científicos, muitas vezes extrapolando-os e apresentando os impactos da ciência e da tecnologia na sociedade. Diferentes obras de ficção científica trabalham temas complexos da Física, em especial da Física moderna, incentivando os espectadores a refletir sobre alguns conceitos, transpondo didaticamente o ensino de Física para a arte. A animação Lightyear é um exemplo de obra que mostra os fenômenos relacionados à teoria da relatividade de Einstein. No filme, o personagem principal Buzz Lightyear está tentando escapar de um planeta hostil e para isso realiza viagens com velocidades próximas à da luz. Para Buzz, que está na nave a alta velocidade, cada viagem dura apenas algumas horas. No entanto, cada vez que ele pousa, no planeta se passaram cerca de 4 anos. Esse efeito decorrente da dilatação do tempo faz Buzz envelhecer mais lentamente do que seus amigos que ficam no planeta. Cartaz do filme Lightyear, de Angus MacLane, 2022.

Legendary Pictures/Warner Bros. Pictures

Outra obra cinematográfica que trabalha conceitos da relatividade é Interestelar, longa-metragem que teve a consultoria do físico estadunidense Kip Thorne (1940-) para que diversos fenômenos abordados obedecessem com rigor às leis da Física. Em um trecho do filme, uma equipe de astronautas viaja para o planeta Miller, que orbita o buraco negro Gargântua e por isso sofre os efeitos da dilatação temporal em razão do campo gravitacional do buraco negro. Cada hora passada nesse planeta equivale a sete anos na Terra e também na nave de apoio, que fica esperando a equipe retornar. Os astronautas que desceram para explorar o planeta Miller ficaram aproximadamente 3 horas em sua superfície, no entanto, quando voltam à nave de apoio, o personagem que estava nela informa que ficou mais de 23 anos aguardando os companheiros. Professor, professora: Comente com os estudantes que o filme

Interestelar é classificado como hard sci-fi (termo em inglês para ficção científica hard), subgênero que tem como característica a precisão científica nos temas apresentados.

Pixar Animation Studios/Walt Disney Pictures

Teoria da relatividade em filmes e séries

Cartaz do filme Interestelar, de Christopher Nolan, 2014.

Além dos efeitos da dilatação temporal gravitacional, Interestelar apresenta o fenômeno das lentes gravitacionais. Os discos que se formam em torno do buraco negro Gargântua são resultado do desvio na trajetória da luz pela distorção no espaço-tempo gerada pela massa do buraco negro. A imagem do buraco negro no longa-metragem é resultado de uma das melhores simulações do comportamento da luz e da radiação emitida por partículas se movendo próximas a um buraco negro. Ela foi desenvolvida em supercomputadores com o auxílio de cientistas. Porém, foi ajustada pelo diretor do filme, para ficar mais simétrica e aumentar o apelo visual das cenas nas quais o buraco negro aparece. a ) Em grupo, discutam como os conceitos apresentados nos filmes podem mudar a forma de pensar e entender o tempo e o espaço.

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a) Resposta pessoal. Espera-se que, durante a discussão, os estudantes comentem que os filmes nos levam a entender de modo diferente certos conceitos científicos, como o tempo e o espaço. No cotidiano, tais conceitos aparentam ser constantes, porém podem ter propriedades muito mais complexas e surpreendentes em movimentos com velocidades altas ou em regiões próximas a campos gravitacionais intensos.

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UNIDADE

4 2. b) Resposta: O tempo não é absoluto e sofre dilatação em função da velocidade relativa entre dois observadores. Dessa maneira, o observador na Terra perceberia que mais de 1 hora se passou, enquanto o astronauta registrou apenas 1 hora.

ATIVIDADES RESOLVIDAS

R1. Uma nave espacial parte da Terra com velocidade de 0,8 · cem relação a um observador que está na Terra. Um tripulante anota o tempo de sua viagem e constata que duraram 9 anos. Quanto tempo se passou para o observador na Terra? Resolução

√

Definindo o referencial nave como O’e o referencial observador como O, temos: 3. Resposta: Não. O fato está associado à ∆ t0 9 velocidade de propagação de cada ___________ = 15 ∴ ∆ t = ∆ t = _ _ = _____________    15 anos 2 onda. A luz é uma onda eletromagnética, v 2 _ 0,8 · c 1 − ( ) enquanto o som é uma onda mecânica. Assim, c 2 1 − _ os sinais percebidos chegam em tempos 2 c diferentes, mesmo que o evento ocorra no mesmo instante.

√

4. Resposta: I) Verdadeira; II) Falsa. Para um observador na Terra, a luz que vai para a parte frontal da nave percorre uma distância maior do que a luz que vai para a traseira; III) Verdadeira; IV) Verdadeira.

R2. Em repouso, uma barra de determinado material tem um comprimento de 2 0 m. Ao passar por um observador com 0,8 · c , qual será o comprimento constatado dessa barra?

Resolução

ATIVIDADES

√

___________

(0,8 · c ) L = L0 · 1 − _ 2 = 20 · 1 − _ = 1 2 ∴ L = 1 2 m c c 2 v 2

2. a) Resposta: Na teoria da relatividade de Galileu, o tempo é considerado absoluto e o mesmo para todos os observadores, independentemente de seus estados de movimento. Portanto, se o astronauta observou 1 hora em seu relógio, o observador na Terra também registraria 1 hora.

1. A Física moderna trouxe avanços significativos

2. Um astronauta está viajando em uma nave espacial que se move a 80% da velocidade da luz em relação à Terra. Dentro da nave, ele observa que seu relógio marca exatamente 1 hora de viagem. a ) De acordo com a teoria da relatividade de Galileu, como seria o tempo medido pelo observador na Terra? Justifique sua resposta.

4. Considere uma fonte luminosa no interior e no centro de uma nave espacial em movimento com velocidade constante próxima de c , como ilustrado a seguir.

Eduardo Borges/Arquivo da editora

em nossa compreensão do Universo, especialmente no início do século XX. Dois marcos importantes nesse desenvolvimento foram a teoria da relatividade, proposta por Albert Einstein, e a Mecânica quântica, desenvolvida por vários cientistas, incluindo o físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) e o físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976). Com suas palavras, explique como a teoria da relatividade de Einstein mudou a compreensão do espaço e do tempo em relação à Fínas Orientações sica clássica. Resposta para o professor.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de uma nave espacial em corte.

Quando a fonte é acionada, a luz é espalhada em todas as direções com uma velocidade constante c. De acordo com essas informações e com a simultaneidade relativística, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) Para um observador no interior da nave espacial, a simultaneidade é notada, pois a luz alcança as extremidades em instantes iguais, pois a fonte é equidistante da extremidade frontal à extremidade traseira da nave.

b ) Segundo a teoria da relatividade de Einstein, o tempo medido pelo observador na Terra seria o mesmo? Explique.

II ) Um observador na Terra, que pode analisar a nave espacial, percebe que a luz percorre distâncias iguais em tempos iguais, tanto no caminho para a frente quanto para a traseira da nave.

3. A simultaneidade é uma consequência do se-

III ) A simultaneidade não pode ser vista pelo observador na Terra, pois a luz percorre um caminho maior quando se desloca em mesmo sentido que a nave, já que ela está em movimento para a frente.

gundo postulado de Einstein. Está correto dizer que o fato de a luz do relâmpago acontecer antes do barulho do trovão é análogo a não simultaneidade relativística?

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Resoluções das questões 6, 7, 8, 9, 11 e 12 nas Orientações para o professor.

IV ) Uma segunda nave, que se move de encontro à primeira, observa que a luz chega primeiro à frente do compartimento da primeira nave.

5. Considere uma nave com velocidade constante

de 0,3 · c em relação à Terra, emitindo sinais luminosos para um observador (que está na Terra) com uma frequência de um flash a cada seis minutos. Qual é a frequência de flashes que esse o observador vai constatar se: a ) a nave começar a se mover em direção à Terra com o dobro de sua velocidade inicial? b ) a nave se afastar da Terra com o dobro de sua velocidade inicial?

6. Considere um observador A, que está na Terra,

e um observador B, que está em um foguete. Os dois ajustam seus relógios para 3h e o B sai em viagem. Sabendo que o foguete se desloca com uma velocidade de 0,7 · c em relação à Terra, determine: a) Resposta: ∆ t0 = 1,065 h ou ∆ t0 = 6 4 min. a ) o tempo passado para o observador Bquando, no relógio de A, marcar 4 h 30 min; b ) o valor de γ. b) Resposta: γ ≃ 1 ,4.

7. Leia a notícia a seguir. Cientistas brasileiros estão desenvolvendo uma nova tecnologia na área espacial: a propulsão a laser. Uma fonte aqui na Terra dispara um feixe de laser que atinge o foguete. Esse foguete, então, decola, sem precisar levar combustível. O projeto é coordenado por pesquisadores brasileiros, que trabalham em parceria com cientistas americanos. a) Resposta: Δ t0 = 6 anos

[...] b) Resposta: Δt ≃ 8,4 anos

CIENTISTAS brasileiros desenvolvem foguete com propulsão a laser. G1, 20 out. 2009. Disponível em: g1.globo.com/ Noticias/Ciencia/0,,MUL1386471-5603,00.html. Acesso em: 4 set. 2024.

Considerando que esses propulsores fazem que um pequeno foguete de teste viaje com uma velocidade constante de 0,7 · ccom destino à estrela mais próxima da Terra, a Próxima Centauri, que está a uma distância de aproximadamente 4,2 anos-luz, responda às questões a seguir. a ) Quanto tempo o pequeno foguete de teste levará para chegar à Próxima Centauri? b ) Esse tempo foi o decorrido para o próprio foguete ou para alguém que está na Terra? Caso seja o decorrido para o foguete, calcule quanto tempo decorrerá para um observador na Terra.5. a) Resposta: A frequência será de um flash a cada

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3 minutos. Quando a nave dobra sua velocidade em direção à Terra, ele emitirá os flashes após ter se aproximado certa distância, portanto as frentes de ondas da luz terão intervalos de tempo reduzido à metade para o observador localizado na Terra.

8. O atual recorde de velocidade máxima em um fim de reta em uma prova de Fórmula 1 é de, aproximadamente, 378 km/h. O piloto brasileiro Felipe Massa, em toda a sua carreira, disputou 217 provas. Considere que ele tenha corrido todas as provas mantendo, de maneira constante, essa velocidade máxima de fim de reta. Calcule a diferença de tempo, de acordo com a relatividade, que Felipe Massa tem de vida. Considere que as pistas têm, em média, 6 km de extensão e cada prova, em média, 70 voltas. Resposta: ∆ tv ≃ 1,9 · 1 0 −4 s.

9. Uma nave espacial foi medida antes da decolagem e tem um comprimento de 150 metros. Se um observador na Terra conseguisse medir o comprimento da nave no espaço e verificasse que ela tem 90 metros de comprimento, qual seria a velocidade da nave em relação ao planeta? Resposta: v = 0,8 · c .

10. Para a gravação de um filme de ação, foi utilizado

um trem de comprimento Lque passaria por um túnel que também tem comprimento L . Na saída do túnel, está localizado um sensor, que faz uma bomba acoplada ao trem explodir quando a parte da frente do trem passar por ele. Na entrada do túnel, há outro sensor, que desarma a bomba quando a parte de trás do trem o cruzar. Sabendo que o trem se dirige ao túnel com uma velocidade v , a bomba vai explodir ou será desarmada? Desconsidere o tempo da comunicação do sensor com a bomba. Resposta nas Orientações para o professor.

11. Os múons são férmions originados da interação dos raios cósmicos com a atmosfera terrestre e têm uma vida média de 2 ,2 μs até o seu decaimento. Como a maior parte dos múons é criada a 15 kmde altitude, de acordo com a Física clássica não seria possível detectar essas partículas ao nível do mar. No entanto, milhares deles chegam à superfície terrestre por minuto. A explicação para esse fenômeno é obtida por meio da relatividade restrita e de seus desdobramentos, dilatação do tempo e contração do espaço. Sabendo que a velocidade do múon é 0,9993c, em que c = 3 · 1 0 8m/s, calcule o que se pede a seguir. a ) O tempo de vida do múon medido para o referencial da Terra. Resposta: Δt = 58,8 μs. b ) A distância percorrida pelo múon para um referencial na Terra e para o referencial próprio do múon. Resposta: L = 1 7 628 me L0 ≃ 660 m.

12. Em um detector de partículas, observa-se um

rastro de 2 0 cm deixado por uma partícula instável de alta energia que se move com uma velocidade de 0 ,9 · c, antes de decair. Determine o Resposta: tempo de vida próprio dessa partícula. Δ t = 0,32 ns. 0

5. b) Resposta: Quando a nave dobra sua velocidade afastando-se da Terra, ele emitirá os flashes após ter se afastado certa distância, portanto as frentes de ondas da luz terão intervalos tempo maior aumentado o dobro a frequência.

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UNIDADE

4 A Física quântica pode parecer uma área complexa e distante do nosso cotidiano, mas grande parte dos dispositivos eletrônicos que usamos hoje aplica seus princípios como base de funcionamento, em especial sobre como a luz se comporta e é transmitida, dependendo do material com o qual interage ou com o meio no qual se transmite. LEDs, lasers, fibras ópticas e até mesmo as máquinas usadas para escanear o código de barras de produtos nos supermercados só foram desenvolvidos e aplicados no nosso dia a dia graças à Física quântica.

Horth Rasur/Shutterstock.com

Física quântica

Pessoa escaneando código de barras.

1. O código de barras de um produto no supermercado é rapidamente lido e interpretado por uma máquina equipada

com um laser que emite pulsos de luz de maneira controlada e específica para esse fim. Considerando os assuntos estudados até aqui, em especial as ideias de Planck, como a situação mostrada na imagem anterior relaciona-se com pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem, mesmo que de maneira superficial, a Física quântica? Explique. Resposta a questão de a energia ser emitida ou absorvida em quantidades discretas.

É impressionante pensar que dispositivos tão imprescindíveis hoje em dia só foram desenvolvidos graças à proposta de Planck, que relaciona a emissão e absorção de energia em quantidades específicas (os quanta), fazendo que todo o desenvolvimento da Física quântica tivesse início. A quantização da energia interferiu profundamente na Ciência da época e proporcionou avanços em diversas áreas, como uma nova interpretação da estrutura da matéria; uma nova interpretação dos espectros luminosos das estrelas; além disso, ela possibilitou a elaboração de componentes eletrônicos, como sensores de presença e portas de abertura automática; entre outros. Do mesmo modo que a teoria da relatividade estendeu as leis da Física para grandes velocidades, a Física quântica estendeu-as para as pequenas dimensões, conhecidas como dimensões atômicas ou subatômicas.

Radiação térmica Oleksandr Tereshchenko/Shutterstock.com

Todos os corpos que têm temperatura acima do 0 K(zero absoluto) emitem um tipo de radiação chamada de radiação térmica. Ela é proveniente da movimentação de partículas que constituem o corpo, o qual, além de emitir esse tipo de radiação para o meio, absorve radiação proveniente dele. Se o corpo emite mais radiação do que absorve, ele se resfria; se absorve mais do que emite, esquenta. Se a emissão e a absorção são iguais, ele se encontra em equilíbrio térmico com o meio. Em baixas temperaturas ou em temperatura ambiente, a emissão de radiação ocorre na faixa do infravermelho, portanto não é visível aos olhos. Por exemplo, como a temperatura corporal do ser humano é próxima de 310 K(cerca de 37 °C),emitimos infravermelho. Já alguns materiais quando aquecidos passam a emitir radiação na faixa da luz visível, apresentando-se, primeiro, na cor vermelha, passando a emitir frequências das outras cores, como o alaranjado ou o amarelo, até emitirem a cor branca ou branca-azulada, conforme se aquecem cada vez mais.

Carvão em brasa.

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radiação

Guilherme Casagrandi/Arquivo da editora

Para estudar a radiação emitida por um corpo, o físico alemão Robert Gustav Kirchhoff (1824-1887) propôs a utilização de um corpo que seria um absorvedor e um emissor ideal, que ficou conhecido por corpo negro. Um corpo negro pode ser construído com um objeto sólido oco, no qual se faz um pequeno orifício.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Conforme mostra a ilustração, a radiação que entra pelo orifício é absorvida pelas paredes da cavidade, aumentando a agitação de suas partículas. Isso faz a temperatura da cavidade aumentar e ela passa a emitir radiação. Toda a radiação que entra na cavidade é absorvida, ocorrendo, em seguida, a emissão da energia. A radiação emitida pela cavidade a uma temperatura T é chamada de radiação de cavidade e se assemelha à radiação emitida por um corpo negro à mesma temperatura. Por isso, em laboratórios, utilizam-se cavidades para estudar o espectro da radiação de um corpo negro.

Representação da radiação absorvida e emitida pelas paredes internas do corpo.

O estudo desse espectro resultou na descrição da relação entre o comprimento de onda da radiação emitida e a temperatura do corpo, que foi realizada pelo físico alemão Wilhelm Wien (1864-1928). Ele percebeu que há um comprimento de onda no qual a intensidade de radiação emitida é máxima e que esse comprimento era inversamente proporcional à temperatura do corpo. Wien também tentou explicar matematicamente a curva da intensidade de radiação, mas a relação encontrada por ele só conseguia explicar corretamente a parte dos comprimentos de onda pequenos. Gráfico de I × λ para a lei de Wien I

resultado experimental

lei de Wien λ

Gráfico da previsão teórica de Wien e do resultado experimental.

Fonte de pesquisa: LAGE, Eduardo. A fórmula de Planck. Revista de Ciência Elementar, v. 8, n. 4, dez. 2020. p. 4.

Outra tentativa de explicar teoricamente os resultados experimentais foi feita pelos físicos britânicos Lord Rayleigh (1842-1919) e James Jeans (1877-1946). Eles utilizaram teorias clássicas do Eletromagnetismo e da cinética dos gases e chegaram a uma relação que apresentava resultados divergentes ao que era observado experimentalmente. Para comprimentos de onda longos, a curva teórica obtida por eles se ajustava aos valores experimentais, mas, quando os comprimentos de onda diminuíam próximo aos do ultravioleta, a emissão de radiação pelo corpo negro tendia ao infinito, ou seja, o corpo deveria emitir uma quantidade infinita de energia.

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Gráfico de I × λ para a lei de Rayleigh-Jeans I

lei de Rayleigh-Jeans

Gráfico da previsão teórica de Rayleigh-Jeans e do resultado experimental.

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 4. p. 196.

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A discrepância entre os dados obtidos experimentalmente e os valores teóricos esperados na faixa do ultravioleta pela relação de Rayleigh-Jeans ficou conhecida como a catástrofe do ultravioleta.

UNIDADE

4 Desse modo, percebemos que a teoria clássica não era capaz de relacionar os dados experimentais com modelos teóricos para esse assunto. Uma hipótese para a solução desse problema da radiação do corpo negro foi feita pelo físico alemão Max Planck (1858-1947), em 1900, no seu artigo “Sobre a teoria da lei de distribuição de energia do espectro normal”, que representou uma revolução na Física e o nascimento da Física quântica. Para resolver o problema da emissão de radiação por um corpo negro, com exceção das leis da Termodinâmica, Planck estava disposto a sacrificar suas convicções científicas. Esse novo pensamento envolvia o rompimento com o modelo clássico. Este afirmava que a emissão, a absorção e a propagação de radiação ocorriam de maneira contínua, de modo crescente com o aumento da frequência. Planck sugeriu que as partículas oscilantes da matéria têm energia ( E), em valores discretos, isto é, quantidades definidas de energia que dependem da frequência ( f) da radiação emitida, calculadas pela relação a seguir. E = n · h · f Nessa relação, né um número inteiro positivo que indica o nível de energia ou estado quântico do corpo, e hé a constante de Planck, uma constante universal que indica a proporcionalidade entre a energia e a frequência da radiação e que, em unidades do SI, é expressa como: h ≃ 6 ,626 · 10 −34J · s Uma das consequências da relação anterior é que, diferentemente da teoria clássica, para a qual as partículas oscilantes poderiam ocupar níveis de energia que iam continuamente do zero ao infinito, a teoria de Planck postulava que essas partículas devem ocupar níveis de energia bem determinados, os denominados estados quânticos, os quais, quando organizados em um diagrama, mostram um conjunto discreto de linhas.

Comparação entre níveis de energia possíveis no sistema clássico (contínuo) e no sistema quântico (discreto).

...

Guilherme Casagrandi/ Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

E56?h?f E55?h?f E54?h?f E53?h?f E52?h?f

clássico

E50

Planck

E51?h?f E50

Imagem elaborada com base em: EISBERG, Robert; RESNICK, Robert. Física quântica. Tradução: Paulo C. Ribeiro e Enio F. S. M. F. Barroso. Rio de Janeiro: Elsevier, 1979. p. 41.

Uma partícula só passa de um estado quântico para outro se absorver ou emitir quantidades de energia bem definidas, iguais à energia de um quantum, isto é: E = h · f Se utilizarmos a quantização de energia em um sistema clássico, como um pêndulo simples de massa 2 kge corda com comprimento de 0 ,1 m, veremos que a diferença entre um estado e outro é imperceptível e não serve como confirmação do postulado de Planck. Primeiro, devemos calcular a frequência de oscilação do pêndulo, depois a relação de Planck. Dessa forma, teremos:

√

10 10 = _ ≃ 1,6 ∴ f ≃ 1 ,6 Hz √_ 0,1 6,28

g f = _ 1 · _ = _ 1 · L 2 · 3,14 2 · π

,6 ≃ 1 · 10 −33∴ E ≃ 1 · 10 −33J E = h · f = 6,63 · 10 −34· 1

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O fato de a constante de Planck ser tão pequena faz os níveis de energia de sistemas macroscópicos ficarem tão próximos que não conseguimos distingui-los, parecendo contínuos. Mas, para processos atômicos e para a radiação, nos quais a Física clássica falhava, o postulado de Planck é confirmado. Foi considerando as aplicações em outras teorias que o postulado de Planck começou a ter significado físico. Einstein, por exemplo, utilizou o conceito da quantização da energia para explicar o efeito fotoelétrico em um de seus trabalhos de 1905, no qual considerou a luz partícula (os quanta de luz), que, em 1926, foram chamados de fótons pelo químico estadunidense Gilbert Lewis (1875-1946). Os modelos atômicos atuais também consideram a quantização de energia, como veremos na sequência.

Efeito fotoelétrico Além da publicação da teoria da relatividade restrita em 1905, Einstein também publicou o artigo intitulado “Sobre um ponto de vista heurístico a respeito da criação e conversão da luz”, baseado na nova Física quântica proposta por Planck, e que apresentava uma explicação para o efeito fotoelétrico. Esse efeito, embora já conhecido na época, ainda estava sem nenhuma descrição adequada. O trabalho rendeu a Einstein o Prêmio Nobel de Física, em 1921.

No final do século XIX, vários cientistas tinham notado a possibilidade de detectar uma corrente elétrica em superfícies metálicas, nas quais havia incidência de luz. Esse fato era consequência do efeito fotoelétrico, porém ainda não se sabia como designá-lo e muito menos quais eram suas causas.

Peter_Fleming/Shutterstock.com

Hoje, o efeito fotoelétrico é utilizado em dispositivos eletrônicos presentes no cotidiano da sociedade, como visores noturnos, fotômetros, sensores de presença e dispositivos com abertura de portas automáticas, por exemplo.

Pessoas passando por uma porta com sensor de abertura

Eduardo Carriça/Arquivo da editora

fonte de radiação

radiação

tubo de vácuo

radiação

Guilherme Casagrandi/ Arquivo da editora

O físico austro-húngaro Philipp Lenard (1862-1947), automática em aeroporto de Londres, na Inglaterra, em 2024. estudando o tubo de raios catódicos em 1903, quando Thomson já os havia interpretado como partículas negativas, seguiu algumas investigações do físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) e sua equipe e fez uma rigorosa investigação do efeito fotoelétrico, utilizando, para isso, um aparato semelhante ao representado a seguir. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

fotoelétrons placa A

terminal B

superfície metálica A

amperímetro

Representação do aparato experimental utilizado para estudar o efeito fotoelétrico.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 586.

Representação simplificada de uma superfície metálica recebendo radiação e emitindo fotoelétrons.

Heurístico: referente ao conjunto de regras e métodos que conduzem à descoberta, à invenção e à resolução de problemas. Fotômetros: instrumentos utilizados para medir a intensidade de uma fonte luminosa.

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No aparato, um tubo com vácuo contém uma placa Aligada ao polo negativo do gerador e outro terminal Bligado ao polo positivo. Ao incidir radiação de determinada frequência sobre a placa A , uma corrente elétrica foi detectada no amperímetro, ou seja, elétrons foram ejetados da placa Ae atraídos pelo terminal B, por conta da diferença de potencial aplicada (ddp). Esse fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico, e os elétrons emitidos são denominados fotoelétrons.

UNIDADE

Diversos testes foram realizados, variando a frequência e a intensidade da radiação incidente e também a ddpaplicada. Para explicar o efeito fotoelétrico, Einstein estendeu a proposta de Planck a toda radiação, afirmando que a energia radiante também é quantizada, sendo as quantidades mínimas de energia (quantum) chamadas de h · f ) a um elétron fótons. Ele, então, propôs que cada quantum (fóton) da radiação transfere sua energia ( E = do material que está sendo irradiado. Parte dessa energia corresponde ao trabalho necessário para romper a energia de ligação do elétron com o material, sendo, por isso, chamado de função trabalho ( W). O restante da energia do quantum é transformado em energia no fotoelétron emitido, assim cada elétron emitido da superfície do material tem energia cinética máxima ( Ecmáx),dada por: Ecmáx = h · f − W

Dualidade onda-partícula A descrição de Einstein para o efeito fotoelétrico retoma a antiga divergência sobre a natureza dual da radiação, que pode ser interpretada como onda ou partícula. De acordo com definições clássicas, partícula e onda têm comportamentos e características exclusivos. Uma partícula clássica tem massa ( m) e velocidade → → → = m · v ). Partícu(v ), sendo assim é possível calcular sua quantidade de movimento, ou momento linear ( Q las com massa também podem ser desviadas em colisões com outras partículas com massa, visto que, nessas colisões, elas ganham ou perdem energia.

Uma onda clássica se comporta como uma perturbação periódica com frequência (f) e comprimento de onda ( λ) e sua velocidade de propagação é definida por v = λ · f. Uma onda pode passar por fenômenos ondulatórios, como refração, difração e interferência, sendo sua energia distribuída de modo contínuo no espaço e no tempo. Entretanto, a luz e outras radiações, além do comportamento de onda, podem apresentar comportamento de partícula, como verificado na descrição de Einstein para o efeito fotoelétrico. A natureza corpuscular da radiação foi verificada em 1923, em uma investigação realizada pelo físico estadunidense Arthur Holly Compton (1892-1962), na qual ele fez incidir um feixe de raios X com determinado comprimento de onda ( λ) sobre um alvo de grafite. detector

A existência desses raios X com outro comprimento de onda não era prevista pela Física clássica, pois a radiação incidente deveria agir sobre os elétrons, que deveriam oscilar na mesma frequência.

(espectrômetro)

fonte de raios X

λ’

λ λ

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação da investigação de espalhamento dos raios X feita por Compton.

alvo de grafite

Imagem elaborada com base em: TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física moderna. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001. p. 94.

Guilherme Casagrandi/Arquivo da editora

Após a interação com os elétrons livres do grafite, Compton verificou que os raios X espalhados tinham intensidade máxima associada a dois comprimentos de onda, λ e λ’, sendo λ’ > λ .

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Compton interpretou seus resultados considerando o feixe de raios X incidentes não como uma onda eletromagnética, mas como um conjunto de quantum, com energia quantizada dada por E = h · f. Esses quanta de energia colidem com os elétrons livres do alvo, espalhando-se. A radiação espalhada tem uma energia menor, pois parte da energia incidente foi transferida ao elétron livre. Logo, a radiação apresenta uma frequência menor ( f ’) e um comprimento de onda maior ( λ’), pois c = f ’ · λ’. Esse efeito ficou conhecido como efeito Compton. A ideia do quantum (fóton) como uma partícula possibilitava a interpretação do processo de interação da radiação com a matéria, mas a teoria ondulatória ainda era necessária para descrever fenômenos ondulatórios como a difração e a interferência. Assim, a radiação poderia se comportar ora como onda, ora como partícula. Essa interpretação causou estranheza na comunidade científica, mas foi essencial para desenvolvimentos posteriores. Mais estranheza foi causada na verificação de que esse comportamento dual da radiação poderia ocorrer também com partículas portadoras de massa, como o elétron. No ano de 1924, o físico francês Louis de Broglie (1892-1987) propôs a existência de ondas de matéria. De acordo com sua proposta, a dualidade onda-partícula não é verificada apenas nas radiações, mas também na matéria.

Assim, a energia total (E), tanto para matéria quanto para radiação, deve ser associada a uma frequência (f) pela relação: E = h · f A quantidade de movimento da partícula de massa mem movimento, antes descrita como Q = m · v, em sua forma escalar, pode ser expressa também com o comprimento de onda associado. h Q = _ h⇒ m · v = _ h⇒ λ = m _ · v λ λ

Andrew Lambert Photography/SPL/Fotoarena

A verificação experimental proposta por De Broglie só ocorreu em 1927, quando se comprovou que feixes de elétrons enviados a altas energias podiam difratar quando incididos em cristais, sendo possível observar um padrão de interferência, como o mostrado a seguir. Após essas comprovações, em 1929, De Broglie recebeu o Prêmio Nobel de Física por seus trabalhos.

Padrão de interferência causado pela difração de elétrons em uma folha fina de grafite.

A nova teoria quântica Umas das consequências de assumir o comportamento dual para a matéria proposto por De Broglie consiste em uma limitação intrínseca de nossa capacidade de medir com precisão as propriedades de pequenos objetos. Como será possível estudar um elétron por meio de uma radiação se ambos interagem entre si? Para medirmos objetos em escalas atômicas, há algumas limitações. Em 1927, o físico alemão Werner Karl Heisenberg (1901-1976) propôs um experimento mental que consistia em tentar medir, com a máxima precisão possível, a posição de um único elétron. Para isso, escolheu o dispositivo que menos alterasse seu estado original, um microscópio óptico que não utilizasse nada além de luz visível.

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lente ocular

lente objetiva

luz espalhada pelo elétron

lente objetiva

x Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

x Dx

Representação de um experimento mental no qual se tenta observar um elétron em um microscópio óptico.

Ilustrações: Guilherme Casagrandi/Arquivo da editora

Para medir a posição do elétron, é necessário iluminá-lo, mas, por conta do efeito Compton, os fótons espalhados transferem energia para o elétron, mudando, com isso, sua velocidade. Portanto, para diminuir o desvio provocado pela luz, é preciso diminuir a energia do fóton, aumentando seu comprimento de onda. Contudo, isso diminuiria a precisão do microscópio.

UNIDADE

No ato de medir, o sistema seria alterado. Assim, Heisenberg enunciou o princípio da incerteza, conhecido hoje como princípio da incerteza de Heisenberg. Não é possível desenvolver qualquer experimento que seja capaz de determinar com ilimitada precisão a posição de uma partícula sem que, ao mesmo tempo, altere sua quantidade de movimento linear. Se representarmos a incerteza na medida da posição como ∆ xe a incerteza na medida da quantidade de movimento como ∆ Q, o princípio da incerteza de Heisenberg afirma que: h ∆ x · ∆ Q ≥ _ 4π

Essa expressão indica que, quanto mais precisa for a medida de uma dessas grandezas, mais haverá queda na precisão da outra medida. Nesse caso, as duas grandezas são consideradas variáveis conjugadas, pois são grandezas que não podem ser observadas simultaneamente sem que se perca a precisão sobre a outra. Consideramos o exemplo de alguém que, com o intuito de estudar uma bactéria de massa 1,8 · 10 −18 kg, utilizou um microscópio óptico. Sabendo que a bactéria tem um tamanho de 5,4 μm, e que o microscópio usado oferece um erro de apenas 1% desse valor, ou seja, ∆ x = 5 ,4 · 10 −8 m, seria necessário considerar o erro na velocidade dessa bactéria? 6,63 · 10 −34 h ________________       = 9,77 · 10 −28∴ ∆ Q≥ 9,77 · 1 0 −28 kg · ( m / s) Q ≥ _= ∆ 4π · ∆ x 4 · 3,14 · 5 ,4 · 10 −8 9,77 · 10 −28 ∆Q _ ∆ v= _ ≥ = 5,43 · 10 −10∴ ∆ v ≥ 5 ,43 · 1 0 −10 m/s m 1,8 · 10 −18

Note que a velocidade da bactéria tem incerteza desprezível. Realizando o mesmo procedimento para um elétron de massa 9,11 · 1 0 −31 kg, confinado em uma região de 1 Å, com um microscópio que apresenta uma incerteza também de 1%, o que significa ∆ x = 1,0 · 10 −12 m, a incerteza em sua velocidade será de: 6,63 · 10 −34 h = ________________       = 5 ,28 · 10 −23∴ ∆ Q ≥ 5,28 · 10 −23 kg · ( m / s) ∆ Q ≥ _ −12 4π · ∆ x 4 · 3,14 · 1 ,0 · 10 5,28 · 1 0 −23 ∆Q _ ∆ v = _ ≥ = 5,78 · 10 7∴ ∆ v ≥ 5,79 · 1 0 7 m/s −31 m 9,11 · 1 0

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Nesse caso, a incerteza na velocidade do elétron corresponde a um valor maior que 10% da velocidade da luz, não sendo, portanto, desprezível, além de demonstrar o quão pouco podemos afirmar sobre seu estado de movimento em casos quânticos. Para investigar uma partícula subatômica, como um elétron, é necessário utilizar alguma forma de radiação, porém ela vai interferir na partícula a ser investigada. O princípio da incerteza permite compreender que, mesmo que a radiação e a matéria tenham comportamentos duais, investigações que acentuam o caráter corpuscular suprimem o caráter ondulatório, e vice-versa, tornando impossível detectar, simultaneamente, ambos os comportamentos. Essa interpretação foi proposta pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), em 1928, que a sintetizou em seu princípio da complementaridade, descrito como: Os modelos ondulatório e corpuscular são complementares um ao outro, sendo igualmente necessários para compreender o comportamento e a natureza tanto da radiação quanto da matéria. A escolha do modelo teórico a ser utilizado depende do experimento realizado, e os dois comportamentos não podem ser observados simultaneamente. Vários cientistas já haviam discutido essa questão. Niels Bohr e seus assistentes desenvolveram algumas interpretações em um instituto de pesquisa localizado em Copenhagen, Dinamarca, motivo pelo qual a interpretação recebeu o nome de interpretação de Copenhagen. Segundo eles, tanto o conceito ondulatório quanto o conceito corpuscular remetem a conceitos clássicos, válidos para compreender os resultados experimentais, mas não é possível afirmar nada sobre a sua natureza fundamental. Portanto, seria irrelevante questionar o que são ou como esses entes se comportam enquanto são observados. Science History Images/Alamy/Fotoarena

Essa forma de conciliar os comportamentos corpuscular e ondulatório não foi unânime entre os físicos da época, os quais compreendiam tal interpretação como uma limitação, até mesmo forçada à compreensão da natureza dos fenômenos. Em 1927, físicos da época reuniram-se em Bruxelas, na Bélgica, onde até hoje acontecem, trienalmente, as Conferências de Solvay, que continuam a buscar uma melhor compreensão para os fenômenos quânticos. Fotografia dos cientistas presentes na conferência de 1927.

Entre os presentes, alguns interpretavam o comportamento ondulatório da matéria, proposto por De Broglie, como uma onda probabilística, que representaria a probabilidade de encontrar a partícula em determinada localidade. Desse modo, à medida que essa onda se propaga, é mais provável encontrar a partícula nessa região. Defendida pelo físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) e pelo físico e matemático alemão Max Born (1882-1970), entre outros, essa visão introduzia o conceito de que a natureza pode ser inerentemente probabilística, quebrando qualquer relação com a Física clássica. A matemática desenvolvida por Schrödinger e pelo físico britânico Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) faz da Mecânica quântica umas das teorias mais bem-sucedidas, capaz de explicar diversos fenômenos antes inexplicáveis, entre eles a distribuição de elétrons em átomos de grande número atômico, os fenômenos nucleares e as interações das partículas subatômicas, servindo de fundamento para as pesquisas em aceleradores de partículas.

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LIGADO NO TEMA a) Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que os principais problemas causados pela distorção dos conceitos da Física quântica em práticas pseudocientíficas incluem a criação de falsas expectativas e a promoção de tratamentos e abordagens sem base científica. Isso pode resultar em decisões prejudiciais, como a escolha de terapias ineficazes em vez de tratamentos médicos comprovados, impactando negativamente a saúde e o bem-estar das pessoas.

A Física quântica estuda o comportamento das partículas subatômicas, como elétrons e fótons, em escalas extremamente pequenas, em que as leis da Física clássica que regem o mundo macroscópico não se aplicam. No entanto, apesar de sua complexidade e do rigor científico que a caracterizam, os conceitos da Física quântica têm sido deturpados e mal-interpretados por práticas pseudocientíficas que buscam legitimidade por meio do uso indevido do termo quântico. Entre os conceitos mais conhecidos estão o princípio da incerteza de Heisenberg, que estabelece que é impossível determinar simultaneamente e com precisão a posição e a velocidade de uma partícula; o entrelaçamento quântico, que descreve como as partículas podem permanecer conectadas de tal forma que o estado de uma influencia instantaneamente o estado da outra, independentemente da distância entre elas; e a dualidade onda-partíComputador quântico em cula, que revela que as partículas podem exibir características tanto de partíexposição na cidade de Las Vegas, nos Estados Unidos, em 2020. culas quanto de ondas, dependendo das condições do experimento. Esses conceitos, embora rigorosamente conceituados de maneira matemática e baseados em experimentos controlados, são frequentemente mal-interpretados e aplicados de modo errôneo, fora do contexto científico. Por exemplo, a “cura quântica” sugere que o corpo humano pode ser curado por meio de práticas que supostamente manipulam energias quânticas. No entanto, não há qualquer evidência científica que suporte tal prática ou que as propriedades quânticas de partículas subatômicas possam ser aplicadas de maneira prática para influenciar a saúde humana como proposto por essa “cura”. De maneira semelhante, a “criatividade quântica” e o “coach quântico” utilizam a terminologia da Física quântica para sugerir que se pode desbloquear potenciais criativos ou alcançar objetivos pessoais ao acessar algum tipo de “campo quântico” de possibilidades infinitas. Novamente, tais afirmações não têm base em evidências científicas. A Física quântica, em seu contexto real, não trata de escolhas conscientes ou de potencial humano, mas sim de fenômenos físicos que ocorrem em escalas subatômicas e que são descritos por equações matemáticas precisas e verificadas experimentalmente. O uso inadequado da terminologia quântica para promover práticas pseudocientíficas é problemático por várias razões. Em primeiro lugar, distorce a compreensão pública da Ciência, levando as pessoas a acreditarem em afirmações que não têm respaldo em evidências. Isso pode resultar em decisões prejudiciais, como a adoção de tratamentos de saúde ineficazes, em detrimento de abordagens médicas comprovadas. Além disso, a pseudociência, que usa a Física quântica como uma “fachada” para se credibilizar, prejudica a Ciência legítima. Ela cria uma falsa equivalência entre teorias cientificamente validadas e crenças infundadas, enfraquecendo a confiança pública na Ciência e nos métodos científicos rigorosos que têm, por sua vez, fundamentos sólidos. a ) Quais são os principais problemas causados pela distorção dos conceitos da Física quântica em práticas pseudocientíficas? Como isso pode impactar a compreensão pública da Ciência e a tomada de decisões informadas? b ) Discorra sobre a importância de diferenciar a Ciência legítima da pseudociência no contexto da Física quântica. Como contribuir para evitar a disseminação de informações equivocadas sobre a Ciência quântica?

Polina MB/Shutterstock.com

Física quântica e as distorções de seus conceitos

b) Resposta: Para evitar a disseminação de informações equivocadas, é necessário promover uma educação científica clara e precisa, fomentando o pensamento crítico e a alfabetização científica.

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ATIVIDADES

1. Resposta: Está relacionado à menor unidade elementar de determinada grandeza física. Por exemplo, a energia radiante é composta de vários quanta (quanta é o plural de quantum) denominados fótons, e, quanto maior for a quantidade de fótons emitidos, maior será o valor de energia irradiada.

1. O termo físico quantum está relacionado a qual significado? Dê exemplos.

2. De acordo com os conceitos de radiação do corpo negro, responda ao que se pede.

a ) O que vem a ser um corpo negro ideal? b ) Quais corpos emitem radiação eletromagnética? Resposta: Todos os corpos que estão em uma

temperatura acima de 0 Kemitem radiação eletromagnética.

c ) Em relação ao comprimento de onda da radiação, como um corpo negro ideal se comporta? d ) Em relação à energia, o que podemos dizer sobre a temperatura do corpo?

3. O físico alemão Wilhelm Wien obteve uma ex-

pressão matemática que se relaciona ao pico da curva de radiação de um corpo, em que seu comprimento de onda máximo é inversamente proporcional à temperatura absoluta. λ máx · T = 2 ,898 · 1 0 −3 m Por meio dessa equação, tem-se a explicação de que, ao aquecer uma barra de ferro, inicialmente ela se torna vermelha, depois esbranquiçada e, por fim, torna-se azulada. Considere a temperatura do Sol de 6 000 K. Determine o comprimento de−9onda máximo emitiResposta: 483 · 10 m. Comentários do pelo Sol. nas Orientações para o professor.

4. O efeito fotoelétrico é a retirada de elétrons de

um metal em razão de uma radiação incidente. Para explicar esse fenômeno, Einstein propôs que a energia de radiação também é quantizada.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Considerando as informações citadas anteriormente, avalie as afirmativas a seguir como verdadeiras ou falsas. I ) O efeito fotoelétrico depende da intensidade da luz incidente no alvo, pois baixas intensidades não conseguem produzir fotoelétrons. II ) A emissão de elétrons pelo metal irradiado depende da frequência da radiação incidente. III ) O aumento de número de fótons causa a retirada de elétrons uma vez que a energia emitida de cada fóton é absorvida pelos elétrons, e a energia total é a soma das energias de cada fóton. IV ) A energia cinética adquirida pelo elétron ejetado do metal depende da função trabalho do material e da energia do fóton incidente.

5. Um grupo de estudantes verificou que a função

trabalho de um dado metal é 2 ,6 eV. Qual é a frequência mais baixa da luz incidente capaz de arrancar elétrons do metal? Resposta: f  0 ≃ 6,3 · 1 0 14Hz.

Resolução nas Orientações

Dado: h = 6,63 · 10 −34 J · s para o professor.

6. Se a incerteza da quantidade de movimento para um elétron que se movimenta com velocidade de 4 · 106 m/s é de 10%, determine a incerteza na medida da posição desse elétron. 9 · 10 −31 kg, h = 6 ,63 · 10 −34 J · s Considere me = −10 m . Resolução Resposta: ∆ x ≃ 1 ,5 · 1 0 e π = 3,14.

nas Orientações para o professor. 2. a) Resposta: Um corpo negro ideal absorve toda a radiação eletromagnética incidente e emite toda radiação absorvida. 4. Resposta: I) Falsa, pois a energia de radiação é quantizada pela relação E = h · f, o aumento de intensidade só aumenta o número de fótons, e não sua energia. II) Verdadeira. III) Falsa, pois o aumento de número de fótons significa o aumento da intensidade, mas não a energia para retirada de elétrons definido pela frequência. IV) Verdadeira.

RETOME O QUE ESTUDOU

Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir. Respostas e comentários nas Orientações para o professor.

1. Explique como a demanda crescente por energia elétrica nas sociedades modernas pode impactar o meio ambiente e quais alternativas sustentáveis podem ser adotadas para reduzir esses impactos.

2. Qual é a função dos transformadores no sistema de transmissão de energia elétrica e por que é necessário elevar a tensão durante o processo de transmissão de grandes distâncias?

3. Compare os principais métodos de geração de energia elétrica (hidrelétrica, termelétrica e eólica), destacando vantagens e desvantagens de cada um em termos de eficiência e impacto ambiental.

4. Explique a diferença entre fusão e fissão nuclear e descreva como essas reações são utilizadas na geração de energia elétrica em usinas nucleares.

5. A teoria da relatividade de Einstein trouxe novos conceitos sobre o tempo e o espaço. Explique o que é dilatação temporal e dê um exemplo de como esse fenômeno pode ser observado em situações práticas.

312

2. d) Resposta: Um corpo com menor temperatura refere-se a um objeto que emite menor energia, assim como um corpo com maior temperatura emite maior energia.

2. c) Resposta: Um corpo negro ideal é aquele que absorve todos os comprimentos de onda e emite todos os comprimentos de onda que foram inicialmente absorvidos.

06/11/2024 16:40:29

MAIS QUESTÕES posto por uma bateria com tensão de 12 Ve quatro lâmpadas idênticas com resistência de 400 Ω. Essas lâmpadas só emitem luz com a passagem de corrente superior a 9 mAe inferior a 2 7 mA. Assinale o que for correto. Resposta: Soma: 04 + 1 6 = 20 01 ) Ao conectarmos as lâmpadas em série, apenas três se acendem. Resoluções nas Orientações para o professor.

02 ) Ao conectarmos as lâmpadas em paralelo, a tensão aplicada em cada uma será de 3 V. 04 ) Ao conectarmos as lâmpadas em paralelo, o circuito deverá apresentar uma resistência equivalente a 100 Ω e uma intensidade de corrente total de 120 mA. 08) Ao conectarmos duas lâmpadas em paralelo, e estas em série com as outras duas, que estão em série entre si, todas as lâmpadas se acendem. 16 ) Ao conectarmos duas lâmpadas em paralelo, e estas em série com as outras duas, que também estão em paralelo, todas se acendem, pois a intensidade de corrente que passa por cada uma é de 15 mA.

2. (UEA) Para disparar o flash de uma câmera, é ne-

cessário que um capacitor, de 1 ,2 × 10–4 F, ligado a esse flash, esteja carregado com uma carga de 6,0 × 10–4 C. Sabendo que, ao carregar o capacitor, a bateria da câmera, considerada ideal, fica ligada diretamente a ele, a diferença de potencial fornecida pela bateria deve ser de, no mínimo, a ) 5,0 V.

c ) 5,5 V.

b ) 3,5 V.

d ) 4,5 V.

Resposta: Alternativa a.

e ) 4,0 V.

Resolução nas Orientações para o professor.

3. (UECE) Uma carga elétrica positiva Q , de massa

desprezível, movimenta-se em trajetória retilínea com velocidade constante de módulo V quando penetra em uma região do espaço onde existe um campo elétrico uniforme de módulo E e um campo magnético uniforme de módulo B . Observa-se que, após adentrar na referida região, a carga segue seu movimento sem nenhuma alteração de sua velocidade ou mesmo em sua trajetória. Assim, pode-se afirmar corretamente que Resposta: Alternativa d.

a ) isso é possível pelo fato de não existirem forças nas Orientações atuando sobre a carga Q. Resolução para o professor. b ) os campos E e Bsão paralelos, porém em sentidos contrários de forma que se anulam. c ) os campos Ee Bsão paralelos e o módulo da velo cidade Vda carga pode ser dado pela razão E/B.

d ) os campos E e B são perpendiculares e o módulo da velocidade V da carga pode ser dado pela razão E / B.

4. (UFAM) Numa aula no Laboratório de Eletricida-

de, um grupo de alunos tinha como objetivo estimar a resistência interna de uma bateria de 1 2 V, utilizada em automóveis. Para tanto, montaram o circuito esquematizado na figura a seguir, onde R = 2 Ω. Em seguida, com um voltímetro, suposto ideal, eles mediram a diferença de potencial entre os pontos A e B, obtendo o valor de 10 V.

A UFAM/2023

1. (UEM-PR) Considere um circuito elétrico com-

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

12V

B Desprezando qualquer resistência extra dos fios conectores, eles concluíram que o valor estimado da resistência interna da bateria é: Resposta: Alternativa c. d ) 500 mΩ.

00 mΩ. a) 1 b) 3 00 mΩ. c) 4 00 mΩ.

e ) 600 mΩ.

Resolução nas Orientações para o professor.

5. (UFJF-MG) Duas pequenas esferas condutoras

idênticas estão eletrizadas. A primeira esfera tem uma carga de 2Qe a segunda uma carga de 6Q. As duas esferas estão separadas por uma distância de a força eletrostática entre elas é F 1. Em seguida, as esferas são colocadas em contato e depois separadas por uma distância 2 d. Nessa nova configuração, a força eletrostática entre as esferas é F2. Pode-se afirmar sobre a relação entre as forças F1e F2, que: Resposta: Alternativa a. a ) F 1 = 3 F2.

d ) F1 = 4 F2.

b ) F 1 = F2 / 12.

e ) F1 = F2.

c ) F1 = F2 / 3.

Resolução nas Orientações para o professor.

6. (UECE) Um gerador elétrico, cuja resistência in-

terna, segundo o fabricante, é de 3 0 Ω, pode ser utilizado para alimentar um circuito externo de resistência variável R (carga externa). Para uma escolha específica da carga externa R, o rendimento elétrico do gerador é de 75%. Nessa situação, a resistência elétrica do circuito externo é igual a Resposta: Alternativa b. a) 1 0 Ω. b) 9 0 Ω.

Resolução nas Orientações para o professor.

c ) 30 Ω. d ) 120 Ω.

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06/11/2024 16:37:01

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

7. (UFPR) Um certo resistor dissipa uma potência

de 1 Wquando percorrido por uma corrente de 100 mA. Assinale a alternativa que expressa corretamente a tensão V aplicada a esse resistor quando percorrido por uma corrente de 50 mA. a ) 2,5 V.

c ) 7,5 V.

b ) 5 V.

d ) 10 V.

e ) 12 V.

Resposta: Alternativa b. Resolução nas Orientações para o professor.

8. (EBMSP-BA) Unidades hospitalares utilizam ge-

radores elétricos para se prevenir de interrupções no fornecimento de energia elétrica. Considerando-se um gerador elétrico de força eletromotriz 120,0 Ve resistência interna 4,0 Ωque gera potência elétrica de 1 200,0 W, quando ligado a um circuito externo, é correto afirmar, com base nessas informações e nos conhecimentos de eletricidade, que Resposta: Alternativa e. Resolução nas Orientações para o professor.

a ) o gerador elétrico transforma energia elétrica em outras formas de energia. b ) a diferença de potencial elétrico entre os terminais do gerador é igual a 110,0 V. c ) a intensidade da corrente elétrica que circula através do gerador é igual a 8,0 A. d ) a potência dissipada em outras formas de energia no interior do gerador é igual a 5 12,0 W. e ) a potência elétrica que o gerador lança no circuito externo para alimentar as instalações é igual a 800,0 W.

9. (EsPCEx-SP) Considere as seguintes afirmações abaixo:

I ) No interior de uma esfera metálica condutora em equilíbrio eletrostático, o campo elétrico é nulo. II ) Um campo elétrico uniforme é formado entre duas placas paralelas, planas e eletrizadas com cargas opostas. Uma carga negativa é abandonada em repouso no interior dessas placas, então esta carga deslocar-se-á da região de maior potencial elétrico para a de menor potencial elétrico. III ) Um objeto eletrostaticamente carregado, próximo a um objeto em equilíbrio eletrostático, induz neste uma carga uniformemente distribuída. IV ) Uma carga puntiforme q = 1 µCé deslocada de um ponto A até um ponto B de um campo elétrico. A força elétrica que age sobre q realiza um trabalho τAB= 1 · 10−5 J então a diferença de potencial elétrico entre os pontos A e B é 100 V.

Das afirmações, é (são) correta(s) somente: a ) I.

d ) I e IV.

b ) I, II e III.

e ) II.

c ) I, II e IV.

Resposta: Alternativa a. Resolução nas Orientações para o professor.

10. (UERJ) Em um experimento, dois relógios idên-

ticos e sincronizados apresentam uma diferença perceptível na medida do tempo. Um dos relógios se encontra em repouso, enquanto o outro está em movimento a uma velocidade escalar v constante, próxima à velocidade escalar c da luz. Segundo a teoria da relatividade de Albert Einstein, entre o intervalo de tempo Δt1, medido pelo relógio em repouso, e o intervalo de tempo Δt2, medido pelo relógio em movimento, observa-se a seguinte relação: Resposta: Alternativa b. Resolução nas Δt2 _ Orientações para Δt = 1 _ o professor. v 2 1 − _ 2 c Considere que o deslocamento do relógio ocorre 12 · c à velocidade v = _ durante Δt2 = 10 segun13 dos. Logo, o tempo Δt1, em segundos, decorrido no relógio em repouso, é igual a:

√

a ) 28 b ) 26 c ) 24 d ) 22

11. (Epcar-AFA) Em alguns filmes de ficção científi-

ca é comum a estória sobre expedições interplanetárias em busca de um planeta potencialmente habitável e no qual seja possível reconstruir a civilização humana. Considere uma nave com o objetivo de chegar em um ponto P, situado numa região do Universo onde parece existir um planeta com condições similares às da Terra. Quando essa nave partiu da Terra, Fabinho, filho do Comandante da tripulação, tinha 10 anos e 4 meses de idade. Para o Comandante, que viajou em sua nave a uma velocidade de 0,80 da velocidade da luz no vácuo, passou-se 12 meses até chegar ao ponto P. Nesse intervalo de tempo, Fabinho, que se encontra na Terra, terá uma idade, em anos, aproximadamente igual a Resposta: Alternativa b. a ) 11

Resolução nas Orientações para o professor.

b ) 12 c ) 13 d ) 14

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

12. (UFSC) Ao final da exposição, estudantes e professores entraram em uma sala na qual estavam expostas réplicas de obras modernas, como as do pintor Salvador Dalí. Após o último quadro, podia-se ler a seguinte passagem do livro “A Máquina do Tempo”, escrito entre 1887 e 1894 por H. G. Wells: “Sabem, naturalmente, que uma linha matemática, uma linha de espessura zero, não tem existência real [...]. Também um cubo, tendo apenas comprimento, largura e altura, não pode ter existência real [...]. - Não há dúvida, continuou o Viajante do tempo, que todo corpo real deve estender-se por quatro dimensões: deve ter Comprimento, Largura, Altura e... Duração. Mas, por uma natural imperfeição da carne, somos inclinados a desprezar este fato. Há realmente quatro dimensões, três das quais são chamadas os três planos do espaço, e uma quarta, o Tempo.” Nesse momento, alguns estudantes lembraram as discussões realizadas em sala e fizeram afirmações para o professor sobre a Teoria da Relatividade Restrita, de Einstein, publicada em 1905. Identifique a(s) correta(s). Resposta: Soma: 01 + 04 + 32 = 37 01 ) A Teoria da Relatividade Restrita invalidou a Mecânica Newtoniana, que não pode ser utilizada mesmo para velocidades muito pequenas em comparação com a velocidade da luz no vácuo. 02 ) Conforme a teoria, as leis da Física são as mesmas, expressas por equações que têm a mesma forma em qualquer referencial inercial. 04 ) Para a Mecânica Clássica, as grandezas “massa” e “tempo” são absolutas, ou seja, independem do referencial em que são medidas. 08 ) Segundo a teoria, a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor – aproximadamente 300.000 km/s– em relação a qualquer referencial inercial. 16 ) A partir da Teoria da Relatividade Restrita não é possível estabelecer relações entre massa e energia. 32 ) Na perspectiva da Teoria da Relatividade Restrita, o espaço e o tempo são estáticos e imutáveis, ou seja, não são passíveis de alteração em relação ao sistema de referência analisado.

13. (UEPG-PR) Em 1905, Einstein publicou quatro artigos que revolucionaram a Física. Tendo

como base os trabalhos de Einstein, assinale o que for correto. Resposta: Soma: 01 + 02 + 0 8 = 11 01 ) De acordo com o primeiro postulado da Teoria da Relatividade de Einstein, as leis da Física são as mesmas para todos os observadores em qualquer referencial inercial. 02) O segundo postulado da Teoria da Relatividade de Einstein estabelece que o valor para a velocidade da luz, no vácuo, é o mesmo em qualquer sistema de referencial inercial. 04 ) A partir do estudo do movimento browniano, Einstein conseguiu explicar o movimento de corpos celestes nas proximidades de buracos negros. 08 ) A conversão de massa em energia observada experimentalmente nos reatores de usinas nucleares é uma comprovação da teoria da Relatividade Especial proposta por Einstein.

14. (UFRGS-RS) Em seu postulado sobre “ondas de

matérias”, Louis De Broglie afirma que qualquer partícula massiva que tenha momentum linear tem, também, um comportamento ondulatório. O comprimento de onda dessa onda está relacionado com o momentum linear da partícula através a ) da constante de Planck.

Resposta: Alternativa a.

b ) da constante de Boltzmann. c ) do número de Avogadro. d ) da constante de Stefan-Boltzmann. e ) da velocidade da luz.

15. (Eear-SP) Em uma residência foi instalado um detector para indicar a passagem das pessoas. Esse detector era composto de um emissor, que emitia ondas eletromagnéticas de comprimento de onda igual a 21 μm, e de um receptor que recebia um sinal com potência igual a 0,2 mW, originado do emissor quando não havia uma pessoa entre o emissor e o receptor. Determine o número de fótons que é percebido, por segundo, pelo receptor. Adote: Resposta: Alternativa d. Velocidade da luz no meio = 3 · 10 8 m/s C onstante de Planck = 7 · 10 −34 J · s a) 1 · 10−20 b) 2 · 10 −4

Resolução nas Orientações para o professor.

c) 7 · 1010 d) 2 · 1016

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5 UNIDADE

MOVIMENTO E O SER HUMANO

Nesta unidade, vamos estudar... • máquinas simples; • momento de uma força; • equilíbrio de um corpo extenso; • movimento uniforme e uniformemente variado; • movimento circular; • trabalho de uma força; • energia mecânica; • potência mecânica; • impulso e quantidade de movimento; • conservação da quantidade de movimento.

Andar, correr, subir escadas, segurar objetos e digitar no teclado do computador. Todos esses movimentos podem parecer simples e corriqueiros em nosso dia a dia, mas exigem o trabalho em conjunto de diversos sistemas do corpo humano. Além disso, por vários motivos, como doenças e acidentes, algumas pessoas são incapazes de realizar tais movimentos ou os realizam de modo limitado. Algumas pessoas não têm um ou mais membros do corpo, por exemplo. Nesses casos, a falta desses membros impossibilita a realização de alguns movimentos, o que, por sua vez, pode dificultar a realização de algumas tarefas diárias. Pensando em melhorar a qualidade de vida dessas pessoas, foram desenvolvidas próteses biônicas, que visam imitar partes do corpo humano. Ao longo do tempo, com o auxílio da tecnologia, esses itens foram se aperfeiçoando e atualmente permitem a realização de movimentos diversos e cada vez mais precisos, controlados pelo usuário da prótese. Os movimentos da prótese de mão, como a da imagem, são comandados por estímulos nervosos captados por eletrodos, que se comunicam com os músculos da parte restante do membro superior. Respostas nas Orientações para o professor.

a ) Como os conhecimentos de Física e de outras áreas das Ciências da Natureza podem ser úteis para auxiliar o desenvolvimento de próteses? b ) Atualmente, há pesquisas para desenvolver robôs humanoides que se movimentam em duas pernas. Em sua opinião, quais são os principais desafios para que os robôs fiquem em pé e/ou se movimentem em duas pernas? c ) Por que sentimos mais cansaço físico quando corremos certa distância do que quando percorremos a mesma distância andando calmamente?

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06/11/2024 16:36:08

Elman Omic/Anadolu Agency/AFP

Pessoa com prótese de mão cortando uma pizza.

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CAPÍTULO

Ferramentas e máquinas simples

1. Resposta pessoal. Os estudantes podem citar as rodas de veículos dos mais variados tipos (automóveis, caminhões, ônibus, tratores etc.), parafusos, ferramentas com vários tamanhos de cabos (que facilitam a tarefa de soltar parafusos, como chaves de roda) e sistemas de roldanas para erguer corpos de muita massa. Podem citar ainda exemplos de ferramentas que facilitam a realização de tarefas cotidianas, como tesoura, alicate, martelo, cortador de unha, abridor de latas, macaco para troca de pneus de um automóvel, vara de pescar e carriola.

Desenvolvimento de ferramentas e máquinas simples Watcharapol Amprasert/Shutterstock.com

Confira a imagem a seguir. 1. Você é capaz de imaginar exemplos de

ferramentas e máquinas simples que tenham rodas, polias, planos inclinados ou alavancas e que sejam utilizadas na sociedade moderna? Cite exemplos de aplicações dessas máquinas.

Caminhão com guindaste.

O guindaste mostrado tem um sistema de roldanas e cabos que possibilita a sustentação e o movimento de corpos de grande massa, aplicando intensidade de força menor do que a necessária para sustentar diretamente o corpo. Diversas máquinas modernas são formadas por partes que utilizam princípios físicos descobertos ou desenvolvidos há muito tempo, como as roldanas, os planos inclinados, os parafusos e as alavancas. Esses componentes são chamados máquinas simples. As máquinas simples são dispositivos desenvolvidos com o objetivo de facilitar a execução de tarefas do cotidiano, alterando a força aplicada sobre diversos objetos, seja na intensidade, na orientação ou em ambos os fatores. Museu da Evolução Humana, Burgos, Espanha/Tolo Balaguer/Alamy/Fotoarena

O desenvolvimento dos elementos aplicados nas máquinas simples provavelmente teve início com as primeiras espécies de hominíneos, que utilizaram rochas a fim de criar ferramentas. Algumas das ferramentas mais antigas, encontradas por pesquisadores na Etiópia, eram feitas de rochas e têm idade estimada de 2,6 milhões de anos. A fabricação dessas ferramentas foi atribuída ao Homo habilis, uma das espécies de hominíneos relacionada ao surgimento do Homo sapiens (ser humano moderno). Embora essa espécie de hominíneo ainda seja considerada precursora do desenvolvimento de ferramentas, foram descobertos no Quênia artefatos de rocha ainda mais antigos, produzidos há cerca de 3,3 milhões de anos pelos Kenyanthropus platyops (cerca de 700 mil anos antes daqueles encontrados na Etiópia). A descoberta desses artefatos sugere que hominíneos primitivos eram capazes de produzir ferramentas muito tempo antes do que se acreditava e que membros do gênero Homo não foram os primeiros a criar ferramentas de rocha.

Modelo de uma fêmea de H. habilis manipulando ferramentas de rocha.

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06/11/2024 16:36:12

UNIDADE

5 RHJPhtotos/Shutterstock.com

Máquinas simples Suponha que você tenha ganhado uma porção de castanha-do-pará com casca, como as mostradas na fotografia. Portanto, para comê-las, você deve quebrar a casca dura e retirar a castanha de seu interior. Imagine que próximo a você haja uma rocha do tamanho aproximado de sua mão e um martelo. Castanhas-do-pará.

Dica O uso de ferramentas exige cuidado para que não ocorram acidentes. Peça ajuda a um adulto. 2. Resposta: O martelo exige menos esforço por causa

Semente da castanheira-do-pará (Bertholletia excelsa): pode atingir aproximadamente 7 cmde comprimento. Smileus/Shutterstock.com

de seu cabo, o qual proporciona vantagem mecânica.

2. Qual desses objetos exige menos esforço para quebrar a casca da castanha-do-pará: um martelo ou uma rocha?

Na situação proposta na questão, os dois objetos podem ser utilizados como ferramentas para quebrar a casca que envolve a castanha. No entanto, o martelo proporciona uma vantagem em virtude do comprimento do cabo. Se você utilizasse a rocha para quebrar a casca, ela atingiria a castanha na mesma velocidade que sua mão, pois, nesse caso, você teria de segurá-la diretamente nas mãos. Isso exige a aplicação de uma força para movimentar a rocha com rapidez suficiente para quebrar a casca.

Martelo sendo utilizado Imagens desta página Já com o martelo, ao segurar essa ferramenta pelo cabo e fazer para fixar um prego. sem proporção. o movimento na direção do alvo, a cabeça do martelo faz um movimento em um arco maior do que o da sua mão e, por isso, ele atinge o alvo a uma velocidade maior do que a da sua mão. Portanto, para produzir o mesmo efeito no alvo, a força aplicada no martelo é menor. Trata-se do efeito de uma alavanca.

Dessa maneira, percebemos que o uso de máquinas simples facilita a execução de diversas atividades, alterando a intensidade e/ou a direção e o sentido da força necessária para realizá-las. A seguir, estudaremos diferentes tipos de máquinas simples, como as rodas e polias, as alavancas e o plano inclinado. betibup33/Shutterstock.com

Rodas e polias Já vimos que a invenção da roda data de aproximadamente 3500 anos a.C., na Mesopotâmia, e que ela foi utilizada inicialmente como roda de oleiro para fabricação de objetos de argila. Esse objeto representa um grande passo para a evolução da tecnologia, contribuindo não apenas para uma cerâmica de melhor qualidade, mas também para o princípio geral de aplicação da roda nos transportes e nas máquinas. Algum tempo depois da invenção da roda, foram encontradas evidências dos primeiros veículos com rodas. Também na Mesopotâmia foram descobertos vestígios das primeiras carroças com rodas de madeira maciça.

Roda de rocha para fabricação de azeite de oliva em museu na Croácia, em 2022.

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06/11/2024 16:36:13

Museu de Gurgaon, Índia/singh_lens/ Shutterstock.com

Ao longo do tempo, a roda passou por uma série de evoluções, modificações e aplicações em diversas outras funções. Por volta do ano 2000 a.C., surgiram no norte da Europa e na Ásia rodas com raios, o que as tornavam mais leves, e elas eram usadas em carruagens e carroças para o transporte de pessoas e cargas. Já no ano 1000 a.C. na Europa Ocidental, os celtas começaram a revestir as rodas de madeira das carruagens com um aro de metal, aumentando a resistência e a durabilidade das rodas. Somente nos séculos XIX e XX, foram desenvolvidas as rodas com pneus de borracha e câmaras de ar e as rodas para serem usadas nos automóveis. Atualmente, utilizam-se ligas metáDiferentes tipos de rodas usadas em meios de transporte de licas e compostos de carbono nas rodas de veículos. cargas e pessoas. Compartilhe ideias

Em nosso cotidiano, há diversos equipamentos que utilizam rodas para funcionar. a ) Converse com seus colegas e cite exemplos de situações do dia a dia em que se utilizam as rodas e imagine como seriam essas tarefas sem elas. Com base nessa discussão, proponham um novo dispositivo que possa substituir a roda em uma das situações citadas.

Outra aplicação que pode ser ressaltada é a roda-d’água. Esse equipamento usa o movimento da água para girar uma roda que, por sua vez, movimenta moinhos de grãos ou bombas-d’água. mar_tin/Shutterstock.com

A transmissão de movimento é feita por engrenagens, também chamadas de rodas dentadas ou polias, que se conectam umas às outras. Dessa forma, o movimento da roda-d’água pode ser transferido alterando-se a direção (de vertical para horizontal, por exemplo), o sentido e a velocidade da rotação. A transmissão de movimento entre polias pode ser realizada por uma associação coaxial ou por uma associação periférica. Nas imagens a seguir são apresentados esses tipos de associações. Rodas-d’água em um moinho.

Na associação coaxial, mostrada em A, as polias são conectadas a um eixo comum, de modo que todas girem junto ao eixo.

Cassete de marchas para bicicletas.

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GLYPHstock/Shutterstock.com

donatas1205/Shutterstock.com

Marques/Shutterstock.com

Na associação periférica, geralmente as polias são conectadas por correias ou correntes (B). No caso de engrenagens, a associação é feita pelo contato direto (C).

Polias conectadas por correia.

Engrenagens associadas por contato direto.

a) Resposta pessoal. Os estudantes podem mencionar situações, como em bicicletas, carros, carrinhos de supermercado e até em móveis, como cadeiras de escritório. Ao conversar com os colegas, uma ideia para substituir a roda em carrinhos de supermercado poderia ser o uso de uma espécie de “almofada de ar” ou sistema de levitação magnética, que permitiria ao carrinho flutuar e se mover suavemente sem atrito com o chão, facilitando o transporte de cargas sem a necessidade de rodas tradicionais.

06/11/2024 16:36:14

As polias também podem ser utilizadas para transmitir força por meio de cabos ou correias, como em mastros de bandeiras, equipamentos de ginástica, barcos, elevadores, guindastes e persianas.

UNIDADE

5 Nesses casos, as polias podem ser classificadas em fixas ou móveis, o que altera as características de sua funcionalidade. Além disso, elas podem ser associadas com outras polias, formando sistemas que, por sua vez, têm características diferentes de acordo com a disposição das polias, o número de cordas utilizadas, entre outros fatores. Considere a situação em que é necessário erguer um balde, com areia, para o andar superior de uma construção, estando um trabalhador no andar de baixo e outro no de cima.

AJ_Watt/iStock/Getty Images

Utilizando uma corda presa no balde e passando-a por uma polia, pode-se aplicar uma força na corda para baixo, fazendo o balde de areia subir até a laje de uma construção.

3. Como os trabalhadores

poderiam fazer para subir o balde sem o uso da polia?

Resposta: Os trabalhadores teriam de se deslocar do chão até a laje carregando o balde ou teriam de prender uma corda no balde e subi-lo até a laje superior, puxando a corda para cima.

Balde cheio de areia sendo elevado para a laje de uma construção por meio do uso de uma polia.

Note que nessa situação o eixo da polia não pode se deslocar (sofrer translação), por isso ela é classificada como uma polia fixa. Na polia fixa, o eixo é preso em um suporte de apoio, de modo que ela realiza apenas movimento de rotação em torno do próprio eixo. → Na imagem a seguir, para manter a caixa em equilíbrio, é necessário aplicar uma força ( F ) com a mesma → intensidade da força peso (F P) da caixa, isto é, a intensidade da força para realizar a tarefa não é alterada. Considerando que a corda e a polia são ideais, ou seja, a corda tem massa desprezível e não varia seu comprimento (inextensível), e a polia tem massa e atrito desprezíveis, podemos dizer que a força resultante na → → caixa é nula, pois a força de tensão ( F T) na corda tem a mesma intensidade que a força peso ( F P) .

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

FT FT

FT = F P

Representação das forças que atuam em um corpo sendo puxado por uma corda por meio de uma polia fixa.

→ Se a força peso da caixa tem intensidade de 5 0 N, por exemplo, a força F aplicada na corda para manter o conjunto em equilíbrio também tem intensidade de 50 N.

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06/11/2024 16:36:15

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Diferentemente da polia fixa, as polias móveis têm o eixo livre, ou seja, podem se deslocar com a carga, realizando os movimentos de translação e de rotação. No sistema mostrado a seguir, o corpo está preso ao eixo da polia de modo que ele é sustentado por duas ou mais forças de tração. Como uma das extremidades está presa → ao teto, somente parte da intensidade da força peso F P é transmitida para a extremidade livre da corda, onde será aplicada a força. Nessa situação, a intensidade da força aplicada na extremidade livre, para manter o sistema em equilíbrio, tem metade da intensidade da força peso do corpo. Essa característica da polia móvel faz a força necessária para erguer um corpo ter intensidade menor do que a força peso dele. Em contrapartida, é preciso realizar um deslocamento maior da corda em comparação com o respectivo deslocamento do corpo na direção vertical. Para obter mais vantagem, podemos realizar uma associação de polias. Assim, aumentamos o efeito da força aplicada no sistema, reduzindo o esforço para levantar uma carga ou mantê-la em equilíbrio. Nas imagens a seguir há exemplos de associações de polias móveis com polias fixas, conhecidas como talhas exponenciais.

Representação das forças envolvidas em um peso metálico suspenso por uma polia móvel.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

FT Representação das forças envolvidas quando uma caixa é elevada com o auxílio de uma roldana fixa e uma roldana móvel.

Representação das forças envolvidas quando uma caixa é elevada com o auxílio de uma roldana fixa, duas roldanas móveis e duas cordas.

Nas talhas exponenciais, a força necessária para elevar a carga é dividida pela metade entre cada polia → móvel utilizada. Assim, a intensidade da força F T que deve ser aplicada é dada pela relação a seguir.

em que:

F  P FT = ___   n  2 

• F P é a intensidade da força peso do corpo, em newton (N); • F T é a intensidade da tração que deve ser aplicada na corda, em newton; • n é a quantidade de polias móveis no sistema.

Em um sistema de polias, pode-se verificar a chamada vantagem mecânica (Vmec), dada pela razão entre a intensidade da força resistente ( Fres), que geralmente equivale à força peso do corpo, e a intensidade da força aplicada ou potente ( Fpo). Fres Vmec = _ Fpo

em que: • Fres é a intensidade da força resistente, em newton;

• Vmec é a vantagem mecânica.

• F po é a intensidade da força potente, em newton; Quando a força necessária para erguer um corpo tem intensidade menor do que a força peso do corpo, como no caso da aplicação de polias móveis, a vantagem mecânica é maior do que 1. Para as polias fixas, a vantagem mecânica é igual a 1, pois a força necessária para levantar um corpo nesse sistema tem módulo igual à força peso.

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ATIVIDADES

venção da roda para o desenvolvimento das máquinas simples, como as polias e as engrenagens.

2. Um agricultor possui um poço em seu sítio e pre-

um corpo de massa M suspenso por um sistema de polias contendo três polias móveis e uma fixa, presa ao teto. Considere a aceleração da gravidade sendo g = 10,0 m/s2e responda às questões. 2. Esse trabalho pode ser realizado de maneira mais segura ao se utilizar uma polia fixa, pois pode-se manter uma distância segura da borda do poço, aplicar uma força em uma direção diferente da vertical, de modo que a polia fixa altere a direção da força, fazendo o balde com água subir até a superfície.

3. Uma estudante que acabou de ter aula de Física

4. Para erguer uma bandeira em um mastro, utiliza-se uma corda que passa por uma polia fixa presa em um suporte no alto do mastro. Explique a importância da utilização da polia nesse sistema: como seria a tarefa de hastear uma bandeira sem usar uma polia?

5. Para decorar uma festa, foi pendurada uma es-

Representação de uma pessoa segurando um corpo por meio de associação de polias. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Supondo que a pessoa esteja aplicando uma força de 200 Npara manter o sistema em equilíbrio, determine a massa M.

7. Observe a montagem a seguir. 4. Resposta: A polia fixa tem a função de alterar a direção da força aplicada na corda. Para erguer a B bandeira, basta puxar a corda para baixo, enquanto a roldana faz a bandeira subir ao mudar a direção da força aplicada na corda. Para hastear A uma bandeira sem utilizar uma polia, seria preciso subir Representação de um no mastro e puxá-la sistema de corpos em uma associação de polias. com uma corda.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

sobre associação de polias decidiu fazer um desafio para seu primo: erguer um saco de areia com massa de 7 0,0 kg. O primo topou o desafio, mas foi incapaz de levantar o corpo com tamanha massa. A garota então pegou um sistema composto de cabos passando por uma polia fixa e algumas polias móveis, prendeu uma das extremidades do cabo no saco de areia e segurou a outra extremidade. Começou a puxar a carga com apenas uma mão, erguendo-a sem muitas dificuldades. Considere a aceleração da gravidade dada por g = 1 0,0 m/s2e responda às questões a seguir. a ) Supondo que a estudante seja capaz de erguer até 15,0 kgcom apenas uma mão, determine a quantidade mínima de polias móveis presentes no sistema. b ) Considere que o sistema seja composto de quatro polias móveis e que a garota ergueu o saco de areia com velocidade constante. Calcule a vantagem mecânica desse sistema.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

6. Na figura a seguir, uma pessoa está segurando

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

1. Explique, com suas palavras, a importância da in-

5 UNIDADE

1. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes argumentem que o desenvolvimento da roda possibilitou a construção de máquinas baseadas em movimento de rotação, como as polias e as engrenagens, que, por sua vez, passaram a fazer parte de máquinas mais complexas. Respostas e resoluções das questões 3, 5, 6 e 7 nas Orientações para o professor.

Sabendo que o corpo A tem massa de 24 kg e que o sistema está em equilíbrio, determine a massa do corpo B.

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Alavancas Confira a imagem de um mecânico soltando os parafusos da roda de um carro. Vladimka production/Shutterstock.com

4. Resposta: O objetivo desta questão é verificar os conhecimentos prévios dos estudantes com relação às alavancas. Eles podem citar que a chave de roda atua como uma alavanca e que, aumentando o braço da alavanca, a intensidade da força necessária para retirar o parafuso é menor.

4. A ferramenta utilizada pelo mecânico na imagem pode ter o comprimento de seu cabo aumentado. Qual vantagem isso pode trazer?

Mecânico soltando um parafuso da roda de um veículo.

A chave de roda, utilizada pelo mecânico, atua como uma máquina simples conhecida como alavanca. As alavancas são, geralmente, constituídas de uma barra rígida que gira em torno de um ponto de apoio fixo, chamado fulcro. No exemplo anterior, o fulcro da alavanca coincide com o parafuso. A vantagem de utilizar alavancas é a redução da intensidade da força necessária para realizar uma tarefa. Essa propriedade é utilizada há muito tempo, para diversas atividades, como mover, sustentar ou carregar objetos. → Em uma alavanca, devemos considerar duas forças: a força aplicada ou força potente ( F po) e a força de → resistência da carga ou força resistente (F res) . Outros fatores importantes são os chamados braços de alavan→ cas, que são determinados com base na posição do ponto de apoio até o ponto de aplicação da força. F N é a força normal do apoio sustentando a barra da alavanca.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

A distância entre o ponto de apoio e o ponto de aplicação da força potente recebe o nome de braço de potência ( bpo), enquanto a distância entre o ponto de apoio até a força resistente é denominada braço de resistência (bres).

Representação de um corpo em equilíbrio em uma alavanca.

força resistente

FN fulcro

força potente

Fres

Fpo bres

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Imagem elaborada com base em: TREFIL, James; HAZEN, Robert Miller. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 1. p. 147.

bpo

A condição de equilíbrio de uma alavanca é dada por: Fpo · b po = Fres · bres A relação matemática anterior representa a vantagem mecânica das alavancas. Ela revela que, quanto maior o braço de potência em relação ao braço de resistência, menor será a força necessária para equilibrar a carga, ou seja, menor será o esforço para realizar a tarefa. Por isso, há o cabo extensível na chave de roda na fotografia do início da página. As alavancas são divididas em três tipos principais de acordo com as posições relativas da força potente, da força resistente e do ponto de apoio, sendo classificadas em: interfixa, interpotente e inter-resistente.

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UNIDADE

S. Kawita/Shutterstock.com

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Tesoura.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Uma alavanca interfixa é caracterizada por ter o apoio entre as extremidades nas quais as forças são aplicadas. Alguns exemplos de alavancas interfixas são a tesoura, o alicate e a gangorra. FN

Fpo

Representação das forças em uma alavanca interfixa.

Fres

Imagem elaborada com base em: GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA. Leituras de física: mecânica. São Paulo: Instituto de Física da USP. v. 1. p. 102. Disponível em: https://fep.if.usp.br/~profis/ arquivo/gref/blocos/mec3.pdf. Acesso em: 11 set. 2024.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

No caso da alavanca interpotente, o ponto de aplicação da força potente se localiza entre o ponto de apoio e o ponto de aplicação da força resistente. Nessa alavanca, a intensidade da força potente pode ser maior do que a intensidade da força resistente. Exemplos de alavancas interpotentes são o pegador de gelo, o pegador de macarrão, a pinça e a vara de pescar. FN

Fres

Representação das forças em uma alavanca interpotente.

Boule/Shutterstock.com

Fpo

Pegador de gelo.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Shcherbakov Ilya/Shutterstock.com

Na alavanca inter-resistente, o ponto de aplicação da força resistente fica entre o apoio e o ponto de aplicação da força potente. São exemplos de alavancas inter-resistentes a carriola (carrinho de mão), o espremedor de alho, o abridor de garrafas e o quebra-nozes. FN

Fpo

Representação das forças em uma alavanca inter-resistente.

Fres

Outra aplicação desse princípio pode ser observada na gangorra. Se duas pessoas de massas muito diferentes forem brincar e ambas se sentarem nas extremidades da gangorra, haverá um desequilíbrio e o brinquedo não vai se movimentar adequadamente. Para solucionar esse problema, a pessoa de maior massa poderia se sentar mais próximo do ponto de apoio, diminuindo seu respectivo braço de alavanca e, assim, equilibrando a gangorra para que possam brincar.

ISSARET YATSOMBOON/ Shutterstock.com

Carriola.

Pessoas de diferentes massas em uma gangorra.

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PRÁTICA CIENTÍFICA

Comentários nas Orientações para o professor.

O princípio das alavancas em instrumentos medievais Por dentro do contexto Ao longo da história, a inovação tecnológica influenciou estratégias militares. Um exemplo disso é o uso de catapultas e trabucos, que são estruturas que revolucionaram a forma como os projéteis eram lançados a grandes distâncias. O funcionamento dessas armas se baseia no princípio das alavancas, uma vez que elas têm um ponto de apoio e um braço que gira em relação a esse ponto. Um dos fatores que transformou o uso das catapultas foi o desenvolvimento da balística, que é o estudo do movimento de projéteis.

GeorgeElch/Shutterstock.com

Kris Dublin/Shutterstock.com

Diversos relatos históricos da Antiguidade e da Idade Média retratam batalhas que foram decididas com o uso de catapultas e trabucos, por exemplo.

Catapulta em Roma, na Itália, em 2023.

Trabuco no Castelo dos Baux, na França, em 2011.

a) Resposta: A balística otimizava o alcance, a precisão e a eficácia dos projéteis, ajustando ângulos, força e condições de lançamento.

a ) Como a balística ajudava na utilização das catapultas e dos trabucos? b ) Em sua opinião, existe um limite de massa que pode ser arremessada por um trabuco ou uma catapulta com uma determinada dimensão? Materiais

Resposta: Sim. Esse limite é determinado pela capacidade das alavancas no mecanismo, pois a força gerada e a estabilidade do lançamento dependem do comprimento e da força aplicada nas alavancas.

• 10 lápis número 2 • elásticos • tampa de garrafa PET • pistola de cola quente

• pequenos objetos para serem lançados, como bolinhas de papel • objetos para servir de contrapeso, como chumbadas de pesca

B. Depois, disponha quatro lápis de modo a formar um quadrado. Prenda-os dois a dois com um elástico em cada uma das pontas.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Como proceder

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Imagem referente à etapa A.

A. Junte dois lápis de modo que fiquem paralelos. Em seguida, posicione um terceiro lápis perpendicularmente aos outros dois, cruzando-o a cerca de um terço do comprimento total dos dois paralelos. Prenda-os com um elástico.

Dica

Certifique-se de que os lápis paralelos estejam bem alinhados e paralelos para garantir que o braço da catapulta funcione corretamente.

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Cuidado

Dica

As pontas dos lápis podem ser afiadas e causar ferimentos. Manuseie com cuidado para evitar cortes. Evite esticar os elásticos além dos seus limites para prevenir que se rompam e atinjam seu rosto.

Não atire objetos na direção de seus colegas, professor ou qualquer outra pessoa. Utilizem o equipamento com responsabilidade para evitar acidentes.

UNIDADE

1. Resposta: Os estudantes devem perceber que onde eles posicionam o projétil há um ponto de apoio e dois locais de aplicação de forças, ligados por uma barra sólida, como uma alavanca. O projétil aplica a força resistente e o dispositivo faz a catapulta funcionar, aplicando a força potente.

C. Junte o lápis perpendicular, passando-o a cerca de um terço do lado superior do quadrado e prendendo com dois elásticos nas pontas. Então, passe um elástico cruzando o quadrado de modo que fique próximo à extremidade do braço da catapulta.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

D. Para construir a base, adicione três lápis na parte inferior do quadrado inicial, conectando-os com elásticos e criando um novo quadrado na parte inferior. E. Depois, adicione um lápis de cada lado conectando os quadrados pelos vértices livres, como mostra a imagem. F. Para finalizar, peça a um adulto que use a cola quente para prender a tampa na extremidade dos lápis paralelos (braço da catapulta). Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Dica

Imagem referente à etapa F.

No caso da produção de um trabuco, o elástico da base do braço da catapulta deve ser substituído por um contrapeso, que pode ser feito com chumbadas para pesca.

G. Coloque uma bolinha de papel na tampinha. Puxe-a para trás esticando o elástico e solte, lançando o objeto. Meça a distância percorrida pela bolinha em diferentes lançamentos e anote os valores no caderno. H. Varie a força com que o elástico é esticado (puxando a tampinha mais ou menos) e observe como isso afeta a distância e a velocidade da bolinha. I. Por fim, registre os dados em uma tabela para diferentes níveis de esticamento.

Análise e divulgação

3. Resposta: Pode-se alterar o comprimento do braço da catapulta, afetando seu desempenho segundo o princípio das alavancas. O arremesso dos objetos também depende do quanto o braço for girado, pois isso altera a energia armazenada no elástico. Outra possibilidade é alterar o tipo de elástico utilizado como propulsor, assim como o tipo e a massa do projétil. No caso de um trabuco, pode-se alterar também a relação entre os braços da alavanca e o tamanho do contrapeso.

1. Como o princípio da alavanca pode ser verificado no lançador de projéteis que vocês construíram?

Resposta: Espera-se que os estudantes citem que o elástico ou o

2. Qual material faz o equipamento lançar os projéteis? contrapeso faz os objetos serem lançados. Isso dependerá do tipo de projeto que fizerem.

3. O que vocês poderiam alterar, na catapulta ou no trabuco, para lançar objetos a maiores ou menores distâncias?

Resposta: Espera-se que os estudantes

4. Como é possível prever o movimento do projétil para atingir um alvo específico? respondam que poderiam prever o movimento do projétil utilizando as relações do lançamento oblíquo, identificando o ângulo e estimando a velocidade do lançamento.

5. O que acontece se trocarmos a bolinha de papel por um objeto de massa diferente? A distância percorrida será a mesma? Resposta: Não, a distância não será a mesma. Se o objeto tiver uma massa maior, ele tende a percorrer distância menor, porque maior massa exige maior força para atingir a mesma velocidade.

6. Que tipo de energia está armazenada quando o elástico é esticado e que tipo de energia a bolinha tem du-

rante o movimento? Resposta: Quando o elástico é esticado, este armazena energia potencial elástica. No momento em que é solto, essa energia potencial se transforma em energia cinética, que é transferida para a bolinha, fazendo-a se mover.

7. Agora que você investigou o funcionamento de uma catapulta e analisou sua funcionalidade, assim como

os fatores que afetam seu desempenho e sua relação com as alavancas, faça uma postagem em sua rede social mostrando fotografias de seu projeto e as etapas de execução. Componha um texto para legendar as fotografias, descrevendo sua análise e suas conclusões sobre o projeto. Divulgue para outros estudantes terem acesso aos resultados.

7. Resposta: Espera-se que os estudantes fotografem as etapas do projeto e/ou seu resultado final, descrevendo de forma resumida suas conclusões e os pontos que acharam mais importantes, de forma a divulgar em suas redes sociais.

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ATIVIDADES

1. Confira as fotografias a seguir.

Flower Studio/ Shutterstock.com

romiri/ Shutterstock.com

Alicate. Carriola.

Michael Kraus/ Shutterstock.com

HamsterMan/ Shutterstock.com

albertolpzphoto/ Shutterstock.com

Pinça.

Pegador de macarrão.

Abridor de garrafas.

4. Resposta: Fpo ≃ 666,7 N, aproximadamente. Resolução nas Orientações para o professor.

a ) Classifique as alavancas mostradas em interpotente, inter-resistente e interfixa. b ) Em quais das alavancas a força potente é maior do que a força de resistência?

Resposta: Nas alavancas B (pinça) e E (pegador de macarrão).

2. A noz mostrada na imagem necessita de uma

Resposta: Fpo = 57,1 N, aproximadamente. Resolução nas Orientações para o professor.

10 cm

Fabio Eiji/Arquivo da editora

força de 200 N para ser quebrada. Qual é a intensidade da força que a pessoa deve aplicar na extremidade do quebrador de nozes?

4 cm

Representação de um quebrador de nozes.

3. Em uma gangorra com comprimento total de 4 m, uma pessoa com massa de 6 0 kg senta-se a uma distância de 1,2 m em relação ao ponto de apoio central. Em qual posição uma pessoa de 80 kgdeve se sentar para que a gangorra fique em equilíbrio?

Resposta: bpo = 0,9 m. Resolução nas Orientações para o professor.

4. Um operário deseja levantar uma caixa de 200 kg usando uma alavanca interfixa. O ponto de apoio da alavanca está localizado a 0 ,5 m da caixa e a 1,5 mdo ponto onde ele aplica a força. Supondo que a aceleração da gravidade seja de 10 m / s², qual é o menor valor da força F que o operário deve aplicar para levantar a caixa?

5. O corpo humano tem várias alavancas que permi-

tem o movimento eficiente dos nossos membros e de outras partes do corpo. No corpo humano,

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

os ossos atuam como alavancas e as articulações funcionam como pontos de apoio. Com base nesse contexto, analise as afirmações a seguir. I ) No movimento de flexão do braço, a articulação do cotovelo funciona como o ponto de apoio, e o músculo bíceps aplica a força para levantar o antebraço. II ) O cotovelo funciona como um ponto de apoio em uma alavanca do tipo interpotente quando você levanta um objeto com o braço estendido. III ) O movimento de elevar o calcanhar, como quando você fica na ponta dos pés, é um exemplo de alavanca do tipo inter-resistente. IV ) O pescoço, ao inclinar a cabeça para a frente, é um exemplo de alavanca do tipo inter-resistente. Estão corretas as afirmações: Resposta: Alternativa b. a ) I e II.

c ) II e III.

b ) I e III.

d ) II, III e IV.

e ) I, III e IV.

6. Um pintor precisa equilibrar uma prancha sobre

uma viga para alcançar uma área alta de uma parede. Ele coloca a prancha de madeira sobre a viga de modo que ela fique como uma gangorra, com a viga atuando como o ponto de apoio. O pintor e seu assistente, que têm massas diferentes, precisam ficar em lados opostos da prancha para que ela permaneça equilibrada. Como eles devem se posicionar em relação ao ponto de apoio para garantir que a prancha fique em equilíbrio, horizontalmente? Resposta: Alternativa a. a ) O pintor de maior massa deve ficar mais perto do ponto de apoio. b ) O pintor de maior massa deve ficar mais longe do ponto de apoio. c ) Ambos devem ficar à mesma distância do ponto de apoio. d ) Como eles têm massas diferentes, eles nunca poderão equilibrar a prancha. e ) O pintor de menor massa deve ficar mais perto do ponto de apoio.

7. Um trabalhador está usando um carrinho de mão

para transportar sacos de areia. O carrinho de mão tem comprimento total de 2 m. A roda (apoio) está localizada a 1,5 mda alça do carrinho, e o saco de areia está colocado a 0 ,5 mdo apoio. O trabalhador pode aplicar uma força máxima de 2 00 N na alça do carrinho de mão. Se o peso do saco de areia é 250 N, ele conseguirá levantá-lo e transportá-lo usando o carrinho de mão? Justifique sua resposta calculando a força necessária.

1. a) Resposta: O alicate é uma alavanca interfixa; a carriola e o 7. Resposta: Fpo = 83,3 N. Ele consegue transportar o saco de areia. abridor de garrafas são alavancas inter-resistentes; a pinça e o Resolução nas Orientações para o professor. pegador de macarrão são alavancas interpotentes.

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Resposta: O objetivo desta questão é resgatar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre o plano Plano inclinado 5.inclinado. Eles podem citar que subir rampas com pequenas inclinações exige menos esforço físico. riopatuca/Shutterstock.com

O plano inclinado é definido como uma superfície plana com uma inclinação em relação à direção horizontal, ou seja, o início e o fim do plano estão em alturas diferentes. As rampas de acesso, como a mostrada na fotografia, são exemplos de plano inclinado e devem obedecer às condições de segurança e inclinação estabelecidas pela NBR (Norma Brasileira) 9050/2015. 5. Por que as rampas de acesso têm pequenas inclinações?

UNIDADE

Pessoa em cadeira de rodas subindo uma rampa de acesso.

As rampas são utilizadas porque reduzem a intensidade da força necessária para superar o desnível, diminuindo o esforço físico. Por esse motivo, os planos inclinados são considerados máquinas simples. Em contrapartida, o plano inclinado exige maior deslocamento para superar um desnível. Usando as rampas de acesso como exemplo, para manter o conforto dos usuários, elas devem ter inclinações entre mde altura, a projeção horizontal da 5% (1 : 20) e 8,33% ( 1 : 12). Isso quer dizer que, para uma elevação de 1 professora: Diga aos estudantes que as adaptações físicas dos rampa pode ter entre 20 me 12 m(no mínimo). Professor, ambientes são só um tipo, conhecido como acessibilidade arquitetônica. Há ainda outros, como: instrumental (para diminuir as barreiras nos instrumentos e ferramentas de estudo, trabalho ou lazer); de transportes (para diminuir as barreiras nos veículos e nos pontos de paradas, por exemplo); de comunicações (para eliminar barreiras na comunicação interpessoal); e digital (apresentação do conteúdo digital e informações em sites com formatos alternativos).

Compartilhe ideias

A acessibilidade é um direito de todos para garantir a participação ativa dos cidadãos em todos os aspectos sociais. Rampas de acesso, pisos táteis e indicações em braile são exemplos de adaptações que oferecem condições de autonomia, segurança e conforto para pessoas com deficiência. a ) Junte-se a dois colegas e analisem os ambientes da sua escola e ao redor dela, identificando adaptações de acessibilidade e a falta delas. Em seguida, discutam se esses ambientes são considerados acessíveis, propondo melhorias que possam ser realizadas.

Para analisar as forças envolvidas no movimento de um corpo sobre um plano inclinado, adotamos um plano cartesiano como referencial, de modo que o eixo das ordenadas (eixo y) seja perpendicular ao plano e o eixo das abscissas (eixo x) coincida com o plano inclinado, como ilustrado a seguir. Nessa situação, um recurso útil é a decomposição das forças nas direções dos eixos cartesianos escolhidos → para analisar o problema. A força normal F N tem direção do eixo das ordenadas, porém a força peso atua em Professor, professora: Ao abordar o conceito de plano inclinado, uma direção diagonal, entre as direções dos dois eixos. destaque para os estudantes suas características: superfície plana, y

FN Eduardo Carriça/Arquivo da editora

a) Resposta: O objetivo dessa questão é levar os estudantes a observar os ambientes que frequentam e verificar suas condições de acessibilidade. Além das adaptações citadas no texto de apoio, podem citar os corrimãos, as barras de apoio nos banheiros, entre outras adaptações. Materiais em braile e aulas em Libras também são exemplos.

FPx x

FPy

rígida, inclinada em relação à horizontal, com o objetivo de multiplicar a força. Caso eles tenham dificuldade em entender a inclinação das rampas, desenhe dois triângulos retângulos na lousa. Um deve ter altura de 1 m e base Imagem sem proporção de 20 m, e o outro deve ter altura e em cores fantasia. de 1 m e base de 12 m, sendo essas medidas equivalentes aos FPx catetos. A hipotenusa desses triângulos seria equivalente à rampa de acesso. θ FP

Representação das forças que atuam em um bloco sobre um plano inclinado sem atrito.

Então, utilizamos suas projeções perpendiculares sobre os eixos cartesianos. Assim, suas componentes, → → que podem ser chamadas F P x e F P y, serão dadas por: FPx = FP · s en θ

FPy = F P · cos θ

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06/11/2024 16:31:34

Para equilibrar o corpo sobre o plano inclinado, é preciso aplicar uma força com intensidade igual à componente FPx, que seja no sentido contrário. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

R1. João está ajudando seu amigo a carregar uma caixa pesada até a

garagem da sua casa. A garagem está situada em um plano inclinado que forma um ângulo θ = 30°com a horizontal, como mostra a figura. Se a caixa tem massa de 10 kg, qual é a força necessária para manter a caixa em equilíbrio, impedindo que ela desça pela rampa? __ 3 _ Considere que g = 10 m / s2, sen 30° = 0,5e cos 30° =   . 2 Resolução

√

m F

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

ATIVIDADES RESOLVIDAS

Representação da caixa sobre o plano inclinado.

Para que a caixa permaneça em equilíbrio, é necessário que a força aplicada seja igual à componente horizontal da força peso, em que FP = m · g . Portanto: F = FPx = FP · sen θ = 10 · 10 · sen 30° = 100 · 0,5 ∴ F = 5 0 N Logo, a força necessária para manter a caixa em equilíbrio é 50 N.

Além das rampas de acesso, as cunhas e os parafusos são exemplos de planos inclinados. Objetos como facas, machados e ferramentas de rocha da Antiguidade são exemplos de cunha. As cunhas geralmente são utilizadas para o corte e são formadas por dois planos inclinados que fazem um ângulo agudo entre si. Essa disposição altera a direção da força aplicada em um objeto. Por exemplo, à medida que a parte afiada do machado é empurrada para o interior da madeira, as laterais da lâmina empurram a madeira para os lados, dividindo-a. Professor, professora: Diga aos estudantes que o machado ainda tem uma alavanca, o cabo.

qbdp/Shutterstock.com

Nos parafusos, o plano inclinado tem formato helicoidal (roscas) em torno de um cilindro central. Dessa forma, o parafuso converte o movimento de rotação em um movimento de translação para dentro ou para fora do corpo no qual ele está sendo fixado.

Parafuso comum.

A vantagem de utilizar parafusos para manter dois corpos unidos é que a rosca permite maior superfície de contato com os corpos, evitando que eles escapem com facilidade. Além disso, os parafusos podem ser removidos e reinseridos sem perder sua eficácia.

Uma aplicação interessante desse dispositivo é o parafuso de Arquimedes. Ele é utilizado para bombear água de um local mais baixo para um local mais alto.

Nigel Housden/Shutterstock.com

Sergey Merkulov/Shutterstock.com

A extremidade inferior do parafuso é imersa na água e, conforme ele gira, certa quantidade de água é elevada pelo parafuso. Esse dispositivo ainda é usado para irrigação e outras finalidades.

Parafuso de Arquimedes usado no bombeamento de água, no Reino Unido, em 2018.

Representação do funcionamento do parafuso de Arquimedes, mostrando como o líquido é levado do local mais baixo para o mais alto.

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Máquinas modernas

UNIDADE

5 a) Resposta pessoal. Após ler o texto do boxe, espera-se que os estudantes reconheçam que, apesar de toda evolução na fabricação das máquinas modernas e no desenvolvimento de novos materiais, o funcionamento de muitos dispositivos ainda se baseia nos princípios de funcionamento das máquinas simples.

Há uma infinidade de máquinas em nosso dia a dia, e elas são compostas de muitos elementos complexos, envolvendo dispositivos eletrônicos, mecânicos, térmicos etc. Ao longo do tempo, houve uma enorme evolução nas técnicas de fabricação das máquinas, bem como a descoberta de novos materiais empregados em sua produção. No entanto, os princípios básicos de funcionamento de muitas máquinas modernas são os mesmos das máquinas simples.

motor

Furadeira elétrica aberta.

polias

bit mechanic/Shutterstock.com

Considerando uma furadeira elétrica como exemplo, observamos que ela é composta de um motor elétrico responsável por aplicar a força para girar a broca. Para que a força de rotação da broca seja maior do que a do motor, há uma associação de polias. É importante notar também que as brocas são feitas com ranhuras laterais em formato de parafuso.

O dispositivo mais básico que possibilita o deslocamento do carro são suas rodas. Independentemente da potência de seu motor, se não estiver equipado com as rodas, ele não vai a lugar algum.

Khamhmong inta/Shutterstock.com

Outro exemplo interessante da importância das máquinas simples na atualidade é o automóvel, uma máquina bastante complexa. Ele envolve muitos dispositivos eletrônicos, além de um motor à combustão interna, cujo funcionamento é explicado pela termodinâmica. Há, ainda, sistemas de lubrificação, arrefecimento, transmissão e muitos outros que utilizam diversas aplicações de máquinas simples.

Sistema de polias no motor de um automóvel.

Já com relação ao motor, para funcionar adequadamente e transmitir seu movimento para as rodas, ele utiliza diversas engrenagens dos mais variados formatos e tamanhos. Essas engrenagens, que são uma adaptação da roda, desempenham diferentes funções dentro de um motor ou de um sistema de transmissão. Há, ainda, os sistemas de polias acopladas com correias. O que há de comum entre todos esses dispositivos das máquinas modernas é que eles foram desenvolvidos com base em máquinas simples. a ) Imagine que um amigo diga para você que já não faz sentido estudar as máquinas simples na atualidade, pois elas entraram em desuso há muito tempo. Como você responderia a esse seu amigo? b ) Converse com seus colegas sobre outras máquinas modernas (que não foram citadas no texto) que você encontra em sua casa, no caminho para a escola ou em seu dia a dia e que utilizam máquinas simples. Identifiquem e anotem no caderno as partes desses dispositivos que podem ser classificadas como máquinas simples. b) Resposta pessoal. Os estudantes devem refletir sobre as máquinas simples que costumam usar (exceto dispositivos simples, como tesoura e faca). Entre as possibilidades, eles podem citar: engrenagens, correias e rodas de uma bicicleta; rodas dos refrigeradores; escada rolante, que aplica uma esteira equipada com polias; e engrenagens, correias e polias de uma máquina de lavar roupas.

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CONEXÕES com ... Keithy Mostachi/ Arquivo da editora

HISTÓRIA Idade da Pedra Paleolítico

Mesolítico Neolítico Idade dos Metais

Cobre Bronze Ferro Antiguidade

Desenvolvimento de ferramentas e máquinas pelos hominíneos As primeiras ferramentas criadas por alguns de nossos ancestrais eram basicamente rochas quebradas. Com o passar do tempo, os hominíneos passaram a dar melhor acabamento às ferramentas, obtendo artefatos com cantos mais afiados, além de incorporarem o uso de cabos, o que rende vantagem mecânica a essas ferramentas. Após a descoberta da fundição de metais, elas passaram a ser fabricadas com cobre ( Cu),  bronze e ferro ( Fe),  o que proporcionou ferramentas de melhor qualidade. O desenvolvimento da agricultura trouxe invenções, como o arado, que permitiram a preparação do solo para o plantio, melhorando o desempenho das colheitas. Apesar dessas invenções terem sua parcela de importância para o desenvolvimento da humanidade, a invenção da roda significou um grande avanço. Contudo, o tempo necessário desde sua invenção até que surgissem os primeiros veículos equipados com roda é incerto. Além disso, avanços teóricos e tecnológicos em relação ao uso de novos materiais e o conhecimento de novas fontes de energia, como carvão mineral e petróleo, contribuíram para o desenvolvimento de novas máquinas. Acompanhe a seguir alguns desses avanços tecnológicos. Idade da Pedra

Idade Média

Idade Moderna

Idade Contemporânea

Paleolítico

Mesolítico

2,6 milhões de anos a.C. Rochas afiadas (ferramentas olduvaienses). Primeiras ferramentas de rocha fabricadas pelo Homo habilis, obtidas da simples quebra de rochas.

18 000 anos a.C. - Microlâminas afiadas (cultura magdaleniana). Ferramentas de rocha moldadas em formatos triangulares alongados ou em outras formas. Podiam ser presas a um cabo de osso e usadas como armas, para fins de marcenaria e preparação de alimentos.

1,5 milhão de anos a.C. Machado de mão, cutelo e picareta de rocha (ferramentas acheulianas). Obtidas de lascas de núcleos de rocha, trabalhadas com algo mais macio que a rocha, como madeira ou osso, formando a aresta de corte (técnica bifacial). 80 000 a 40 000 anos a.C. Lâminas de corte (indústria aurignaciana). O formato das lâminas permitiu prendê-las a um cabo, proporcionando um efeito de alavanca e, assim, mais eficiência.

Linha do tempo representando os períodos da história da humanidade.

Neolítico 11 000 anos a.C. Machado e cinzel de rocha, foices de madeira ou osso. Ferramentas produzidas por meio de polimento, mais eficientes e fáceis de afiar. Os padrões de desgaste nas foices revelam que foram usadas para a colheita de grãos.

Fonte de pesquisa: BUNCH, Bryan; HELLEMANS, Alexander. The history of science and technology: a browser’s guide to the great discoveries, inventions, and the people who made them from the dawn of time to today. Houghton Mifflin Harcourt, 2004.

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Idade dos Metais

Cobre - 3 500 anos a.C.

Bronze - 3 000 anos a.C.

Invenção da roda, possivelmente na Mesopotâmia (atual Iraque).

Primeiros machados fabricados na Mesopotâmia por meio da fundição de metais (cobre e, em seguida, bronze).

Inicialmente utilizada para produzir objetos de argila (roda de oleiro) e, em seguida, na construção dos primeiros veículos com rodas.

Apresentam um orifício onde um cabo pode ser inserido. Um arado primitivo é inventado na China, enquanto arados empregando tração animal são utilizados na Mesopotâmia.

Ferro - 2 000 anos a.C.

500 anos a.C.

A picota é inventada no Egito e na Mesopotâmia.

Surge o primeiro parafuso, supostamente inventado pelo filósofo grego Arquitas de Tarento (428 a.C.-347 a.C.), porém a data exata dessa invenção é incerta.

Trata-se de uma máquina simples, baseada no princípio da alavanca, para retirar água de poços.

Trata-se de um plano inclinado em formato helicoidal, inventado para fixar objetos.

Antiguidade

200 anos a.C.

60 anos d.C.

O matemático grego Arquimedes (287 a.C.-212 a.C.) descreve o princípio da alavanca e outras máquinas simples, como as polias. Ele também inventou o parafuso de Arquimedes, um dos primeiros dispositivos para bombear água de um terreno mais baixo para outro mais alto.

O matemático grego Heron de Alexandria (10 d.C.-70 d.C.) descreve um dispositivo para cortar parafusos com roscas fêmeas.

O engenheiro grego Filão de Bizantino (280 a.C.-220 a.C.) descreve uma forma primitiva do acoplamento entre a corrente e a roda dentada (usada hoje em bicicletas), além da descrição de uma roda hidráulica. Filão também descreveu aquilo que seria o primeiro sistema de engrenagens da história.

Também descreveu outros dispositivos, como engrenagens helicoidais e válvulas de retenção e de flutuação, bem como os elementos necessários para construir um motor a vapor funcional.

Idade Média

Idade Moderna

1100

1698

É inventada a catapulta movida a gravidade, chamada pelos europeus de trebuchet (trabuco).

A máquina inventada pelo engenheiro inglês Thomas Savery (1650-1715), projetada para bombear água de minas de carvão, é considerada a primeira máquina movida a vapor.

Ela se destaca por aplicar o princípio da alavanca para dar grande velocidade a um projétil por meio de um contrapeso. Idade Contemporânea

1886

1891

1962

O engenheiro alemão Karl Benz (1844-1929) patenteou o primeiro automóvel com motor a combustão.

O inventor estadunidense Thomas Robins Junior (1868-1957) inventa uma correia para o transporte de carvão e minério.

Esse automóvel era um triciclo com motor monocilíndrico, movido a combustível derivado de petróleo.

Consiste em uma associação de polias com uma correia em laço fechado, que gira em torno das polias.

Nos Estados Unidos, o primeiro braço robótico produzido em massa (Unimate) é comercializado. O primeiro robô industrial do mundo foi desenvolvido pelo inventor estadunidense George C. Devol (1912-2011).

a ) Junte-se a um colega e escolham duas ferramentas que vocês consideram importantes para o desenvolvimento e a evolução da sociedade. Em seguida, montem uma apresentação para divulgar as ferramentas escolhidas pela turma. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a pensar sobre a importância das ferramentas, para a execução de diferentes tarefas cotidianas, para a evolução da sociedade. O desenvolvimento de ferramentas auxiliou a obtenção de alimentos, agricultura, transporte, construção de casas, obtenção de água, entre outras atividades.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

4. Desprezando o atrito, a força para elevar a caixa com velocidade constante deve ser igual à componente da força peso paralela ao plano inclinado, isto é, F = F Px, FP · s en θ = 3 · 10 · s en 25° = 1 2,6 ∴ F = 1 2,6 N. portanto: F = F Px =

1. Considere as afirmações a seguir sobre o plano

inclinado. Em seguida, avalie-as como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) A força necessária para erguer um corpo a uma mesma altura é menor em um plano inclinado do que em um deslocamento vertical. A distância percorrida utilizando o plano inclinado também é menor. II ) O parafuso não pode ser classificado como exemplo da aplicação de plano inclinado. III ) O macaco de um automóvel é um tipo de plano inclinado, pois utiliza um parafuso, cujo movimento rotativo faz esse dispositivo levantar o carro, ao custo de um deslocamento menor na vertical. IV ) Uma ladeira de uma estrada é um plano inclinado, pois permite um deslocamento vertical com menos esforço.

2. Considere dois planos inclinados, ambos usados

Resposta: O plano inclinado B, porque o ângulo de inclinação dele é menor. Nesse caso, a desvantagem é ter de percorrer uma distância maior.

3m Representação do plano inclinado A.

B. 3m

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

para elevar um objeto até uma altura de 3 metros. O plano inclinado A é mais íngreme e tem uma projeção horizontal de 5 metros, enquanto o plano inclinado B é mais suave e tem uma projeção horizontal de 20 metros. Ambos os planos inclinados são máquinas simples que permitem elevar o objeto com menos força do que seria necessário se o objeto fosse levantado verticalmente. Qual plano inclinado exige menos força para levantar o objeto? Justifique sua resposta.

20 m

Representação do plano inclinado B.

3. Um carro guinchado encontra-se parado no meio

da rampa do caminhão de reboque, sustentado por um cabo de aço inextensível preso no automóvel. Sabendo que a inclinação da rampa forma ângulo de 30 graus com a horizontal, determine a força de tração e a força normal que atua nesse carro, que tem 2 000 kg de massa. Adote _ 10 000 N, FN = 10 000 √ 3 N. g = 1 0 m / s. Resposta: FT =

Resolução nas Orientações para o professor.

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. Uma caixa de 3 kg está no início de um plano

inclinado, conforme mostrado na imagem. Desconsiderando o atrito, qual seria a força necessária, aplicada paralelamente ao plano inclinado, para elevar a caixa até a parte mais alta da rampa com velocidade constante? Utilize sen 25° = 0 ,42, cos 25° = 0,91e g = 10 m / s2

5. [04] Correta, pois pela decomposição de forças a resultante será T − FP · sen θ. FR =

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

ATIVIDADES

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Representação de uma caixa em um plano inclinado.

5. Um plano inclinado pode nos auxiliar na movi-

mentação de cargas porque a força peso do corpo sofre uma decomposição nas direções paralela e perpendicular ao plano. Considere que uma corda inextensível está sendo utilizada para elevar , ao longo de um plano um bloco de massa m inclinado sem atrito que faz um ângulo θem relação à horizontal. Com base nessas informações, faça a soma das alternativas corretas. Resposta: 02 + 04 + 16 = 22 01 ) O bloco se move por causa da segunda lei de Newton, em que a aceleração na direção do plano é dada pelas suas componentes perpendiculares ao plano. Errada, pois a aceleração ocorre por causa das forças na direção paralela ao plano inclinado. 02 ) Utilizar a direção x ao longo do plano inclinado para a decomposição das forças auxilia na tarefa de determinar a força resultante do sistema. Correta, a decomposição pode ser usada em outro sistema de referência, porém dificulta a análise matemática. 04 ) A força resultante do sistema será definida pela diferença da tração com a força peso na direção x, paralela ao plano inclinado. 08 ) A componente da força peso na direção x é equilibrada pela força normal, de modo que é necessário dobrar a força de tração para puxar o bloco. Errada, pois é a componente da força peso na direção y que é equilibrada pela força normal. 16 ) A força de tração necessária para elevar o bloco com velocidade constante, ao longo do plano inclinado, é dada por FT= FP· sen θ. Correta.

6. Um trabalhador precisa colocar uma caixa de 120 kgna caçamba de um caminhão e dispõe de uma chapa de madeira bem lisa para fazer uma rampa. Ao apoiar a chapa de madeira no solo e na caçamba do caminhão, ela ficou com um ângulo de 30°em relação ao solo (horizontal). Qual é a razão entre a força necessária para elevar a caixa empurrando-a pelo plano inclinado e a forF = 0,5. ça para elevar a caixa na vertical? Resposta: _ F P

Adote: g = 1 0 m / s 2, sen 30° = 0 ,5 e cos 30° = 0,87. Resolução nas Orientações para o professor.

1. Resposta: I) Falsa. A intensidade da força necessária para erguer um corpo à mesma altura é menor em um plano inclinado do que em um deslocamento vertical, mas a distância percorrida é maior; II) Falsa. O parafuso é um tipo de plano inclinado no formato de uma hélice; III) Verdadeira; IV) Verdadeira.

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CAPÍTULO

Momento e torque 1. Resposta: O movimento do corpo humano acontece por meio da tração dos músculos sobre os ossos. Quando os músculos se contraem, eles puxam os ossos e geram o movimento.

Momento de uma força

2. Resposta: Espera-se que os estudantes identifiquem esse movimento nas seguintes partes: braços, tronco, pernas e pés.

Master1305/Shutterstock.com

Analise a imagem a seguir.

1. Como os esforços dos músculos contribuem para realizar o movimento do corpo humano?

2. Em quais partes do corpo da atleta podemos identificar o sistema de alavanca?

Imagem sequencial do movimento de uma atleta de vôlei.

Para golpear uma bola de vôlei, realizando o movimento da imagem, seria necessário aplicar força sobre ela. Para isso, os sistemas do corpo humano (muscular, esquelético, articular e nervoso) trabalham em intensa atividade, formando um sistema de alavanca.

As alavancas são sistemas mecânicos compostos de um corpo extenso e rígido que pode realizar movimentos de rotação em relação a um ponto fixo e multiplicar sua força mecânica. Assim, por meio do movimento de rotação dos braços, a atleta aplica força sobre a bola, alterando seu estado de movimento. Em academias, é comum a prática de exercícios destinados ao fortalecimento de dois músculos que constituem o braço: o bíceps e o tríceps. Para isso, os exercícios são realizados mantendo o braço imóvel e movimentando o antebraço, formando um sistema de alavanca. Utilizando um tipo de aparelho que tem como objetivo exercitar o bíceps, uma pessoa deve aplicar força para cima, mantendo os cotovelos imóveis. Assim, observa-se a rotação do antebraço para cima por meio da contração do bíceps, cujo eixo de rotação corresponde ao cotovelo. Nesse tipo de exercício, forma-se um sistema de alavanca interpotente, em que a força potente é concentrada entre o ponto de aplicação da força resistente e o ponto fixo (cotovelo), como mostram as imagens a seguir.

Daniela Mota/ Arquivo da editora

Dikushin Dmitry/Shutterstock.com

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Fpo bíceps

Fres dF

res

Pessoa acompanhada de instrutor realizando exercício físico destinado ao treino de bíceps.

Representação do esquema de alavanca interpotente durante a realização do treino de bíceps.

Fonte de pesquisa: UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO (USP). Cinesiologia: parte 2: força torque e alavancas. p. 74. Disponível em: https:// edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3959896/mod_resource/content/1/2 _cinesiologia_forca_torque_alavancas.pdf. Acesso em: 8 set. 2024.

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Entretanto, quando o mesmo aparelho é utilizado para exercitar o tríceps, observa-se que o movimento do antebraço é inverso, isto é, ele executa o movimento de rotação para baixo. Nesse caso, o braço, o antebraço e o cotovelo formam um sistema de alavanca interfixa, em que o ponto fixo (cotovelo) está localizado entre o ponto da ação da força potente e o da força resistente, como mostram as imagens a seguir.

tríceps

Fpo

Daniela Mota/ Arquivo da editora

LuLuraschi/Shutterstock.com

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Fres O

res

Pessoa acompanhada de instrutor realizando exercício físico destinado ao treino de tríceps.

Representação do esquema de alavanca interfixa durante a realização do treino de tríceps.

Fonte de pesquisa: UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO (USP). Cinesiologia: parte 2: força torque e alavancas. p. 74. Disponível em: https://edisciplinas. usp.br/pluginfile.php/3959896/mod_resource/content/1/2_cinesiologia_forca_torque_alavancas.pdf. Acesso em: 8 ago. 2024.

Jasminko Ibrakovic/Shutterstock.com

Alguns exercícios são praticados para o fortalecimento do músculo da panturrilha, um importante músculo esforçado quando caminhamos, corremos ou subimos algum degrau. O exercício consiste em manter os dedos do pé fixos no chão e elevar o calcanhar, executando o movimento de rotação do pé. Nesse caso, o calcanhar, a planta do pé e os dedos formam um sistema de alavanca inter-resistente, em que a força resistente está localizada entre o ponto de ação da força potente e o ponto fixo (dedos do pé), conforme as imagens a seguir. Representação do esquema de alavanca inter-resistente durante a realização do treino de panturrilha.

Fpo

res

Exercício físico destinado ao treino de panturrilha.

Daniela Mota/ Arquivo da editora

Fres

Fonte de pesquisa: UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO (USP). Cinesiologia: parte 2: força torque e alavancas. p. 75. Disponível em: https://edisciplinas.usp. br/pluginfile.php/3959896/mod_resource/content/1/2_cinesiologia_forca_torque_alavancas.pdf. Acesso em: 25 out. 2024.

Para cada movimento do corpo humano composto de um sistema de alavanca, ocorre a rotação do braço de alavanca (corpo extenso) em torno de um ponto fixo (eixo de rotação). Esse efeito de movimento de rotação causado pela ação das forças potente e resistente é chamado de momento da força ou torque, isto é, a ação das forças tende a produzir o movimento de rotação do corpo extenso.

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O momento da força ou torque é uma grandeza vetorial que altera o estado de movimento de rotação de Espera-se que percebam que essa intensidade será máxima um corpo extenso. Sua intensidade é definida por: quando o ângulo entre a força e a linha que une o ponto de M = F · d · s en θ

UNIDADE

Professor, professora: Analise com os estudantes essa expressão para o cálculo da intensidade do torque.

apoio ao ponto em que se aplica a força é igual a 90º. A intensidade do torque será nula quando sen θ = 0, ou seja, quando a força é aplicada na mesma direção da linha que une o ponto de apoio ao ponto onde é aplicada a força.

ponto fixo (eixo de rotação)

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

→ em que Fé a intensidade do vetor força F que tende a produzir a rotação, dé a distância entre o ponto de aplicação da força e o eixo de rotação e θ é o ângulo entre o vetor força e o braço de alavanca, como mostra · m. a imagem a seguir. No Sistema Internacional de Unidades (SI), o momento da força é medido em N Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

d Representação de uma força aplicada em uma alavanca. Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 277.

Somente forças perpendiculares ao braço de alavanca podem produzir torque, por isso a função seno garante que qualquer força aplicada sobre o corpo extenso considere apenas sua componente perpendicular.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Apesar de o momento da força ser uma grandeza vetorial, trataremos apenas do efeito de rotação em torno de um único eixo. Assim, não exploraremos mais detalhes vetoriais. Entretanto, é necessário definir e diferenciar se o movimento de rotação tem sentido horário ou anti-horário. Portanto, por convenção, o momento da força ou torque é definido como positivo quando a rotação ocorre no sentido anti-horário e negativo quando a rotação se dá no sentido horário. F M<0 M>0 Representação do momento da força que faz o braço da alavanca girar no sentido anti-horário, que é positivo.

Representação do momento da força que faz o braço da alavanca girar no sentido horário, que é negativo.

Imagens elaboradas com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 277.

ATIVIDADES RESOLVIDAS R1. Em uma barra é aplicada uma força de módulo F, Sabendo que a intensidade da força Fé 50 N, qual é o valor do momento da força F em relação ao ponto O? Resolução

F O 308 2m

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

conforme mostrado na figura a seguir.

Representação da força aplicada na barra.

Utilizando a equação do momento de uma força, tem-se: M = F · d · sen θ = 50 · 2 · sen 30 °= 100 · 0 ,5 ∴ M = 50 N · m Portanto, o momento da força aplicada na barra é 50 N · m.

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Equilíbrio de corpo extenso Para que um corpo esteja em equilíbrio, é necessário que a resultante das forças que agem sobre ele seja nula. Isso garante que o corpo fique em repouso (equilíbrio estático) ou descreva o movimento retilíneo uniforme (equilíbrio dinâmico). Caso contrário, se o corpo não estiver em equilíbrio, isto é, quando a resultante das forças não é nula, ele descreverá um movimento variado, do tipo acelerado ou retardado, ou até mesmo trajetórias curvilíneas. Para os corpos extensos – cujas dimensões não podem ser desprezadas –, o equilíbrio é atingido quando, além de manter sua velocidade ou rapidez constante, evita-se que o corpo gire. Assim, para que corpos extensos mantenham o estado de equilíbrio, além de a resultante das forças ser nula, o momento resultante (ou torque resultante) também deve ser nulo. Considera-se que um corpo está em equilíbrio quando ele tem as seguintes propriedades: 1. está em equilíbrio estático (repouso) no qual a intensidade da força resultante (soma das forças) é 3. Resposta: Espera-se que os estudantes citem o equilíbrio como o igual a zero ∑ n Fx n = 0e ∑ n Fy n = 0; maior fator de dificuldade para a prática de slackline.

2. está em equilíbrio dinâmico (com velocidade ou rapidez de rotação constante) no qual o torque resultante (soma dos torques) é igual a zero ∑ Mn = 0. n

ETgohome/Shutterstock.com

Analise a fotografia a seguir. O slackline é um esporte que exige muito equilíbrio. Considerado uma atividade física completa – que envolve resistência física, consciência corporal e concentração –, contribui para o aperfeiçoamento de esportes como atletismo, caminhada, surfe etc., além de oferecer benefícios à saúde. 3. Em sua opinião, qual é a maior dificuldade para a prática desse esporte?

4. Você já praticou algum esporte em que teve de manter o equilíbrio? Como o fez?

Pessoa praticando slackline.

Esse esporte consiste em uma fita estreita estendida entre dois pontos distantes do solo, sobre a qual o esportista deve andar mantendo-se em equilíbrio. Para isso, o praticante de slackline deve manter o centro de gravidade na mesma vertical da corda, para não perder o equilíbrio. O centro de gravidade é a posição geométrica, em um corpo extenso, na qual é possível considerar a ação única da força peso. Assim, em várias situações, define-se o centro de gravidade como uma posição geométrica de equilíbrio. linha de gravidade

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

centro de gravidade

Movimentos com o corpo em equilíbrio. 4. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é explorar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre o equilíbrio dos corpos e aproximar o conteúdo de seu cotidiano. Eles podem citar que andaram de bicicleta, patins, skate etc.

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Na dança, isso pode ser observado quando o dançarino desloca seu peso de forma intencional. Por exemplo, ao executar certos movimentos, como o mostrado na fotografia, o dançarino pode posicionar seu centro de gravidade além da base de apoio, criando um desequilíbrio temporário. Essa manipulação do equilíbrio é utilizada com bastante treino, permitindo que ele execute determinados passos ou transite entre movimentos para retornar a uma posição estável.

Master1305/Shutterstock.com

Nos casos em que o centro de gravidade se localiza fora da linha de gravidade, tem-se o desequilíbrio, o que pode provocar, por exemplo, a queda de uma pessoa.

UNIDADE

Movimento corporal de um dançarino.

Para um campo gravitacional constante, a posição do centro de gravidade – ponto de aplicação da força peso – coincide com o mesmo ponto no qual toda a massa de um corpo pode ser concentrada. Esse ponto é chamado de posição de centro de massa. Em corpos simétricos, cuja massa é uniformemente distribuída, seu centro de massa coincide com seu centro geométrico. Considerando objetos com massa uniformemente distribuída, para um retângulo, o centro de massa está localizado no ponto de interseção das suas diagonais; para um triângulo, o centro de massa corresponde ao ponto de interseção das medianas (mediana é o segmento de reta que parte de um vértice e vai até o ponto médio do lado oposto a esse vértice), o qual é conhecido como baricentro do triângulo; já para um cubo, o centro de massa está em seu ponto central (centro geométrico).

CM=CG CM=CG

FFp pt

CM=CG

Centro de massa de um retângulo.

Centro de massa de um triângulo.

Ilustrações: Natanaele Bilmaia/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Centro de massa de um cubo.

O corpo humano e suas inúmeras articulações atuam em conjunto para que possamos ficar de pé e caminhar. Como um professor de artes marciais bem sabe, o conhecimento sobre o centro de massa de um corpo é fundamental para que o equilíbrio aconteça, principalmente durante os treinos. O centro de massa do corpo humano está localizado nas proximidades do umbigo. O ato de dobrar os joelhos e distanciar os pés contribui para alcançar o equilíbrio ao confrontar o oponente, pois deixa os pontos de apoio mais afastados e o centro de massa mais próximo do solo. Compartilhe ideias

O centro de gravidade e o centro de massa desempenham um papel importante no cotidiano. A determinação de suas posições relativas pode indicar também o tipo de equilíbrio. Suas aplicações estão em várias situações do dia a dia, como na movimentação de cargas ou no desempenho do corpo humano. a ) Pesquise os benefícios que o conhecimento do ponto de centro de gravidade e do centro de massa possibilita às pessoas no desenvolvimento de práticas e atividades do cotidiano e converse com um colega sobre eles. a) Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem a prática de esportes como ginástica e skate, em que entender como distribuir o peso do corpo ajuda a manter o equilíbrio e realizar manobras. Nos transportes, como em carros e aviões, o posicionamento correto do centro de massa melhora a estabilidade e a segurança. Além disso, na construção civil, saber como distribuir o peso em estruturas garante que os edifícios sejam mais resistentes e seguros.

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PRÁTICA CIENTÍFICA Equilíbrio em movimento Por dentro do contexto O equilíbrio pode ser observado em diversas situações de nosso cotidiano, desde as mais simples, como caminhar ou correr, até as mais complexas, por exemplo, na construção de prédios e esculturas. sergey pozhoga/Shutterstock.com

Podemos percebê-lo, ainda, em muitos esportes e nas artes circenses, que já eram praticadas há milhares de anos pelas civilizações da Antiguidade. O circo surgiu como uma forma de espetáculo, reunindo diferentes tipos de atrações e de demonstração de habilidades, como as apresentações em corda bamba. Nelas, os equilibristas caminham sobre uma corda esticada na horizontal, a vários metros de distância do solo. Para auxiliar no equilíbrio, o artista abre os braços ou carrega consigo uma vara comprida, como na imagem a seguir. a ) Olhando ao seu redor, você seria capaz de identificar situações em que ocorre o equilíbrio de um corpo? Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que o equilíbrio pode ser observado em construções civis, pontes, edifícios; esportes (de maneira geral); andar de bicicleta; entre outros.

II Festival Internacional de Arte de Circo de Minsk, em Belarus, em 2019.

Materiais

• colchonete • fita adesiva

• cones ou objetos para criar obstáculos

• cronômetro • livro

Como proceder Fabio Eiji/Arquivo da editora

A. Reúnam-se em grupos e, com a fita adesiva e os cones, elaborem um trajeto composto de obstáculos. Esse trajeto deverá conter segmentos de corrida, de caminhada e saltos. Dica Faça a construção do circuito em um ambiente que tenha bastante espaço, de preferência em ambiente aberto.

B. Agora, um integrante do grupo deverá percorrer o circuito construído na etapa anterior. Para isso, um segundo integrante deverá cronometrar o tempo de execução. Conclua no menor intervalo de tempo que conseguir. Representação da etapa A.

Cuidado

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Respeite os limites de seu corpo. Não execute movimentos que possam causar qualquer tipo de lesão.

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06/11/2024 16:30:48

C. Em seu caderno, faça anotações do que foi mais fácil e do que foi mais difícil de ser realizado durante o percurso. Explique os motivos para as dificuldades encontradas.

D. Agora, o percurso deverá ser completado novamente equilibrando um livro sobre a cabeça. Novamente, um segundo integrante do grupo deverá cronometrar o tempo para concluir o circuito. Caso o livro caia, você deverá retornar ao início.

UNIDADE

1. Resposta pessoal. A resposta depende dos movimentos realizados pelos estudantes. O objetivo dessa questão é levá-los a uma experiência em que o corpo seja, ao mesmo tempo, objeto e instrumento de experimentação, buscando compreender, na prática, ao realizar alguns movimentos corporais, a construção inicial dos conceitos de centro de massa e centro de gravidade. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

2. Espera-se que os estudantes mencionem que, para manter o equilíbrio do corpo, foi necessário se concentrarem mais para a execução dos movimentos, em razão dos itens que causaram dificuldade. Portanto, o tempo foi maior quando utilizaram esses itens.

Representação da etapa D.

3. Resposta pessoal. A resposta depende dos movimentos realizados pelos estudantes. Eles podem responder que, na medida em que foi possível deslocar o centro de gravidade do corpo, a linha de ação da força peso passou pela área responsável por seu apoio, não permitindo a ocorrência de torque e mantendo seu equilíbrio.

E. Faça novamente as anotações das observações para a execução do percurso, explicando as dificuldades encontradas e os motivos para isso.

Ilustrações: Fabio Eiji/Arquivo da editora

F. Por fim, repita as etapas anteriores utilizando outros tipos de materiais que limitem o movimento, como carregar uma mochila com seu material escolar e realizar os movimentos sobre uma superfície instável (sobre colchonetes).

Representação da etapa F.

Análise e divulgação

Representação da etapa F.

5. Espera-se que os estudantes mencionem no vídeo que, quando o centro de massa está alinhado com nossos apoios, temos mais estabilidade e facilidade para nos mover. Porém, quando esse centro é alterado, seja por massa adicional, seja por mudanças de postura, a locomoção se torna mais difícil, exigindo mais esforço para manter o equilíbrio e aumentar a chance de perda de estabilidade.

1. Vocês tiveram dificuldades em manter o equilíbrio do corpo ao realizar algum dos movimentos propostos? 2. Qual foi a interferência dos itens (livro, mochila, entre outros) no tempo de execução do percurso? 3. Qual foi a maneira que vocês encontraram para realizar os movimentos e manter o equilíbrio? 4. Para que se consiga o equilíbrio estático corporal ao realizar movimentos com o corpo, basta apenas ter vigor muscular para promover a postura ou é necessário considerar os conceitos físicos estudados?

5. Com base em suas anotações, faça um vídeo contendo a descrição da prática desenvolvida e a relação entre movimento e centro de massa, expondo as dificuldades de locomoção quando o centro de massa é alterado.

4. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que, para um corpo se manter em equilíbrio estático corporal, as resultantes das forças e o torque que atuam sobre ele (no centro de gravidade do corpo) ao realizar determinado movimento devem ser nulos, independentemente de seu vigor muscular.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

1. Exercícios físicos para o fortalecimento dos bí-

1. a) Resposta: 3 N · m; anti-horário. Resoluções nas Orientações para o professor. 1. b) Resposta: 18 N · m; anti-horário. 1. e) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a refletir sobre os benefícios das atividades físicas para a saúde.

Fpo

Daniela Mota/Arquivo da editora

ceps são comuns nas academias. Considere que o conjunto de antebraço e mão tem 2,5 kg de massa, com a força peso agindo em um ponto a 12 cm do cotovelo. A figura mostra a realização de um exercício no qual uma pessoa está equilibrando o antebraço na horizontal, em repouso, e com a mão está sustentando um cabo que exerce sobre ela uma força de resistência com intensidade de 60 Npara baixo.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

3. As imagens a seguir mostram a vista superior de

uma porta em dois momentos distintos em que se aplicam forças para fechá-la. Determine a intensidade do momento provocado pelas forças _ nas duas situações. 3. Resposta: A. 22,5 N; B. 12 · √ 2 N · m.

Resolução nas Orientações para o professor.

60 cm

75 cm

458

F 5 30 N Representação de uma porta sendo fechada.

F 5 40 N

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

ATIVIDADES

Representação de uma porta sendo fechada.

4. O torquímetro é um aparelho que mede o tor-

que aplicado em parafusos ou porcas que exigem precisão em sua fixação, como mostrado na fotografia.

FP 4 cm 12 cm 30 cm

Representação da ação do músculo do bíceps durante a realização de um exercício físico.

Calcule o valor da força que deve ser aplicada nesse torquímetro para que uma porca receba um torque de 270 N · m.

4. Resposta: 500 N. Resolução nas Orientações para o professor. Corepics VOF/Shutterstock.com

Fres

Imagem elaborada com base em: UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO (USP). Cinesiologia: parte 2: força torque e alavancas. p. 74. Disponível em: https:// edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3959896/mod_resource/content/1/2_ cinesiologia_forca_torque_alavancas.pdf. Acesso em: 17 ago. 2024.

a ) Qual é a intensidade do torque gerado no antebraço pelas forças peso do antebraço e da mão? A tendência de giro ocorre no sentido horário ou anti-horário? Considere g = 10 m /s2.

c ) Qual é a intensidade da força realizada pelo bíceps para que o antebraço se mantenha em repouso? 1. c) Resposta: 525 N. d ) Cite outras partes do corpo humano em que há sistemas de alavanca. 1. d) Resposta: Pescoço, calcanhar, joelho, ombro etc.

e ) Você considera importante realizar atividades físicas? Por quê?

2. Em armários e guarda-roupas, geralmente os

puxadores das gavetas são fixados no centro da placa; já os puxadores de porta são colocados na extremidade oposta às dobradiças. Baseando-se nos conceitos estudados, explique por que há essa diferença na montagem da porta.

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Pessoa utilizando um torquímetro.

5. Considere que nove esferas têm mesmo tamanho

e mesma cor, e oito delas têm massas idênticas e uma tem massa maior. Explique como identificar a esfera que tem massa diferente utilizando uma balança por apenas duas vezes. 5. Resposta nas Orientações para o professor.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

b ) Qual é a intensidade do torque gerado no antebraço pela força de resistência? A tendência de giro ocorre no sentido horário ou anti-horário?

Representação de uma balança com dois pratos.

2. Resposta: Em relação às gavetas, os puxadores são fixados no centro das placas para garantir que a força aplicada seja distribuída uniformemente ao longo do encaixe. No caso das portas, que normalmente giram em torno de um eixo, quanto mais afastado das dobradiças estiver o puxador, maior será o torque causado pela força aplicada. Isso minimiza o esforço necessário para abrir e fechar portas.

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Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

→ guir. Uma delas (F 2), que é aplicada no ponto A, → não foi representada, e a outra (F 1) tem intensidade de 40 N. Qual deve ser a intensidade e o → sentido de F 2, se aplicada perpendicularmente à barra, para que não haja rotação da barra em torno do eixo indicado? Considere que o eixo de rotação está fixo.

eixo de rotação

a ) 10 Ne sentido horário.

Resposta: Alternativa a.

c ) 40 Ne sentido horário. d ) 40 Ne sentido anti-horário. e ) 30 Ne sentido anti-horário.

7. Uma criança que tem massa de 25 kgestá brin-

cando sobre uma barra de madeira com comprimento que mede 10 me com massa de 80 kg apoiada em dois pontos (A e B). Calcule a distância máxima que a criança pode se afastar do apoio B, indicado na figura, sem girar a barra.

Resposta: 3,2 m.

6m B

Representação de uma criança sobre uma barra de madeira.

8. Considere as seguintes afirmações sobre o con-

ceito de torque (momento de uma força). Julgue-as como verdadeiras ou falsas, justificando as incorretas. I ) O torque é uma grandeza vetorial que depende da força aplicada e da distância entre o ponto de aplicação da força e o eixo de rotação. II ) O torque é calculado pelo produto entre a distância do ponto de aplicação da força em relação ao eixo de rotação e a força, não importando o ângulo que eles fazem entre si. III ) Para que um objeto esteja em equilíbrio rotacional, a soma dos torques atuando sobre ele deve ser nula. IV ) Um objeto pode estar em equilíbrio rotacional, mas não em equilíbrio translacional. V ) A unidade de medida do torque no SI é o Newton por metro ( N / m).

2 kg

mbarra 5 4 kg

b ) 10 Ne sentido anti-horário.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

2 kg I 2 kg

Representação do esquema de forças na barra.

uma barra homogênea de 4 kg suspensa pelas cordas ideais I e II, como mostra a figura. Considere g = 10 m / s2.

4d A

9. Seis cubos idênticos de 2 kg cada estão sobre

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

6. Duas forças são aplicadas na barra ilustrada a se-

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

UNIDADE

Resoluções das questões 6, 7, 9, 10 e 11 nas Orientações para o professor.

Representação dos cubos sobre uma barra homogênea.

Sabendo que o sistema está em equilíbrio, determine as tensões nas cordas I e II. Resposta: 70 Ne 90 N, respectivamente.

10. Considere um retângulo no plano cartesiano com os vértices nas seguintes coordenadas: A(1, 3), B(5, 3), C(1, 1)e D(5, 1). Calcule as coordenadas do centro de massa desse retângulo. Resposta: ( 3, 2).

11. Jogadoras de vôlei cortando uma bola no ar, trei-

nos musculares em uma academia e crianças brincando em balanços no parque são exemplos de sistemas mecânicos que realizam movimentos de rotação. A palavra torque vem do latim “torquere”, que significa torcer. Esse termo refere-se a situações em que, quando aplicamos uma força em um objeto a determinada distância, ele tende a girar. A respeito do torque, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). Resposta: 04 + 08 + 16 = 28 01 ) Para fazermos um corpo girar dependemos apenas da componente tangencial da força, uma vez que a força se encontra perpendicular ao corpo causando um torque no sistema. 02 ) A unidade de medida do torque é N · m, e de acordo com a equação do trabalho definida por W = F · d · c os θ, o sistema de medida também apresenta unidade igual a N · m, portanto trabalho e torque representam a mesma grandeza física. 04 ) Para um corpo que está sujeito à ação de vários torques, o torque resultante atuando no corpo é a somatória dos torques. 08 ) Os motores de carros utilizam o torque para representar a força que faz o motor funcionar, uma vez que o torque causa um processo de subida e descida dos pistões que está relacionado com a ação de giro realizada pelo torque resultante, implicando na força que o motor pode gerar. 16 ) Para uma barra de comprimento L no eixo horizontal e o ângulo de rotação fixado em uma das extremidades, a força necessária para rotacionar a barra é menor se aplicada na outra extremidade.

8. Resposta: I) Verdadeira. II) Falsa. O ângulo entre o braço girante e a força influencia o torque. III) Verdadeira. IV) Verdadeira. V) Falsa. A unidade de medida no SI é o N · m.

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CAPÍTULO

Estudando os movimentos dos corpos

Prática de esportes

1. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes comentem o esporte que mais gostam de praticar ou acompanhar. Caso não tenham o hábito de se exercitar, podem comentar a modalidade que mais chama a atenção deles.

1. Você pratica ou acompanha alguma modalidade esportiva? Cite a sua preferida. 2. Cite benefícios que o esporte traz para a saúde de quem o pratica. Comente com os colegas. 2. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes mencionem benefícios como agilidade motora e mental e disposição para a realização das tarefas diárias.

A prática de esportes promove uma importante função para a manutenção da saúde do ser humano, contribuindo para o desenvolvimento de aptidões físicas, para a qualidade de vida e até mesmo para a integração social. O corpo humano é capaz de realizar diversos tipos de movimento – muitos são percebidos na prática de esportes. Por exemplo, em diversas modalidades esportivas, os atletas precisam correr, saltar, arremessar objetos, nadar, pedalar, erguer pesos etc. Em todas as atividades mencionadas, é possível analisar os movimentos do ponto de vista da Física.

Muitas modalidades esportivas necessitam da utilização de equipamentos de proteção, como capacetes, óculos, tênis apropriados, joelheiras etc. Esses equipamentos protegem a integridade física dos esportistas em casos de acidentes. Portanto, pratique esportes com a devida proteção.

sandsun/Shutterstock.com

Na natação, por exemplo, a velocidade e a aceleração são conceitos fundamentais que definem um atleta campeão. Nesse tipo de prova, os atletas nadam em raias que delimitam a trajetória do movimento, descrevendo um movimento retilíneo.

Atletas durante uma competição de natação. A.RICARDO/Shutterstock.com

Dica

No arremesso de martelo, o atleta faz uma esfera maciça de metal presa a um cabo de aço girar rapidamente em torno de seu corpo, adquirindo grande velocidade. A trajetória do movimento da esfera descreve um movimento circular. Na canoagem de velocidade, após a etapa de largada, os atletas mantêm um ritmo constante de remadas. Nesse momento, a canoa (embarcação a remo) descreve, aproximadamente, um movimento uniforme, isto é, um movimento cuja velocidade é constante.

Já no skate, a velocidade diminui ao realizar o movimento para subir a rampa e aumenta quando desce. Essas variações na velocidade são causadas pela aceleração gravitacional da Terra, que pode ser considerada constante para pontos próximos à superfície terrestre. Atleta praticando skate nas Olimpíadas de Tóquio, no Japão, Um movimento submetido a uma aceleração constante em 2021. é chamado de movimento uniformemente variado.

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UNIDADE

5 Leia o trecho de reportagem a seguir, sobre o recorde mundial oficial da maratona, atingido em 2023. 3. A velocidade da corrida

[...] Para quem gosta de corrida, assistir às maratonas ao longo do ano é sempre emocionante. Em outubro, o queniano Kelvin Kiptum quebrou o recorde mundial ao vencer Chicago em duas horas e 35 segundos. O debate sobre os limites do corpo humano e quando teremos um tempo oficial abaixo de duas horas continua [...]. IZIDRO, Marina. Como será o esporte em 2024. Folha de S.Paulo, 30 dez. 2023. p. B6.

A velocidade é uma grandeza que representa a rapidez orientada com a qual um móvel (objeto, pessoa, automóvel etc.) se desloca, portanto é uma grandeza vetorial, com módulo, direção e sentido. A velocidade po→ de ser obtida pela razão entre o deslocamento ( Δs ) e o intervalo de tempo ( Δt) para a realização do respectivo deslocamento, ou seja: → → Δs v = _ Δt

realizada pelo atleta queniano Kelvin Kiptum (1999-2024) durante toda a maratona foi a mesma?

Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que não, porém os atletas tentam manter sua rapidez média constante.

Dica No Sistema Internacional de Unidades (SI), a velocidade é medida em m/s. Para transformá-la em km/h, é necessário multiplicá-la pelo fator 3,6. Caso a transformação ocorra de km/hpara m/s, divide-se por 3,6.

Para movimentos retilíneos, isto é, movimentos unidimensionais e sem alteração de sentido, a direção do vetor velocidade coincide com a direção da trajetória e com a direção do vetor deslocamento. Assim, o módulo do deslocamento tem o mesmo valor da distância percorrida e podemos utilizar somente a variação do valor numérico da posição, da velocidade e da aceleração. Então, a rapidez do movimento equivale ao módulo da velocidade, que podemos escrever da seguinte maneira. Δs v = _ Δt

No feito alcançado por Kiptum, ele correu 1 km a cada 2 minutos e 51 segundos, isto é, uma rapidez média em torno de 5,8 m/s, que permaneceu aproximadamente constante por toda a prova. Fabrice Coffrni/AFP

Na modalidade dos 100 m rasos, o atleta inicia seu movimento a partir do repouso e aumenta sua velocidade com o tempo. O recorde mundial dessa prova pertence ao atleta jamaicano Usain Bolt (1986-), que completou a prova em 9 segundos e 58 centésimos, em 2009. Ele atingiu a velocidade de 12 m/sapós 3,78 s. Quando a velocidade de um corpo não é constante ao longo do tempo, significa que ele está sujeito a uma aceleração, que é uma grandeza vetorial, → definida pela razão da variação da velocidade ( Δv ) pelo intervalo de tempo ( Δt), ou seja: → → Δv a = _ Δt

Novamente, trabalhando apenas com o módulo da aceleração, podemos escrever a relação anterior como: Δv a = _ Δt

Usain Bolt durante prova dos 100 mrasos em que obteve o recorde mundial, na Alemanha, em 2009.

Dica A aceleração é medida, no SI, em metro por segundo ao quadrado ( m/s 2).

Professor, professora: Comente com os estudantes que, nessas condições, supondo que Bolt desempenhou uma aceleração constante até atingir a velocidade de 12 m/s, ele aumentou sua velocidade em 3,17 m/sa cada segundo, isto é, uma aceleração de aproximadamente 3,17 m/s 2.

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Movimento uniforme e movimento uniformemente variado Como vimos, na prática de esportes ou em algumas situações do cotidiano, podemos perceber a realização de movimentos que são classificados como uniforme, em que módulo, direção e sentido do vetor velocidade permanecem constantes em função do tempo; e uniformemente variado, em que ocorre a variação da velocidade em função do tempo. Dica As classificações do movimento em uniforme e uniformemente variado são idealizações que contribuem para a compreensão, a descrição e a previsão dos movimentos observados no cotidiano.

t0 = 0,0 h

t1 = 0,5 h

t2 = 1,0 h

t3 = 1,5 h

t4 = 2,0 h

10,5

31,5

10,5 km

Representação esquemática de um maratonista desenvolvendo movimento uniforme.

s (km)

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Na maratona corrida por Kelvin Kiptum, mencionada anteriormente, consideramos que sua rapidez foi constante, aproximadamente igual a 2 1 km/hdurante todo seu percurso, descrevendo, portanto, um movimento uniforme. Supondo que um cronômetro seja iniciado logo após a largada e que as parciais do atleta sejam anotadas a cada 30 minutos ( 0,5 h), podemos construir o esquema a seguir.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Como conhecemos o valor da velocidade do corredor e da sua posição inicial em relação à linha de largada, é possível fazer o estudo desse movimento com base nas suas posições ocupadas em cada instante de tempo.

A relação entre as posições ( s) e os instantes de tempo (t) pode ser expressa por meio da equação geral de uma reta, chamada de equação horária das posições do movimento uniforme. Para isso, consideramos a s0. Como o movimento é unifor t − t0 e a variação da posição como Δs = s − variação de tempo como Δt = me, a velocidade média representa a própria velocidade do movimento, já que ela é a mesma em qualquer instante de tempo, isto é, vm = v. Portanto, com base na definição de velocidade média, a expressão matemática que descreve o movimento uniforme é dada por: s0 Δs s − vm = v = _ = _ ⇒ s − s0 = v · ( t − t 0)∴    s = s0 + v · ( t − t0) t0 Δt t −

Para o caso em que o instante inicial é zero ( t0 = 0), temos: s = s0 + v · t Essa equação descreve matematicamente o movimento uniforme. Por meio dela, é possível realizar previsões das posições (s) de um móvel dotado de velocidade constante em qualquer instante de tempo (t). Para isso, basta conhecer as condições iniciais, que são a velocidade e a posição inicial. Sendo a velocidade do atleta v = 20 km/he sua posição inicial s0 = 0, sua posição s no instante de tempo t = 2 hserá: s = 0 + 20 · 2 = 4 0 ∴ s = 40 km

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t0 = 0,0 s

t1 = 1,0 s

t2 = 2,0 s

t3 = 3,0 s

t4 = 4,0 s

0,0

3,0

6,0

9,0

+3,0 m/s

Representação esquemática de um velocista durante prova de atletismo.

v (m/s)

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Na prova de atletismo, mencionada anteriormente, realizada por Usain Bolt, consideraremos que sua ace 0 m de prova, descrevendo, portanto, leração foi constante e aproximadamente 3 ,0 m/s 2 nos primeiros 3 um movimento uniformemente variado. Supondo que um cronômetro seja iniciado na largada e que as parciais do atleta sejam anotadas a cada segundo, podemos construir o esquema a seguir.

UNIDADE

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Como conhecemos o valor de sua aceleração e de sua velocidade inicial, em que começa seu movimento a partir do repouso, é possível fazer o estudo desse movimento com base nas suas velocidades em cada instante de tempo.

De modo similar ao do movimento uniforme, a relação entre as velocidades (v) e os instantes de tempo (t) pode ser expressa por meio da equação geral de uma reta, nesse caso, chamada de equação horária da velocidade do movimento uniformemente variado. Para isso, consideramos a variação da velocidade como t 0. Com base na definição de aceleração, a expressão Δv = v − v 0 e a variação de tempo como Δt = t − matemática que descreve o comportamento da velocidade de um movimento uniformemente variado é dada por: v − v0 Δv _ a = _ = ⇒ v − v0 = a · ( t − t0)∴    v = v0 + a · ( t − t0) Δt t − t0

Para o caso em que o tempo inicial é zero ( t0 = 0), temos: v = v0 + a · t

Professor, professora: Questione os estudantes sobre movimentos variados, comuns no cotidiano, em que se observa o conceito de aceleração, como na prática de esportes, e a função do acelerador dos veículos. Eles já devem ter percebido que, ao acionar o acelerador de um veículo engrenado, o motorista provoca uma variação na velocidade. Essa é uma situação em que se observa o conceito da aceleração.

Essa equação descreve matematicamente a variação da velocidade do movimento uniformemente variado. Por meio dela, é possível realizar previsões das velocidades ( v) de um móvel sujeito a uma aceleração constante em qualquer instante de tempo (t). Para isso, basta conhecer as condições iniciais, que são a velocidade inicial e a aceleração. e sua aceleração a = 3 m/s 2, sua velocidade vno instante de Sendo a velocidade inicial do atleta v0 = 0 tempo t = 4,0 sserá v = 0 + 3 · 4 = 12 ∴ v = 12 m/s O aumento da velocidade se deve ao fato de a aceleração ser positiva; nesse caso, o movimento é classificado como acelerado. No entanto, se a aceleração fosse negativa, a velocidade diminuiria e o movimento seria classificado como retardado.

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No movimento uniformemente variado também é possível obter uma equação que relaciona as posições ( s) do corpo em cada instante ( t), chamada de equação horária das posições no movimento uniformemente variado. Para isso, considere o diagrama das posições em função do tempo a seguir. O deslocamento realizado por um corpo no in 0 e t é dado pela área da região tervalo entre t0 = delimitada pelo gráfico de velocidade pelo tempo, que, nesse caso, corresponde à área de um trapézio:

Velocidade em função do tempo de um movimento uniformemente variado v (m/s)

(B + b)· h N área = Δs = s − s0 = _ 2 Portanto, com base na figura, temos:

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

t (s)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 29.

(v + v0)· t (v + v0)· t _ = _ s − s0 = 2 2 Para representar uma dependência apenas em relação ao tempo, a variável v pode ser substituída pela equação horária das velocidades do movimento uniformemente variável, definida anteriormente. Portanto, isso nos leva à seguinte expressão:

(v0 + a · t + v 0)· t (2 · v0 + a · t)· t a · t 2      = ______________      ∴    s = s 0 + v 0 · t + _ s − s 0 = _______________ 2 2 2

Por meio dessa equação, é possível realizar previsões das posições do móvel em determinados instantes de tempo. 0e v0 = 0e a = 3 m/s 2, a posição que ele ocupou Ainda em relação à prova do recorde de Bolt, sendo s0 = após 4 sde prova é dada por: 3 · 4 2 _ 48 = = 24 ∴ s = 24 m s = 0 + 0 · 4 + _ 2 2 É possível definir uma terceira equação que não apresenta dependência temporal. Para isso, pode-se usar a equação horária das velocidades resolvida para o tempo: (v − v0) v = v0 + a · t ⇒ t = _ a Substituindo a relação anterior na equação horária das posições para o movimento uniformemente 2 variado, tem-se: (v − v0) _ (v − v0) a · [ a ] a · t 2 _ _ ____________ = s0 + v0 · [ +       s = s0 + v0 · t + a ] 2 2 Fazendo os devidos arranjos dos termos, obtemos a relação conhecida como equação de Torricelli, que mostra a dependência entre posição e velocidade, com dependência indireta com o tempo: a) Resposta: Espera-se que os estudantes citem o emprego das equações de movimento por profissionais ligados ao automobilismo, por peritos criminais, controladores de voo etc. Por meio das análises de movimento utilizando suas equações matemáticas, tais profissionais são capazes de fazer previsões. Isso também possibilita descrever o que ocorreu em uma cena de crime ou acidente automobilístico, por exemplo.

v 2= v0    + 2 · a · ( s − s0) 2

Compartilhe ideias

O estudo e a análise do movimento uniforme e uniformemente variado têm grande aplicação por profissionais no cotidiano. a ) Junte-se a um colega e pesquisem quais profissionais usam as equações de movimento na sua prática de trabalho. Quais são os objetivos desses profissionais em fazer uso dessas equações? Em seguida, escolham uma das profissões pesquisadas e preparem uma apresentação para o restante da turma, a fim de mostrar a importância do estudo do movimento e sua aplicação.

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Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Um movimento é chamado de circular quando o corpo em estudo descreve uma trajetória curva (ou arco de circunferência). Há vários movimentos que podem ser caracterizados como movimento circular, como na modalidade de lançamento de martelo, descrita no início deste capítulo.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

4. Em quais outros esportes, além do lançamento de martelo, temos exemplos de movimento circular?

O movimento circular é estudado utilizando-se as grandezas já apresentadas, como a posição, a velocidade e a aceleração. Entretanto, essas grandezas são analisadas por meio de suas características angulares, baseadas em elementos da circunferência, tal como o raio e o ângulo. → Por exemplo, a aceleração ( a ) no movimento circular → apresenta duas componentes: a aceleração tangencial (a t) e → a aceleração centrípeta ( a c) , como mostra a imagem.

A componente tangencial da aceleração está relacionada à variação da intensidade do vetor velocidade do martelo. Ela tem direção tangente à trajetória e seu módulo é dado por: Δv at = _ Δt

Representação esquemática da velocidade e aceleração.

at a ac

Já a componente centrípeta está relacionada com a variação da orientação (direção e sentido) do vetor velocidade do martelo. Ela tem direção radial, com sentido para o centro da trajetória. Seu módulo é calculado por: v 2 ac = _ R

por a = √

Portanto, o módulo da aceleração do martelo é dado _______

2 2 at    + ac  .

Rafael Luís Gaion/Arquivo da editora

Movimento circular

UNIDADE

Representação esquemática da aceleração e suas componentes tangencial e centrípeta. Imagens elaboradas com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 78.

Supondo que o atleta faça o martelo girar com velocidade cujo módulo seja constante, isto é, com aceleração tangencial nula, o período de rotação do martelo é o mesmo que o período de rotação dos braços do atleta. Entretanto, os comprimentos das trajetórias são diferentes. Esse tipo de movimento descrito é chamado de movimento circular uniforme. O estudo do movimento circular pode ser realizado com a definição de um referencial bidimensional com a origem sobre o eixo de rotação ( O). Considere que determinado corpo executa um movimento circular entre a posição inicial (i) e a posição final (f), descrevendo um arco de circunferência, como mostra a imagem do início da próxima página. Dica Período de rotação ( T) é o intervalo de tempo para cada ciclo, isto é, intervalos regulares de tempo em que o móvel retorna à sua posição inicial. Sua relação é inversamente proporcional à frequência ( f), que é definida como o número de ciclos por unidade de tempo, medida, no SI, em s -1, denominado hertz ( Hz) . 1 1 A relação entre período e frequência é inversamente proporcional, de modo que f = _ ou T = _ . T f

4. Os estudantes podem citar as provas do atletismo, em que os atletas dão voltas na pista. Também podem citar o ciclismo de pista, manobras de giro na patinação ou no skate, lançamento de disco, entre outros esportes.

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07/11/2024 14:06:56

Δθ = θ − θ 0

f R

θ O

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Dθ

θ0

Sergio Lima/Arquivo da editora

As posições ie fdo corpo são determinadas, respectivamente, _ _ , em relação ao ângulo que elas fapelos segmentos de reta Oi e Of zem a partir do eixo x. Nesse caso, denomina-se a posição angular inicial como θ 0 e a posição angular final como θ. Portanto, o deslocamento angular, que é definido como a diferença entre a posição angular final e inicial, é dado por:

R x

Dica A posição angular e o deslocamento angular são expressos em radiano ( rad) , unidade de medida no SI.

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 260. kovop/Shutterstock.com

Conforme o corpo realiza um deslocamento angular Δθ, ele também realiza um deslocamento linear Δs, que corresponde ao arco de circunferência. A relação entre os deslocamentos angular e linear é dada por:

Representação esquemática da trajetória circular e os comprimentos dos ângulos.

Δs Δθ = _ ou Δs = Δ θ · R R

Com base na relação anterior, observa-se que a relação entre o deslocamento linear e o raio da circunferência é inversamente proporcional. Por isso, nas provas de atletismo de maiores distâncias, o atleta que ocupa as raias mais externas larga mais à frente dos outros, a fim de compensar o maior comprimento de semicírculo que percorrerá, em razão do maior raio.

Largada em prova de atletismo de 200 mrasos em Banská Bystrica, na Eslováquia, em 2023.

A rapidez em que ocorre a mudança na posição angular do móvel define-se como velocidade angular ou frequência angular. A média das diferentes velocidades angulares é chamada de velocidade angular média, que é definida pela razão entre o deslocamento angular ( Δθ) e o intervalo de tempo ( Δt) para a realização do respectivo deslocamento, ou seja: Δθ ω m = _ Δt

Dica A velocidade angular é medida, no SI, em radiano por segundo ( rad / s) .

Caso seja um movimento circular uniforme, isto é, movimento cuja velocidade angular seja constante, a velocidade angular média corresponde à velocidade angular do corpo em qualquer ponto da trajetória. Portanto, podemos considerar ω m = ω, ou seja, a velocidade angular média é a própria velocidade angular do movimento. Assim, de forma semelhante ao movimento retilíneo uniforme, podemos escrever a equação horária para a posição angular: Δθ θ − θ 0 ω = _ = _ ⇒ θ − θ 0 = ω · t ∴   θ = θ 0 + ω · t Δt t − t0

Com base na relação anterior, é possível descrever e prever as posições angulares do corpo que descreve um movimento circular.

Podemos obter uma relação entre a velocidade ( v) e a velocidade angular ( ω). Para isso, divide-se a relação entre o deslocamento linear e o deslocamento angular pela variação de tempo, isto é: Δs _ Δθ Δs = Δ θ · R ⇒ _ = · R ∴    v = ω · R Δt Δt

350

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ATIVIDADES

de 50 mde comprimento em 6 2,5 s. Na primeira metade da piscina, ele desenvolve uma velocidade média de módulo 0,5 m/s. Qual deve ser sua velocidade média na segunda metade da piscina para seu objetivo ser alcançado? Resposta: v = 2 m/s

2. Um atleta de salto ornamental abandona a pla-

Resposta: Δt ≃ 1 ,41 se v = 14,1 m/s.

6. Analise os gráficos a seguir. 1.

3. Em uma empresa de automóveis, um modelo pas-

Gráfico da posição × tempopara um móvel s (m)

sa por um teste no qual ele é acelerado em uma pista retilínea, a partir do repouso, até 216 km/h em 24 segundos, para então ser freado até parar com uma aceleração média de módulo 10 m/ s2.

120

a ) Qual é o módulo da aceleração média do automóvel nos primeiros 24 segundos de teste?

Resposta: a = 2 ,5 m / s 2

b ) Quanto tempo dura a frenagem do automóvel no segundo teste? Resposta: t = 6 s

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

a ) A velocidade no trecho AB é constante. b ) A velocidade durante todo o trecho AD é constante. c ) O movimento no trecho AD não teve aceleração. d ) No trecho BC, existe uma aceleração que altera a orientação da velocidade. e ) No trecho CD, o automóvel manteve a aceleração do trecho BC.

1. Um nadador pretende atravessar uma piscina

taforma de salto de 1 0 mem queda livre. Estime o tempo que o atleta tem para realizar suas acrobacias e sua velocidade ao entrar na água.

5 UNIDADE

5. Resposta: a) Verdadeira; b) Falsa. A velocidade é constante nos trechos AB e CD; c) Falsa. O movimento teve aceleração no trecho BC; d) Verdadeira; e) Falsa. No trecho CD, o automóvel não teve aceleração. Resolução das questões 1, 2, 3 e 4 nas Orientações para o professor.

t (s)

Gráfico da velocidade × tempopara um móvel

4. Um ciclista parte do repouso e acelera a uma taxa

v (m/s)

pista reta. O ciclista continua acelerando por 1 2 s antes de alcançar uma velocidade constante.

constante de 0,5 m/ s2enquanto pedala em uma

b ) Qual é a distância total percorrida pelo ci 36 m clista durante esse tempo? Resposta: s =

5. Considere a situação representada na imagem a se-

Sergio Lima/Arquivo da editora

guir. Um automóvel percorre o trecho de rodovia representado na imagem com velocidade de módulo constante. C

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação do trecho de rodovia percorrido por um automóvel, passando pelos pontos A, B, Ce D.

As sentenças a seguir estão relacionadas a essa situação. Avalie as afirmativas como verdadeiras ou falsas, corrigindo as falsas.

t (s)

Gráfico velocidade × tempopara um móvel

Ilustrações: Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

a ) Qual é a velocidade final do ciclista ao final dos 12 s? Resposta: v = 6 m/s

v (m/s)

t (s)

Fonte de pesquisa: TIPLER, Paul Allen; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica. Tradução: Paulo Machado Mors. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1. p. 33-38.

Verifique se as afirmações a seguir são verdadeiras ou falsas, corrigindo as falsas. a ) O gráfico 1 é de um movimento uniforme. b ) Os gráficos 2 e 3 representam um movimento uniforme. c ) O gráfico 3 representa um corpo em repouso. d ) Os gráficos 1 e 3 podem representar o mesmo movimento. e ) Os gráficos 1 e 2 representam movimentos uniformes diferentes.

6. Resposta: a) Verdadeira; b) Falsa. O gráfico 2 representa um movimento uniforme e o gráfico 3, um corpo em repouso; c) Verdadeira; d) Falsa. O gráfico 1 representa um movimento uniforme e o gráfico 3, um corpo em repouso; e) Verdadeira.

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Resolução das questões 7 a 14 nas Orientações para o professor.

7. Um ciclista se movendo por uma ciclovia retilí-

nea com velocidade de 36 km/havista um galho caído no meio da pista a 1 0 mdo local onde ele aciona subitamente os freios. Qual é a aceleração mínima, supostamente constante, que ele deve submeter para não bater no galho caído? Escreva a alternativa correta. Resposta: Alternativa b. 2

a ) 5 m/s

d) 3 m/s

e) − 3 m/s2

b ) − 5 m/s c ) 10 m/s2

8. Em 5 de agosto de 2012, o robô Curiosity, da

as posições ocupadas por um veículo em movimento são dadas pela função s = 24t − 0 ,6 t2.

a ) Em qual instante ocorre a inversão de sentido? Resposta: t = 20 s

b ) Qual é o deslocamento executado pelo veículo de t0= 0até a inversão do movimento? Resposta: Δs = 2 40 m

c ) Esboce o gráfico da velocidade em função do tempo, no intervalo de tempo entre t0= 0e o instante da inversão de sentido. De que forma a resposta da questão b pode ser verificada nesse gráfico?

11. Na aviação, uma curva padrão para um voo de

Gráfico de v × t do movimento do robô Curiosity

12. Uma partícula que realiza um movimento circu-

a ) o raio de sua curva. Resposta: R = 2 700 m

b ) a aceleração centrípeta do avião. 12 m/ s 2 Resposta: ac =

lar uniforme de raio 1,5 mtem função horária anπ _ π · t(SI). Determine: gular θ = _ + 4 8 a ) a aceleração centrípeta sobre a partícula. b ) a posição angular no instante t = 16 s. 9 · π rad Resposta: θ = _ 4

13. Na modalidade esportiva de lançamento de mar-

100

um avião do tipo hélice é aquela em que o avião faz uma curva circular completa em 1,5 minuto. Se a velocidade do avião for 1 80 m/s, considerando π = 3, determine:

Resposta: ac ≃ 0 ,23 m/s 2

150

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

10. A partir de um instante definido como t0= 0,

Nasa, chegou a Marte com o objetivo de investigar se o planeta já teve características favoráveis à existência de vida. O Curiosity é capaz de atingir a velocidade máxima de 150 cm/min. Durante sua primeira movimentação em linha reta, as velocidades desenvolvidas foram registradas no gráfico que segue.

v (cm/min)

t (min)

telo, antes do arremesso, o atleta realiza movimento de rotação fazendo o objeto girar em torno de seu corpo e com o cabo de aço de 1 ,2 m de comprimento esticado. Suponha que o atleta demore 0,5 spara completar uma volta. Considerando que esse movimento seja circular uniforme, responda: a ) Qual é a frequência de seu movimento?

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 37.

b ) Qual é a velocidade angular desse movimento?

a ) Qual é o deslocamento do Curiosity no intervalo de tempo de 10 a 2 5 min? E entre 35 e De 10 a 25 minutos, Δs = 22,5 me 45 min? Resposta: de 35 a 45 minutos, Δs = 10 m.

c ) Antes de iniciar o giro, o atleta posicionou o corpo formando um ângulo π na posição angular inicial. Escreva a equação para a posição angular horária do giro do atleta.

9. Em uma rodovia, um automóvel se desloca com

d ) Qual é a velocidade do martelo na extremidade do cabo se o braço do atleta tiver 75 cmde comprimento? Resposta: v = 7,8 · π m/s

b ) Em quais intervalos de tempo o movimento executado pelo robô foi uniforme? Justifique.

velocidade de valor constante e igual a 20 m/s, quando um animal invade subitamente a pista. O motorista que dirigia com atenção aciona imediatamente os freios na posição definida como s0= 0e inicia um movimento uniformemente retardado, parando o veículo em 6 s. Determine o valor da aceleração desenvolvida pelo veículo e o deslocamento realizado até o repouso, em unidades do SI. Resposta: a ≃ −3,3 m / s 2

352

14 me Δt ≃ 104,7 s. 1 ,5 m/s; Δ sA = 157 m; Δ sB = 3 14. Resposta: vA =

Resposta: f = 2 Hz

Resposta: ω = 4 · π rad/s

Resposta: θ = π + 4 · π · t

14. Duas pessoas correm, com velocidades constantes,

em uma pista com formato de circunferência. A raia da pessoa A tem um raio de curvatura de 2 5 m, e a raia da pessoa B tem um raio de curvatura de 50 m. Sabe-se que a pessoa B corre a uma velocidade de 3 m/s, ambas partem do mesmo ponto e completam uma volta juntas. Determine a velocidade de A, a distância percorrida e o tempo para completar uma volta, para ambas. (Utilize π = 3,14)

8. b) Resposta: Entre 10 e 25 minutos e entre 35 e 45 minutos. Nesses intervalos de tempo, as velocidades desenvolvidas pelo robô foram constantes. Para os outros intervalos de tempo, as velocidades sofreram variações em seus módulos.

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CAPÍTULO

Energia e impulso

Julian Finney/Getty Images/AFP

Trabalho

Equipe brasileira de bobsled nas Olimpíadas de Inverno de Pequim, na China, em 2022.

Você conhece o bobsled? Trata-se de um esporte coletivo de inverno. Os praticantes dessa modalidade utilizam um trenó para percorrer uma pista de gelo no menor tempo possível. As provas são divididas em categorias com equipes formadas por dois ou quatro atletas. Antes de começar a descida, os atletas devem empurrar o trenó por cerca de 50 m, para adquirir certa velocidade, e entrar nele na sequência. Em razão do impulso inicial e da inclinação da pista, o conjunto trenó e atletas pode atingir uma velocidade máxima de aproximadamente 150 km/h.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

Para analisar o que acontece enquanto os atletas empurram o trenó, podemos utilizar um diagrama de corpo livre, ou seja, uma representação esquemática em que identificamos todas as forças que atuam em determinado corpo. Durante a fase de empurrar, os atletas transferem energia para o trenó, deslocando-o por meio da força aplicada. A grandeza física relacionada à transferência de energia de um sistema ou de um corpo para outro, com base na relação entre força e deslocamento, é denominada trabalho, representado pela letra grega tau (τ).

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Na situação descrita, a força resultante (soma de todas as forças que atuam sobre o corpo) é a responsável por causar o deslocamento. O valor do trabalho realizado por uma força que tem a mesma direção e o mesmo sentido do deslocamento é dado pelo produto entre a intensidade da força e do deslocamento:

Representação de um trenó de bobsled sendo empurrado por quatro atletas.

τ = F · Δ s

em que: • τ é o trabalho realizado pela força em newton-metro ( N · m), unidade denominada joule ( J)  em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule (1818-1889), que verificou a transformação de energia mecânica em térmica; • F é a intensidade da força que atua sobre o corpo em newton ( N) ; • Δsé o deslocamento causado pela força em metro ( m) . Quando a força aplicada e o deslocamento têm orientações diferentes, somente a componente que está na mesma direção do deslocamento realiza trabalho, de modo que a equação pode ser reescrita como: τ = F · Δ s · cos θ O ângulo θ é medido entre as direções da força e do deslocamento.

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Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Se a força ou uma de suas componentes tem o mesmo sentido do deslocamento ( 0° ≤ θ < 90°) , o trabalho realizado fornece energia ao corpo ou ao sistema e tem sinal positivo. Se a força ou uma de suas componentes tem sentido oposto ao do deslocamento (90° < θ ≤ 180°) , o trabalho realizado retira energia do corpo ou do sistema e tem sinal negativo. Se a força for perpendicular ao deslocamento, temos cos 90° = 0; isso significa que a força não realiza trabalho sobre o corpo.

F θ ∆s

Temos ainda que o trabalho é máximo quando a força aplicada ocorre paralelamente ao deslocamento, pois cos 0° = 1.

Representação de força sendo aplicada em um corpo com determinado ângulo em relação ao sentido do movimento.

Quando mais de uma força estiver agindo sobre o corpo, devemos calcular o → trabalho realizado pela força resultante ( F R). O ângulo será medido entre a força resultante e o deslocamento. Outro esporte que podemos analisar é o levantamento de peso, no qual os atletas elevam e descem halteres. B.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

Ds F ∆s

FP Representação das forças que atuam sobre um haltere movimentado por um atleta.

Representação do sentido das forças e do deslocamento no movimento de subida do haltere (A).

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Representação do sentido das forças e do deslocamento no movimento de descida do haltere (B).

Supondo que um atleta eleve o haltere até certa altura, descendo-o até a posição inicial com velocidade constante, e desprezando pequenas acelerações no início de cada movimento, a força aplicada por ele tem · g), e o deslocamento vertical corresponde à a mesma intensidade que a força peso do haltere ( F = FP = m ). altura atingida pelo haltere ( Δs = h O trabalho realizado por meio da força aplicada pelo atleta na subida é dado por: τ = m · g · h τ = F · Δs · c os 0° ⇒ τ = FP · h · 1 ⇒ Durante a subida, a força peso tem sentido oposto ao deslocamento, de modo que o trabalho realizado pela força peso na subida é dado por: τ FP = F · Δs · cos 180° ⇒ ⇒ τ FP = F P · h · ( − 1)⇒ ⇒ τ FP = − m · g · h Ao descer o haltere com velocidade constante, a força peso atua na mesma direção do deslocamento; o ângulo entre a força peso e o deslocamento é 0°e o trabalho realizado por ela durante a descida é dado por: τ FP = F · Δs · c os 0° ⇒ τ FP = FP · h · 1 ⇒ τ FP = m · g · h Vemos, então, que o trabalho da força peso depende apenas da distância vertical entre os pontos inicial e final, sendo independente da trajetória executada. Essa é uma propriedade das forças conservativas. Retornando ao caso do bobsled, é fato que o trenó acelera ao longo da descida. Isso é possível por conta do trabalho realizado sobre o trenó pela força peso.

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Fabio Eiji/Arquivo da editora

Como o movimento ocorre em uma pista inclinada, a componente da força peso que está na mesma direção da rampa ( FPx) realiza trabalho sobre o trenó durante todo o trajeto da pista.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

θ x

UNIDADE

Entretanto, o valor do trabalho da força peso é independente do trajeto percorrido e pode ser obtido apenas considerando o deslocamento vertical entre o ponto mais alto e o mais baixo da pista. Componentes da força peso sobre o trenó de bobsled em um plano inclinado.

Energias No tópico anterior, vimos que a realização de trabalho pode adicionar ou retirar energia de um corpo ou sistema. 1. Resposta pessoal. Os estudantes podem citar energia elétrica para acender uma lâmpada, energia térmica para aquecer alimentos, energia química nos combustíveis e alimentos, energia luminosa para iluminar os ambientes, entre outros tipos.

1. Você já pensou em todos os tipos de energia que utilizamos no cotidiano? Cite pelo menos três tipos de energia, relacionando-os a uma atividade cotidiana.

O conceito de energia não é facilmente definido, no entanto está relacionado a processos de mudanças e transformações em corpos ou sistemas. Em virtude disso, costuma-se estudar as transformações de energia. Nas práticas esportivas, geralmente há diversas transformações de energia. Vamos analisar o que acontece no salto com vara. Nesse esporte, o atleta usa uma vara flexível para saltar por cima de um obstáculo, chamado sarrafo, que pode estar a mais de 6 mde altura. A imagem a seguir mostra diferentes momentos do salto com vara.

inspiring.team/Shutterstock.com

Representação da sequência de movimentos realizados por um atleta durante o salto com vara.

3. 1.

1. No início da prova, o esportista deve correr. Nesse

momento, ele utiliza a energia química armazenada em seu corpo (especialmente em seus músculos) graças à alimentação. A energia química é transformada em energia cinética, relacionada à velocidade, e o atleta adiciona um componente vertical à sua velocidade.

2. Na sequência, ele apoia a vara flexível em uma caixa na

área de impulsão. O movimento dele faz a vara se curvar, acumulando energia potencial elástica (a mesma energia acumulada nos elásticos e nas molas). É uma energia potencial, pois está armazenada na deformação da vara, que tende a voltar ao seu formato original. A maneira como o atleta executa o salto faz a energia acumulada arremessá-lo para cima.

3. A velocidade horizontal do atleta diminui, mas ele desenvolve velocidade na vertical, para cima. Isso ocorre em razão de uma nova transformação da energia: a cinética e a potencial elástica transformam-se em energia potencial gravitacional, fazendo-o ganhar altura em relação ao solo.

4. Na altura máxima, ele gira seu corpo para superar o sarrafo, sem derrubá-lo. 5. Enquanto cai, em consequência da ação da força gravitacional, retornando ao solo, a energia potencial gravitacional acumulada é transformada em energia cinética. Para protegê-lo, há um colchão de aterrissagem, que absorve o impacto da queda e dissipa a energia cinética em vibração, calor e som, impedindo que ele se machuque.

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Nas provas de salto com vara, vence o atleta que superar a maior altura. Ao final dos saltos, todos descansam e se alimentam, repondo a energia consumida. Vamos descrever agora os diferentes tipos de energia envolvidos no salto com vara e em diversas situações do cotidiano. Como citado anteriormente, a energia cinética (Ec) é relacionada ao movimento. Trata-se de uma grandeza escalar e depende da massa (m) em quilograma ( kg)  e do módulo da velocidade (v) em metro por segundo ( m / s)  do corpo em movimento, sendo calculada pela relação a seguir. m · v 2 Ec = _ 2

Professor, professora: Diga aos estudantes que essas unidades de medida são do Sistema Internacional de Unidades (SI).

Como todos os tipos de energia, a cinética também é dada, no SI, em joule ( J) . Note que a energia cinética é diretamente proporcional à massa e ao quadrado da velocidade. Isso significa que, ao dobrar a massa do objeto, dobramos a energia cinética; mas ao dobrar a velocidade, a energia cinética aumenta em quatro vezes. Por exemplo, um caminhão, mesmo em baixa velocidade, pode ter grande energia cinética em razão de sua massa. Já um projétil de rifle pode ter grande energia cinética em consequência da alta velocidade, mesmo a) Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que, se a velocidade de um carro dobra, a energia tendo massa pequena. Compartilhe ideias

cinética quadruplica. Isso significa que, quanto mais rápido um veículo estiver, maior será o impacto e os danos durante uma colisão, pois mais energia precisará ser dissipada no momento do acidente. Por isso, dirigir em alta velocidade aumenta muito o risco de acidentes graves. Para a composição do infográfico, espera-se que eles ilustrem a relação do rápido aumento da energia cinética à medida que a velocidade aumenta.

Mesmo dentro do limite de velocidade de uma rodovia, a energia cinética de um carro é muito grande. a ) Converse com seus colegas sobre como a velocidade dos veículos pode influenciar os danos ocasionados em colisões automotivas, de acordo com a energia cinética. Em seguida, faça um infográfico mostrando como a energia cinética se comporta quando a velocidade aumenta.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A energia potencial elástica ( Epe) é a energia armazenada em corpos, como molas e elásticos, quando eles são deformados. Esses corpos ou materiais tendem a retornar ao seu estado de equilíbrio após uma deformação, isto é, após sofrer uma expansão ou uma compressão. A energia potencial elástica armazenada depende do valor da deformação causada, representada por xe medida em metro (m) . Ela também depende da constante elástica kdo material. A energia potencial elástica também é medida em joule ( J) , no SI, e calculada pela relação a seguir.

k · x 2 Epe = _ 2 Representação de um bloco preso a uma mola causando uma deformação xem relação ao comprimento inicial da mola. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

A constante elástica (k) é uma propriedade do corpo elástico que relaciona a intensidade da força aplicada ao corpo com o comprimento da deformação causada. No SI, k é medida em newton por metro ( N / m) . Geralmente, trabalhamos a energia potencial elástica em molas ideais, capazes de armazenar energia e devolvê-la sem perdas.

Já a energia potencial gravitacional (Epg) é acumulada em qualquer objeto que se encontra a certa altura do solo ou em outro nível de referência em relação à Terra, em razão do campo gravitacional terrestre.

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m g

solo Representação da energia potencial gravitacional e a distância ao referencial relevante (no caso, o solo).

Para elevar um corpo até certa altura, é necessária uma força que realize trabalho sobre o corpo, atuando no sentido contrário à força peso. Desse modo, o corpo armazena energia potencial gravitacional e, caso seja deixado livre, a força peso atua, realizando trabalho sobre o corpo e transformando a energia potencial gravitacional em cinética.

A energia potencial gravitacional depende da massa do corpo ( m) em quilograma (kg), da altura (h) em relação ao nível de referência em metro (m) e da aceleração da gravidade local (g), dada pela relação a seguir. E pg = m · g · h A energia potencial gravitacional também é medida em joule ( J).

É importante notar que a energia armazenada, seja ao elevar um corpo no espaço, seja ao comprimir uma mola, será transformada em outros tipos de energia, de modo que a quantidade de energia total do sistema se mantém constante. Ou seja, a energia não é criada nem destruída, apenas se transforma. Esse é o princípio da conservação da energia. Quando um sistema tem somente as energias cinética, potencial elástica e potencial gravitacional, dizemos que tem uma quantidade de energia mecânica (Em). O sistema pode ter apenas energia cinética, apenas potencial ou ambas somadas, de modo que podemos expressar a energia mecânica como: Em = E c + E pe + Epg Em um sistema conservativo, a energia mecânica mantém-se constante. Isso quer dizer que o valor da energia mecânica final ( Em) é igual ao valor da energia mecânica inicial ( Em0), ou seja:

Professor, professora: Comente com os estudantes que em situações reais não há sistemas conservativos, pois sempre ocorre dissipação de energia. No caso do skatista, a principal forma de dissipar energia é pelo atrito com a pista ou entre os componentes do skate.

Em = Em0 C.

Podemos verificar essa transformação ao analisar um skatista que realiza um salto em uma rampa.

Na base da rampa ( A), ele tem somente energia cinética em razão da velocidade necessária para subir a rampa.

À medida que ele sobe a rampa ( B), sua altura em relação ao solo aumenta e a velocidade diminui, associando energia cinética e energia potencial gravitacional.

B. Fabio Eiji/Arquivo da editora

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

UNIDADE

Ao atingir a altura máxima (C), o skatista para e, nesse instante, toda a energia cinética inicial é transformada em energia potencial gravitacional.

Em seguida, ele desce a rampa, transformando novamente a energia potencial gravitacional em cinética (ao voltar ao ponto A), o que Representação de skatista realizando manobra em uma pista denominada half pipe. conservaria a energia mecânica do sistema em um caso ideal. Devemos observar que as transformações de energia em um sistema conservativo ocorrem por conta das forças elástica e gravitacional (peso), de modo que o trabalho realizado por essas forças pode ser determinado pela variação da energia cinética do corpo, ou seja: m · v0 2 m · v 2 _ τ = Δ Ec ⇒ τ = E c − E c0 ⇒ τ = _ − 2 2

na qual Ec é a energia cinética final do corpo e Ec0 é a energia cinética inicial do corpo.

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Dica Acesse o simulador “Energia na pista de skate”, desenvolvido pela Universidade de Colorado Boulder, para verificar as transformações de energia no movimento de um skate em uma rampa. Disponível em: https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate -park-basics_pt_BR.html. Acesso em: 12 set. 2024.

É importante ressaltar que a energia se conserva, mas nem sempre se transforma de maneira que possa ser reaproveitada. No caso do skate, em situações não ideais, parte da energia mecânica é transformada em calor (energia térmica) e som (energia sonora) em razão do atrito. Dizemos, então, que a força de atrito é dissipativa, pois ela diminui a energia mecânica do sistema. Portanto, o trabalho das forças dissipativas pode ser calculado pela seguinte relação: τ Fd = Δ Em

Potência e rendimento

2. Resposta: Eles podem relacionar a subida com o trabalho realizado. Para subir rapidamente, é realizado o mesmo trabalho em um intervalo de tempo menor, ou seja, com maior potência. Em complemento, uma rápida subida exige que a energia química da pessoa seja transformada em energia potencial gravitacional em um curto intervalo de tempo, causando mais cansaço físico.

Já estudamos diferentes tipos de energia e suas transformações. A partir de agora, estudaremos a relação do conceito de energia com o tempo. 2. Por que subir rapidamente uma escada causa mais cansaço físico do que subi-la lentamente? Christian Petersen/Getty Images/AFP

Imagine que você vai percorrer uma distância de 100 m. Se você caminhar tranquilamente, isso levaria cerca de 80 se não seria cansativo. Agora, pense na corrida dos 100 metros rasos, modalidade esportiva na qual os atletas podem completar a distância 0 s. Apesar de a distância ser a mesma, em cerca de 1 o esportista se cansará muito mais após percorrer os 100 mdo que você em sua caminhada. Atletas realizando a prova de 100 metros rasos durante os Jogos Olímpicos de Paris, na França, em 2024.

O que diferencia essas duas situações é a taxa com a qual o trabalho foi realizado. A grandeza que relaciona o trabalho realizado e o intervalo de tempo para realizá-lo é a potência ( P).

A potência média ( Pm) expressa a taxa média com a qual o trabalho foi realizado por unidade de tempo. Ela é calculada pela razão entre o trabalho realizado (τ) e o intervalo de tempo ( Δt), como mostrado a seguir. τ Pm = _ Δt Dica Caso o intervalo de tempo seja muito pequeno ( Δt → 0), isto é, tendendo a zero, a velocidade será a instantânea (v) e a potência (P), no instante de tempo (t), será a potência instantânea: P = F · v.

Como no SI, o trabalho é dado em joule (J) e o intervalo de tempo em segundo (s), a potência é dada em joule por segundo ( J/s), unidade que foi renomeada para watt ( W) em homenagem ao engenheiro escocês James Watt (1736-1819). Caso uma força constante atue sobre um corpo, realizando trabalho em certo intervalo de tempo, a potência média poderá ser escrita como: τ F · Δ s Δs P m = _ = _= F · _ ⇒ Pm = F · vm Δt Δt Δt

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UNIDADE

5 O conceito de potência é muito útil para estudar o funcionamento das máquinas. ZoranOrcik/Shutterstock.com

Todas as máquinas funcionam da mesma maneira: recebem uma potência total (Pt) do motor, por exemplo, utilizam uma parte dela para realizar o objetivo da máquina ( potência útil P u) e a outra parte é dissipada ( potência dissipada Pd) . No caso representado na imagem do guindaste, considera-se potência útil a que efetivamente é usada para erguer a viga. O restante, a potência que causa aquecimento e ruídos sonoros, é considerado potência dissipada, de modo que: Guindaste elevando objetos de grande massa em uma obra de construção civil.

Pt = Pu + Pd

A relação entre a potência total e a potência útil na máquina ou no sistema fornece o rendimento ( η) da máquina, calculado por: Pu η = _ Pt O rendimento é um valor adimensional, ou seja, não tem unidade de medida. Quanto maior o rendimento de uma máquina, maior é a potência útil e menor é a potência dissipada (ou a energia dissipada).

Quantidade de movimento e impulso PeopleImages.com - Yuri A/Shutterstock.com

Como sabemos, um objeto sob a ação de uma força resultante pode ter seu estado de movimento alterado, sofrendo uma aceleração enquanto a força atuar. Um saque em uma bola de vôlei, uma tacada de golfe ou o chute em uma bola de futebol ou rugby são exemplos de aplicações de forças que causam aceleração nas bolas utilizadas nos respectivos esportes, fazendo-as se mover com certa velocidade. A velocidade de um corpo está relacionada a uma grandeza denominada quantidade de movimento, definida pelo físico inglês Isaac Newton (1643-1727) em sua obra Principia.

Jogador executando um chute em uma bola de rugby. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

[...]

A quantidade de movimento é a medida do mesmo, obtida conjuntamente a partir da velocidade e da quantidade de matéria. [...]

→ A quantidade de movimento ou momento linear ( Q ) é uma grandeza vetorial com a mesma direção e o mesmo sentido da velocidade; seu módulo → é dado pelo produto entre a massa ( m) e a velocidade ( v ). → → Q = m · v No Sistema Internacional de Unidades (SI), a massa é expressa em quilograma (kg), a velocidade, em metro por segundo (m/s) e a quantidade de / s) . movimento é dada em quilograma-metro por segundo ( kg · m

Sergio Lima/Arquivo da editora

NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural – Livro I. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2012. p. 40.

Representação da quantidade de movimento de um corpo.

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Confira a imagem a seguir. A bola de futebol inicialmente se encontrava em repouso em relação ao solo. Sabendo que ela tem massa de 0,42 kg, conforme as regras oficiais do esporte, considere que, após o chute, ela passe a ter uma velocidade com módulo de 20 m/s. → 0 é nulo, pois: Temos que o módulo da quantidade de movimento inicial Q Q 0 = 0 Q0 = m · v 0 ⇒ Q0 = 0,42 · 0 ∴ Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Fabio Eiji/Arquivo da editora

v0 ; Q0 v

Depois do chute, a bola passa a ter uma quantidade de movi → mento final Q de módulo igual a:

Q = m · v ⇒ Q = 0,42 · 20 ∴ Q = 8 ,4 kg · m /s

Quando um sistema é formado por vários corpos, a quantidade → t) ou resultante é dada pela soma vetorial de movimento total ( Q das quantidades individuais de movimento.

→ → → → Q t = Q 1 + Q 2 + Q 3

Sergio Lima/Arquivo da editora

Representação da quantidade de movimento da bola de futebol antes e depois do chute.

Representação de um sistema formado por três corpos em movimento.

Seguindo o exemplo da bola de futebol, nota-se que houve uma variação na quantidade de movimento dela e a causa disso foi a interação com o pé do jogador. Ao realizar um chute, o pé do jogador aplica uma força na bola durante um intervalo de tempo, provocando o movimento dela. Considerando que a força aplicada foi constante durante todo o intervalo de tempo, temos uma grande za denominada impulso da força ( I), uma grandeza vetorial que atua na mesma direção e sentido da força, sendo dada pelo produto da força pelo intervalo de tempo no qual ocorre a interação. → →   I = F · Δ t No SI, como a força é dada em newton (N) e o tempo, em segundo (s), o impulso é dado em newton -segundo ( N · s), unidade equivalente ao quilograma-metro por segundo ( kg · m/s) da quantidade de movimento. Dica Se considerarmos somente o módulo da força aplicada, a intensidade do impulso pode ser escrita como: I = F · Δt

Existe uma relação entre o impulso e a quantidade de movimento, denominada teorema do impulso. Como a força aplicada sobre um corpo causa uma aceleração, a velocidade do corpo muda e, consequen temente, sua quantidade de movimento também se altera. Dessa maneira, um impulso causa uma variação na quantidade de movimento, sendo descrita como: → →   I = ΔQ

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5 UNIDADE

3. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que a absorção de água aumenta a massa da bola, de modo que o impulso dado a ela deve ser maior para que atinja a mesma velocidade de quando está seca.

3. As bolas de futebol atuais são feitas de materiais impermeáveis. Já as antigas absorviam muita água quando os jogos ocorriam na chuva. Como a absorção de água influencia a intensidade do chute executado pelo jogador?

No exemplo da página anterior, a quantidade de movimento da bola de futebol aumentou de Q0 = 0para Q = 8,4 kg · m / s, de modo que a variação da quantidade de movimento é: Q = 8,4 − 0 ∴ ΔQ = 8,4 kg · m / s ΔQ = Q − Q0 ⇒ Δ Se o tempo de atuação da força foi cerca de 0,04 s, podemos determinar a intensidade da força do chute do jogador. Considerando o módulo do impulso, temos: 8,4 ∴ F = 210 N I = Δ Q ⇒ F · Δt = ΔQ ⇒ F · 0,04 = 8,4 ⇒ F = _ 0,04 As bolas de futebol e de outros esportes devem seguir padrões de especificação, pois variações na massa podem alterar os efeitos das forças aplicadas.

Bola de futebol.

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Bola de tênis.

Bola de voleibol.

Bola de basquetebol.

Benoist/Shutterstock.com

O airbag dos automóveis é um exemplo de aplicação do conceito do impulso. Esse dispositivo está relacionado ao impacto e atua de maneira a levar os corpos em movimento ao repouso, variando sua quantidade de movimento. Se a variação da quantidade de movimento for rápida, a intensidade da força de interação é grande. Mas, se a interação for mais lenta, a intensidade da força de interação diminui. Essa é a forma de atuação do airbag; ele aumenta o tempo de interação e diminui a intensidade da força da colisão, reduzindo os efeitos do impacto no passageiro. Teste de colisão entre automóveis.

Conservação da quantidade de movimento

Ilustrações: Fabio Eiji/ Arquivo da editora

Os jogos de bola de gude envolvem muita diversão e variam de acordo com a região do país. Um dos jogos mais comuns é o de acertar as bolas de gude de outros jogadores, envolvendo diversos conceitos das áreas de Física e Matemática, como velocidade, forças, ângulos de reflexão e colisões.

Representação de duas bolas de gude antes da colisão.

Representação de duas bolas de gude após a colisão.

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06/11/2024 16:27:53

Um jogador de bolinhas de gude pode ter desenvolvido suas habilidades principalmente pela prática e pelo treinamento, sem necessariamente se preocupar com os conceitos da Física. No entanto, alguns efeitos das colisões entre as bolinhas de gude são simples de entender. Uma colisão frontal, com os centros das bolas alinhados, faz a bola adversária se mover na mesma direção da trajetória da bola arremessada. Colisões com os centros desalinhados fazem a bola adversária mover-se em certo ângulo em relação à direção inicial e a bola arremessada desviar-se de sua trajetória inicial. Esses movimentos e interações obedecem ao princípio da conservação da quantidade de movimento ou momento linear. Considerando que não há forças externas atuando no sistema, em uma colisão qualquer, → 0) é igual à quantidade de movimento do sistea quantidade de movimento do sistema antes da colisão ( Q → ma após a colisão ( Q ). → → Q 0 = Q Dica Em colisões unidimensionais, podemos desprezar a notação vetorial. A orientação da quantidade de movimento e da velocidade é indicada por um sinal positivo ou negativo. A relação da quantidade de movimento pode ser escrita assim: Q0 = Q

Na situação da imagem a seguir, a bolinha branca (mb = 1,5 · 10 −2 kg) foi lançada com velocidade de 1,5 m/sna direção da bolinha azul ( ma = 1,2 · 10 −2 kg) em repouso, realizando uma colisão unidimensional. Após a colisão, a bolinha branca adquiriu uma velocidade de 0 ,2 m/s, continuando a se mover na mesma direção e no mesmo sentido.

Ilustrações: Fabio Eiji/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Representação de uma bolinha branca indo em direção a uma bolinha azul em repouso.

Representação das bolinhas branca e azul após a colisão.

Pela conservação da quantidade de movimento, a velocidade da bolinha azul após a colisão é dada por: Q0 = Q ⇒ Q0b + Q0a = Q b + Qa ⇒ mb · v0b + ma · v0a = mb · vb + m a · va ⇒ ⇒ 1,5 · 1 0 −2· 1,5 + 1,2 · 10 −2· 0 = 1,5 · 10 −2· 0,2 + 1,2 · 10 −2· va ⇒ ,3 · 10 −2+ 1 ,2 · 10 −2· va ⇒ ⇒ 2,25 · 1 0 −2= 0 ⇒ 1,95 · 10 −2= 1,2 · 10 −2· va ∴  va = 1,625 m/s Como a velocidade adquirida pela bolinha azul tem sinal positivo, ela se move na mesma direção e no mesmo sentido da bolinha branca, de modo que a quantidade de movimento total do sistema se mantém constante. Em colisões bidimensionais ou tridimensionais, a análise da conservação da quantidade de movimento deve ser realizada vetorialmente.

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No exemplo anterior, as duas esferas se mantêm em movimento após a colisão, mas, em outros casos, isso pode não acontecer. O que ocorre depois de colidir depende das massas envolvidas, da velocidade, da quantidade de movimento dos corpos e do tipo de colisão. A.

Ilustrações: Sergio Lima/Arquivo da editora

Apesar de a conservação da quantidade de movimento levar em conta as orientações dos vetores, nesse momento, vamos trabalhar apenas as colisões unidimensionais. Considerando que as massas dos corpos não se alteram, as colisões podem ser divididas em três fases. A primeira é a aproximação relativa entre os corpos.

B. A

C. vA

UNIDADE

A segunda é a colisão. Nessa fase, os corpos podem se deformar, transformando energia cinética em outro tipo de energia.

Na terceira, pode ou não ocorrer a fase de restituição dos corpos, na qual eles podem se afastar um do outro, entrar em repouso ou se mover juntos. A

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação das fases de uma colisão com afastamento em três instantes A, B e C.

Independentemente do que ocorre nas três fases, a quantidade de movimento sempre se conserva, mas a energia cinética (ou mecânica) pode ser dissipada em forma de calor, som e deformações. A análise quantitativa e qualitativa, assim como a classificação das colisões, pode ser feita com base no coeficiente de restituição (e), que relaciona a velocidade relativa de aproximação ( vap) entre os corpos antes da colisão, de afastamento (vaf) após colidir e é adimensional, dado por:

Dario Lo Presti/Shutterstock.com

vaf vB − vA e = _ ⇒ e = _ vap v0A − v0B

Classificamos uma colisão como elástica quando o coeficien 1). Nesse caso, a velocidade de te de restituição é igual a 1 ( e = vap), inafastamento é igual à velocidade de aproximação ( vaf = dicando que não houve dissipação de energia cinética na colisão. Portanto, para uma colisão elástica, temos: Q0 = Q e Ec0 = Ec O pêndulo de Newton é um exemplo no qual podemos observar colisões elásticas no cotidiano. Pêndulo de Newton.

Se o coeficiente de restituição tem valores entre 0 e 1 ( 0 ≤ e < 1 ), a colisão é classificada como inelástica. Nesse caso, há a dissipação de energia cinética na colisão e a velocidade de afastamento é menor do que a de aproximação ( vaf < v ap). Nas colisões inelásticas, temos: Q0 = Q e E c0 > Ec As colisões em que e = 0 são denominadas perfeitamente inelásticas e não há afastamento entre os corpos. Eles podem se mover juntos ou entrar em repouso. Ao entrar em repouso, toda a energia cinética inicial é dissipada.

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06/11/2024 16:27:54

CONEXÕES com ... BIOLOGIA e QUÍMICA

A prática de atividades físicas está intrinsecamente ligada às transformações de energia que ocorrem no corpo humano. Durante a execução de exercícios, o corpo consome energia para realizar uma variedade de ações, como a contração muscular, manutenção da temperatura corporal e reparação celular. A energia é obtida principalmente dos alimentos que ingerimos e é medida em quilocalorias ( kcal) , informação que costuma ser apresentada nas embalagens de alimentos. Para um adulto, o consumo diário recomendado de calorias pode variar conforme fatores como idade, sexo, peso, altura e nível de atividade física.

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Atividades físicas e saúde

Pessoas praticando ciclismo.

rafapress/Shutterstock.com

A ingestão de alimentos é o ponto de partida para a produção de energia no corpo humano. Quando consumimos alimentos, o sistema digestório inicia um processo complexo de digestão, quebrando carboidratos, proteínas e gorduras em suas moléculas menores: glicose, aminoácidos e ácidos graxos, respectivamente. Essas moléculas são absorvidas pelo intestino e transportadas para as células, onde ocorre a conversão em energia. Tabela nutricional de alimento.

Dentro das células, essas moléculas são metabolizadas em um processo chamado respiração celular, que ocorre nas mitocôndrias. A glicose, por exemplo, passa por uma série de reações químicas conhecidas como glicólise, ciclo de Krebs e cadeia transportadora de elétrons. Durante essas etapas, a energia contida nas ligações químicas das moléculas alimentares é liberada e armazenada na forma de ATP (adenosina trifosfato). Conforme o corpo executa suas funções, o ATP é quebrado, liberando a energia utilizada nesses processos. Ao longo de uma atividade física, a energia química armazenada no ATP é convertida em outros tipos de energia, como a cinética, diretamente relacionada ao movimento dos músculos e articulações, e a térmica, gerada como subproduto do esforço físico, ajudando a manter a temperatura do corpo. Por exemplo, ao correr ou nadar, os músculos das pernas e dos braços realizam trabalho mecânico ao se contrair e relaxar. Simultaneamente, parte dessa energia é dissipada como calor, o que pode ser observado pelo aumento da temperatura corporal e pela produção de suor, mecanismos que ajudam a regular a temperatura durante o exercício intenso. O gasto energético do corpo depende do tipo de atividade que está sendo realizada e de quem a realiza. Para uma pessoa de 70 kg, andar de bicicleta consome, em média, de 3a 5 kcal por minuto. Já o ato de ficar deitado consome aproximadamente 1,3 kcalpor minuto. Movimentos como saltar ou subir escadas se relacionam com a energia potencial gravitacional, já que o corpo precisa vencer a força da gravidade ao se mover verticalmente. Ao saltar, o corpo armazena energia potencial gravitacional, que é convertida em energia cinética ao retornar ao solo.

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08/11/2024 15:21:00

arnaldo moreno/Shutterstock.com

Nos esportes que envolvem a interação com objetos, como futebol, voleibol, basquetebol, arremesso de peso e dardo, há uma transferência de energia do corpo para esses objetos. Por exemplo, ao chutar uma bola de futebol, o jogador transfere energia cinética de sua perna para a bola, gerando movimento. De maneira semelhante, no arremesso de peso ou de dardo, a força exercida pelos músculos do corpo é transferida para o objeto, impulsionando-o para cima e para a frente. Essa transferência de energia está diretamente relacionada aos conceitos de impulso e quantidade de movimento, fundamentais na Física. Ao chutar a bola de futebol, o jogador aplica uma força em um curto período e gera um impulso que altera a quantidade de movimento da bola, fazendo-a se deslocar pelo campo.

Pessoa arremessando bola de basquete.

Para as pessoas idosas, a prática de atividade física é especialmente importante. Com o envelhecimento, ocorre uma perda natural de massa muscular e densidade óssea, podendo levar a uma série de problemas de saúde, como fraqueza muscular, redução da mobilidade e aumento do risco de quedas e fraturas. Exercícios regulares, como caminhadas, atividades de resistência e alongamento, podem ajudar a retardar ou a reverter parte dessas perdas, promovendo a manutenção da força muscular, da flexibilidade e da resistência óssea. Além disso, a atividade física contribui para a melhoria do equilíbrio e da coordenação, reduzindo o risco de quedas e ajudando a manter a independência funcional.

PeopleImages.com - Yuri A/Shutterstock.com

A prática de atividades físicas desempenha um papel fundamental na saúde, pois está diretamente relacionada ao gasto de energia pelo corpo humano. Durante o exercício, o corpo consome a energia armazenada, principalmente sob a forma de glicose e gordura, para alimentar os músculos em movimento. Esse processo de gasto energético não só auxilia no controle do peso corporal, mas também é essencial para a manutenção da saúde geral. O exercício físico promove o crescimento e a regeneração dos músculos, ajudando a preservar ou aumentar a massa muscular. Além disso, a carga exercida sobre os ossos durante atividades como caminhada, corrida ou levantamento de peso favorece a formação óssea, fortalecendo o esqueleto e ajudando a prevenir doenças como a osteoporose. Manter músculos e ossos saudáveis é essencial para a funcionalidade do corpo, permitindo uma vida ativa e independente. Ademais, o gasto energético contínuo ajuda a regular os níveis de açúcar no sangue e a reduzir o risco de doenças crônicas, como diabetes tipo 2 e hipertensão.

Idosos praticando atividade física.

Respostas nas Orientações para o professor.

a ) Durante uma atividade física intensa, como o levantamento de peso, quais são as principais formas de energia envolvidas e como ocorre a transformação entre elas? b ) Ao andar de bicicleta em uma subida, o que acontece com a energia cinética do ciclista à medida que ele ganha altitude? Como essa mudança de energia reflete a lei da conservação de energia? c ) Em maratonas ou triatlos, os atletas podem sofrer de “fadiga muscular” em razão do esgotamento de glicose. Que estratégias nutricionais e de treino podem ser adotadas para evitar essa condição? d ) De que maneira a quantidade de massa muscular no corpo humano pode influenciar a recuperação de uma doença grave?

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06/11/2024 16:27:54

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

1. Leia os itens a seguir e escreva quais são forças conservativas e quais são forças dissipativas. a ) Força gravitacional. b ) Força de atrito cinético. c ) Força elástica. d ) Resistência do ar.

1. a) Resposta: Conservativa. 1. b) Resposta: Dissipativa. 1. c) Resposta: Conservativa. 1. d) Resposta: Dissipativa.

2. Obedecer às leis de trânsito é essencial para garantir a segurança nas vias, e dirigir dentro do limite de velocidade pode fazer diferença em situações de risco. Suponha que um carro de 1 100 kgse mova com velocidade de 1 0 m/s. Se a velocidade dele passar para 30 m/s, a energia cinética do carro ficará quantas vezes maior? Como esse aumento de energia influencia no caso E  c     = 9 de uma colisão? Resposta: __ E c o

3. Um acelerador de partículas linear é um dispositivo que acelera partículas subatômicas, como elétrons ou prótons, ao longo de uma trajetória reta. As partículas são injetadas em um tubo longo e reto, e elas passam por uma série de campos elétricos alternados que aceleram as partículas para velocidades próximas à da luz. Suponha que um acelerador de partículas aplica uma força para acelerar um elétron que está em repouso até que ele atinja uma energia cinética final de 5 keV. Calcule o trabalho realizado pela força do acelerador para executar essa aceleração. Considere 1 ev = 1,6 · 1 0−19J. Resposta: τ = 8,0 · 1 0 −16J.

4. Uma mola tem comprimento de 50 cm quando

Representação da mola relaxada.

366

40 cm

Representação da mola com um corpo apoiado sobre ela.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

está relaxada. Apoia-se um corpo de 8 kg sobre ela, como mostra a figura a seguir, e o equilíbrio é atingido com a mola no novo comprimento de 40 cm. Se a sua constante elástica é k = 800 N / m, qual é a energia potencial elástica armazenada 4 J. na mola? Resposta: Epe =

50 cm

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

Resolução das questões 2 a 9 nas Orientações para o professor.

5. Em uma pista de skate, você assiste a uma colega

e tem uma visão lateral semelhante à da figura a seguir. A atleta de 45 kgsai do ponto Ae vai até o C. Lembrando de sua aula de Física, você decide calcular o trabalho realizado pela força peso no deslocamento da garota. Determine o trabalho da força peso entre as posições Ae B , depois entre Be Ce, por fim, de Aaté C. B

A 0,9 m

0,6 m

Representação do perfil da pista de skate.

Resposta: τ AB = − 405 J, τ BC = 135 Je τ AC = − 270 J.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

ATIVIDADES

6. Nos produtos alimentícios, é obrigatória a tabela de informação nutricional. Nela, estão contidas as quantidades de gorduras, vitaminas, carboidratos e valor energético do produto. A base de uma dieta é 2 000 kcal ou 8 400 kJ por dia. Supondo que uma pessoa utilize, em seu metabolismo, a quantidade de calorias indicada no período de um dia, qual é a potência da pessoa? Resposta: P ≃ 9 7,2 W.

7. Nas Olimpíadas de 2024, o corredor estadunidense Noah Lyles (1997-) ganhou a medalha de ouro na prova dos 1 00metros rasos com o tempo de 9,784segundos. Já o segundo colocado, o jamaicano Kishane Thompson (2001-), completou a prova em 9,789 segundos, uma diferença de 5 milésimos de segundo. Qual é a razão entre a potência mecânica média do estadunidense e a do jamaicano nessa prova? Considere que ambos os corredores têm a mesma massa. _ PE Resposta: ≃ 0,9987. PJ

8. Um motorista de um carro dirige por uma estrada quando percebe que há um cachorro atravessando a pista. Nesse instante, ele pressiona o pedal do freio, desacelerando o carro, e o animal consegue terminar sua travessia em segurança. Essa desaceleração dura 5 segundos, o carro percorre uma distância de 50 metros e a força de desaceleração realiza um trabalho igual a 30 000 J. Determine a variação de impulso sofrida pelo carro nesse processo. Resposta: I = 3 000 N · s .

9. Em uma partida de futebol, um atacante que pesa 700 N, no momento que recebe a bola, corre em linha reta para o gol com uma aceleração cons 0 m,ele colide tante de 0 , 3 m / s2. Após percorrer 3 com o zagueiro do outro time. Qual é a energia cinética do atacante ao colidir com o zagueiro? 630 J. Adote g = 10m / s2. Resposta: EC =

2. Resposta: Como a velocidade triplicou, a energia cinética seria multiplicada por 9. No caso de uma colisão, essa quantidade de energia a mais pode ser transferida para os passageiros no interior do carro, podendo causar lesões graves ou até a morte. A menor energia cinética significa maior segurança para os ocupantes do veículo em caso de acidente. Resolução nas Orientações para o professor.

06/11/2024 16:27:55

10. O gráfico a seguir mostra o valor da energia ciné-

tica de dois objetos, Ae B, ao longo de 10segundos; e aos 5segundos, os objetos colidem. Com base nas informações apresentadas pelo gráfico, descreva o movimento dos objetos ao longo do tempo. Mencione também o tipo de colisão que ocorreu (totalmente elástica, parcialmente elástica, inelástica).

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

Gráfico da E × tpara os objetos Ae B Energia cinética (J) 10

Objeto A Objeto B

8 6

move-se de encontro a um corpo B , de massa 2 · m e velocidade 4 m/s. Após a colisão, o corpo Ainverte seu movimento e passa a mover-se com velocidade de 4 m/s. a ) Determine a velocidade de Bapós a colisão. 1 m / s. Resposta: vB =

b ) Verifique se a colisão foi elástica ou inelástica. Resposta: A colisão foi inelástica, pois e = 0,5.

c ) Considerando m = 2 kg, verifique se houve perda de energia cinética do sistema na colisão. Resposta: ∆Ec = − 50 J.

14. Dois blocos se movem no mesmo sentido, o bloco A, de 1,6 kg, com velocidade 5,5 m/se o bloco B, de 2,4 kg, com velocidade 2,5 m/s. Imediatamente após a colisão, o bloco Bse move com velocidade 4,9 m/s. a ) Qual é a velocidade do bloco Aapós a colisão?

,9 m / s. Resposta: vA = 1

b ) A colisão foi elástica ou inelástica?

2 0

13. Um corpo A, de massa m e velocidade 6 m/s,

5 UNIDADE

12. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes comentem que a deformação das partes do carro contribui para a dissipação da energia cinética envolvida na colisão do carro, assim, quanto mais energia for dissipada na carroceria do carro, menos energia é transferida para os passageiros, auxiliando na redução dos danos sofridos por eles. Resoluções das questões 11, 13, 14 e 15 nas Orientações para o professor.

Resposta: A colisão foi elástica, pois e = 1 .

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tempo (segundos)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 244.

11 Uma esfera de 1 kgentra em queda livre, a partir

do repouso, de uma altura de 9 ,8 m em relação ao solo. Sendo as forças de resistência desprezíveis, determine a quantidade de movimento da esfera no momento exato em que toca o solo. Considere g = 10 m / s2. Resposta: Q = 14 kg · m / s.

12. Algumas pessoas comentam que os carros anti-

gos eram mais resistentes, pois nas colisões eles amassam menos do que os carros novos. No entanto, a deformação das partes dos carros novos é planejada, intencional. Explique como a deformação das partes do carro pode contribuir para a segurança dos passageiros.

RETOME O QUE ESTUDOU Respostas nas Orientações para o professor.

15. Um jogador de basquete recebe uma falta du-

rante uma partida e fará um arremesso livre. Ele se posiciona em frente à cesta e arremessa a bola, mas em vez de entrar na cesta, no ponto mais alto da trajetória, a bola acerta a tabela, a uma m. Em seguida, ela quica no chão e altura de 3 sobe novamente até uma altura de 2,4 m. Descreva as transformações de energia e a perda de energia sofrida pela bola durante esse percurso. Despreze a energia dissipada na colisão da bola com a tabela e desconsidere o atrito com o ar. Resposta nas Orientações para o professor.

16. Para estudar os princípios de conservação em coli-

sões, um estudante filmou diversas colisões entre bolinhas de gude. Para identificar, no vídeo, o instante das colisões, o estudante utilizou o som emitido em cada colisão. Em relação a essa situação, que conclusão podemos tirar sobre a conservação da quantidade de movimento e sobre a conservação da energia mecânica? Justifique sua resposta.

16. Resposta: Espera-se que os estudantes concluam que, nessa situação, a quantidade de movimento se conserva, porém a energia mecânica não. O som das colisões indica que parte da energia mecânica está sendo dissipada em energia sonora.

Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir. 1. Como o uso de uma alavanca pode reduzir a quantidade de força necessária para levantar um objeto pesado? Explique a função dos braços de alavanca e o ponto de apoio. 2. O que acontece com o torque aplicado a uma porta se você a empurrar mais próximo da dobradiça? Explique como o comprimento do braço de alavanca influencia o torque. 3. Em um movimento circular uniforme, por que a velocidade tangencial do objeto é constante, mas a aceleração centrípeta não é zero? Qual é a direção dessa aceleração? 4. Se um objeto for lançado para cima, como a energia potencial gravitacional e a energia cinética se comportam ao longo do movimento? O que acontece no ponto mais alto? 5. Durante uma colisão, como o princípio de conservação da quantidade de movimento explica o que acontece com dois objetos de massas diferentes ao colidirem? 10. Resposta: O objeto Btem energia cinética igual a 0 no tempo 0, logo está em repouso, e o objeto A tem um valor positivo de energia e está em movimento. Após o tempo de 5 segundos, a energia do objeto Adiminuiu, enquanto a energia do objeto Baumentou. Logo após a colisão, o objeto Aperdeu velocidade enquanto o Bganhou. Como a soma das energias finais dos dois objetos é menor do que a soma das energias iniciais, a colisão foi parcialmente elástica.

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06/11/2024 16:27:55

MAIS QUESTÕES 1. (Udesc) A Figura 2 mostra dois blocos de mas-

UDESC/2019

sa me M unidos por um fio ideal, suspensos por uma polia ideal. Considere que o fio está o tempo todo tensionado. Resposta: Alternativa e.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

derando, nesse arranjo, a situação em que uma das massas está subindo com velocidade constante, é correto afirmar que o módulo da soma vetorial dos momentos lineares das massas é a ) o dobro do módulo do momento linear de uma das massas. b ) o triplo do modulo do momento linear de uma das massas. c ) igual ao módulo do momento linear de uma das massas. Alternativa d. Resoluções d ) zero. Resposta: nas Orientações para o professor.

3. (IME-RJ) IME/2018

FIGURA 2 Analise as proposições com relação a figura 2. I ) A condição de equilíbrio é dada quando m = M, portanto a aceleração do sistema é nula. II ) Para M > m, a quantidade M − m é inversamente proporcional à aceleração do sistema. III ) Para M > m , a quantidade M + m é diretamente proporcional à aceleração do sistema. IV ) Fora da condição de equilíbrio, a aceleração do sistema é diretamente proporcional à aceleração gravitacional. V ) Fora do equilíbrio, o modulo das acelerações dos blocos são iguais, no entanto, as acelerações têm sentidos opostos. Assinale a alternativa correta. a ) Somente as afirmativas IV e V são verdadeiras. b ) Somente as afirmativas I, II e III são verdadeiras. c ) Somente as afirmativas I, III e V são verdadeiras. d ) Somente as afirmativas II, III e IV são verdadeiras. e ) Somente as afirmativas I, IV e V são verdadeiras.

2. (UECE) Considere duas massas iguais pendu-

radas por uma corda flexível e inextensível que passa por uma polia presa ao teto. Desconsiderando-se todos os atritos, de modo que as massas possam subir ou descer livremente, e consi-

Como mostra a figura, dois corpos de massa m e volume Vestão em equilíbrio estático. Admita que μ é a massa específica do líquido, que não existe atrito entre o corpo e o plano inclinado e que as extremidades dos fios estão ligadas a polias, sendo que duas delas são solidárias, com raios menor e maior re R, respectivamente. A razão R/rpara que o sistema esteja em equilíbrio é: Resposta: Alternativa c. Resolução nas Orientações para o professor.

m · sen(∝ + β) a ) ______________    m − μV m · cos(α + β ) b ) ____________    m − μV μV sen(α) c) _ · ( 1 − _ ) m cos(β)

−1

μV cos(α) d) _ · 1 − _ ) m sen(β) (

−1

μV ) e ) c os(α + β) · ( 1 − _ m

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06/11/2024 16:25:09

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. (IFBA) Na montagem experimental abaixo,

os blocos A, B e C têm massas mA= 2,0 kg, mB= 3,0 kg e mC= 5,0 kg. Desprezam-se os atritos e a resistência do ar. Os fios e as polias são ideais e adote g = 10 m / s2

k x20 a) _ mg sen α k x 2 b ) _ 2mg sen α 2 k ( yB− yA) _ c) mg sen α

Resposta: Alternativa b. Resolução nas Orientações para o professor.

k ( yB− y A) d) _ 2mg sen α 6. (UECE) Espacate é um movimento ginástico que consiste na abertura das pernas até que formem um ângulo de 1 80° entre si, sem flexionar os joelhos. Considere uma posição intermediária, em que um(a) atleta de 70 kg faça uma abertura de 120°. A força normal feita pelo solo no pé do(a) atleta exerce um torque sobre sua perna em relação a um ponto no centro do seu quadril. Pode-se estimar esse torque assumindo que a distância entre o ponto de aplicação da força e o ponto central é 1 me que a aceleração da gravidade é 10 m/s2. 2

B C

IFBA/2018

No fio que liga o bloco Bcom o bloco C , está intercalada uma mola leve de constante elástica 3,5 · 10 3 N / m. Com o sistema em movimento, a deformação da mola é? Resposta: Alternativa b. a ) 2,0 cm b ) 1,0 cm

Resolução nas Orientações para o professor.

Assim, é correto dizer que esse torque, em Nm, é aproximadamente

c ) 1,5 cm

a) 3 50 cos( 60° ) .

d ) 2,8 cm

b) 3 50 cos( 120° ) .

e ) 4,2 cm

5. (Epcar-MG) O sistema representado na figura se-

guinte é composto por um bloco de dimensões desprezíveis e de massa m apoiado em um plano inclinado, que forma um ângulo α com a direção horizontal. O sistema possui uma mola ideal de constante elástica ke comprimento natural x0

c) 3 50 sen( 60° ) .

Resposta: Alternativa c. Resolução nas Orientações para o professor.

d) 7 00 cos( 60° ) .

7. (Uesb-BA) Um objeto se movimenta em uma

trajetória retilínea, com velocidade constante, quando sofre ação de uma força externa paralela ao plano do seu movimento, porém sua velocidade permanece sem alteração do seu módulo. Sobre a situação descrita, analise as assertivas e assinale a alternativa que aponta as corretas.

EPCAR/2024

I ) A direção da velocidade necessariamente sofreu alteração.

O bloco se encontra apenas encostado na mola e em equilíbrio, na posição A , a uma altura yA. Nesse momento, a mola está travada e comprimida de um valor x. Quando a mola é destravada, o bloco, pela ação da força elástica, percorre a distância d, sem atrito, indicada na figura, até atingir o ponto B, a uma altura yB, onde ocorre a inversão do sentido de seu deslocamento. Considerando go módulo da aceleração da gravidade, a distância d percorrida pelo bloco é dada na alternativa

II ) O módulo da quantidade de movimento do objeto permaneceu inalterado. III ) A força externa exerceu o impulso que provocou a variação da quantidade de movimento do objeto. IV ) Se a força exercida for perpendicular à direção inicial do movimento do objeto, a nova trajetória descrita será circular. Resposta: Alternativa a. a ) Apenas I, II e III. I)II)Correta m · | v| Correta, | Q|= III) Correta, pois o Impulso é definido por b ) I, II, III e IV. IF = ΔQ c ) Apenas I, II e IV. IV) Errada, t = _ x e no eixo ytemos: y = _ a t 2 v 2 2 F x d ) Apenas I e III. a = _ , como F, me vsão constantes 2m v 2 e ) Apenas I e IV. temos uma função quadrática logo terá a forma de uma parábola.

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

8. (EsPCEx-SP) Uma plataforma circular plana es-

tá girando em um plano horizontal, em torno de um eixo fixo vertical, que passa pelo ponto O , a 30 rotações por minuto, conforme representado no desenho abaixo. Sobre a plataforma giratória, encontra-se uma pequena moeda. Sabendo que o coeficiente de atrito estático entre a moeda e a plataforma é 0,18, a máxima distância do centro da plataforma, em m, que a moeda poderá ficar sem deslizar é: Dados: Despreze a resistência do ar e as dimensões da moeda; considere o módulo da aceleração da gravidade igual a 10 m / s 2 e π = 3 . Resposta: Alternativa a. Resolução nas Orientações para o professor.

Acerca desse experimento e considerando apenas a primeira colisão entre as esferas, é CORRETO afirmar que Resposta: Alternativa b. a ) após uma colisão elástica, as duas esferas sobem unidas até uma altura igual a h / 2. b ) as duas esferas sobem unidas até uma altura hapós uma colisão inelástica. c ) após uma colisão elástica, as esferas se movem em sentidos opostos, alcançando uma altura h / 2cada uma. d ) em uma colisão completamente inelástica, a esfera 1 recua e alcança uma altura h / 2. e ) a esfera 1 fica em repouso após uma colisão elástica com a esfera 2.

10. (UEA) Uma criança constrói uma rampa para

UEA/2023

ESPCEX/2023

brincar com seu carrinho, conforme a figura.

O carrinho é, então, abandonado no início da rampa, com velocidade nula. Considerando uma condição em que não haja atrito ou nenhuma outra forma de dissipação de energia, o carrinho obterá sua maior velocidade no ponto

a ) 0,20 b ) 0,25 c ) 0,30

a ) 5.

d ) 0,36

Resposta: Alternativa b.

b ) 3.

e ) 0,54

9. (UPE) Duas esferas metálicas idênticas de mas-

UPE/2022

sas iguais estão penduradas por fios ideais de mesmo comprimento, conforme ilustra a figura abaixo. A esfera 1 é abandonada de uma altura h, colidindo com a esfera 2, que está inicialmente em repouso.

c ) 4. d ) 1. e ) 2.

11. (Udesc) Um objeto move-se em uma trajetória circular com módulo da velocidade constante.

Assinale a alternativa que explica por que o trabalho realizado pela força centrípeta é zero. a ) A força centrípeta é perpendicular à veloResposta: Alternativa a. cidade. b ) A força média para cada revolução é zero.

c ) Não há atrito. d ) A magnitude da aceleração é zero. e ) O deslocamento para cada revolução é zero.

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

12. (Fuvest-SP) Uma das modalidades de skate é o

FUVEST/2024

bowl, disputado em um espaço em formato aproximado de bacia. Supondo um bowl com profundidade de 2,45 m, qual a máxima velocidade que um skatista, partindo do repouso no ponto mais alto da bacia, poderia alcançar no ponto mais baixo?

PUC-Rio, foi criada em 2003, quando estudantes, orientados pelo professor Marco Antônio Meggiolaro, decidiram construir robôs de combate. Hoje a RioBotz é uma das 32 equipes que entraram na chave do Battlebots, programa de televisão norteamericano de luta de robôs. A equipe foi a única da América Latina a participar da competição. Suponha que o robô da RioBotz tenha massa de 1 8 kge possua uma lança cuja ponta tenha uma área de secção transversal de 1 mm2. Admita que a lança atinja uma parede perpendicularmente com velocidade de 15 m/s, recue com uma velocidade de 3 m/s e que o período da colisão tenha durado 9 ms.

Com base nos conhecimentos de física mecânica, assinale a alternativa que apresenta, corretamente, a pressão (em Pa) exercida pela lança sobre a parede, desconsiderando atritos e deformações.

Note e adote: Aceleração da gravidade 0 m / s 2 Resposta: Alternativa c. ( g) = 1 Resolução nas Orientações para o a ) 3 m/s b ) 5 m/s

14. (UEL-PR) A RioBotz, equipe de robótica da

a ) 3,6 · 1010

professor.

b) 2 ,7 · 10

c ) 7 m/s

c) 5 ,4 · 109

d ) 5,4 · 1 010

e ) 3,6 · 1 09.

Resposta: Alternativa a. Resolução nas Orientações para o professor.

d ) 9 m/s

15. (UEPG-PR) Considere duas esferas pequenas,

e ) 11 m/s

13. (UFRGS-RS) Um corpo com massa M = 1 kg, ini-

UFRGS/2024

cialmente em repouso sobre uma superfície horizontal sem atrito, está preso a uma mola de massa desprezível e de constante elástica k = 1 6 N/m, conforme representado na figura abaixo.

uma feita de borracha, possuindo uma massa de 100 g, e a outra feita de massa de modelar possuindo uma massa de 2 00 g. As duas são largadas, simultaneamente a partir do repouso, de uma altura de 5 m. Considere que a colisão da esfera de borracha com o solo é perfeitamente elástica e a da esfera feita de massa de modelar é perfeitamente inelástica. Desconsiderando a resistência do ar, assinale o que for correto. Dados: aceleração da gravidade g = 10 m / s 2 01 ) Os impulsos devidos aos choques de cada uma das esferas com o solo são iguais.

O corpo recebe um impulso para a direita de módulo I = 2 N ∙ se passa a descrever um movimento oscilatório. A amplitude de oscilação, em m, é a ) 1 / 8. b ) 1 / 4. c ) 1 / 2. d ) 1. e ) 2.

Resposta: Alternativa c. Resolução nas Orientações para o professor.

02 ) Podemos afirmar que a conservação da quantidade de movimento sempre terá como consequência a conservação da energia cinética. 04 ) O coeficiente de restituição para a colisão da esfera feita de massa de modelar é igual a Soma: 01 + 04 + 16 = 21 zero. Resposta: Resolução nas Orientações para o professor. 08 ) As duas esferas irão atingir o solo ao mesmo tempo e terão neste instante valores de energias cinéticas. 16 ) Podemos afirmar que no caso da colisão da esfera feita de borracha com o solo, a energia cinética da esfera é conservada.

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6 UNIDADE

A FÍSICA NA RELAÇÃO ENTRE O SER HUMANO E O AMBIENTE

a ) Cite algumas vantagens e desvantagens do surgimento das máquinas térmicas. b ) O que é necessário para que o motor a combustão interna de um veículo funcione? c ) Qual é a principal diferença entre o funcionamento de uma locomotiva a vapor e do motor a combustão interna de um veículo?

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06/11/2024 16:23:44

Peter R Foster IDMA/Shutterstock.com

Locomotiva a vapor em Bridgnorth, na Inglaterra, em 2024.

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06/11/2024 16:23:49

CAPÍTULO

Queima de combustíveis fósseis 1. Resposta: O objetivo desta questão é analisar o conhecimento dos estudantes acerca dos combustíveis fósseis e de sua escassez. Sua formação é dada por meio de processos naturais relacionados à decomposição de organismos (matéria orgânica).

Máquinas a vapor e motores de combustão interna

Leia a seguir um trecho de reportagem sobre a extração e a utilização de combustíveis fósseis atualmente. [...] Os gases do efeito estufa lançados na atmosfera vêm aumentando a temperatura do planeta desde a Revolução Industrial (séculos 18 e 19), principalmente por meio da queima de combustíveis fósseis, o que impulsiona a atual crise climática, marcada por eventos extremos, como o calor excessivo, as secas prolongadas e as chuvas intensas. [...]

renatopmeireles/Shutterstock.com

LEÓN, Lucas Pordeus. Entenda estudo da Nasa sobre ‘Brasil inabitável’ em 50 anos. Agência Brasil, 24 jul. 2024. Disponível em: https://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/noticia/2024-07/entenda-estudo-da-nasa-sobre-brasil-inabitavel-em-50-anos. Acesso em: 4 set. 2024.

1. Como são formados os combustíveis fósseis? 2. Qual é a importância dos combustíveis fósseis para a sociedade atual? 3. Cite uma vantagem e uma desvantagem relacionadas ao uso de máquinas industriais em substituição aos processos manufaturados. Qual das duas formas polui mais o ambiente e de que maneira isso ocorre? 2. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes

Plataforma de petróleo na Baía de mencionem seu alto valor calorífico, o que o torna uma grande fonte de energia térmica, além de Guanabara (RJ), em 2021. resultar em um alto crescimento econômico.

Cesar Diniz/Pulsar Imagem

Mesmo com as inúmeras desvantagens, como a quantidade limitada e a causa de diversos problemas ambientais e de saúde, o uso de combustíveis fósseis segue aumentando. A vantagem de sua utilização está na grande quantidade de energia produzida e no melhor custo-benefício, comparando a outros tipos de energia.

r.augustus/Shutterstock.com

Mineradora de carvão mineral em Siderópolis (SC), em 2021.

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Como abordado na reportagem, a queima dos combustíveis fósseis é responsável por emitir grandes quantidades de gases, como o dióxido de carbono ( CO2) , que colabora para a intensificação do efeito estufa natural. Alguns tipos de combustíveis fósseis são o petróleo, o carvão mineral e o gás natural. Eles são utilizados como fontes de energia para o funcionamento de diversos dispositivos e máquinas, por exemplo, a gasolina e o diesel são derivados do petróleo e são utilizados, principalmente, em motores de máquinas e de veículos.

3. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes citem como vantagens da Tanques de armazenamento de gás natural utilização de máquinas: a velocidade de produção, a redução de custos nos processos no município de Cubatão (SP), em 2024. de produção e o maior acesso da sociedade aos produtos produzidos. Enquanto algumas das desvantagens são: a poluição ambiental, o maior consumo de energia e a possibilidade de perdas de postos de trabalho (substituição de mão de obra humana). A utilização de máquinas resulta no aumento da poluição do ambiente, com a emissão de gases e a produção de lixo industrial, além de outros efeitos danosos.

06/11/2024 16:23:50

UNIDADE

6 Com o crescimento do setor industrial, ocorrido em meados do século XVIII na Grã-Bretanha e posteriormente em vários outros países, houve a necessidade de novas fontes de energia para o funcionamento das máquinas. A partir da Revolução Industrial, as máquinas movidas a vapor desempenharam papel fundamental, uma vez que foram as responsáveis pela transformação do calor em movimento, isto é, por meio do motor a vapor era realizada a conversão da energia térmica em energia mecânica na forma de realização de trabalho. Ainda que os princípios básicos para a construção do motor a vapor tenham sido descritos pelo matemático grego Heron de Alexandria (10 d.C.-70 d.C.), por volta do século I, e que grandes contribuições posteriores tenham sido apresentadas por outros estudiosos – como o inventor francês Denis Papin (1647-1712) em 1679, o engenheiro inglês Thomas Savery (1650-1715) em 1698 e o engenheiro inglês Thomas Newcomen (1664-1729) em 1712 –, o motor a vapor rotatório só foi efetivamente desenvolvido em 1765, pelo cientista escocês James Watt (1736-1819).

Nas máquinas a vapor, a fonte de energia utilizada para aquecer a água e transformá-la em vapor é o carvão mineral, um tipo de combustível fóssil.

Hein Nouwens/Shutterstock.com

Watt desenvolveu um tipo de motor que era capaz de girar em um eixo, em vez de realizar apenas o movimento de subir e descer, por meio de engrenagens que convertiam esse deslocamento em movimento circular. O motor a vapor rotativo de Watt pôde então ser utilizado com variadas aplicações, por exemplo, movimentar máquinas nas fábricas e usinas de algodão.

a) Resposta pessoal. Os estudantes podem argumentar que os modos de fabricação dos produtos deixaram de ser um processo artesanal para se tornarem produção industrial em larga escala. Entre os impactos positivos dessa mudança, podem destacar o aumento do rendimento do trabalho, a redução dos custos de produção, o Modelo de um motor progresso científico e a vapor rotatório tecnológico, a melhoria dos desenvolvido por sistemas de transporte, entre outros. Em relação James Watt, em 1765. os impactos negativos, podem citar as condições precárias de trabalho, com alta jornada e baixos salários, a exploração do trabalho infantil e a remuneração desigual entre homens e mulheres, o crescimento desordenado das cidades em virtude Compartilhe ideias do surgimento e a concentração de empresas e indústrias nesses locais, o aumento da desigualdade social pela concentração de renda na mão dos donos das indústrias e grandes comerciantes etc.

As máquinas a vapor tiveram grande importância para o desenvolvimento da sociedade e das tecnologias utilizadas atualmente. Com base nisso, faça o que se pede. a ) Forme dupla com um colega e discutam quais impactos positivos e negativos as máquinas a vapor impuseram à sociedade. Quais mudanças ocorreram na organização social, no trabalho e no modo de vida, por exemplo? b ) Quais impactos ambientais foram impostos pela utilização em massa das máquinas a vapor?

A partir do desenvolvimento das máquinas movidas a vapor, foram surgindo outras tecnologias mais avançadas, capazes de alcançar maiores rendimentos. O motor a vapor desenvolvido por Watt era capaz de converter apenas cerca de 2% da energia térmica em movimento. Em 1900, após algumas melhorias, a eficiência do motor a vapor aumentou para aproximadamente 17%. O motor de combustão interna é produto desse avanço de tecnologia. Já no início dos anos 1900, esse tipo de motor havia substituído o motor a vapor como o principal sistema para a geração de energia. Entre os fatores que levaram a essa substituição, está o fato de ele ter maior eficiência térmica (entre 20% e 35%). Para o estudo do funcionamento desses motores, é necessário compreender primeiro o comportamento dos Resposta pessoal. Os estudantes podem gases, que são sujeitos a várias transformações, as quais serão definidas a seguir. b) refletir sobre o fato de as máquinas a vapor

utilizarem o carvão mineral (combustível fóssil) como fonte de energia para aquecer a água nas caldeiras e gerar o vapor. Assim, a utilização dessas máquinas implicou em um aumento significativo da poluição do meio ambiente. Além disso, a elevação na produção exigiu um aumento na necessidade por matéria-prima para fabricação dos produtos, o que gerou um aumento no desmatamento das florestas; o crescimento desordenado das cidades provocou a contaminação de rios com esgotos de residências e resíduos das indústrias, entre outros.

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06/11/2024 16:23:50

CONEXÕES com ... HISTÓRIA e SOCIOLOGIA

Revoluções industriais No final do século XVIII, a indústria têxtil da Inglaterra estava com problemas para produzir em larga escala, de forma mais rápida e com menos custos para mercados consumidores em crescimento, pois o processo de produção dependia da força humana, animal ou de fontes naturais de energia, como a água ou o vento, para movimentar as máquinas de fiar.

De Luan/Alamy/Fotoarena

Gravura representando a utilização de teares mecânicos na industrialização da tecelagem no século XIX.

tcareob72/Shutterstock.com

Essas tecnologias geraram um aumento significativo na produção em massa e uma redução nos custos de produção. A segunda revolução também mudou a maneira como as pessoas viviam e trabalhavam. Os avanços nos transportes, com a expansão das ferrovias e o surgimento dos automóveis, mudaram a dinâmica das cidades e facilitaram a mobilidade das pessoas. No entanto, esses avanços não trouxeram benefícios a todos, pois em diversos bairros operários, próximos às fábricas, não havia rede de esgoto nem abastecimento de água e a poluição industrial prejudicava a saúde dos moradores desses bairros. Já a Terceira Revolução Industrial tem início na década de 1970, um período caracterizado pela integração de tecnologias avançadas, como a eletrônica, a computação, a criação da internet e a invenção da robótica. O uso de computadores e as melhorias em telecomunicações aumentaram a produtividade industrial. Os avanços da biotecnologia na indústria alimentícia transformaram a estrutura da agricultura em vários países. Além disso, inovações em sistemas de transporte e comunicação tornaram possível que empresas multinacionais instalassem fábricas em diferentes países, expandindo o comércio e padronizando certos bens e hábitos de consumo. Placas de circuito eletrônico.

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a) Resposta: A produção em larga escala e a redução dos custos de produção geraram grandes lucros para os proprietários das fábricas, enquanto os trabalhadores Esse cenário de transformação contínua e de inovação tecnológica estabelecido pela Tercei- recebiam apenas ra Revolução Industrial provocou a Quarta Revolução Industrial, a partir de meados de 2010. À baixos salários, por longas horas de medida que o uso de computadores e a automação foram intensificados, houve uma evolução trabalho. Além disso, a das tecnologias digitais, combinada com avanços na inteligência artificial (IA), internet das coisas mecanização e a automação de tarefas (IoT), big data e robótica, moldando uma nova era industrial, chamada de Indústria 4.0. causaram o de O desenvolvimento de biomateriais e a biorrobótica abriu novas fronteiras na Medicina e desemprego muitos trabalhadores, na produção industrial. A fabricação de próteses avançadas usando biomateriais compatíveis especialmente em setores com o corpo humano e a biorrobótica, que busca integrar sistemas robóticos e biológicos, daqueles tradicionais que foram com dispositivos que interagem de forma natural com o corpo humano, promoveram maior substituídos por máquinas, gerando qualidade de vida de pessoas com deficiência. mais pobreza e Na indústria, o controle numérico computadorizado (CNC) aumentou a precisão e a pro- aumento da desigualdade. IM Imagery/Shutterstock.com

dutividade na fabricação de produtos. Diferente dos métodos manuais, as máquinas e robôs CNC são programados para executar tarefas específicas com exatidão e repetibilidade consistentes. Isso resulta em produtos de alta qualidade com menos defeitos. Outra técnica atual é a impressão 3D (três dimensões), que permite a produção de objetos complexos e personalizados, diretamente com base em modelos digitais, utilizando softwares baseados em algoritmos avançados para garantir a precisão e a qualidade das peças produzidas.

Apesar de a Quarta Revolução Industrial acontecer no século XXI, as bases para ela foram desenvolvidas em séculos anteriores por diversos cientistas, entre os quais podemos destacar a matemática inBraços robóticos em uma indústria moderna. glesa Ada Lovelace (1815-1852) e a matemática esb) Resposta: Desde a Primeira Revolução Industrial, a Ciência foi a propulsora tadunidense Grace Murray Hopper (1906-1992). de novas mudanças, com a inclusão de novas descobertas a serviço da

Ada Lovelace é considerada a primeira programadora da história. Ela foi responsável por sociedade. A relação entre descrever um algoritmo para ser processado por uma máquina analítica, gerando uma se- Ciência, pesquisa quência numérica por meio de alguns cálculos. Sua visão sobre como uma máquina poderia e indústria tem se intensificado ao ser programada para realizar operações complexas contribuiu para a computação moderna. longo do tempo, Esses princípios são essenciais para o funcionamento de máquinas CNC, robôs industriais e tornando o intervalo entre as impressoras 3D. Já Grace Hopper foi pioneira no desenvolvimento de linguagens de progra- novas revoluções mação, na qual o computador interpretava comandos em inglês no lugar de números ou sím- cada vez menor. bolos. Essa abordagem tornou a programação mais acessível, abrindo caminho para linguagens de programação utilizadas atualmente e teve um papel importante na integração dos computadores na indústria. c) Resposta: A automação e a IA podem substituir empregos em tarefas repetitivas e previsíveis; por outro lado, podem gerar novos empregos em áreas como programação, análise de dados, assim como

a ) Como a produção em massa e a mecanização do trabalho contribuíram para a concentração o surgimento de novas profissões. de riqueza e o aumento das desigualdades sociais ao longo das revoluções industriais? Para se preparar b ) Qual é o papel da Ciência e da pesquisa no desenvolvimento das tecnologias que impul- para esse novo mercado de sionaram cada Revolução Industrial? trabalho, é c ) Como os sistemas cada vez mais automatizados e a inteligência artificial podem impac- necessário adquirir tar o mercado de trabalho? E quais são as novas habilidades e competências que serão habilidades como demandadas dos profissionais do futuro? pensamento d ) Com as revoluções industriais acontecendo de maneira cada vez mais rápida e diante de crítico, criatividade e novas formas de trabalho, quais são as habilidades humanas que não podem ser replica- manter um aprendizado das pelas máquinas? Resposta: A capacidade de “pensar fora da caixa” e encontrar soluções originais para problemas complexos, assim como a empatia, a colaboração e a comunicação eficaz, são habilidades que as máquinas ainda não conseguem replicar com a mesma profundidade e complexidade que os seres humanos.

contínuo.

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06/11/2024 16:23:51

Transformações gasosas

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

termômetro (medidor de temperatura)

Considerando um gás confinado em um recipiente, seu comportamento pode ser analisado em função de grandezas macroscópicas, como a temperatura (T), o volume (V) e a pressão (p), denominadas variáveis de estado. Essas três variáveis definem o estado termodinâmico do gás. Assim, conhecendo-as, podemos definir as propriedades físicas do gás.

manômetro (medidor de pressão) Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Uma substância que assume a fase física gasosa é constituída por minúsculas partículas (átomos, moléculas, íons etc.), que são dotadas de movimentos aleatórios. Por causa disso, o gás ocupa todo o espaço no interior do recipiente que o contém. Dessa maneira, o volume do gás é o volume do próprio recipiente, isto é, o gás tem a forma e o volume definidos pelo recipiente no qual está contido.

volume

Representação de um gás confinado em um recipiente com manômetro e termômetro acoplados.

4. O enchimento dos balões de ar quente se dá pelo aquecimento do ar contido em seu interior. Explique como isso ocorre. 5. Verificamos que as bolhas de ar em um líquido aumentam de tamanho durante sua ascendência até a superfície. Explique por que isso acontece.

6. Explique o que ocorre com uma panela de pressão ao receber do fogão grande quantidade de calor. 6. Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem o aumento da temperatura e, consequentemente, o aumento da pressão do vapor no interior da panela. Essa ocorrência se deve ao fato de não haver variação de volume, tratando-se, portanto, de uma transformação isovolumétrica.

A grandeza temperatura está relacionada com o grau de agitação das partículas que constituem o gás, de modo que, quanto maior o grau de agitação, maior é a medida da temperatura. Por causa dessa agitação, as partículas colidem com as paredes do recipiente, imprimindo força sobre elas, resultando na pressão exercida pelo gás. As variáveis de estado podem ser divididas em intensivas e extensivas. As classificadas como intensivas são independentes da massa do gás, enquanto as extensivas variam em função da massa. Por exemplo, se uma quantidade de gás é dividida em duas partes iguais, cada uma delas apresentará os mesmos valores das variáveis intensivas, como pressão e temperatura. No entanto, as variáveis extensivas terão metade de seu valor inicial, como a massa de gás e o volume. V

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

4. Resposta: Durante o preparo de um balão de ar quente, o ar de seu interior é aquecido, elevando sua temperatura e expandindo seu m volume, que corresponde a uma expansão do volume do balão. Esse comportamento é relacionado a uma transformação isobárica, no qual a pressão permanece constante.

Representação de um recipiente contendo um volume de gás (variável extensiva) com certa pressão e temperatura (variáveis intensivas).

m _ 2

V _ 2

V _ 2 m _ 2

Representação da mesma quantidade de gás dividida em dois recipientes iguais, de modo que o volume (variável extensiva) sofre variação, mas a pressão e a temperatura (variáveis intensivas) se mantêm.

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5. Resposta: Durante um mergulho, por exemplo, as bolhas liberadas pela respiração sobem. Durante a subida, a pressão da água sobre a bolha diminui à medida que ela se aproxima da superfície; assim, a bolha se expande, aumentando seu volume. Esse fato é relacionado a uma transformação isotérmica, cuja temperatura é praticamente constante.

07/11/2024 15:35:46

UNIDADE

6 O estudo do comportamento dos gases é realizado por meio de modelos idealizados, que simplificam as relações matemáticas entre as variáveis de estado. Nesses modelos, os gases considerados são chamados de gases ideais ou gases perfeitos. Os gases ideais têm as seguintes características: • são compostos de partículas de mesma massa; • o volume das moléculas é desprezível; • suas partículas se distribuem uniformemente por todo o volume determinado pelo recipiente que os contém; • o movimento de suas partículas é aleatório e obedece às leis de Newton; • uma vez que suas moléculas estão muito distantes entre si, as forças gravitacional e elétrica entre elas são desprezíveis; • as colisões das moléculas entre si e com as paredes do recipiente são perfeitamente elásticas, conservando o momento linear e a energia mecânica do sistema. As transformações de um gás ocorrem em relação às variáveis de estado pressão, volume e temperatura. A variação de uma delas provoca a variação das outras. No entanto, alguma delas pode permanecer constante enquanto as outras variam. Essas transformações serão trabalhadas a seguir. Dica

Dica

Os gases reais presentes na atmosfera, como o oxigênio ( O2), o nitrogênio (N2) e o gás carbônico (C2), comportam-se, em determinadas condições, como gases ideais.

A transformação gasosa não está diretamente relacionada à transformação de fase. No entanto, em algumas situações, a transformação gasosa pode estar acompanhada de uma transformação de fase física.

A transformação gasosa na qual a pressão do gás permanece inalterada enquanto o volume e a temperatura variam é chamada de isobárica. Considere um recipiente cilíndrico com um êmbolo móvel, que seja livre para descer ou subir, sem atrito com as paredes do cilindro. Aquecendo o gás por meio de uma fonte de calor, verifica-se o aumento das medidas de temperatura e volume. No entanto, a quantidade de choques das moléculas do gás com as paredes do recipiente não se altera, mantendo, assim, a pressão constante, como mostrado a seguir.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Professor, professora: Explique que, com o aquecimento do gás, as partículas aumentam sua energia cinética, logo, provocam o aumento de temperatura. Como a transformação ocorre com pressão constante, o volume aumenta.

Representação de um gás durante uma expansão isobárica.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

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06/11/2024 16:23:52

A relação entre as variáveis volume e temperatura para uma transformação isobárica foi verificada e comprovada em épocas distintas pelo físico Jacques Charles (1746-1823) e pelo químico Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), ambos franceses. Essa relação está descrita e expressa a seguir. Durante um processo em que a pressão de um gás é mantida constante, o volume e a temperatura absoluta do gás são diretamente proporcionais.

Matematicamente, essa relação pode ser escrita como:

Dica

V0 V _ = _ = constante T0 T

A temperatura absoluta representa a temperatura graduada na escala kelvin. Portanto, qualquer outra medida deve ser convertida para essa escala. A conversão das escalas Celsius e Fahrenheit é dada, respectivamente, por:

em que: • V 0 é o volume inicial do sistema; • T 0 é a temperatura absoluta inicial do sistema;

TK − 273 TF − 3 2 TK = TC + 273 e _ = _ 5 9

• V é o volume do sistema após a transformação isobárica; • T é a temperatura absoluta do sistema após a transformação isobárica.

A razão obtida entre volume e temperatura é sempre constante em uma transformação isobárica, ou seja, a razão entre o volume inicial e a temperatura inicial é igual à razão entre o volume final e a temperatura final. Considerando que a substância continue em sua fase gasosa com valores abaixo de 0 ° C, ao atingir o valor de − 273 ° C, zero absoluto, obteríamos um valor nulo de volume. Isso não é possível, pois em valores próximos a − 273 ° Ctodo gás se liquefaz. Para esse tipo de transformação, o diagrama da pressão em função do volume ( p × V) corresponde a uma reta horizontal, isto é, uma função constante. No entanto, como a relação entre o volume e a temperatura é linear, o diagrama ( V × T) é representado por uma reta crescente. Professor, professora: Peça aos estudantes que atentem às unidades de medida das respectivas variáveis e à obrigatoriedade do uso da escala kelvin (escala absoluta).

Diagrama ( p × V) para uma transformação isobárica

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Diagrama ( V × T) para uma transformação isobárica

V0 V0

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 240.

T (K)

Durante o preparo de um balão de ar quente, o aquecimento do ar em seu interior provoca o aumento de seu volume até que obtenha o formato definido. Durante a expansão, a pressão é mantida constante, isto é, o ar atmosférico passa por uma transformação isobárica.

jonas12611/Shutterstock.com

Preparação de um balão de ar quente.

380

06/11/2024 16:23:52

A transformação gasosa na qual o gás sofre variação de volume e pressão, enquanto sua temperatura permanece constante, é chamada de isotérmica.

Com isso, Boyle atestou que, diferentemente de um sólido ou um líquido, um gás pode sofrer compressão ou expansão à medida que a pressão exercida sobre ele aumenta ou diminui.

patm

pgás

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Os primeiros estudos analíticos das propriedades dos gases foram conduzidos pelo físico e químico irlandês Robert Boyle (1627–1691). No seu experimento, publicado em 1660, Boyle utilizou um tubo em formato de letra J com a extremidade inferior fechada e a superior aberta. Na calibragem do experimento, colocamos mercúrio no tubo enquanto o ar flui entre as extremidades e nivelamos a altura da coluna de mercúrio em ambas as pontas, o que garante que a pressão na extremidade fechada seja igual à pressão atmosférica. Ao adicionar lentamente mercúrio à extremidade aberta, verificamos que a pressão excedente exercida pelo desnível da coluna de mercúrio aumenta a pressão sobre a extremidade fechada, que, por sua vez, comprime o gás aprisionado.

UNIDADE

760 mm

V V0

Representação da montagem experimental de Robert Boyle.

Professor, professora: Explique que a compressão, isto é, a diminuição do volume, é causada pela ação da força peso dos objetos sobre o êmbolo. A diminuição do espaço ocupado pelas moléculas causa o aumento no número de suas colisões com as paredes do recipiente, logo provoca o aumento da pressão.

compressão isotérmica T0 = T

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Considerando o mesmo esquema da página anterior, o gás passa por uma contração de seu volume, provocada pela ação da força peso de dois objetos de massa posicionados sobre o êmbolo. Com o espaço reduzido, a quantidade de colisões das moléculas do gás com as paredes do recipiente aumenta, de modo a aumentar a pressão, mas mantendo a temperatura constante, como na imagem a seguir.

Representação de um gás durante uma compressão isotérmica.

As observações da relação inversamente proporcional entre as variáveis pressão e volume para uma transformação isotérmica são conhecidas como lei de Boyle-Mariotte. Veja a descrição e a expressão dessa relação a seguir. Durante um processo em que a temperatura absoluta de um gás é mantida constante, sua pressão e seu volume são inversamente proporcionais.

Matematicamente, essa relação pode ser escrita como: p0 · V0 = p · V = c onstante

em que: • p é a pressão final do sistema após a transformação isotérmica; • V é o volume final do sistema após a transformação isotérmica.

381

07/11/2024 15:29:52

O diagrama de pressão em função do volume (p × V) de uma transformação isotérmica é representado por uma função hiperbólica, chamada de isoterma. Nesse tipo de representação, para cada valor de temperatura, cria-se uma isoterma diferente, como mostra o diagrama.

Uma transformação isotérmica pode ser observada em um experimento simples, utilizando uma seringa e um pequeno balão de festa com um pouco de ar em seu interior. Ao vedarmos a saída de ar da seringa e pressionarmos o êmbolo, ocorre o aumento da pressão em seu interior, como consequência, o volume do balão de festa diminui (A). Quando puxamos o êmbolo, a pressão no interior da seringa diminui, como consequência, o volume do balão de festa aumenta (B).

T3 T2 T1 0

Representação da etapa A do experimento.

Fotos: José Vitor Elorza/ASC Imagens

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Diagrama ( p × V) para uma transformação isotérmica

Representação da etapa B do experimento.

A transformação isovolumétrica ocorre quando o volume do gás permanece constante, variando tanto a pressão quanto a temperatura do sistema. Essa transformação também é chamada de isométrica ou isocórica. Com base nos esquemas anteriores, considera-se que o gás no interior do cilindro é aquecido, de modo que o êmbolo não se mova, mantendo, assim, o volume constante. O aumento da temperatura faz aumentar o grau de agitação das moléculas, elevando a quantidade de choques com as paredes do recipiente, isto é, elevando a pressão no interior do recipiente, conforme mostra a imagem a seguir.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Professor, professora: Explique que, com o aquecimento das moléculas que constituem o gás, ocorre o aumento da temperatura, consequentemente, aumenta a quantidade de choques das partículas com as paredes do recipiente, isto é, aumenta a pressão do gás.

aquecimento V0 = V Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de um gás sendo aquecido isovolumetricamente.

382

07/11/2024 15:29:53

A relação diretamente proporcional entre as grandezas pressão e temperatura foi definida por Jacques Charles e pode ser descrita como apresentado a seguir.

UNIDADE

Durante um processo em que o volume de um gás é mantido constante, a pressão e a temperatura absoluta desse gás são diretamente proporcionais.

Matematicamente, essa relação pode ser expressa por: p0 p _ = _ = constante T0 T

em que: • p é a pressão final do sistema após a transformação isovolumétrica; • T é a temperatura absoluta final do sistema após a transformação isovolumétrica.

V) para uma transformação isovolumétrica é dado por O diagrama da pressão em função do volume ( p × uma reta vertical, enquanto o diagrama da pressão em função da temperatura (p × T) é dado por uma reta crescente, tratando-se de uma função linear, como são representados a seguir.

p p

p0 0

Diagrama ( p × T) para uma transformação isovolumétrica Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 240.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Diagrama ( p × V) para uma transformação isovolumétrica

p p

p0 0

T (K)

Essa transformação é percebida nos pneus de um automóvel, por exemplo, pois, conforme eles se deslocam, o atrito dos pneus com o solo provoca o aumento da temperatura do gás em seu interior. Como o volume dos pneus permanece praticamente constante, a pressão em seu interior aumenta. Por esse motivo, a calibragem dos pneus com frequência é fundamental para garantir seu melhor desempenho e a máxima segurança do usuário. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Alexandre Koyama/Arquivo da editora

Outra situação na qual podemos observar uma transformação isométrica é quando tentamos abrir a porta de uma geladeira, ou freezer, imediatamente após fechá-la. Isso exige um esforço físico maior do que quando abrimos após um longo período em que ela ficou fechada. Como o volume do interior da geladeira é constante, o ar que foi aprisionado nela enquanto a porta ficou aberta sofre uma redução de temperatura. Logo, a velocidade de translação das suas partículas diminui, causando a redução das colisões com as partes internas da geladeira, ou seja, a pressão no interior do aparelho diminui, ficando menor do que a pressão externa. Dessa diferença de pressão surge uma força resultante, contrária à abertura da porta. Após certo intervalo de tempo, o valor da pressão interna se iguala ao da pressão externa, em razão de um mecanismo de entrada de ar na geladeira.

Representação de uma pessoa tentando abrir uma geladeira logo após fechá-la.

383

06/11/2024 16:22:48

A transformação gasosa chamada de adiabática ocorre em situações nas quais o gás não efetua trocas de energia com o meio externo na forma de calor. Nesse tipo de transformação, as três variáveis de estado (volume, pressão e temperatura) sofrem alterações durante o processo. Para que essa troca de calor não ocorra durante a transformação, uma alternativa é confinar o gás em um recipiente termicamente isolado. No entanto, a transformação adiabática também ocorre caso o processo seja rápido o bastante para que as trocas de calor possam ser desprezíveis, pelo fato de o processo de transmissão de calor por condução ou convecção ser relativamente lento. A formação das nuvens e a formação de neblina em dias frios, por exemplo, são resultados da transformação adiabática. Quando uma quantidade de ar sobe para regiões em que a pressão atmosférica é cada vez menor, seu volume sofre uma expansão rápida o suficiente para que não haja trocas de calor e sua temperatura diminui até a condensação da água, como mostra o esquema a seguir. altitude (m)

10 C o

expande e resfria

20 oC

Representação da formação de nuvens na atmosfera terrestre.

30 oC Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 341.

O diagrama da pressão em função do volume V) para uma transformação adiabática é repre(p × sentado por uma curva. Essa curva adiabática decai mais rapidamente do que a isotérmica, como mostra o diagrama. No cotidiano, esse tipo de transformação é bastante utilizado nos aerossóis, por exemplo.

Diagrama ( p × V) para uma transformação adiabática Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Um aerossol é composto da mistura de dois líT quidos confinados em um recipiente sujeito a uma T p grande pressão interna. Um dos líquidos é o próprio produto. O outro é um gás chamado de propelen0 V V te, o qual se encontra na fase líquida por causa da grande pressão no interior do recipiente. Ao acionarmos a válvula de escape, a pressão interna do recipiente diminui e o propelente assume novamente a fase gasosa, aumentando seu volume. Com isso, ele escapa com grande violência, levando parte do produto junto.

A expansão do gás propelente ocorre sem haver trocas de calor com o meio externo, resultando na diminuição da temperatura interna, sentida pelo resfriamento do recipiente quando os gases são expelidos.

1 000

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

2 000

Frasco de spray aerossol.

384

07/11/2024 15:57:46

Lei geral dos gases Quando estudamos transformações nas quais todas as variáveis de estado sofrem alteração, é necessário considerar as relações de proporcionalidade que existem entre elas em cada processo individualmente. Por exemplo, vimos que, em um processo isobárico, o volume e a temperatura são diretamente proporcionais. Já em um processo isotérmico, a pressão e o volume são inversamente proporcionais. E, na transformação isovolumétrica, a pressão e a temperatura também são diretamente proporcionais.

UNIDADE

Com base nessas relações, o físico francês Benoit Paul Émile Clapeyron (1799-1864) estabeleceu uma única equação que sintetiza todas as transformações de um gás ideal, chamada de lei geral dos gases ideais: p0 · V0 p · V _ = _ = constante T0 T

Essa equação relaciona as três variáveis de estado de um gás ideal para qualquer tipo de transformação, desde que não ocorra variação da quantidade de gás, isto é, para o número de m ol(n) constante: V0 V Dica • _ , para uma transformação isobárica ( p0 = p); = _ T0 T • p 0 · V0 = p · V, para uma transformação isotérmica ( T0 = T);

p0 p • _ , para uma transformação isovolumétrica ( V0 = V); = _ T0 T p0 · V0 p · V • _ = _ , para uma transformação adiabática ( Q = 0). T0 T

O molcorresponde à quantidade de partículas, definido pelo número de Avogadro ( NA), em que: NA = 1 mol = 6,023 · 10 23partículas

O número de mol de uma substância pode ser determinado em função de sua massa ( m) e de sua massa molar (M), de modo que: m n = _ M

Logo, a constante determinada por Clapeyron, chamada de constante universal dos gases ideais e representada pela letra R, é válida para qualquer tipo de gás. Assim, podemos escrever: p · V _ = n · R ∴    p · V = n · R · T T

Para as variáveis de estado expressas nas unidades do SI, isto é, pressão em pascal ( Pa) , volume em metro cúbico ( m 3) e temperatura em kelvin ( K), a constante universal Rtem valor igual a: R = 8,31 Pa · m 3/mol · K J = 1 N · m, a constante universal, ainda no SI, também pode ser escrita da seComo 1 Pa = 1 N/m 2 e 1 guinte maneira: R = 8,31 J/mol · K No entanto, caso as variáveis sejam expressas em a tm (pressão), L (volume) e K (temperatura), sendo 1 atm = 1,01 · 1 0 5 Pae 1 L = 10 −3m 3, temos: R = 0,082 atm · L/mol · K

385

06/11/2024 16:22:49

PRÁTICA CIENTÍFICA Transformações gasosas Atualmente, muitas máquinas fazem parte de nosso dia a dia e seria difícil imaginar a vida sem elas. Do motor dos automóveis à panela de pressão, a termodinâmica está presente em muitos fenômenos do cotidiano. Desde o surgimento das máquinas a vapor, que foram fundamentais para a Revolução Industrial, ocorrida na Inglaterra em meados do século XVIII, os estudos da termodinâmica possibilitaram a análise de propriedades da matéria em determiLocomotiva a vapor em Ronks, Estados Unidos, em 2023. nadas situações de temperatura e pressão, o que permitiu sua aplicação em diversos processos que envolvem as transformações gasosas e as mudanças de estado da matéria.

Greg Kelton/Shutterstock.com

Por dentro do contexto

Tais processos são encontrados na meteorologia, como em instrumentos de medição de pressão, temperatura e umidade relativa do ar, nas usinas termelétricas, em turbinas de aviões, não deixando de citar sua aplicação em larga escala nos automóveis, em que o processo de combustão envolve a liberação de energia. a ) Como é possível produzir movimento alterando o estado de um gás? Materiais

a) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam que podemos variar a pressão, a temperatura e o volume de um gás, fazendo-o mover o pistão de um motor, por exemplo, convertendo energia térmica em movimento.

• 3 seringas descartáveis de 20 mLcom tampa • 2 recipientes de plástico (tipo embalagem de sorvete) • recipiente para aquecer a água

• água • cubos de gelo • fogão ou bico de Bunsen • cola instantânea Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Como proceder

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A. Prepare as 3 seringas. Para isso, deixe o êmbolo de uma delas na posição de 20 mL, coloque um pouco de cola instantânea na tampa e vede a ponta da seringa. B. Repita o procedimento A, vedando a segunda seringa com o êmbolo na posição de 10 mLe a terceira seringa com o êmbolo na posição de 0 mL (totalmente fechada). C. Encha um dos recipientes com água à temperatura ambiente e adicione os cubos de gelo. D. No outro recipiente, coloque água aquecida. Imagem referente às etapas A e B.

386

06/11/2024 16:22:50

0 mLno pote com água e gelo até uma altura E. Coloque a seringa que está com o êmbolo na posição de 1 que possa cobrir a seringa até a marca dos 1 5 mL, pelo menos. Observe por alguns minutos e anote suas conclusões.

6 UNIDADE

1) Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que o êmbolo da seringa desceu ao ser colocado na água gelada, pois a massa do gás aprisionado teve sua temperatura diminuída, reduzindo o volume do gás, mantendo sua pressão aproximadamente constante.

F. Em seguida, coloque a seringa que está com o êmbolo na posição de 10 mLno pote com água quente até uma altura que possa cobrir a seringa até a marca dos 15 mL, pelo menos. Observe por alguns minutos e anote suas conclusões. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Cuidado Tenha cuidado ao colocar a seringa dentro do recipiente com água quente. Se possível, utilize uma pinça.

Imagem referente à etapa E.

Imagem referente à etapa F.

mLe puxe a haste do êmbolo, soltando-a G. Pegue a seringa que foi vedada com o êmbolo na posição de 0 na sequência. Depois, observe o que acontece. 0 mL, empurre a haste do êmbolo até onde H. Na seringa que foi vedada com o êmbolo na posição de 2 conseguir, depois solte-a e verifique o que aconteceu.

Imagem referente à etapa G.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

2 ) Resposta: O êmbolo da seringa subiu ao ser colocado na água quente, porque a massa do gás aprisionado teve sua temperatura elevada, aumentando o volume do gás, mantendo sua pressão aproximadamente constante.

Imagem referente à etapa H.

3) Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que as variáveis de estado que caracterizam o gás (temperatura, pressão e volume) sofreram alterações. Porém, nas etapas E e F, a pressão do gás pode ser considerada praticamente constante, caracterizando uma transformação chamada isobárica. Já nas etapas G e H, a temperatura do gás pode ser considerada constante, dessa maneira o gás sofreu transformações isotérmicas.

Análise e divulgação

1. O que aconteceu quando a seringa foi colocada na água com gelo? Explique por que isso ocorreu. 2. O que aconteceu quando a seringa foi colocada na água aquecida? Explique por que isso ocorreu. 3. Quais tipos de transformações gasosas foram observados nas etapas E e F? E nos procedimentos G e H?

4. Qual é a transformação de energia que pôde ser observada durante a realização da investigação? Resposta: Foi possível notar a energia térmica de uma massa gasosa sendo transformada em energia mecânica ao perceber o deslocamento do êmbolo da seringa. 5. Com a ajuda de um colega, filme o experimento, explicando cada parte da execução e suas conclusões. Em

seguida, compartilhe o vídeo com a turma. Cite casos semelhantes das transformações gasosas visualizadas que ocorrem também em eventos do cotidiano.

Resposta: O objetivo desta questão é levar os estudantes a compartilhar suas observações e conclusões com os colegas. Eles podem citar que o aquecimento ou resfriamento do gás no interior de pneus, a expansão do gás gerado na queima de combustíveis nos motores ou o resfriamento do ar no interior das geladeiras e freezers são exemplos de transformações gasosas.

387

06/11/2024 16:22:51

ATIVIDADES

Resoluções das questões 2, 3 e 4 nas Orientações para o professor. 1. I) Resposta: Falsa. Nas transformações isobáricas, a grandeza que permanece constante é a pressão. Uma transformação na qual o volume do gás não sofre alteração é denominada isométrica, isovolumétrica ou isocórica.

1. Analise as afirmações a seguir e julgue-as como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas.

I ) Em uma transformação isobárica, o volume de determinado gás ideal não sofre alteração. II ) A transformação isocórica ocorre quando o volume permanece constante e as grandezas pressão e temperatura sofrem variações. Resposta: Verdadeira.

III ) Em um processo adiabático, o sistema não troca calor com o meio externo. Resposta: Verdadeira.

IV ) Na transformação isotérmica, as grandezas pressão e volume se relacionam de maneira Resposta: Falsa. Em uma proporcional e direta. transformação isotérmica,

pressão e volume são grandezas inversamente proporcionais.

2. Em um experimento com gases ideais, um estu-

dante obteve o gráfico do volume em função da temperatura de uma transformação isobárica, representado a seguir. Determine a temperatura T em kelvin. Resposta: T = 1 192 K

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

7. Resposta: I) Falsa. Se o volume for dobrado à pressão constante, a temperatura também dobra. II) Verdadeira. III) Verdadeira. IV) Falsa. Após fechar a Diagrama ( V × T) para uma tampa da transformação isobárica garrafa, a pressão V (L) interna diminui 8 conforme a água esfria.

2 0

T (°C)

3. Em determinada transformação gasosa, um gás

perfeito inicialmente ocupa um volume de 1 0 L e é submetido a uma pressão de 2 atm. Ao sofrer uma expansão isotérmica, seu volume passa para 30 L. Calcule, em pascal, a nova pressão. Resposta: p = 6,7 · 10 4Pa

4. Em uma viagem, os pneus de um carro foram ca-

librados igualmente quando a temperatura era 14 °C. Chegando ao município de destino, a temperatura dos pneus aumentou para 57 °C. Supondo que não houve variação do volume, calcule a pressão interna dos pneus ao chegar ao destino em função da pressão inicial p0. Resposta: p = 1,15 · p 0

388

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

5. O comportamento térmico dos gases nos ajuda

a entender como as propriedades dos gases mudam com a variação de temperatura. Um exemplo é o aquecimento de um balão. Quando um balão cheio de ar é colocado em um ambiente mais quente, a temperatura do gás dentro do balão aumenta, o que leva as partículas de ar a se moverem mais rapidamente. De acordo com a Lei de Charles, a uma ■constante, o volume de um gás aumenta com o aumento da temperatura. Por outro lado, se a temperatura de um gás ■a um volume constante, a pressão do gás ■ , de acordo com a Lei de Gay-Lussac. Por exemplo, se um balão com pressão constante for inflado com um volume de 3 La 3 00 Ke depois a temperatura for aumentada para 450 K, o volume final será igual a ■ . A alternativa que preenche corretamente as lacunas é: Resposta: Alternativa a. a ) pressão – aumenta – aumenta – 4,5 L. b ) massa – aumenta – diminui – 3,5 L. c ) pressão – diminui – diminui – 3,5 L. d ) quantidade de mols – diminui – aumenta – 2 L. e ) velocidade – diminui – aumenta – 4,5 L.

6. É possível provocar o aquecimento de determi-

nada quantidade de gás sem que seja fornecido calor ao sistema? Justifique sua resposta.

7. Um gás ideal é um modelo teórico que simplifi-

ca o comportamento dos gases reais e é descrito por um conjunto de leis que relacionam suas propriedades de pressão (p), volume (V) e temperatura ( T). Sobre o comportamento dos gases, leia as afirmativas a seguir, julgando se são verdadeiras ou falsas. Na sequência, corrija as falsas. I ) Um gás ideal tem volume V0 à temperatura T0. Se o volume for dobrado à pressão constante, a temperatura será dividida pela metade. II ) Um gás ideal é selado em um recipiente a volume constante. Se a temperatura T0 for aumentada para 4 · T 0, a pressão será aumentada para 4 · p 0. III ) Ao inspirar, expandimos o volume dos pulmões, reduzindo a pressão interna e permitindo a entrada do ar. IV ) Quando você fecha a tampa de uma garrafa de água quente, a pressão interna da garrafa aumenta conforme a água esfria.

6. Resposta: Sim, comprimindo rapidamente o gás, de modo a evitar que ele consiga trocar calor com o ambiente. Isso ocorre quando se bombeia ar rapidamente para dentro do pneu de uma bicicleta. Esse processo é realizado por meio de uma transformação gasosa adiabática (sem troca de calor com o meio).

06/11/2024 16:22:51

Resoluções das questões 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 e 16 nas Orientações para o professor.

8. De acordo com o gráfico de uma transformação isotérmica, representado a seguir, calcule o valor de V. Resposta: V = 5 m 3 Diagrama ( p × V) de uma transformação isotérmica Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

4 0

va um volume de 2 cm3 quando submetida a uma pressão de 2 atm e temperatura de 30 ° C. Em seguida, a temperatura desse gás foi elevada a 180 ° Ce o volume do recipiente foi elevado a 6 cm3. Calcule, em pascal, a nova pressão do gás. Resposta: p ≃ 10 5 Pa

p (105 Pa) 10

12. Determinada quantidade de gás ideal ocupa-

UNIDADE

13. Um balão meteorológico, carregado com 8,8 molsde hélio, está prestes a ser lançado para coletar dados atmosféricos a diferentes altitudes. A pressão atmosférica no local do lançamento é 1 atme a temperatura ambiente é 2 5 ° C. Sob essas condições, determine o volume do balão. Dados: R = 0 ,082 atm · L / mol · K. Resposta: V = 215,04 L

14. Em condições em que um gás é considerado perV (m3)

9. Um recipiente com êmbolo fixo contendo 1 5 L de gás ideal em uma temperatura de 23 °Csofre uma transformação e tem sua pressão reduzida 1 a_ de p0. Qual é a temperatura Tdo gás? 3 98,7 K Resposta: T ≃

feito, as variáveis de estado assumem os valores p0= 2 atm, V0= 2 Le T0= 293 K. Ao sofrer determinada transformação, as variáveis passam a assumir os valores p = 1,5 atm, V = 4 Le T. Calcule, em ° C, o valor de T. Resposta: T = 166,5 °C

15. Um experimento comum para ilustrar a pressão

atmosférica é aquecer uma lata de alumínio com um pouco de água em seu interior até que ela se transforme totalmente em vapor. Na sequência, se a lata de alumínio for colocada em um recipiente contendo água fria, com a abertura voltada para a água, ela sofre uma deformação e fica amassada, como mostrado na fotografia a seguir.

volume inicial de 15 cm3e temperatura de 10 °C sofre uma expansão isobárica quando recebe calor e tem sua temperatura elevada a 6 5 °C. Qual é o volume final ocupado pelo gás? Resposta: V ≃ 17,9 cm 3

11. A atmosfera terrestre é composta de cinco camadas, separadas de acordo com a altitude em relação ao nível do mar. A camada mais próxima da superfície da Terra, denominada troposfera, vai do nível do mar até a altitude de 1 2 km. Nessa camada, formam-se os fenômenos climáticos, como chuvas, nuvens e relâmpagos, e sua temperatura pode variar de 40 ° Caté − 60 ° C. Supondo que um balão, cujo volume de 10 Lestá completamente preenchido com gás hélio ( He), a 1 atme 2 7 ° C, suportasse alcançar o topo da troposfera, onde a temperatura é cerca de − 50 ° C e a pressão é 0 ,25 atm, qual seria o volume do balão? Resposta: V ≃ 29,7L

Mamuka Gotsiridze/Shutterstock.com

10. Um gás ideal confinado em um recipiente com

Lata de alumínio amassada.

Utilizando os conceitos de transformações gasosas, explique o que ocorre com o gás no interior da lata e o que provoca sua implosão. Resposta nas Orientações para o professor.

16. Uma amostra gasosa que está à temperatura de 300 Kexerce uma pressão de 3 atmnas paredes de um recipiente com volume de 6 L. Se o gás for comprimido para um volume de 4 Le a temperatura elevada até 400 K, qual será o valor da nova pressão exercida pelo gás? Resposta: p = 6 atm

389

06/11/2024 16:22:51

CAPÍTULO

Termodinâmica

1. Resposta: O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos estudantes em relação ao trabalho realizado por um gás. Eles podem citar que a queima da gasolina produz gases que se expandem e movimentam os pistões do motor, transformando energia química em cinética. Essa energia sofre outras transformações até ser transmitida para as rodas, resultando na energia cinética do automóvel.

Trabalho em uma transformação gasosa Durante o funcionamento de um motor a combustão interna, ocorrem vários tipos de transformações gasosas. 1. Como é possível obter energia mecânica em um automóvel movido a gasolina?

Vamos retomar o funcionamento dos motores a combustão interna para entender melhor como ele funciona.

A combustão é uma reação química entre uma substância combustível e o gás oxigênio ( O2) que libera energia térmica, ou seja, calor. A quantidade de energia liberada na combustão varia de acordo com o combustível utilizado. Por exemplo, a gasolina libera 47,87 kJ/g; já o etanol, cerca de 29,67 kJ/g. pistão

jannoon028/Shutterstock.com

câmara de combustão

Motor a combustão interna em corte.

Nos motores a gasolina, a combustão da mistura de ar e combustível normalmente é iniciada por uma centelha (faísca elétrica) no interior da câmara de combustão. Os gases produzidos nessa reação se expandem e empurram os pistões. Em razão da inércia do movimento causado por queimas anteriores, os pistões se deslocam continuamente em um movimento oscilatório para cima e para baixo, alterando o volume da câmara. Esse movimento é mantido por sucessivas queimas e, então, transferido às rodas pelas engrenagens do sistema de transmissão do veículo. Como consequência, a energia liberada na combustão é transformada em energia cinética, que faz o veículo se locomover.

Nem toda energia liberada pela combustão é utilizada para a produção de movimento. Parte dela provoca aquecimento do motor e outra parte é dissipada na forma de energia sonora. Para entender como os gases gerados na combustão interagem com os pistões, vamos considerar que eles se comportam como gases ideais contidos em um recipiente cilíndrico, fechado com um êmbolo móvel, conforme mostrado a seguir. O gás encontra-se em um estado termodinâmico inicial com pressão inicial ( p0), volume inicial ( V0) e temperatura inicial ( T0).

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação de um gás em uma expansão isobárica.

390

06/11/2024 16:21:28

UNIDADE

6 Ao receber calor, a temperatura do gás aumenta e a quantidade de choques entre as partículas do gás e as paredes do recipiente também. Isso provoca um deslocamento do êmbolo, aumentando o volume e mantendo a pressão, ou seja, o gás sofre uma transformação isobárica até atingir o estado de pressão final p = p0, volume final V > V 0 e temperatura final T > T 0. Nesse caso, dizemos que o gás realizou trabalho termodinâmico sobre o êmbolo, pois o deslocamento do êmbolo ocorre por causa da força aplicada pelo gás sobre ele. Podemos definir o trabalho termodinâmico por meio de uma analogia ao trabalho mecânico levando em consideração a intensidade da força aplicada (F) e o respectivo deslocamento: Professor, professora: Apresente a expressão τ = F · Δ s · cos θ em que • Δsé o deslocamento do êmbolo;

matemática para o cálculo do trabalho termodinâmico, fazendo uma analogia ao cálculo do trabalho mecânico, no caso da transformação ilustrada, e deduzindo a fórmula. Peça que os estudantes observem o gráfico e explique como é feita a representação da transformação isobárica em um diagrama da pressão versus volume.

• θ é o ângulo entre a direção da força e do deslocamento. No exemplo, o deslocamento do êmbolo ocorre na mesma direção da aplicação da força, assim θ = 0 °e cos 0° = 1. A pressão é dada pela razão entre a intensidade da força aplicada e a área. Desse modo, a força pode ser descrita como: F p = _ ⇒ F = p · A A Como o recipiente é cilíndrico, a variação no volume (ΔV) será dada pelo produto entre a área (A) e o deslocamento do êmbolo (Δs): ΔV ΔV = A · Δs ⇒ Δs = _ A Assim, o trabalho termodinâmico em uma transformação isobárica pode ser descrito da seguinte maneira: ΔV τ = F · Δs · c os θ ⇒ τ = p · A · _ · 1 ∴ τ = p · ΔV A

O trabalho termodinâmico também pode ser obtido por meio da representação da transformação gasosa no diagrama da pressão em função do volume (diagrama p × V). , é representada uma transforNo diagrama p × V mação isobárica de um gás com volume inicial V0 e volume final V. Observe que, na representação gráfica de uma transformação gasosa, é indicado o sentido da transformação por meio de uma seta sobre o gráfico.

Transformação isobárica em um diagrama p × V p (Pa) Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Para calcular o trabalho em joule ( J), a pressão deve ser expressa em pascal (Pa); o volume, em metros cúbicos ( m 3).

τ 0

V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 232.

A região compreendida entre o gráfico e o eixo do volume corresponde a um retângulo, cuja área é dada pela multiplicação da altura (que equivale a valores de pressão) pela largura (que equivale a valores de volume). Dessa maneira: N

τ = área

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Nota-se que o trabalho realizado por um gás depende da variação do volume. Desse modo, em uma expansão, o gás realiza trabalho (τ > 0 ); em uma compressão, o gás recebe trabalho do meio externo (τ < 0 ); já em uma transformação isovolumétrica, não é realizado trabalho ( τ = 0 ).

A representação de uma transformação gasosa em um diagrama do tipo p × V pode ser utilizada para qualquer tipo de transformação. Confira a seguir alguns exemplos de transformações gasosas representadas V. em diagramas p × Expansão isobárica em um diagrama p × V

Compressão isobárica em um diagrama p × V

p (Pa)

τ <0

τ>0 V

V (m3)

Expansão isobárica: o gás realiza trabalho ( τ > 0), pois ΔV > 0.

V (m3)

Compressão isobárica: o gás recebe trabalho ( τ < 0), pois ΔV < 0.

Transformação isovolumétrica em um diagrama p × V

Expansão gasosa em um diagrama p × V p (Pa)

p (Pa)

p0 V

V (m3)

Transformação isovolumétrica: o gás não realiza nem recebe trabalho ( τ = 0), pois ΔV = 0.

V (m3)

Expansão gasosa qualquer: o trabalho realizado pode ser calculado pela análise da área do gráfico, pois há variação de volume e pressão.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 231-233.

ATIVIDADES RESOLVIDAS Determine o trabalho realizado por ele nessa transformação. Resolução: Podemos notar que o volume aumenta, indicando que o trabalho é positivo. Além disso, verifica-se que as unidades de pressão e volume mostradas no gráfico estão no SI, não sendo necessária qualquer transformação. Da propriedade que a área sob a curva do gráfico é numericamente igual ao trabalho, temos:

Gráfico p × Vde uma transformação gasosa p (Pa) 6 Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

R1. O gráfico p × Vmostra a expansão de um gás ideal.

τ =área do trapézio N (base maior + base menor)× altura τ =______________________________        2 6)· ( 6 − 4) ( 2 + 8 · 2      ⇒ τ = _ ⇒ ∴ = 8 J τ = ______________ 2 2

V (m3) 4

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 231-233.

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UNIDADE

Energia interna de um gás Uma amostra de uma substância qualquer armazena energia de variadas formas. A temperatura de um corpo está relacionada ao movimento das partículas que o compõem, ou seja, está relacionada à energia cinética de translação das partículas. Além dessa energia, temos a energia química armazenada nas ligações químicas, a energia associada a outros tipos de movimento, como a rotação e a vibração, mostradas a seguir, e a energia potencial advinda das interações químicas. Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

movimento de translação

movimento de rotação

movimento de vibração

Representação dos movimentos realizados pelas partículas de um gás. Todos fazem parte da energia interna do gás.

Todas as formas de energia citadas constituem a energia interna ( U) da substância. A energia interna pode ser modificada em uma transformação gasosa. Quando um gás absorve calor, sua energia interna aumenta. Por outro lado, quando ele cede calor, sua energia interna diminui. Considerando um gás ideal e monoatômico, ou seja, constituído de um único átomo, seu movimento será composto apenas da translação. Assim, a energia interna do gás (determinada pela energia cinética média das partículas) está relacionada apenas com a temperatura. Matematicamente, essa relação entre a energia interna de um gás e a temperatura do gás pode ser descrita como: 3 U = _ · n · R · T 2

em que

Professor, professora: Comente que a energia interna é intrínseca ao sistema, sendo a soma de todas as energias de todas as moléculas em uma média. Apesar de a energia interna ser diretamente ligada à grandeza temperatura, o calor é apenas uma consequência de sua diferença entre sistemas.

• U é a energia interna do gás em joule (J); • n é a quantidade de matéria (em mols) da amostra; • R é a constante universal dos gases ideais, que vale 8,31 J/mol · K, em unidades do Sistema Internacional de Unidades (SI); • T é a temperatura do gás na escala absoluta ( K). Essa equação é válida apenas para gases monoatômicos. Como os átomos dos gases são livres para se moverem livremente, eles têm três graus de liberdade de translação, isto é, movimentam-se nas três dimensões do espaço. Nos casos em que o gás não é monoatômico, é preciso levar em consideração os graus de liberdade associados aos movimentos de rotação e vibração. Nesses casos, ainda é possível encontrar uma relação que depende apenas da temperatura. A unidade de medida da energia interna no SI, assim como o calor e outras formas de energia, é o joule ( J) . Dica Para gases diatômicos, aqueles que têm dois átomos formando uma substância, a equação da energia interna é: 5 U = _ · n · R · T 2

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7. Resposta: a) Verdadeira. b) Verdadeira. c) Falsa. Como em uma transformação isotérmica a temperatura não varia, não há variação da energia interna. d) Falsa. NÃO ESCREVA A energia interna de um gás pode aumentar ou diminuir em uma transformação NO LIVRO. isovolumétrica, pois a temperatura do gás pode aumentar ou diminuir. e) Verdadeira. 1. Resposta: O trabalho realizado nessa transformação gasosa é nulo ( τ = 0 ), pois, como a transformação é isovolumétrica, não há variação de volume. Portanto, não é realizado trabalho.

ATIVIDADES

1. Um gás ideal sofre uma transformação isovo-

lumétrica variando sua pressão de 1 atm para 3 atm. Determine o trabalho termodinâmico realizado pelo gás e explique o resultado obtido.

Gráfico p × Vde transformações gasosas P (atm)

2. Calcule o trabalho realizado por um gás que so-

fre uma transformação, de acordo com o diagra5 ma a seguir. Resposta: τ total = 1 2 · 1 0 J. Resolução nas Gráfico p × Vde uma transformação gasosa

p (N/m2) 2

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

9⋅105

3⋅105 0

V (m3)

3. O diagrama a seguir mostra diferentes caminhos para a transformação gasosa de um gás ideal. Gráfico p × Vde transformações gasosas p (N/m2)

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

3⋅105

8,2

16,4

V (L)

Sabendo que no ponto B sua temperatura é de 500 K, qual é o trabalho realizado pelo gás na transformação A → B → C? Utilize para a constante universal dos gases ideais R = 0,082 L · atm · K −1· mol−1e 1 atm · L = 101,3 J.

4 153,3 J. Resolução nas Orientações para o professor. Resposta: τ =

5. Se a energia em forma de calor flui de maneira espontânea do corpo de maior temperatura para outro com menor temperatura, é correto dizer que isso ocorre do corpo de maior energia interna para outro de menor energia interna? Explique sua resposta.

6. Uma quantidade de 4 mols de um gás monoatô-

V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 233.

Resoluções nas Orientações para o professor.

a ) Calcule o trabalho da transformação realizada pelo caminho ABC. Resposta: τ ABC = 6 · 1 0 5 J. b ) Calcule o trabalho da transformação realizada 3 · 10 5 J. pelo caminho ADC. Resposta: τ ADC = c ) Calcule o trabalho da transformação realizada pelo caminho AC. Resposta: τ AC = 4,5 · 1 0 5 J.

4. Um mol de um gás ideal sofre uma transforma-

ção a volume constante e outra a pressão constante, conforme indicado no diagrama da pressão em função do volume mostrado a seguir.

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Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 233.

6⋅105

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

Orientações para o professor.

mico, inicialmente a uma temperatura de 20 °C, está confinada em um recipiente cilíndrico fechado sobre uma fonte calorífica. Sabendo que o gás será aquecido até 60 °C, determine a variação causada na energia interna do gás (utilize 1 992 J. Resolução nas R = 8 ,3 J/mol · K ). Resposta: ΔU = Orientações para o professor.

7. De acordo com o conceito de energia interna, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, corrigindo as falsas.

a ) A energia interna de um gás diminui em uma expansão livre. b ) A energia interna de uma massa gasosa aumenta em uma expansão isobárica. c ) A energia interna diminui em uma transformação isotérmica. d ) A energia interna de um gás não varia em uma transformação isovolumétrica. e ) Em um gás ideal não ocorre interações intermoleculares associados à uma energia potencial.

5. Resposta: Não. A equação que descreve a energia interna depende não somente da temperatura, mas também da quantidade de matéria presente no sistema por meio do número de mols. Assim, um corpo de menor temperatura pode ter energia interna maior do que a de um corpo com uma temperatura mais elevada em razão do número de mols.

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Primeira lei da Termodinâmica Como vimos anteriormente, a combustão de gasolina ou etanol faz os gases realizarem trabalho nos pistões de um motor.

UNIDADE

2. Além das partes para produzir a queima dos combustíveis, no motor dos automóveis há um dispositivo denominado radiador, que compõe um sistema de resfriamento. Você sabe para que serve o radiador de um automóvel?

Outro resultado da explosão dos combustíveis é a liberação de calor, que faz a temperatura do motor aumentar. Sendo assim, em muitos motores, é necessária a presença de um radiador, que faz parte do sistema de resfriamento da máquina.

tampa de liberação de pressão

Esse sistema é composto de tubos preenchidos com líquidos refrigerantes e tem como objetivo fazer trocas de calor com o ambiente.

fluxo de ar

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

termostato

ventilador

torneira de drenagem

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O líquido passa por uma tubulação em torno do motor e deste retira calor. Depois, passa pelo radiador, transferindo calor para o ambiente e evitando que a temperatura do motor passe do limite seguro para seu funcionamento.

bomba (circula a água para resfriar os cilindros)

tubo de descarga

cilindros do motor Representação em corte de um radiador.

Imagem elaborada com base em: YADAV, J. P.; SINGH, B. R. Study evaluation of automotive radiator. SAMRIDDHI-A Journal of Physical Sciences, Engineering and Technology. v. 2. 2011. p. 48.

Assim como outras máquinas térmicas, o motor de um automóvel não utiliza toda a energia do combustível para realizar trabalho. Parte dessa energia é convertida em energia interna do sistema em razão do aumento da temperatura do motor e de suas peças. Essa propriedade das máquinas térmicas é descrita pela primeira lei da Termodinâmica, que é baseada no princípio da conservação de energia. A quantidade de calor (Q) adicionada a um sistema pode aumentar sua energia interna ( ΔU) e possibilitar que o sistema realize trabalho ( τ). Matematicamente, a primeira lei da Termodinâmica pode ser descrita como: Q = τ + ΔU Transformação isobárica em um diagrama p × V

Nessa relação, todas as grandezas são expressas em joule ( J), no SI.

p (Pa)

Vamos analisar como cada variável da primeira lei da Termodinâmica se comporta nas transformações gasosas que vimos anteriormente.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

T2 > T1 p T2 T1 0

V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 231.

Uma transformação isobárica ocorre entre duas temperaturas e dois volumes diferentes. Ao analisar essa situação por meio da primeira lei da Termodinâmica ( Q = τ + ΔU), temos que: • se o gás recebe calor ( Q > 0), sua temperatura (ΔT > 0) e sua energia interna aumentam (ΔU > 0 ), e ele se expande, realizando trabalho ( τ > 0); • se o gás cede calor ( Q < 0), sua temperatura (ΔT < 0) e sua ), e o meio externo reaenergia interna diminuem ( ΔU < 0 ). liza trabalho sobre o gás, que se contrai ( τ < 0

2. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é resgatar os conhecimentos prévios dos estudantes em relação ao funcionamento dos radiadores e da necessidade desse dispositivo nos automóveis. Eles podem citar que os radiadores servem para resfriar o motor, retirando parte do calor que é gerado na queima dos combustíveis e que aquece o motor.

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p (Pa)

T2 > T1

Q = τ + ΔU = τ + 0 ∴     Q = τ

Portanto: • se o gás recebe calor ( Q > 0 ), ele se expande e realiza trabalho ( τ > 0);

• se o gás cede calor ( Q < 0), é realizado trabalho sobre o gás ( τ < 0) e ocorre uma compressão. Para uma transformação isovolumétrica, a variação de volume é nula ( ΔV = 0). Isso demonstra que o gás não realiza nem recebe trabalho ( τ = 0). A análise de uma transformação isovolumétrica, segundo a primeira lei da Termodinâmica, pode ser descrita como:

p 0

V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 231.

Transformação isovolumétrica em um diagrama p × V p (Pa)

T2 > T1

Q = τ + ΔU = 0 + Δ U∴     Q = Δ U Assim: • se o gás recebe calor ( Q > 0), ele se aquece 0) e sua energia interna aumenta ( ΔU > 0); ( ΔT >

• se o gás cede calor ( Q < 0 ), ele diminui de temperatura (ΔT < 0), diminuindo também sua energia interna ( ΔU < 0).

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Uma transformação isotérmica, analisada segundo a primeira lei da Termodinâmica, pode ser descrita como:

Transformações isotérmicas em um diagrama p × V

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Considere agora uma transformação isotérmica. Como a variação de temperatura é nula ( ΔT = 0), a variação de energia interna também é nula ( ΔU = 0).

T2 p0

V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 231.

Considerando agora uma transformação adiabática, precisamos lembrar que, nesse tipo de transformação gasosa, não há trocas de calor com o meio externo ( Q = 0). Se o sistema tem paredes que impedem trocas de calor com o ambiente (garrafa térmica, caixa de isopor etc.) ou caso o processo ocorra de forma rápida, não havendo tempo suficiente para que sejam realizadas trocas de calor, a transformação é caracterizada como adiabática. Analisando uma transformação adiabática por meio da primeira lei da Termodinâmica, temos: Q = τ + ΔU ⇒ 0 = τ + ΔU ∴    τ = − ΔU

Transformação adiabática em um diagrama p × V p (Pa)

Portanto:

• se o gás sofre uma compressão adiabática, ) e sua o trabalho é realizado sobre ele ( τ < 0 temperatura aumenta (ΔT > 0). Dessa maneira, 0). a energia interna também aumenta ( ΔU >

T2 > T1

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

• se o gás sofre uma expansão adiabática, ele realiza trabalho (τ > 0) e sua temperatura diminui ( ΔT < 0). Assim, a energia interna também diminui ( ΔU < 0);

T2 T1

p 0

V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 231.

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UNIDADE

6 Primeira lei da Termodinâmica e fenômenos meteorológicos A primeira lei da Termodinâmica é utilizada pelos meteorologistas para explicar diferentes fenômenos atmosféricos, analisar o clima e realizar previsões do tempo. Isso porque a temperatura do ar atmosférico se altera quando há adição ou retirada de calor, quando a pressão do ar é modificada por meio da realização de trabalho ou quando ambas as situações ocorrem.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

4 km

− 15 °C

3 km

5 °C −

2 km

5 °C

1 km

15 °C

0 km

25 °C

Representação da temperatura de uma massa de ar que se eleva na atmosfera.

Fabio Colombini

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 341.

A atmosfera é um sistema bastante dinâmico. Ela está sujeita a diferentes fenômenos, como condensação de vapor de água, evaporação da chuva, absorção tanto da radiação solar quanto da radiação infravermelha emitida pela Terra e perda de calor para o espaço, que alteram o volume e a temperatura do ar atmosférico. Há ainda processos atmosféricos em que a quantidade de calor absorvido ou cedido por uma massa de ar é muito pequena. Assim, esses fenômenos podem ser considerados praticamente adiabáticos. Nesses casos, a temperatura do ar varia de acordo com a pressão, diminuindo à medida que a pressão diminui e aumentando quando a pressão aumenta. Lembrando que o ar se torna cada vez mais rarefeito com o aumento da altitude e que a pressão atmosférica diminui continuamente para acréscimos na altitude em virtude dessa expansão do ar. Isso explica o fato de a temperatura do ar diminuir conforme a altitude cresce. Para uma massa de ar seco, a temperatura diminui aproximadamente 10 °C para uma elevação de 1 quilômetro de altitude até uma altitude de cerca de 10 km. As transformações adiabáticas que ocorrem na atmosfera são típicas de massas de ar cujas dimensões são grandes o suficiente para que o ar externo não se misture com o ar dela própria (desde dezenas de metros até muitos quilômetros). As nuvens cumulonimbus, por exemplo, são resultado da expansão adiabática de uma massa de ar úmido que se eleva e do vapor de água presente no ar, que se condensa e forma a chuva. Por outro lado, se uma massa de ar a certa altitude desce, ocorre uma compressão adiabática e sua temperatura sobe. Geralmente, na movimentação de massas de ar na atmosfera, aquelas mais quentes (menos densas) que o ar em sua volta se elevam e as mais frias (mais densas) descem. Em alguns casos, ocorre um fenômeno no qual massas de ar frio que estão em baixa altitude sofrem um aquecimento, mas não conseguem subir porque há uma massa de ar mais quente sobre elas, impedindo seu movimento. Esse fenômeno é denominado inversão térmica.

Formação de nuvens cumulonimbus sobre a Floresta Amazônica (AM), em 2023.

A inversão térmica é responsável por aprisionar a fumaça e outros poluentes atmosféricos próximos à superfície terrestre em Resposta: Como o ar é comprimido adiabaticamente, grandes municípios. b) conforme desce, sua temperatura aumenta.

Considerando um acréscimo de 10 °Cpara cada quilômetro de redução na altitude, sua temperatura no nível do mar será de: Tfinal = T inicial + 1 0 · 7 ⇒ Tfinal = − 40 + 7 0 = 30 ∴ T final = 30 ° C.

a ) Como a variação na temperatura do ar em função da altitude pode ser explicada com base na primeira lei da Termodinâmica? b ) Uma massa de ar com temperatura de −40 °Cestá inicialmente localizada a uma altitude de 7 km. Caso ela desça até o nível do mar, qual será sua temperatura, supondo que ela varie em 1 0 °Ca cada quilômetro? a) Resposta: Considera-se que, conforme a altitude aumenta, o ar se expande de maneira adiabática (Q = 0). Assim, pela primeira lei da Termodinâmica, teremos: Q = τ + ΔU ⇒ 0 = τ + ΔU ∴ Δ U= − τ. Dessa forma, a variação de energia interna tem comportamento oposto ao trabalho. Quando o ar se expande de forma adiabática, realizando trabalho, a energia interna diminui. Como a energia interna está ligada à temperatura do ar, se a energia diminui, isso implica uma diminuição de temperatura também.

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Segunda lei da Termodinâmica Anteriormente, vimos ser possível construir uma máquina térmica que, ao receber calor de uma fonte externa, sofra uma variação de energia interna e possa realizar trabalho. 3. De acordo com o que vimos até agora, seria possível construir uma máquina que convertesse todo o calor recebido em trabalho?

Analise a ilustração a seguir. Ela representa dois corpos, inicialmente com temperaturas diferentes, que são colocados em contato no interior de uma região termicamente isolada. Assim, eles trocam calor entre si, mas não com o ambiente. O corpo Atem temperatura inicial maior do que a do corpo B. A Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

corpo quente

B corpo frio

transmissão de calor

Representação de dois corpos, inicialmente com temperaturas diferentes, em contato.

Naturalmente, o calor flui do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. No exemplo dado, à medida que o corpo A cede calor, ele se resfria, e o corpo B, que recebe calor, se aquece, até que ambos atinjam equilíbrio térmico (temperaturas iguais). Nesse processo, a energia é conservada e, assim, é respeitada a primeira lei da Termodinâmica. Imagine agora que o corpo de maior temperatura, por acaso, retirasse calor do corpo frio, de modo que sua temperatura aumentasse ainda mais. Esse processo não viola a primeira lei da Termodinâmica, pois o corpo frio se tornaria mais frio na mesma intensidade que o corpo quente se tornaria ainda mais quente. Assim, a energia se conservaria da mesma forma. Se a segunda situação descrita não viola a conservação de energia, então por que ela não é observada? A resposta é a segunda lei da Termodinâmica, que está relacionada com o sentido da transformação de energia dos fenômenos naturais. Ela pode ser enunciada de diversas maneiras, sendo a mais simples descrita da seguinte maneira. O calor nunca flui espontaneamente de um corpo com menor temperatura para um corpo com maior temperatura. O sentido do fluxo de calor pode ser invertido em algumas situações, porém, para que isso ocorra, é necessário realizar trabalho sobre o sistema. Nesse caso, é adicionada energia de uma fonte externa, como ocorre nos refrigeradores ou nos aparelhos de ar-condicionado.

3. Resposta: Os estudantes podem citar que, de acordo com a primeira lei da Termodinâmica, que trata da conservação de energia, seria possível a construção de uma máquina com essas características. O objetivo desta questão é introduzir a discussão sobre máquinas ideais ou de rendimento 100%, que fazem parte das discussões da segunda lei da Termodinâmica.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Para compreender melhor a segunda lei da Termodinâmica, vamos considerar um recipiente fechado que contenha certa quantidade de gás ideal conectado a outro recipiente, inicialmente evacuado. Entre eles, há uma válvula fechada, impedindo o fluxo do gás entre os dois frascos, como mostra a figura.

evacuado

1 atm

0,5 atm

Representação de um gás se distribuindo espontaneamente no interior de dois frascos.

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Caso a válvula seja aberta e a temperatura mantida constante, o gás se expandirá espontaneamente e ocupará o volume dos dois recipientes até que as pressões se igualem.

UNIDADE

6 Caso quiséssemos realizar o processo inverso, no qual o gás distribuído nos dois recipientes ocupasse espontaneamente o interior de apenas um deles, isso não seria possível. O fato de as partículas terem um movimento aleatório torna muito maior a probabilidade de haver um aumento na desordem de sua distribuição do que o contrário.

ralij/Shutterstock.com

showcake/Shutterstock.com

Esse tipo de fenômeno pode ser exemplificado com uma piscina de bolinhas. Mesmo que as bolinhas de plástico sejam colocadas na piscina, uma cor por vez, após algumas crianças brincarem nessa piscina, a maior probabilidade é de que as bolinhas coloridas fiquem todas misturadas. Ou seja, o grau de desordem do sistema aumentou. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Piscina com bolinhas de plástico coloridas e misturadas.

Bolinhas de plástico separadas por cor.

Apesar de haver uma pequena probabilidade de as bolinhas de uma cor se concentrarem em uma região da piscina, ou de um gás se concentrar em um único recipiente, para que o sistema retorne para uma situação de mais ordenamento, é preciso que algum agente externo atue no sistema. No exemplo da piscina de bolinhas, uma pessoa deve pegar as bolinhas de plástico e organizá-las novamente. No caso dos gases, é possível utilizar uma bomba de vácuo e colocar o gás de volta em apenas um dos recipientes. Esses exemplos mostram que, espontaneamente, os fenômenos tendem a ocorrer de modo a aumentar a desordem de um sistema.

Como a energia útil tende a se degradar, a entropia total do Universo sempre aumenta. Para entender essa ideia, pense nas relações entre os seres vivos na Terra. As plantas retiram do ar, do solo e da água elementos para se desenvolver. Nesse processo, a entropia diminui, pois os seres vivos são estruturas mais complexas e ordenadas que os nutrientes utilizados. Contudo, a vida é possível por causa da energia emitida pelo Sol, que aquece o planeta e que é utilizada pelas plantas para realizar fotossíntese.

Imagem elaborada com base em: KLEIDON, A. Thermodynamics Foundations of the Earth system. Cambridge: Cambridge University Press, 2016. p. 7.

fluxo de radiação de baixa entropia

fluxo de massa de baixa entropia

estado ordenado de baixa entropia

fluxo de massa quente de alta entropia

fluxo de radiação de alta entropia

Representação da entropia em uma célula vegetal.

Representação da entropia no planeta Terra.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

O nível de ordem de um sistema está associado ao conceito de energia útil, ou seja, que pode ser aproveitada para realizar trabalho. Conforme a energia é utilizada, ela se transforma em energia desorganizada (ou degradada), isto é, em formas de energia não úteis para a realização de trabalho. A grandeza que mede o grau de desordem da energia de um sistema é a entropia (S). Dessa maneira, quanto maior o grau de desordem, maior será sua entropia.

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Dessa forma, o desenvolvimento da vida diminui localmente a entropia. No entanto, isso só acontece porque no Sol está ocorrendo um nível de desordem muito maior nas reações termonucleares que transformam energia nuclear em outros tipos de energia. Concluímos, então, que a entropia local na Terra está diminuindo (no intervalo de tempo no qual os seres vivos estão se desenvolvendo), mas a entropia total está, na realidade, aumentando. Com base no conceito de entropia, é possível definir a segunda lei da Termodinâmica em termos dessa grandeza como: nos processos espontâneos, a ordem de um sistema tende para a desordem, ou seja, a entropia sempre aumenta.

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A entropia e a segunda lei da Termodinâmica permitem explicar por que alguns processos são espontâneos, isto é, ocorrem naturalmente, enquanto outros não. Isso está ligado ao sentido natural da ocorrência dos fenômenos. Analisando as fotografias a seguir, sabemos que a ordem das etapas é do copo inteiro para o copo quebrado, pois o copo cair e quebrar é um processo irreversível, o que implica que o copo quebrado jamais voltará, por conta própria, a ficar inteiro novamente.

Copo de vidro inteiro.

Copo de vidro quebrado.

Rendimento de uma máquina térmica e o ciclo de Carnot Os dispositivos capazes de converter calor em trabalho são denominados máquinas térmicas. a) Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que uma das primeiras máquinas térmicas idealizadas foi a eolípila de Heron de Alexandria, que consistia em uma esfera metálica preenchida com água, com dois canos, e que girava quando a água era Compartilhe ideias aquecida e o vapor era expelido pelos canos. Na sequência, eles podem citar as máquinas a vapor, As primeiras máquinas térmicas foram idealizadas na Antiguidade, mas não tinham uma como bombas-d’água, trens a vapor, barcos a aplicação prática. vapor e motores a a ) Junte-se a três colegas para pesquisar as primeiras máquinas térmicas a vapor e o combustão interna.

aperfeiçoamento delas. Em seguida, juntos, produzam uma linha do tempo para ser exposta em sala de aula, destacando as principais características das máquinas, suas funções e seus desenvolvedores.

No desenvolvimento das máquinas térmicas, percebeu-se que, para obter resultados melhores, as máquinas deveriam ter uma fonte quente (com temperatura mais alta) e uma fonte fria (com temperatura mais baixa), para que ocorresse um fluxo espontâneo de calor. Em seu funcionamento, a máquina térmica recebe calor da fonte quente e converte uma fração dessa energia em trabalho. A fração de energia que não é aproveitada aumenta a energia interna da máquina. Na sequência, essa energia, que não foi convertida em trabalho, é direcionada para a fonte fria na forma de calor. Considerando um motor de combustão interna, como o de um automóvel, o calor da queima do combustível corresponde à fonte quente, os gases a alta temperatura realizam trabalho sobre o pistão, enquanto parte da energia em forma de calor é rejeitada para o meio ambiente ou para a fonte fria.

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Suponha que a fonte quente de uma máquina térmica esteja à temperatura T1 e fornece a quantidade de calor Q1. A fonte fria está a uma temperatura menor T2 e recebe calor Q2, que foi rejeitado pela máquina. Nesse caso, o trabalho realizado pela máquina térmica é determinado pela diferença entre as duas quantidades de calor.

UNIDADE

6 Q1 máquina térmica

τ = Q 1 − Q 2

Note que uma máquina térmica sempre dependerá do fluxo natural de calor, respeitando a segunda lei da Termodinâmica – ela sempre rejeitará uma parcela do calor recebido para a fonte fria. Dessa forma, concluímos que ela tem um rendimento que é dado por: τ η = _ Q1

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fonte quente T1

fonte fria T2 Representação do funcionamento de uma máquina térmica. Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 265.

em que o símbolo η (lê-se ni) é o rendimento da máquina térmica, o qual indica a parcela da energia recebida pela fonte quente que é efetivamente convertida em trabalho. Quanto menor for a quantidade de calor rejeitada ( Q2) , maior será o rendimento da máquina. Uma vez que o trabalho realizado pela máquina térmica pode ser escrito em termos das quantidades de calor recebido (Q1) e rejeitado (Q2), o rendimento pode ser expresso apenas em função das respectivas quantidades de calor: Q1 − Q2 Q2 τ η = _ ⇒ η = _∴  η = 1 − _ Q1 Q1 Q1

Portanto, caso conheçamos as quantidades de calor recebido e rejeitado pela máquina térmica, seremos capazes de calcular seu rendimento sem a necessidade de calcular o trabalho realizado por ela. Essa equação representa o rendimento real de uma máquina térmica. O fato de as máquinas térmicas sempre rejeitarem uma parcela importante do calor recebido motivou a busca por melhorar seu rendimento. Nesse contexto, o físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) analisou o funcionamento de uma máquina térmica e descobriu que a parcela da energia fornecida que pode ser convertida em trabalho sempre depende da diferença de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria, mesmo em condições ideais. Ciclo de Carnot para uma máquina térmica ideal p (Pa)

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A adiabática

D isotérmica T2

isotérmica T1 B

adiabática

2 3

C V (m3)

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2. p. 256.

O rendimento máximo de uma máquina térmica pode ser obtido considerando que ela opere em um ciclo reversível, composto de duas transformações adiabáticas (B → C e D → A) e duas transformações isotérmicas (A → Be C → D), como mostra o diagrama. Nesse ciclo, ocorrem trocas de calor somente entre o gás e as fontes quente e fria, ou seja, não existe dissipação. O diagrama p × Vrepresentado é denominado ciclo de Carnot. Ele ilustra o rendimento ideal de uma máquina térmica, ou seja, o rendimento máximo que ela pode obter.

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O rendimento de uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot (rendimento ideal) é calculado em relação às temperaturas das fontes quente e fria, podendo ser descrito como: T1 − T 2 T2 η = _ ∴  η = 1 − _ T1 T1

Muitos acreditavam que seria possível construir uma máquina térmica que convertesse toda a energia térmica recebida em trabalho. Mas, de acordo com a segunda lei da Termodinâmica, uma máquina terá seu rendimento máximo se operar o ciclo de Carnot. Em razão das descobertas de Carnot, percebeu-se que nenhuma máquina que opera em ciclos pode atingir um rendimento de 100%. Em outras palavras, nenhuma máquina térmica é capaz de transformar todo o calor recebido da fonte quente em trabalho.

Outros ciclos termodinâmicos Além do ciclo de Carnot, há outros ciclos que têm aplicações no cotidiano, como é o caso dos ciclos de motores a combustão. O ciclo de Otto foi desenvolvido pelo engenheiro alemão Nikolaus August Otto (1832-1891) em 1876. Esse ciclo é aplicado nos motores de automóveis movidos a gasolina ou etanol. Ele é composto de quatro etapas (ou quatro tempos): admissão, compressão, combustão e exaustão. Na etapa de admissão, trecho A → Bno diagrama apresentado, o pistão do motor é deslocado para baixo, a válvula de admissão é aberta, e uma mistura de ar e combustível é inserida no interior da câmara de combustão.

Gráfico p × Vdo ciclo Otto teórico p (Pa)

Na etapa de compressão, trecho B → C, as válvulas permanecem fechadas, o pistão desloca-se no sentido contrário e comprime a mistura, fazendo a temperatura aumentar.

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C E A

B V (m3)

Fonte de pesquisa: ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. 7. ed. Tradução: Paulo Maurício Costa Gomes. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 498.

Já na terceira etapa, trecho C → D, com o sistema no estado de compressão máxima do conjunto, é ligada a vela, que produz uma faísca elétrica, provocando a explosão e a combustão do combustível. A energia térmica liberada pela combustão impulsiona o pistão, que se desloca, aumentando o volume, trecho D → E, ao passo que tanto a temperatura quanto a pressão diminuem.

Na etapa quatro do ciclo de Otto, é aberta a válvula de escape, fazendo que a pressão e a temperatura diminuam, enquanto o volume permanece constante, trecho E → B. Os resíduos da queima são retirados da câmara de combustão, trecho B → A, para que, então, o ciclo possa recomeçar. Outro ciclo utilizado em motores de automóveis é o de Diesel, que, como o próprio nome sugere, é aplicado aos motores movidos a óleo diesel. Esse ciclo foi desenvolvido pelo engenheiro francês Rudolf Diesel (1858-1913) em 1893. No ciclo Diesel, o cilindro do motor é semelhante àquele do motor a gasolina, mas no lugar da vela é colocado um bico injetor de combustível. No ciclo Diesel, não há necessidade da centelha para realizar a queima do combustível, pois a temperatura atingida na compressão do ar e do combustível é suficiente para iniciar sua queima.

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Gráfico p × Vdo ciclo Diesel teórico p (Pa)

Na terceira etapa, trecho C → D, o combustível é colocado na câmara de combustão. Nesse momento, ele encontra uma temperatura alta o suficiente para que haja a combustão sem a necessidade E , a enerdas faíscas. Após essa etapa, trecho D → gia impulsiona o pistão, que realiza uma expansão adiabática. Na sequência, trecho E → B, a válvula de escape é aberta e os gases são expulsos da câmara, para então o ciclo ser reiniciado, trecho B → A.

D Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Na primeira etapa desse ciclo, é adicionado apenas ar no cilindro, trecho A → Bno “Gráfico p × V do C, ciclo Diesel teórico”. Na segunda etapa, trecho B → o cilindro comprime o ar de maneira adiabática até atingir o estado mínimo de volume do sistema.

UNIDADE

E A

B V (m3)

Fonte de pesquisa: ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. 7. ed. Tradução: Paulo Maurício Costa Gomes. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 502.

Os motores que se baseiam no ciclo Diesel têm rendimento maior que os que utilizam o ciclo de Otto. No caso dos motores a diesel, o rendimento está entre 30% e 38%, enquanto os motores do tipo Otto têm tipicamente rendimento entre 22% e 30%. Outros exemplos de máquinas térmicas utilizadas no cotidiano e que funcionam em ciclos termodinâmicos são os refrigeradores. Eles funcionam de modo inverso ao dos motores a combustão, que recebem calor da fonte quente, transformam parte da energia em trabalho e rejeitam o restante do calor recebido. O refrigerador retira calor da fonte fria e transfere o calor para a fonte quente. Apesar de esse fato aparentemente contrariar a segunda lei da Termodinâmica, isso não ocorre, pois essa transferência não é espontânea, ou seja, é realizado trabalho externo sobre a máquina, como mostrado na figura apresentada.

refrigerador

Dessa forma, um refrigerador utiliza energia externa, como a energia elétrica, para tornar possível esse fluxo de calor não espontâneo. Se o refrigerador for desligado, ocorrerá um fluxo espontâneo de calor da fonte quente (ambiente externo) para a fonte fria (interior do refrigerador).

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

fonte quente T1

Representação do funcionamento de um refrigerador.

fonte fria T2

O refrigerador é composto de um sistema de tubulações que Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David conectam o compressor, a válvula descompressora, o radiador e et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de o congelador. A função da tubulação é permitir o fluxo do fluido Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 270. refrigerante que realiza as trocas de calor. V do ciclo de um refrigerador” repreO “Gráfico p × Gráfico p × Vdo ciclo de um refrigerador senta o ciclo de funcionamento de um refrigerador.

Na sequência, trecho C → D, o fluido dirige-se ao radiador, onde troca calor com o ambiente, diminuindo sua temperatura e condensando. Para finalizar, o fluido passa pela válvula descompressora, sofre uma expansão e sua temperatura diminui. Assim, ele vai até o congelador, para então recomeçar o ciclo, trecho D → A.

p (Pa) D

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Nas tubulações do congelador, o fluido aquece e se vaporiza, enquanto o interior da geladeira é resfriado, trecho A → B . Em seguida, o fluido vai para o compressor, que realiza trabalho sobre o fluido, aumentando sua pressão e temperatura, trecho B → C.

B V (m3)

Fonte de pesquisa: ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. 7. ed. Tradução: Paulo Maurício Costa Gomes. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 307.

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5. Resposta: Tratando-se do motor de um automóvel, que pode ser considerado uma NÃO ESCREVA NO LIVRO. máquina de Carnot, o ambiente é a fonte fria; quanto maior a diferença entre as temperaturas da fonte quente e da fonte fria, maior é o rendimento de uma máquina de Carnot.

ATIVIDADES

1. De acordo com a primeira lei da Termodinâmica, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, corrigindo as incorretas. Resposta: I) Verdadeira.

I ) Se um gás não realiza trabalho e cede calor ao ambiente, sua energia interna diminui. II ) Em uma transformação isobárica, se o gás recebe calor, ele realiza trabalho e sua energia interna aumenta. Resposta: II) Verdadeira. III ) Em uma transformação adiabática, a energia interna do gás aumenta à medida que ele realiza trabalho. IV ) O calor recebido por um gás em uma transformação isotérmica é convertido em enerResposta: IV) Falsa. O calor recebido pelo gia interna. gás em uma transformação isotérmica é convertido em trabalho (Q = τ) .

2. O diagrama a seguir mostra a pressão Pem fun-

ção do volume Vde um ciclo termodinâmico de um mol de um gás ideal. As transformações A → Be C → Dsão isobáricas, enquanto as transformações B → C e D → A são isovolumétricas. Sobre esse ciclo, julgue os itens a seguir como verdadeiros ou falsos, corrigindo os falsos.

1. Resposta: III) Falsa. Em uma transformação adiabática, a energia interna diminui quando Gráfico p × Vpara o ciclo o gás realiza trabalho de uma máquina térmica (ΔU = − τ) .

Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

peratura de 20 °C, está confinado em um recipiente cilíndrico fechado, de êmbolo móvel e 00 cm2. O recipiente é cobase com área de 2 locado sobre uma fonte calorífica e o gás recebe 400 J de energia na forma de calor. Considerando que dentro do recipiente estão contidos 4 mol do gás e R = 8,3 J/mol · K, determine o que se pede nos itens a seguir. Resoluções nas Orientações para o professor.

a ) A variação da energia interna do gás quando sobre ele é realizado um trabalho de 8 0 J, além do calor recebido pela fonte. Resposta: ΔU = 4 80 J

b ) A temperatura final do gás se ele realizar 120 Jde trabalho ao receber o calor da fonte. Resposta: T ≃ 2 98,6 Kou T ≃ 2 5,6 °C

c ) O trabalho realizado pelo gás ao elevar o êmbolo do recipiente em 5 cm em uma transformação isobárica a 3 atmde pressão. Resposta: τ = 3 00 J

d ) A temperatura final do gás se o êmbolo for impedido de se mover enquanto o gás receber 28 °C. calor da fonte. Resposta: T ≃ 3 01 Kou T ≃

4. Qual é a relação entre a entropia, compreendida

como uma medida da desordem de um sistema, e a impossibilidade da existência de uma máquina térmica que apresente 100% de rendimento? Exemplifique essa lei com situações do cotidiano. Resposta nas Orientações para o professor.

P P2

3. Um gás monoatômico, inicialmente a uma tem-

5. Qual é a relação entre o rendimento de um auto-

móvel, a temperatura do motor e a temperatura do ambiente no qual está inserido? Explique sua 324 J. resposta. 6. Resposta: η ≃ 0 ,27ou η ≃ 2 7%; τ = Resolução nas Orientações para o professor.

6. Considere que uma máquina térmica, operando V

Resposta: Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos I) Falsa. O de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. trabalho total em Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, um ciclo é dado por τ = P 2 · ( V2 − V1)− P1 · ( V2 − V1). 2013. v. 2. p. 233. II) Verdadeira. III) Verdadeira. IV) Verdadeira.

I ) O trabalho total realizado pelo gás em um ciclo é dado por P2· V2.

II ) Na transformação D → A, o aumento da energia interna do gás é igual ao calor fornecido a ele. III ) Na transformação A → B, é fornecido calor ao gás; na transformação C → D , o gás cede calor. IV ) Em um ciclo completo, o calor fornecido menos o calor cedido é igual ao trabalho líquido realizado pelo gás.

segundo o ciclo de Carnot, cuja fonte quente esteja à temperatura de 373 K,ceda 1 200 Jà sua fonte fria, que está a 273 K. Calcule o rendimento e o trabalho realizado por essa máquina.

7. Duas máquinas termodinâmicas que trabalham

por ciclos estão sendo projetadas para funcionar com um gás ideal. As características das máquinas estudadas estão listadas a seguir. • Máquina 1: Q1 = 700 J; TQ1 = 600 K; 7. a) Resposta: As duas TF1 = 3 00 K; τ 1 = 6 00 J. máquinas • Máquina 2: Q2 = 800 J; TQ2 = 600 K; obedecem, pois o trabalho T F2 = 300 K; τ 2 = 3 00 J. realizado pelo

gás é menor que a energia transmitida da fonte quente para o gás.

Sobre as duas máquinas, responda:

a ) Qual máquina obedece à primeira lei da Termodinâmica? Justifique. b ) Qual máquina obedece à segunda lei da Termodinâmica? Justifique. 7. b) Resposta: Apenas a máquina 2. Resolução nas Orientações para o professor.

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com as seguintes temperaturas: 480 °C e 30 °C, respectivamente. A cada ciclo termodinâmico, a máquina retira da fonte quente 2 000 Jde energia em forma de calor e realiza 8 00 Jde trabalho. Resoluções nas Orientações para o professor.

a ) Calcule o rendimento real da máquina térmica. Resposta: η = 0 ,4ou η = 40%.

b ) Qual é a quantidade de calor rejeitado pela 1 200 J. máquina a cada ciclo? Resposta: Q2 = c ) Calcule o rendimento máximo dessa máquina térmica. Resposta: η ≃ 0,6ou η ≃ 60%.

9. Uma máquina térmica cíclica recebe 1 200 J da

fonte quente a cada ciclo e produz um trabalho equivalente a 480 J. Sabendo que seu rendimento é equivalente ao de uma máquina de Carnot, dois possíveis valores, respectivamente, para as temperaturas da fonte fria e da fonte quente são: a ) 400 Ke 800 K. b ) 300 Ke 500 K.

Resposta: Alternativa b. Resolução nas Orientações para o professor.

c ) 200 Ke 900 K. d ) 240 Ke 750 K.

10. Em razão da segunda lei da Termodinâmica, o calor flui espontaneamente do corpo mais quente para o corpo mais frio. Refrigeradores, entretanto, parecem violar esse princípio. Explique sucintamente como os refrigeradores não violam esse princípio. Resposta nas Orientações para o professor.

11. Uma máquina térmica em uma indústria está sendo projetada para funcionar por meio de um ciclo termodinâmico cuja temperatura da fonte quente é de 8 00 Ke a temperatura da fonte fria é de 3 00 K. Essa máquina deverá absorver a cada ciclo o equivalente a 2 500 Je produzir um trabalho útil de 1 25 J. Sobre ela, julgue as afirmativas a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as incorretas. I ) O rendimento dessa máquina é de 37,5%. II ) A energia não utilizada pela máquina a cada ciclo é de 2 375 J. III ) Se essa máquina tivesse o mesmo rendimento da de Carnot e estivesse operando nas mesmas temperaturas, o trabalho útil dela seria de 937,5 J. IV ) Essa máquina funciona de acordo com a segunda lei da Termodinâmica. V ) Como o calor rejeitado pela máquina é maior que o trabalho útil realizado, ela está violando a primeira lei da Termodinâmica.

12. Um mol de gás monoatômico ideal é utilizado em uma máquina térmica cíclica, sofrendo as transformações térmicas mostradas a seguir, compostas de duas isobáricas e duas isovolumétricas. Gráfico p × Vpara o ciclo de uma máquina térmica P P2

B Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

8. Uma máquina térmica opera entre duas fontes

UNIDADE

11. Resposta: I) Falsa. O rendimento da máquina é de 5%. II) Verdadeira. III) Falsa. Se essa máquina operasse em um ciclo de Carnot, o trabalho útil seria de 1 562,5 J. IV) Verdadeira. V) Falsa. A primeira lei da Termodinâmica seria violada se a soma do calor rejeitado com o trabalho útil fosse maior que o calor fornecido pela fonte quente. Resoluções nas Orientações para o professor.

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David et al. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 9. ed. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 279.

Qual é o rendimento dessa máquina térmica? a ) 10%

b ) 30%

Resposta: Alternativa c.

c ) 50%

d ) 65%

13. Atualmente, a busca por fontes de energia mais eficientes e sustentáveis tem sido uma prioridade global. As usinas termelétricas, que utilizam combustíveis fósseis, como carvão, petróleo ou gás natural, ainda são muito utilizadas em várias partes do mundo. Nesses sistemas, as máquinas térmicas são fundamentais para a geração de eletricidade ao converter energia térmica em energia mecânica, que por sua vez é transformada em eletricidade. No entanto, o uso desses combustíveis gera grandes quantidades de gases de efeito estufa, contribuindo para as mudanças climáticas. Além disso, a segunda Lei da Termodinâmica impõe limitações à eficiência dessas usinas, fazendo com que parte do calor seja desperdiçada, diminuindo o aproveitamento da energia. Imagine uma pessoa que trabalha em uma usina termelétrica e está encarregada de otimizar o processo de geração de energia. Ela sabe que a eficiência da usina está diretamente relacionada às temperaturas da fonte quente e da fonte fria. Ela também considera o impacto ambiental da usina e busca maneiras de reduzir a emissão de poluentes enquanto potencializa a eficiência energética. Com base na situação descrita, explique o funcionamento de uma usina termelétrica, a aplicação da segunda lei da Termodinâmica nesses tipos de usinas e os impactos ambientais com relação ao uso de combustíveis fósseis. Por fim, cite exemplos de possibilidades de aumentar o rendimento e reduzir o impacto ambiental.

13. Resposta: Espera-se que os estudantes mencionem que esse tipo de usina converte a energia térmica em energia elétrica por meio da queima de combustíveis fósseis. Além disso, devido à segunda Lei da Termodinâmica, parte do calor gerado é sempre desperdiçada para uma fonte fria. Por fim, espera-se que os estudantes citem a utilização de fontes renováveis para a diminuição dos impactos ambientais.

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CAPÍTULO

Sons e audição humana

Ondas sonoras

3. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a refletir sobre a relação deles com a tecnologia e os cuidados que devem ser tomados com a saúde auditiva, que estão relacionados à intensidade do som e ao tempo que usam os fones de ouvido. A falta desses cuidados pode levar ao desenvolvimento de problemas auditivos.

A audição é um dos cinco sentidos que permite ao ser humano obter estímulos e interpretar o ambiente ao redor. Além de perceberem sons do ambiente, as orelhas têm estruturas que auxiliam no equilíbrio e no senso de localização. 1. Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que percebemos as ondas sonoras por conta da audição.

1. Qual é o tipo de estímulo do ambiente que percebemos por meio do sentido da audição? 2. Qual é o órgão do corpo responsável por captar esses estímulos? Resposta: As orelhas. 3. Ao usar seu smartphone ou outros aparelhos de áudio, você toma os cuidados recomendados para preservar sua saúde auditiva?

Nos últimos anos, a Organização Mundial da Saúde (OMS) vem alertando sobre a grande incidência de problemas auditivos na população global, muitas vezes causados por hábitos que poderiam ser evitados. Leia a manchete e a linha fina a seguir.

Você tem o costume de usar fone de ouvido? Saiba como o mau uso pode causar perda auditiva Alguns hábitos modernos estão ligados a problemas auditivos em pacientes cada vez mais jovens; veja como prevenir PERES, Edis Henrique. Você tem o costume de usar fone de ouvido? Saiba como o mau uso pode causar perda auditiva. Gov.br, 3 mar. 2023. Disponível em: https://www.gov.br/saude/pt-br/assuntos/noticias/2023/ marco/voce-tem-o-costume-de-usar-fone-de-ouvido-saiba-como-o-mau-uso-pode-causar-perda-auditiva. Acesso em: 13 ago. 2024.

Atualmente, o uso de fones de ouvido faz parte do cotidiano de muitas pessoas. No entanto, o uso inadequado dessa tecnologia pode prejudicar a saúde. Escutar música usando fones de ouvido, com volume acima do recomendado e por longos períodos, pode causar danos irreversíveis ao aparelho auditivo, isso porque a fonte sonora está muito perto da orelha interna.

Os níveis sonoros aos quais as orelhas são submetidas e a duração da exposição são os dois principais fatores a serem considerados com relação à saúde auditiva. Pequenos ruídos, inofensivos em um primeiro momento, podem levar a graves consequências com o passar do tempo, como a perda total da audição.

Cast Of Thousands/Shutterstock.com

Mas não é somente o uso de fones de ouvido que pode prejudicar a saúde. No cotidiano, geralmente estamos expostos a vários tipos de ruídos, com diferentes intensidades. A exposição prolongada ao ruído pode gerar dores de cabeça, cansaço, elevação da pressão arterial, perda de concentração e irritabilidade. Além disso, pode prejudicar o funcionamento dos sistemas circulatório, respiratório e digestório.

Pessoa usando fones de ouvido para ouvir música.

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UNIDADE

6 A tabela apresenta alguns limites de tolerância para ruídos contínuos e intermitentes. Para termos uma referência, o nível sonoro de 100 dBcorresponde ao som de um fone de ouvido com volume alto. Limites de tolerância para ruído contínuo ou intermitente Nível sonoro do ruído (dB)

Máxima exposição diária indicada

8 h

4 h

2 h

100

1 h

104

35 min

112

10 min

115

7 min

Fonte de pesquisa: BRASIL. Ministério da Saúde. Perda auditiva induzida por ruído (Pair). Brasília: MEC, 2006. (Série A. Normas e Manuais Técnicos). p. 11. Disponível em: http://bvsms. saude.gov.br/bvs/publicacoes/protocolo_perda_auditiva.pdf. Acesso em: 6 set. 2024.

Para compreender melhor como ouvimos e como os ruídos intensos podem prejudicar nossa audição, vamos analisar as características das ondas sonoras. Adriano Kirihara/Pulsar Imagens

Uma onda sonora é qualquer onda de natureza mecânica longitudinal e tridimensional que pode ser produzida pela vibração de materiais, como as cordas e/ou as membranas de instrumentos musicais. As ondas e os fenômenos ondulatórios relacionados a elas estão muito presentes no dia a dia das pessoas e são fundamentais, especialmente para os seres humanos que têm órgãos dos sentidos especializados para recebê-las – as orelhas e os olhos, por exemplo. 4. As ondas que estimulam o sistema auditivo são as mesmas que estimulam o sistema visual? Justifique sua resposta.

Pessoas tocando instrumentos na comunidade quilombola de Inhanhum, no município de Santa Maria da Boa Vista (PE), em 2019.

Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que são ondas de natureza diferentes. As ondas que estimulam o sistema auditivo são as mecânicas (sons); já as ondas que estimulam o sistema visual são as eletromagnéticas (luz).

Uma perturbação na água, por exemplo, permite verificar a formação e propagação de uma onda. Quando a superfície da água em equilíbrio sofre uma perturbação, a energia fornecida é transportada pela superfície. De acordo com a perturbação, a onda pode se propagar na água em duas dimensões, como mostrado na fotografia apresentada.

Mario7/Shutterstock.com

Ondas são perturbações que se propagam transportando energia, sem que ocorra o transporte de matéria. Essa é uma definição geral que abrange todas as ondas, como as que ocorrem na água, as sonoras, as luminosas, as de rádio, entre outras.

Onda se propagando na superfície da água, em duas dimensões, formando circunferências concêntricas.

Compartilhe ideias

As ondas são perturbações que transportam energia pelo espaço sem o transporte de matéria. a ) Junte-se a um colega e encontrem uma maneira de mostrar que, ao provocar uma oscilação em um meio material, ela transfere energia ao longo de todo o meio. Em seguida, gravem e editem um vídeo para mostrar aos colegas como vocês fizeram. a) Resposta: Espera-se que os estudantes percebam que a oscilação transfere energia ao longo de toda a mola ao notar que o pulso percorre toda a sua extensão e, ao chegar à outra extremidade, sofre reflexão e retorna até perder energia. Também é esperado que verifiquem que não há transporte de matéria, pois, quando a onda se desloca pela extensão da mola, a fita de tecido permanece no mesmo local onde foi colocada.

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Quanto à luz e ao som, ambos são perturbações que se propagam como ondas, mas têm naturezas completamente diferentes. Enquanto o som é uma onda mecânica, a luz é uma onda eletromagnética. As ondas mecânicas necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, a perturbação causada em um meio material gera uma onda que se propaga pelo próprio meio. As ondas em uma corda, as ondas na água, o som e as ondas sísmicas são exemplos de ondas mecânicas. Como essas ondas se propagam em meios materiais, sua velocidade depende das características desse meio, sendo constante em meios homogêneos. 5. As ondas mecânicas se propagam no vácuo? Justifique sua resposta.

Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que não, pois, no vácuo, por definição, não há matéria para que as ondas mecânicas se propaguem.

Ondas sísmicas: é a vibração em rochas causada pela liberação de energia proveniente do interior da Terra. Essa onda está relacionada à ocorrência de terremotos.

As ondas eletromagnéticas têm propriedades elétricas e magnéticas e não necessitam de um meio material para se propagar. Ondas luminosas, de rádio e de televisão, raios X, radiação ultravioleta e infravermelha são exemplos de ondas eletromagnéticas. No vácuo, as ondas eletromagnéticas se propagam com a velocidade da luz, representada pelo símbolo c

(c = 3 · 10 m/s), e diferem entre si nos valores de suas frequências e de seus comprimentos de onda. 8

sciencephotos/Alamy/Fotoarena

Características de uma onda A maior parte das informações que recebemos do ambiente ao redor chega até nós por meio de ondas. Algumas delas podem ser visualizadas em um osciloscópio, como na fotografia apresentada, que apresenta a forma da onda sonora gerada por um instrumento musical. O osciloscópio mostra a amplitude, o comprimento de onda, o período e a frequência do som emitido pelo instrumento. Considere a imagem a seguir, que representa uma onda se propagando por uma corda, com uma de suas extremidades fixas, mas sem que ocorra sua reflexão. Nessa configuração, destacamos duas de suas características: a amplitude e o comprimento de onda. Osciloscópio: aparelho que mostra em uma tela padrões de imagens característicos da onda.

propagação: direção horizontal

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Pessoa tocando um trompete próximo a um microfone conectado a um osciloscópio.

A oscilação: direção vertical

Representação de uma onda periódica se propagando em uma corda, indicando a direção de oscilação e de propagação.

λ Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. Tradução: Ronaldo S. de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 119.

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A amplitude (A) é a distância máxima de afastamento de cada ponto da corda em relação ao ponto de equilíbrio, e é expressa em metro ( m) no SI. A parte mais elevada da onda é chamada crista e a parte mais baixa, vale. Perceba que a amplitude está relacionada com a energia fornecida à corda, pois, quanto mais alto a mão da pessoa se elevar, mais energia ela fornecerá e maior será a amplitude da onda.

UNIDADE

O comprimento de onda ( λ) é a distância entre duas cristas consecutivas, ou entre dois vales consecutivos, e é expresso em metro ( m) no SI. Para que a energia percorra um comprimento de onda, cada parte da corda deve executar uma oscilação completa, ou seja, executar um movimento para cima, para baixo, e retornar à posição de equilíbrio. O período e a frequência são duas outras características que definem uma onda. Para qualquer movimento periódico, período (T) é o tempo necessário para que ocorra uma oscilação completa, expresso em segundo ( s) no SI, e frequência (f) corresponde ao número de repetições por unidade de tempo, expressa em hertz no SI. 1 1 T = _ ou f = _ T f Dica

Professor, professora: Explique aos estudantes que a frequência e, consequentemente, o período de uma onda dependem da fonte que os gerou.

Acesse o simulador do Phet Interactive Simulations e gere diferentes tipos de ondas. Ajuste seus elementos e observe os efeitos provocados. Disponível em: https://phet.colorado.edu/ pt_BR/simulation/waves-intro. Acesso em: 12 set. 2024.

Velocidade de propagação de uma onda A velocidade de propagação de uma onda está relacionada à sua natureza e ao meio físico no qual ela se propaga. Em meios homogêneos e isotrópicos, como não há mudança em suas propriedades físicas, a onda se propaga com velocidade constante. Para verificar uma forma de calcular a velocidade das ondas, considere novamente uma onda se propagando por uma corda. Cada perturbação na corda leva um intervalo de tempo ( T) para percorrer a distância de um comprimento de onda ( λ) . Assim, considerando o cálculo da velocidade constante com base na velocidade média, temos que: λ ∆s λ v = _ = _∴ v = _ ∆t T T

Como o período é o inverso da frequência, a velocidade de propagação de uma onda pode ser escrita como: v = λ · f Essa relação é conhecida como equação fundamental das ondas e vale para qualquer tipo de onda. Dica

Professor, professora: Pergunte aos estudantes por que, durante uma tempestade, vemos a luz emitida por um relâmpago segundos antes de ouvirmos o ruído do trovão gerado pelo mesmo raio. Espera-se que relacionem esse fato à natureza das duas ondas e à interferência do meio na velocidade de sua propagação.

Se as características do meio não forem alteradas, para ondas que se propagam com a mesma velocidade, o comprimento de onda será inversamente proporcional à frequência. Da mesma forma, se a frequência das ondas é a mesma, quanto maior for seu comprimento de onda, maior será sua velocidade, proporcionalmente à distância percorrida pela energia a cada oscilação.

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Além das características citadas anteriormente, as ondas podem ser classificadas como transversais e longitudinais de acordo com sua forma.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Quando geramos uma oscilação em uma corda tensionada, cada parte da corda realiza um movimento para cima e para baixo em torno da posição de equilíbrio enquanto a onda se propaga. Nesse caso, o movimento de cada elemento da corda é perpendicular à sua direção de propagação, o que caracteriza uma onda transversal. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

propagação horizontal

Representação de uma onda transversal indicando a direção da oscilação e da propagação da onda.

oscilação vertical

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. Tradução: Ronaldo S. de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 2. p. 119.

Dica As ondas na água e as ondas eletromagnéticas são exemplos de ondas transversais.

Outro modo de oscilação das ondas acontece quando as partes que constituem o meio se movem para a frente e para trás enquanto a onda se propaga. Considere uma mola posicionada na horizontal, tendo uma de suas extremidades livre, puxada e empurrada rapidamente. Essa perturbação fornece à mola energia que se propaga na forma de um pulso. Se a perturbação causada na mola se repetir periodicamente, as partes da mola vão oscilar na mesma direção de propagação da onda, caracterizando uma onda longitudinal. Essa propagação ocorre por compressão e rarefação do meio físico.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

oscilação horizontal

propagação horizontal

Representação de uma onda longitudinal se propagando em uma mola antes de sua reflexão no ponto fixo.

As ondas sonoras também são exemplos de ondas longitudinais, pois o movimento oscilatório de partes do meio tem a mesma direção da propagação da onda. No ar, o som é constituído por compressões e rarefações das partículas do ar, como representado na imagem. Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Representação da propagação longitudinal do som, que corre de forma tridimensional nos ambientes.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 378.

Características do som Durante a fala de uma pessoa, as ondas sonoras emitidas por ela são captadas pelas orelhas, que as convertem em estímulos nervosos. A orelha humana é constituída de três regiões principais: orelha externa, orelha média e orelha interna.

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6. De olhos vendados, você

consegue reconhecer uma pessoa somente pelo som de sua voz? De que forma?

Resposta: O objetivo desta questão é levar os estudantes a perceber que podemos identificar uma pessoa analisando algumas características de sua voz, como timbre.

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As ondas sonoras são captadas pela orelha externa e direcionadas pelo canal auditivo para a membrana timpânica, que vibra com a mesma frequência da onda incidente. Essa vibração é transmitida ao martelo, à bigorna e ao estribo, pequenos ossos da orelha média. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Daniela Mota/Arquivo da editora

martelo

bigorna

Representação das estruturas da orelha humana.

UNIDADE

vestíbulo membrana timpânica

cóclea estribo Imagem elaborada com base em: TORTORA, Gerard J.; DERRICKSON, Bryan. Corpo humano: fundamentos de anatomia e fisiologia. Tradução: Alexandre Lins Verneck et al. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. p. 311.

Dica A orelha de uma pessoa sem problemas de audição é capaz de detectar sons na faixa de 2 0 Hz a 20 000Hz( 20 kHz), que são as frequências audíveis. Ondas sonoras com frequência abaixo de 20 Hzsão chamadas infrassons e ondas com frequência acima de 20 000Hz, ultrassons.

O estribo movimenta-se para a frente e para trás, transmitindo esse movimento à janela do vestíbulo e à cóclea. Dentro dela há pequenos cílios, cujos movimentos emitem sinais elétricos, transmitidos pelo sistema nervoso até o cérebro, onde o som é interpretado. A forma como o corpo humano recebe e interpreta o som também depende das características das ondas sonoras, como você já deve ter percebido. A frequência das fontes emissoras faz com que o sistema auditivo seja estimulado por diferentes vibrações, que estão relacionadas à altura, ao timbre e à intensidade das ondas. A altura qualifica os sons em graves ou agudos. Apesar do costume de relacionarmos erroneamente a altura de um som ao seu volume, o som baixo tem frequência baixa, o que caracteriza um som mais grave, como o emitido por um contrabaixo.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Já o som alto tem frequência alta, o que caracteriza um som mais agudo, como o emitido por uma guitarra elétrica. Confira a comparação de duas ondas sonoras emitidas por um contrabaixo e uma guitarra para um professora: Explique aos estudantes que uma onda sonora tem direção de perturbação longitudinal. No intervalo de 0,1 s. Professor, entanto, a onda representada na ilustração consiste em uma onda transversal. Diga que essa escolha de representação 0,1 s

0,1 s

é meramente ilustrativa para fins didáticos. Imagens elaboradas com base em: TREFIL, James; HAZEN, Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo S. de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 2. p. 9.

Representação de uma onda sonora de 40 Hz, mais grave do que uma onda sonora de 100 Hz.

Representação de uma onda sonora de 100 Hz, mais aguda que uma onda sonora de 40 Hz.

Sons de mesma altura, ou seja, mesma frequência, podem ser emitidos por fontes sonoras distintas, como uma flauta ou um violino. Porém, é possível diferenciar o som emitido por esses instrumentos por causa do timbre, característica que o torna diferente dos demais.

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O diapasão é um dispositivo de metal em forma de forquilha, utilizado para afinar instrumentos por meio de fenômenos ondulatórios que estudaremos a seguir. Ele pode estar fixado a uma caixa de ressonância, que amplifica o som gerado, e um martelo de percussão, utilizado para perturbá-lo, como na fotografia. Ao ser perturbado, o diapasão emite um som com uma única frequência constante.

Daily Stocker/Shutterstock.com

Quando instrumentos musicais diferentes emitem a mesma nota musical, os sons escutados têm a mesma altura, pois é a frequência que define a nota. Por exemplo, uma nota Lá com frequência de 4 40 Hzpode ser emitida por diversos instrumentos.

Diapasão com caixa de ressonância e martelo de percussão.

Diferentemente do diapasão, que emite uma frequência única, na maioria dos sons musicais, a frequência resulta de uma composição de sons com frequências diferentes, chamados componentes. A variedade desses componentes e suas intensidades relativas definem o timbre do instrumento, ou seja, seu som característico. Assim, uma mesma nota musical emitida por instrumentos diferentes terá seus timbres característicos, pois, como cada onda terá a própria composição, o formato da onda resultante será distinto, como mostrado nas imagens a seguir. Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Representação de uma nota musical emitida por uma flauta.

Representação da mesma nota musical, de mesma frequência, emitida por um violino. Imagens elaboradas com base em: TREFIL, James; HAZEN, Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo S. de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 2. p. 37.

O resultado é que, ao escutarmos as mesmas notas musicais emitidas pela flauta e pelo violino, é possível distinguir de qual instrumento o som foi emitido pelas características próprias das ondas, isto é, em razão do timbre de cada instrumento. O mesmo ocorre com a voz: conseguimos diferenciar e identificar as pessoas por ela, porque cada indivíduo tem um timbre distinto. A intensidade é a qualidade que permite diferenciar um som forte de um som fraco. Ela representa a energia transportada pela onda sonora desde sua fonte e pode ser intensificada ao aumentar a amplitude de vibração da fonte sonora. Quando estamos próximo de uma fonte emissora e escutamos um som, a quantidade de energia recebida pelas orelhas é maior do que quando ouvimos o mesmo som estando distante da fonte, tornando-o mais Professor, professora: Relacione o forte ou mais fraco.

que foi mencionado no parágrafo anterior ao uso de fones de ouvido. Quando eles estão em nossa orelha, Dica ouvimos os sons em volume alto. O mesmo som pode ser considerado mais forte ou mais fraco se suas Quando os tiramos, ouvimos os oscilações tiverem amplitudes maiores ou menores, respectivamente. sons em um volume fraco.

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UNIDADE

6 Propriedades do som Quando falamos em intensidade, é importante considerar que, embora o som dependa da amplitude de vibração da fonte, as ondas sonoras transportam energia de uma região à outra. Portanto, a intensidade ( I) de uma onda sonora está relacionada com a energia (E) transportada pela onda por uma superfície a cada intervalo de tempo (Δt), ou seja, está relacionada com a potência (P) de transferência da energia por área (A) onde o som se propaga.

Dica

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

E P I = _ ∴ I = _ ∆t · A A

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

A 1< A 2

fonte emissora

Representação da variação da intensidade do som em relação à fonte emissora.

E Lembre-se de que a potência é dada por: P = _ . ∆t

No SI, potência é expressa em watt ( W), área é expressa em metro quadrado ( m 2) e intensidade é expressa em watt por metro quadrado ( W/m 2). Assim, quanto mais distante da fonte emissora, menor a intensidade da onda sonora, pois maior é sua área de propagação. A intensidade do som corresponde a um atributo físico de uma onda sonora, mas o volume do som, por outro lado, é uma sensação fisiológica, pois cada pessoa pode caracterizar um mesmo som de diferentes formas. A.PAES/Shutterstock.com

O limiar da audição humana corresponde a uma intensidade (I0) de 10 −12W/m 2, valor tomado como referência, mesmo correspondendo a um som dificilmente escutado. Já uma onda com intensidade de 1 W/m 2, como o som ouvido em uma apresentação musical quando estamos próximo ao palco, tem energia que pode danificar estruturas internas da orelha. Em razão do desconforto causado, essa intensidade é conhecida como limiar da dor. Como o intervalo de intensidades sonoras que o ser humano é capaz de escutar é amplo, utilizamos uma escala para representar essas potências de base 10, denominada Apresentação musical na cidade do Rio de Janeiro (RJ), em 2023. nível sonoro (β), cuja grandeza é medida em bel ( B). Essa unidade de medida foi chamada dessa forma em homenagem ao cientista escocês, naturalizado estadunidense, Alexander Graham Bell (1847-1922), que desenvolveu trabalhos relacionados à fisiologia e à transmissão do som, dos quais resultou uma de suas mais famosas contribuições: a invenção do telefone. O nível sonoro é baseado na intensidade mínima I0, correspondendo a zero bel ( β = 0 B), e expresso utilizando o submúltiplo do decibel (dB), sendo que 1 Bequivale a 10 dB(dez decibéis). Podemos determinar o nível sonoro, tendo I0 como referência, com a relação a seguir. I β = 10 · log _ I0

Dica A multiplicação por 10 expressa o valor do nível sonoro obtido em decibel.

Os danos fisiológicos ao sistema auditivo começam a acontecer quando as orelhas são expostas a níveis sonoros a partir de 8 5 dB, dependendo do tempo de exposição e das características de sua frequência. Tais danos podem ser temporários ou permanentes, dependendo dos danos causados nas células que compõem o órgão de Corti, localizado na orelha interna, responsável por converter o som em sinais elétricos.

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Fenômenos sonoros Diversos fenômenos sonoros do cotidiano estão relacionados a efeitos que ocorrem quando as ondas sonoras atingem obstáculos. Um exemplo disso é o eco. Para compreender como esses fenômenos ocorrem, vamos estudar a seguir alguns fenômenos ondulatórios.

7. Você já presenciou uma

situação em que ocorreu o eco? Por que ele acontece em alguns lugares e em outros não?

Reflexão do som As ondas sonoras refletem em superfícies, assim como as ondas luminosas, seguindo as leis da reflexão, i ) tem a mesma medida que o ângulo de reflexão ( ˆ r ) . em que o ângulo de incidência ( ˆ Quando uma fonte emite som, podemos ouvi-lo pelas ondas que chegam diretamente às orelhas e pelas ondas refletidas em obstáculos, como representado na imagem.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

De acordo com a situação, a reflexão do som pode ser percebida de diferentes formas. A orelha humana tem uma persistência auditiva de aproximadamente 0,1 s, que corresponde ao intervalo de tempo da sensação auditiva de um som. Logo, dois sons podem ser distinguidos quando escutados em intervalos de tempo maiores do que a persistência auditiva. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Representação da reflexão das ondas sonoras em um obstáculo.

fonte sonora

iˆ rˆ

7. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre alguns fenômenos sonoros relacionados ao eco. Espera-se que eles relacionem o eco à reflexão do som e notem que podemos perceber esse fenômeno de acordo com alguns fatores, como a distância da fonte sonora, o obstáculo e nossas orelhas.

obstáculo ouvinte

Quando o intervalo de tempo em que a orelha recebe o som diretamente e o som refletido é muito menor do que 0,1 s, a sensação auditiva é reforçada e o som fica mais intenso. É o que ocorre quando cantamos no boxe do banheiro. Se o intervalo de percepção entre os sons for aproximadamente 0 ,1 s, ocorre o fenômeno da reverberação, quando sons refletidos em obstáculos chegam à orelha antes da extinção total da sensação auditiva do som que chegou diretamente. Nesse caso, apenas um som é escutado, com duração prolongada. A reverberação pode ser percebida em quadras esportivas fechadas, auditórios e locais de eventos. A arquitetura, como a de conchas acústicas, melhora a acústica e o som gerado em um ambiente. Quando o intervalo de tempo em que a orelha recebe o som direto e o som refletido é maior do que 0,1 s, pode ocorrer o fenômeno do eco. Nesse caso, a pessoa ouve os dois sons distintamente. Dica Considerando a velocidade do som no ar como 3 40 m/s, uma pessoa consegue ouvir o eco da própria voz quando o intervalo de tempo entre o som gerado e a percepção do som escutado é maior do que 0,1 s, ou seja, a 17 mde um obstáculo.

O eco é usado em sonares de navios, que enviam ondas sonoras e medem o intervalo de tempo em que recebem as ondas refletidas, determinando assim obstáculos e profundidades, além de certos animais, como o golfinho, que realizam a ecolocalização. Os golfinhos enviam ondas sonoras geralmente em uma frequência inaudível para o ser humano. Elas se chocam com as presas e os obstáculos, retornam na forma de eco e são decodificadas pelos animais.

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UNIDADE

6 Refração do som Assim como a luz varia sua velocidade ao passar de um meio físico para outro, podendo desviar sua trajetória, as ondas sonoras também sofrem refração, variando sua velocidade e seu comprimento de onda. No entanto, não ocorre a variação da sua frequência, que depende apenas da fonte emissora, independentemente do seu meio de propagação. A velocidade de uma onda mecânica depende do meio onde ela é produzida e como ela é propagada, podendo ter valores diferentes quando se propaga em um mesmo meio. A presença de vento e a temperatura do ambiente são fatores que alteram as características do ar, como sua densidade, e, consequentemente, alteram a velocidade de propagação das ondas sonoras. Confira a seguir. Em dias quentes, a camada de ar mais próximo ao solo tem maior temperatura do que as camadas superiores. Com isso, a velocidade do som nessa camada é maior por causa da maior vibração das partículas que compõem o ar. As ondas sonoras, então, sofrem uma redução de velocidade quando passam entre as camadas, curvando-se para cima de modo a se afastar do solo (imagem A). Quando a camada de ar próximo ao solo está mais fria, ocorre o desvio contrário (imagem B).

ar frio

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

ar quente Ilustrações: Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

ar quente

ar frio

Representação da refração do som quando a camada de ar frio está acima da camada de ar quente.

Representação da refração do som quando a camada de ar frio está abaixo da camada de ar quente.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 381.

Difração do som

8. Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes respondam, com base em sua vivência, que as ondas sonoras são capazes de contornar obstáculos.

8. Por que conseguimos ouvir uma pessoa que esteja do outro lado de uma porta, mesmo sem poder vê-la?

Fotos: Steve Cymro/Shutterstock.com

A situação da questão anterior está relacionada a um fenômeno chamado difração, no qual as ondas contornam a barreira de um obstáculo ou atravessam orifícios com dimensões próximo a seu comprimento de onda, espalhando-se para o ambiente.

Representação da difração de uma onda sonora com comprimento de onda semelhante à largura da fenda.

Representação da difração de uma onda sonora em uma fenda com largura menor que o comprimento de onda.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 546.

Resposta. Os estudantes

9. Cite outra situação em que podemos perceber a difração do som. podem citar duas pessoas, Dica Quando uma onda sofre difração, permanecem constantes a frequência, o comprimento de onda e a velocidade de propagação da onda.

uma em cada lado de um muro, conversando. Embora não possam se ver, elas podem conversar, pois o som emitido por uma consegue contornar o muro e chegar à outra.

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Interferência das ondas sonoras As ondas sonoras, como qualquer outro tipo de onda, podem ter interferências. Elas ocorrem quando duas ou mais ondas, propagando-se no mesmo meio, cruzam-se gerando efeitos ondulatórios que podem ser somados, reduzidos ou neutralizados, dando origem a uma interferência construtiva ou destrutiva. A interferência pode ocorrer com base na superposição de ondas sonoras emitidas por duas ou mais fontes, ou por ondas que são refletidas. Em certos pontos do meio onde ocorre a interferência, o som gerado terá intensidade maior, pois os efeitos das fontes se somam. É o caso da figura a seguir, na qual uma pessoa está à mesma distância de dois alto-falantes. Considerando que as fontes emitem sons idênticos e com frequência fixa, o som que chega até o ouvinte será de intensidade maior. As ondas se encontram em fase, pois percorrem a mesma distância, e terão suas amplitudes somadas. Se esse ouvinte andar para o lado, a meio comprimento de onda em relação às fontes, o som produzido será fraco ou ocorrerá um silêncio. Tal efeito é considerado uma interferência destrutiva e é aplicado em tecnologias antirruído, como em cabines de aviões.

Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

fontes sonoras

ouvinte

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 384.

Representação da interferência de ondas sonoras.

Ressonância das ondas sonoras

A ressonância é basicamente um fenômeno em que ocorre a transferência de energia de um sistema para outro. Assim, se um sistema físico passa a receber energia de forma periódica, com uma frequência igual à sua frequência natural, passa a vibrar com amplitudes crescentes, com tendência para o maior valor possível. Quando isso ocorre, dizemos que o sistema entrou em ressonância.

library of congress/SPL/Fotoarena

No dia 7 de novembro de 1940, a Ponte de Tacoma Narrows, localizada sobre o Estreito de Tacoma, em Washington, Estados Unidos, desabou. Esse fato histórico está relacionado a um fenômeno ondulatório conhecido como ressonância. Na ocasião, a frequência dos ventos no local era igual a uma das frequências naturais da ponte, fazendo a ponte oscilar em máxima amplitude, destruindo-a.

Colapso da Ponte de Tacoma Narrows, em Washington, nos Estados Unidos, em 1940.

Em acústica, esse fenômeno corresponde a uma sobreposição de ondas sonoras, aumentando a intensidade do som e provocando a sensação de que o som ficou mais alto. Se o corpo que interage com a onda sonora tem frequência igual à da fonte de emissão, ele absorverá energia e passará a vibrar. Frequências naturais: é a frequência com que um sistema vibra livremente, de acordo com as características dos materiais e a maneira como ele foi construído, sem considerar as interferências externas.

Professor, professora: Explique aos estudantes que as caixas de ressonância funcionam como amplificadores de som. O ar que está contido em seu interior entra em vibração com a mesma frequência da fonte sonora, aumentando a intensidade do som produzido.

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Efeito Doppler Sabemos que a frequência de uma onda não se altera, pois está diretamente associada à fonte emissora, não importa por qual fenômeno ondulatório a onda passe.

UNIDADE

Esse efeito pode ser percebido em situações que apresentam fontes que emitem ondas sonoras em todas as direções. Se dois observadores em repouso, um no ponto Pe o outro no ponto P’, recebem o som emitido pela buzina de um veículo, também em repouso, ambos percebem o som com a mesma frequência. ’, o observador colocado nesse Se a fonte sonora se deslocar com certa velocidade na direção do ponto P ponto receberá as frentes de onda com maior frequência, percebendo um som mais alto, ou seja, mais agudo, e o comprimento de onda parecerá menor. Já o observador no ponto Preceberá frentes de onda com uma frequência menor, percebendo um som mais baixo, ou seja, mais grave, e o comprimento de onda parecerá maior. Essa mudança na frequência percebida por causa do movimento relativo entre a fonte sonora e o observador é conhecida como efeito Doppler, em homenagem ao matemático e físico austríaco Christian Johann Doppler (1803-1853). Ele verificou, em 1842, que o efeito era válido tanto para as ondas sonoras quanto para as luminosas.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

P’

Representação de frentes de onda de som geradas por uma buzina de um veículo em repouso.

Representação de frentes de onda de som geradas por uma buzina de um veículo em movimento.

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 365-366.

Se as células se movem na direção do detector, a frequência da onda refletida é maior do que a da onda emitida; quando se movem na direção oposta, a onda refletida tem frequência menor. Por convenção, o fluxo na direção do detector é identificado pela cor vermelha, e na direção oposta ao detector, pela cor azul. Shipov Oleg/Shutterstock.com

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Existem várias aplicações do efeito Doppler no cotidiano. Alguns aparelhos de ultrassonografia utilizam o efeito Doppler para analisar o fluxo sanguíneo nas veias. O aparelho emite um ultrassom que é refletido pelas células do sangue, principalmente as hemácias, e analisa a onda refletida.

Professor, professora: Peça aos estudantes que citem uma situação do cotidiano em que podemos notar o efeito Doppler. Eles podem citar como exemplo uma ambulância ou viatura de polícia passando com a sirene ligada, situação em que percebemos sons diferentes na aproximação e no afastamento.

Dica O físico francês Hyppolyte Fizeau (1819-1896) realizou experimentos sobre o mesmo fenômeno para determinar os deslocamentos das estrelas em relação à Terra, por isso o fenômeno também é conhecido por efeito Doppler-Fizeau.

Imagem que representa o fluxo sanguíneo na artéria carótida obtido por ultrassom com Doppler.

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ATIVIDADES

1. Resposta: A velocidade do som nos sólidos é maior do que nos gases. Assim, o som emitido pelo galope dos cavalos é transmitido mais rapidamente pelo chão do que pelo ar, contribuindo para que os indígenas percebam com antecedência a sua chegada.

1. Os antigos indígenas norte-americanos encosta-

vam a orelha no chão a fim de averiguar se havia cavalaria vindo em sua direção. Explique o motivo dessa atitude.

2. Escreva a alternativa correta com relação à altura do som, propriedade que o caracteriza como grave ou agudo. a ) Um som grave é aquele com frequência alta. b ) Um som agudo se propaga mais rapidamente do que um som grave. c ) A velocidade de propagação é a mesma tanto para o som agudo como para o grave. d ) A altura do som está relacionada com a amplitude da onda sonora.

3. Durante um ensaio, o vocalista de uma banda percebe algumas diferenças nos sons emitidos pelos instrumentos e comenta com o engenheiro de som: “A guitarra parece mais aguda em algumas partes, enquanto o baixo soa mais grave. Além disso, mesmo que o volume da bateria esteja parecido com o das cordas, consigo distinguir facilmente cada instrumento”. Com base nas características fisiológicas do som, analise as afirmações a seguir e escolha a opção correta: Resposta: Alternativa c. a ) A diferença entre os sons agudos e graves percebidos pelo vocalista está relacionada à intensidade do som emitido pelos instrumentos. b ) A capacidade do vocalista de distinguir entre os sons da bateria e dos outros instrumentos está associada à diferença de altura entre os sons emitidos. c ) A guitarra ser percebida como “aguda” e o baixo como “grave” corresponde à diferença de frequência das ondas sonoras produzidas por esses instrumentos. d ) O fato de o vocalista identificar todos os instrumentos, mesmo com volumes semelhantes, deve-se à maior intensidade sonora da bateria em relação às cordas. e ) A percepção de sons agudos e graves está relacionada diretamente ao timbre dos instrumentos musicais.

4. Determine a intensidade de uma onda sonora

que transporta 0,3 Jde energia por uma área de 4 cm2, a cada 2 s. Resposta: I = 375 W/m 2 Resoluções das questões 4 e 5 nas Orientações para o professor.

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NÃO ESCREVA NO LIVRO.

5. Um pescador, parado no oceano, observa o mo-

vimento das ondas ao seu redor. Ele nota que, a cada 2 s, uma nova onda passa pelo seu barco. Ao medir a distância entre duas cristas consecutivas, ele observa uma distância de 4 m. Qual é a frequência e o comprimento de onda das ondas que o pescador está observando? Resposta: f = 0,5 Hze λ = 4 m.

6. Em um imóvel, as paredes delimitam cada cômo-

do, assim como suas portas e janelas. Uma pessoa localizada na cozinha consegue conversar com uma pessoa localizada no quarto se a porta estiver totalmente aberta. Escreva a alternativa que apresenta o(s) fenômeno(s) que ocorre(m) com as ondas sonoras e que torna(m) possível a situação descrita. Resposta: Alternativa d. a ) Reflexão. b ) Difração. c ) Reflexão e refração. d ) Reflexão e difração.

2. Resposta: Alternativa c. As ondas sonoras têm a mesma velocidade no ar, aproximadamente, independentemente de o som ser agudo ou grave.

e ) Reflexão, refração e difração.

7. Um navio da marinha utiliza um sonar para de-

tectar um obstáculo submerso. O intervalo de tempo que o pulso leva para chegar ao obstáculo e retornar ao navio é de 4 s. Sabendo que a velocidade do som na água é de 1500 m/s, determine a distância do obstáculo em relação 3 000 m ao navio. Resposta: Δs =

8. Em um concerto de rock, o alto-falante de um

dos amplificadores emite ondas sonoras de 2 kHz uniformemente em todas as direções. A 20 mde distância do amplificador, a intensidade do som é de 10−2 W/m2. Analise as afirmativas a seguir, considerando o limiar da audição como 10−12W/m2. Resolução nas Orientações para o professor.

I ) O nível sonoro do alto-falante a 20 mde distância é de 100 dB. II ) A potência sonora do alto-falante é de aproximadamente 50,3 W. III ) Uma pessoa a 4 mde distância do alto-falante sentirá desconforto, pois o nível sonoro nessa distância é de 120 dB. IV ) A frequência de 2 kHzrepresenta a altura do som emitido. Está(ão) correta(s): Resposta: Alternativa e. a ) I.

d ) III e IV.

b ) II e III.

e ) I, II e IV.

c ) I e II.

7. Como o tempo registrado é para ida e volta do pulso, o tempo somente de ida é igual a 2 s. Logo, a distância é ∆s ∆s _ ⇒ dada por: v = 1 500 = _ ⇒ ∆ s = 3 000 m. 2 ∆t

06/11/2024 16:18:44

9. O efeito Doppler é caracterizado pela alteração na

frequência percebida de um som em razão do movimento relativo entre o emissor e o receptor. Considere que uma viatura de polícia com a sirene ligada está se movendo em direção a um observador em uma calçada e avalie as afirmativas a seguir. I ) A frequência percebida será maior que a real se o observador estiver em repouso. II ) A frequência percebida será menor que a real se o observador estiver em movimento em direção à fonte. III ) A frequência percebida será igual se o observador estiver em movimento em direção à fonte. IV ) A frequência percebida será menor que a real após a viatura passar pelo observador e começar a se afastar dele. V ) A frequência percebida será maior que a real se o observador estiver em movimento em direção à fonte. Estão corretas as afirmativas: Resposta: Alternativa e. a ) I e III.

c ) II, IV e V.

b ) I e IV.

d ) I, II e IV.

e ) I, IV e V.

10. Durante uma apresentação musical, um cantor de ópera começa a cantar uma nota alta e constante. Em um momento, um copo de cristal é colocado sobre a mesa próximo ao palco. À medida que o cantor mantém a nota, o copo começa a vibrar até quebrar. Escreva a alternativa que apresenta o fenômeno que ocorre com as ondas sonoras e que torna possível a situação descrita anteriormente. Resposta: Alternativa b. a ) Difração. d ) Refração. b ) Ressonância. e ) Efeito Doppler. c ) Reflexão.

11. Durante uma palestra em um auditório, um dos estudantes percebe que, mesmo sentado atrás de uma parede que bloqueia a visão do palco, ele ainda consegue ouvir claramente o que o palestrante está dizendo. Ele se pergunta como isso é possível, já que a parede deveria bloquear o som, assim como bloqueia a luz. Resposta: Alternativa c.

Sobre essa situação, assinale a alternativa que melhor explica o fenômeno. a ) O som consegue contornar a parede porque a velocidade do som é maior que a da luz. b ) A capacidade do estudante de ouvir o palestrante se deve ao fenômeno de refração do som, que permite que as ondas atravessem a parede.

c ) O estudante consegue ouvir o palestrante devido à difração do som, que permite que as ondas sonoras contornem obstáculos e se espalhem.

UNIDADE

d ) A presença da parede reduz o volume do som, mas não impede que ele passe, devido à dispersão das ondas sonoras. e ) O som atravessa a parede porque as ondas sonoras têm menor frequência do que as ondas luminosas, permitindo que cheguem até o estudante.

12. Um veículo emite som por meio de uma buzina

numa frequência de 300 Hz. Sabendo que ele se movimenta com uma velocidade de 15m / se que a velocidade do som no ar é 340m / s, calcule a frequência percebida por uma pessoa em repouso quando o veículo se afasta e quando o veículo se aproxima dela. Resposta: f’≃ 2 87,3 Hzpara o veículo

Dica

se afastando e f’ ≃ 313,8 Hzpara o veículo se aproximando.

Resolução nas Orientações para o professor.

Utilize a equação geral do efeito Doppler, em que f’é a frequência percebida, fé a frequência da fonte, vs é a velocidade do som no meio, vo é a do observador e vf é a da fonte. vs ± vo f’= f · _ vs ± vf

Para a velocidade da fonte, atribuímos sinal positivo quando ela se afasta do observador e sinal negativo quando ela se aproxima do observador.

13. João está correndo a uma velocidade de 2 m/s

quando ouve o som de uma sirene vindo de uma ambulância. Se a frequência da fonte é igual a 80 Hze a ambulância se move a uma velocidade de 30 m/s em direção a João, qual é a frequência percebida por ele? A velocidade do som é igual a 340 m/s. Resposta: f′= 88,2 Hz. Resolução nas Orientações para o professor.

14. Em uma excursão em uma floresta, um grupo

de estudantes percebe que o som de suas vozes retorna após bater em uma parede rochosa (I). Também perceberam que o som de uma queda-d’água parece se espalhar quando passa através de duas árvores próximas (II). Mais à frente, percebem que o som do rio se mistura com o canto dos pássaros (III). O professor de Física que acompanha o grupo explica que esses fenômenos estão relacionados, respectivamente, a: a ) (I) Reflexão, (II) Difração, (III) Interferência. b ) (I) Refração, (II) Reflexão, (III) Interferência. c ) (I) Difração, (II) Reflexão, (III) Refração. d ) (I) Reflexão, (II) Refração, (III) Difração. e ) (I) Interferência, (II) Difração, (III) Reflexão. Resposta: Alternativa a.

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Instrumentos sonoros

A flauta é um exemplo de instrumento de sopro.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Andrei Armiagov/Shutterstock.com

O violão é um exemplo de instrumento de corda.

Ekaterina43/Shutterstock.com

gresei/Shutterstock.com

Entre os instrumentos musicais tradicionais, temos aqueles que emitem ondas sonoras pela oscilação de cordas, os que emitem ondas sonoras pela vibração do ar em tubos e instrumentos que emitem ondas sonoras pela oscilação de uma membrana quando percutida: os instrumentos de percussão.

O tambor é um exemplo de instrumento de percussão.

Ao reproduzir a mesma nota musical em cada instrumento musical, a onda gerada terá sempre a mesma frequência, contudo sempre formará um som percebido de forma diferente pelo ouvinte em razão do seu timbre próprio. A seguir, faremos um estudo mais detalhado dos instrumentos de corda e de tubo.

Cordas sonoras

Wei Ming/Shutterstock.com

Harpa.

Luciano Queiroz/Shutterstock.com

Artem Avetisyan/Shutterstock.com

Instrumentos de corda são aqueles que produzem ondas sonoras no ar por conta da oscilação de suas cordas, como o violão, o violino, o piano, a harpa e o cavaquinho.

Viola de cocho.

Violoncelo e arco.

Como as cordas são fixas em suas extremidades, as ondas geradas por uma perturbação se refletem, mantendo sua amplitude, seu comprimento de onda e sua frequência de propagação, mas com a fase invertida. Em alguns comprimentos de onda específicos, que correspondem à frequência de ressonância da corda, a interferência das ondas em cada ponto resulta em uma onda estacionária, quando em alguns pontos da corda formam-se nós e, em outros, ventres. Cada modo de oscilação estacionário, com certo número de nós e ventres, é chamado harmônico. O modo mais simples é denominado fundamental, ou primeiro harmônico, quando ocorre a formação de uma onda estacionária com dois nós e um ventre, como mostrado a seguir.

Representação de uma onda estacionária em uma corda correspondente ao primeiro harmônico.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

O som que ouvimos é gerado pela oscilação da corda nesse modo, causando uma perturbação no ar ao redor da corda de mesma frequência, que se propaga de forma longitudinal até as orelhas. Assim, se o desejo é emitir uma nota musical de frequência 440 Hz, é preciso estabelecer uma onda estacionária da corda de mesma frequência.

Imagem elaborada com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 395.

420

06/11/2024 16:18:45

No caso do primeiro harmônico mostrado anteriormente, o comprimento Lda corda corresponde a meio λ 1 ) , de modo que a frequência f1 emitida é determinada da seguinte forma. comprimento de onda ( _ 2 λ 1 L = _⇒ λ 1 = 2 · L 2

UNIDADE

v v = λ · f = 2 · L · f1 ⇒ f1 = _ 2 · L

O segundo modo de oscilação é o segundo harmônico, quando são formados três nós e dois ventres. O comprimento da corda Lcorresponde a um comprimento de onda (λ 2), de modo que a frequência f2 emitida é determinada a seguir. ventres

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

2 · λ 2 2 · L ⇒ λ 2 = _ = L L = _ 2 2 2 · L 2 · v _ v = λ · f = _· f2 ⇒ f2 = 2 2 · L

Representação do segundo harmônico em uma corda.

nós

Note que f2 = 2 · f1, ou seja, a frequência do segundo harmônico é o dobro da frequência do primeiro harmônico. Isso pode ser verificado nas notas musicais, pois a cada intervalo de oitavas as notas se repetem, mas com frequências que valem o dobro. Por exemplo, se uma nota Dó tem frequência 261,6 Hz, uma nota Dó oitava acima tem frequência 523,2 Hz, correspondendo a uma oitava mais aguda. O terceiro modo de oscilação é o terceiro harmônico, quando são formados quatro nós e três ventres. O 3 · λ 3 comprimento da corda Lcorresponde a um comprimento de onda e meio ( _), de modo que a frequên2 cia f3 emitida é determinada da seguinte forma: 3 · λ 3 2 · L ⇒ λ 3 = _ L = _ 2 3 3 · v 2 · L v = λ · f = _· f3 ⇒ f3 = _ 3 2 · L

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

ventres Representação do terceiro harmônico em uma corda.

nós

Imagens elaboradas com base em: HEWITT, Paul G. Física conceitual. Tradução: Trieste Freire Ricci. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. p. 395.

A frequência do terceiro harmônico vale 3 · f 1. Com esses três exemplos, é possível notar que, sendo va velocidade da onda na corda, Lo comprimento da corda e no número do harmônico, que corresponde ao número de ventres, a frequência de qualquer harmônico pode ser obtida da seguinte forma: n · v fn = _ ⇒ fn = n · f1 ( n = 1, 2, 3, 4, ...) 2 · L

O cálculo mostra como podemos obter as frequências da mesma nota musical em diversas oitavas, que é a mesma para qualquer instrumento. Nas imagens apresentadas para demonstrar as ondas estacionárias, usamos a forma tradicional de uma onda transversal. Em instrumentos de corda, além de cada corda corresponder a uma nota, é possível pressioná-las em locais específicos do braço do instrumento, mudando assim o comprimento Ldas cordas e alterando a frequência do som emitido por cada uma. Dessa forma, o som emitido ao perturbar todas as cordas juntas corresponde a um acorde específico. Em instrumentos de corda, como o violão, a vibração da corda é captada pelo cavalete, que a transmite para a caixa de ressonância, que amplifica o som produzido. Alguns modelos vêm equipados com um microfone que capta as ondas sonoras e as converte em sinais elétricos, que, por sua vez, são encaminhados a um amplificador que emite o som pelo alto-falante. Em instrumentos elétricos, como nas guitarras, a vibração das cordas causa efeitos eletromagnéticos que geram sinais elétricos, encaminhados a amplificadores.

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06/11/2024 16:18:46

Tubos sonoros

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia. Luciola Zvarick/Pulsar Imagens

Os instrumentos de sopro e de percussão são os mais utilizados pelos indígenas em festas ou rituais. Instrumentos de sopro, como apitos, trombetas e flautas, são feitos com materiais que emitem sons de timbres agradáveis quando se sopra por uma cavidade. São exemplos desses materiais: troncos, bambu, cerâmica, ossos e carapaças de animais. Nos instrumentos sonoros de tubo, ondas estacionárias são geradas no ar em seu interior, em razão de uma perturbação provocada por um sopro na embocadura. Em uma flauta, as diferentes posições dos dedos servem para fechar ou abrir orifícios, alterando assim o comprimento da coluna de ar onde será gerada a onda estacionária, resultando na nota musical com a frequência desejada.

Indígenas Mehinako tocando flauta, em 2022.

Artem Avetisyan/ Shutterstock.com

Artiom Photo/ Shutterstock.com

Os tubos geralmente utilizados como instrumentos musicais são classificados como tubo aberto, com as duas extremidades abertas, e tubo fechado, cuja extremidade oposta à entrada de ar é fechada.

A flauta doce é um exemplo de tubo sonoro aberto.

A flauta é um exemplo de tubo sonoro fechado.

A formação de ondas estacionárias em tubos de ar, sejam abertos, sejam fechados, é semelhante à formação de ondas estacionárias em cordas. A extremidade fechada do tubo corresponde a uma extremidade fixa da corda, onde ocorre a formação de nós, e a extremidade aberta, aos trechos da corda onde ocorre a formação de ventre.

Tubo aberto Para tubos com as duas extremidades abertas, a perturbação causada pelo sopro em uma extremidade se propaga em direção à outra, onde encontra o meio externo com características diferentes de temperatura, pressão e densidade. As ondas então sofrem refração, mas também refletem, retornando ao tubo e encontrando outras ondas geradas. Para certos comprimentos de onda correspondentes às frequências de ressonância do tubo, a interferência causa ondas estacionárias. A onda estacionária terá ventres nas duas extremidades. O modo fundamental de oscilação, ou primeiro harmônico, tem um nó no ponto médio entre as duas extremidades, como representado a seguir. O comprimento Ldo tubo corresponde a meio comprimento de λ 1 ) , de modo que a frequência f1 emitida é determinada da seguinte forma: onda (_ 2

v f1 = _ v = λ · f = 2 · L · f 1 ⇒ 2 · L

L Representação de uma onda estacionária no ar dentro de um tubo aberto correspondente ao primeiro harmônico.

Ronaldo Lucena/ Arquivo da editora

λ 1 L = _⇒ λ 1 = 2 · L 2

Imagem elaborada com base em: TREFIL, James; HAZEN, Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo S. de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 2. p. 36.

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06/11/2024 16:18:47

UNIDADE

6 O segundo modo de vibração é o segundo harmônico, quando são formados dois nós no interior do tubo. O comprimento do tubo Lcorresponde a um comprimento de onda (λ 2), de modo que a frequência f2 emitida é determinada a seguir. Imagens desta página sem proporção e em 2 · λ 2 2 · L cores fantasia. ⇒ λ 2 = _ = L L = _ 2 2 Representação do segundo harmônico em um tubo aberto.

2 · L 2 · v λ · f = _· f2 ⇒ v = f2 = _ 2 2 · L

O terceiro modo de vibração é o terceiro harmônico, quando são formados três nós. O comprimento do tubo L 3 · λ 3 , corresponde a um comprimento de onda e meio (_ 2 ) de modo que a frequência f3 emitida é determinada da seguinte forma:

Ilustrações: Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

· f1, ou seja, a frequência do segundo harmônico é o dobro da frequência do primeiro Note que f2 = 2 harmônico.

Representação do terceiro harmônico em um tubo aberto. Imagens elaboradas com base em: TREFIL, James; HAZEN,

Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. 3 · λ 3 3 · v 2 · L 2 · L Tradução: Ronaldo S. de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. ⇒ λ 3 = _ v = λ · f = _ · f3 ⇒ f 3 = _ L = _ v. 2. p. 36. 2 3 3 2 · L Note que f3 = 3 · f 1. Assim, para uma onda de velocidade v, um tubo aberto de comprimento L, a frequência de qualquer harmônico npode ser obtida da seguinte forma:

Tubo fechado

n · v _ ⇒ fn = n · f1 ( n = 1, 2, 3, 4, ...) fn = 2 · L

Para tubos com uma extremidade fechada, a perturbação causada pelo sopro na extremidade aberta se propaga em direção à fechada, que corresponde à extremidade fixa de uma corda. Para certos comprimentos de onda correspondentes às frequências de ressonância do tubo, a interferência das ondas refletidas com outras ondas geradas causa ondas estacionárias, com ventre na extremidade aberta e nó na extremidade fechada. O modo fundamental de oscilação, ou primeiro harmônico, possui um nó na extremidade fechada, como λ 1 ) , representado a seguir. O comprimento L do tubo corresponde a um quarto de comprimento de onda ( _ 4 de modo que a frequência f1 emitida é determinada da seguinte forma: λ 1 L = _ ⇒ λ 1 = 4 · L 4

Representação do primeiro harmônico em um tubo fechado.

3 · λ 3 4 · L L = _ ⇒ λ 3 = _ 4 3 3 · v 4 · L f3 = _ v = λ · f = _· f3 ⇒ 3 4 · L

Ilustrações: Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

v f 1 = _ v = λ · f = 4 · L · f1 ⇒ 4 · L Por conta da forma como as ondas são formadas, o próximo modo de vibração corresponde ao terceiro 3 · λ 3 harmônico, pois o comprimento do tubo Lcorresponde a três quartos do comprimento de onda (_). 4 A frequência f3 emitida é determinada da seguinte forma:

A frequência do terceiro harmônico vale 3 · f1.

Imagens elaboradas com base em: TREFIL, James; HAZEN, Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo S. de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2006. v. 2. p. 36.

Representação do terceiro harmônico em um tubo fechado.

Assim, para uma onda de velocidade v , em um tubo fechado de comprimento L , formam-se apenas harmônicos ímpares, sendo as frequências obtidas a seguir. n · v f n = _ ⇒ fn = n · f 1 4 · L

( n = 1, 3, 5, ...)

423

06/11/2024 16:18:47

CONEXÕES com ... BIOLOGIA

Pair

c) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes reflitam sobre a poluição como um fenômeno de degradação de aspectos físicos e químicos dos ecossistemas. Portanto, tal como a poluição do ar ou das águas, os excessos de ruídos propagados no som que ouvimos são considerados poluição sonora.

Gorloff-KV/Shutterstock.com

A audição humana é um sentido que está em constante funcionamento, pois dificilmente estamos em uma situação em que não escutamos nenhum tipo de som ou ruído. Até mesmo no “silêncio” da noite, quando nos deitamos para dormir, a audição capta pequenos ruídos distantes, como o barulho do vento na janela e sons emitidos por pássaros e insetos. Esses ruídos continuam ativando as estruturas da orelha, ou seja, elas não atingem um estado de equilíbrio a) Resposta: O nível estático. Tal movimentação contínua, somada à exposição diária a ruídos intensos, pode causar sonoro do som emitido por fones de desgastes e sérios danos à orelha. ouvido depende do Dependendo dos níveis sonoros aos quais a orelha é submetida, sons e ruídos podem cauvolume selecionado no botão do sar desconforto, estresse, enjoo, perda do sono, falta de concentração, irritabilidade, redução aparelho. Oriente os temporária da capacidade auditiva ou perda total da audição. Da mesma forma, ruídos aparenestudantes a consultar a página temente baixos, mas aos quais as orelhas são submetidas por uma longa duração, podem levar 407 para checar o a graves consequências com o passar do tempo. Esses são os dois fatores principais a serem tempo recomendado ao considerados em relação à saúde da orelha e do sentido da audição. parâmetro indicado. Embora o tempo A perda de audição induzida por ruído (Pair) é o mais frequente problema relacionado à indicado seja 1 hora saúde auditiva. Ele leva à redução temporária da capacidade auditiva em razão da fadiga das por dia, comente com eles que, de estruturas, podendo alterar permanentemente o limiar da audição. A exposição a ruídos intenmodo geral, os sos pode causar danos às células ciliadas, que ficam dentro da cóclea. Essas células sensoriais limites máximos devem ser evitados, podem ser danificadas pela exposição à música ou a barulhos intensos por muito tempo ou pois, com o passar por um estrondo de curta duração, como o barulho de uma explosão, e, uma vez destruídas, do tempo, podem ocasionar danos. não são substituídas, o que pode levar à perda auditiva permanente. Esse problema é comum em indivíduos que se expõem continuamente a ruídos de cerca de 85 dBpor várias horas diariamente. Há uma grande variedade de profissões que são mais propícias ao desenvolvimento de problemas auditivos devido à exposição a ruídos altos, como músicos, trabalhadores da construção civil e operadores de máquinas. Esses profissionais devem usar protetores auriculares para proteger sua audição. Além disso, ouvir áudio por meio de fones de ouvido em altas intensidades pode causar perda auditiva temporária ou permanente e zumbido. Ajustar nossos fones de ouvido ou auriculares para não ultrapassar mais que 50 a 60% do nível máximo ajuda a Trabalhador usando um protetor auricular para lixar madeira. proteger nossa audição por toda a vida. Além dos cuidados diários com a própria audição, para contribuir com a saúde auditiva, todos devemos evitar a propagação de sons e ruídos excessivos ou desnecessários nos ambientes. a ) Você faz uso contínuo de fones de ouvido com volume alto? Se sim, considerando o parâmetro de 100 dB, o tempo diário que você passa utilizando o fone está dentro das recomendações? b ) Cite algumas atitudes que podem ser tomadas por pessoas, fábricas, indústrias e governos para auxiliar na redução da emissão de ruídos sonoros. c ) Quando os ruídos frequentes em um local podem provocar danos à saúde do ser humano e de outros animais, dizemos que esse local apresenta poluição sonora. Os locais que você frequenta diariamente apresentam poluição sonora? Converse com os colegas sobre os motivos para esse fenômeno ser chamado de poluição.

424

b) Resposta pessoal. Os estudantes podem citar o incentivo ao uso de protetores auriculares em casos de exposição a ruídos intensos, procurar escutar música em volume adequado, evitar buzinar no trânsito, entre outras medidas. Além disso, os governantes devem realizar campanhas de conscientização da população para reduzir a emissão de ruídos desnecessários e aumentar a fiscalização de estabelecimentos e veículos que emitem ruídos com intensidade inadequada em locais públicos.

07/11/2024 15:49:52

PRÁTICA CIENTÍFICA

UNIDADE

6 a ) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a refletir sobre as formas de produção de ondas sonoras. Sinais elétricos fazem o cone do alto-falante vibrar, provocando compressões e rarefações no ar próximo a ele, produzindo ondas sonoras.

Produção e propagação do som Por dentro do contexto

Quando uma fonte sonora causa uma perturbação no ar, a propagação da onda sonora ocorre por compressões e rarefações do meio, que só causam impacto quando são percebidas pela orelha e interpretadas pelo cérebro.

Nikita_Stepanov/Shutterstock.com

As ondas sonoras se propagam nos mais diversos meios materiais, e o meio mais comum para sua propagação é o ar, que conduz as vibrações até nossas orelhas.

Alto-falantes com água, com destaque para a vibração de seu diafragma.

Mas será que existe a possibilidade de perceber o som de outra maneira? E ver o som, seria possível? a ) Como você explicaria o funcionamento de um alto-falante? b ) Como podemos perceber as ondas sonoras sem utilizar a audição? Materiais

b) Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a relacionar as formas de propagação do som em meios sólidos com a possibilidade de observar alguns dos fenômenos sonoros, como a ressonância da membrana em relação às frequências das ondas emitidas pela fonte e a percepção da vibração por meio do tato.

• filme de PVC

• caixa de som

• elásticos de borracha

• areia fina seca (pode ser sal, açúcar ou confeitos coloridos de uso culinário) • tesoura com pontas arredondadas

• 1 recipiente redondo de vidro ou plástico de 5 cm de diâmetro (xícara, tigela ou vidraria de laboratório) • 1 smartphone

Como proceder Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

A. Cubra o recipiente com o filme de PVC bem esticado, de modo que fique vedado; caso necessário, utilize os elásticos de borracha para ajustar o filme de PVC no recipiente. B. Espalhe uma pequena quantidade de areia sobre o filme de PVC para verificar a vibração da membrana por meio do movimento do material, quando estiver exposto às fontes sonoras. C. Verifique a vibração do material usando diferentes fontes sonoras, como batucar algum recipiente metálico. Pode-se usar o smartphone conectado à caixa de som para amplificar a onda sonora emitida. Ainda é possível verificar a vibração com diferentes tons musicais, usando aplicativos de smartphone ou site de geradores de tons.

Análise Respostas nas Orientações para o professor.

Representação das etapas A e B.

Dica Peça a ajuda de um adulto para manipular objetos cortantes, caso necessário.

1. Quais evidências comprovaram a possibilidade de observar a onda sonora em um meio sólido, como uma membrana?

2. As ondas sonoras geradas pelas diferentes fontes criaram um mesmo padrão de vibração no material usado sobre a membrana durante as observações? 3. Os modos de vibração do material usado para observar a onda sonora têm relação com as características do som emitido pela fonte? Cite um exemplo. 4. De que forma essa investigação pode ser relacionada com o sentido da audição humana?

425

06/11/2024 16:18:48

1. Se uma corda de um instrumento musical fosse cortada pela metade, ou então fosse dobrado o seu tamanho, o que aconteceria com sua frequência? E com o comprimento de onda? Justifique sua resposta.

2. Ao dedilhar seu violão, um estudante de música percebe que, ao tocar uma das cordas, formam-se quatro nós e três ventres. Suponha que o comprimento da corda é 50 cme a velocidade das ondas na corda é 3 00 m/s. Qual é a frequência do harmônico produzido? _ 3 · v _ 3 · 3 00 Resposta: f3 =

2 · L

2 · 0 ,5

= 900 Hz

3. Um músico sabe que as ondas produzidas pelas cordas de seu violão também produzirão as ondas sonoras que se propagarão por meio do ar. Pode-se afirmar que tanto as ondas produzidas pelas cordas quanto as ondas sonoras têm a(o) mesma(o): Resposta: Alternativa d. a ) amplitude. b ) comprimento de onda. c ) velocidade de propagação.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

6. Durante uma aula de música, um estudante es-

tá experimentando um tubo sonoro. O tubo é fechado em uma extremidade e aberto na outra, e tem um comprimento de 1,2 m. Sabendo que a velocidade do som no ar é 3 40 m/s, qual é a frequência fundamental produzida pelo tubo?

Resposta: f1 = 70,8 Hz

7. A frequência fundamental de um tubo de órgão

fechado é igual à primeira frequência harmônica de um tubo de órgão aberto. Se o comprimento do tubo aberto for de 120 cm, qual será o comprimento do tubo fechado? Resposta: Lfechado = 0,6 m

8. A produção dos sons nos pianos acústicos envol-

ve a atuação de um mecanismo complexo, acionado pelas teclas e que faz uma peça chamada martelo bater nas cordas que produzem o som. Para as teclas de sons mais graves, são utilizadas cordas espessas e únicas, mas à medida que os sons vão ficando mais agudos, são utilizados conjuntos de cordas mais finas para que a intensidade do som emitido por todas as teclas seja mantida. Lunatta/Shutterstock.com

ATIVIDADES

1. Resposta: Se diminuída pela metade, a frequência dobraria e o comprimento de onda diminuiria pela metade. Se dobrada de tamanho, a frequência diminuiria pela metade e dobraria o comprimento de onda. Isso ocorre pelo fato de a frequência ser inversamente proporcional ao comprimento da corda, se mantida a velocidade constante.

d ) frequência. e ) não apresentam relação.

4. As cordas vibrantes produzem ondas sonoras em diversos instrumentos musicais, como violões, violinos e pianos. Faça a soma das afirmações corretas. Resposta: 01 + 1 6 = 1 7 01 ) Quando uma corda vibrante forma dois ventres, ela está vibrando em seu segundo harmônico. 02 ) A velocidade de propagação da onda em uma corda é sempre igual à velocidade de propagação da onda no ar. 04 ) Em uma corda vibrante, os nós são os pontos onde a amplitude da onda é máxima. 08 ) A frequência fundamental de uma corda vibrante é diretamente proporcional ao seu comprimento. 16 ) Pressionar a corda de um violão em diferentes pontos altera o comprimento efetivo da corda e, consequentemente, a frequência do som. Resoluções das questões 5, 6, 7, 8 e 9 nas Orientações para o professor.

5. O tubo mais longo de um órgão, com as duas extremidades abertas, é de 4 m. Qual é a frequência fundamental produzida por esse tubo, considerando a velocidade do som igual a 340 m/s? Resposta: f1 = 42,5 Hz

426

Cordas no interior de um piano.

Sabendo que a frequência da primeira nota Dó emitida por um piano é de 32,7 Hz, responda às questões a seguir. a ) Qual é a frequência da nota Dó 5 oitavas acima da primeira nota Dó do piano? Resposta: f = 1 046, 4 Hz

b ) As cordas referentes à nota Dó 5 oitavas acima devem ter comprimento maior ou menor que as referentes ao primeiro Dó?

9. Um estudante está construindo um xilofone de

PVC para um projeto de música. Ele cortou um tubo de PVC para que seu comprimento seja de 1,5 m. Suponha que a velocidade do som no ar seja 340 m/s. Qual é a frequência fundamental do tubo de PVC? Resposta: f1 = 113,3 Hz

8. b ) Resposta: Espera-se que os estudantes respondam que as cordas da nota Dó mais aguda devem ser menores do que as cordas referentes ao primeiro Dó.

06/11/2024 16:18:48

abertos e os fechados. Os tubos abertos têm ambas as extremidades livres enquanto os tubos fechados têm uma extremidade fechada e outra aberta. Sobre os tubos sonoros, analise as afirmativas a seguir. I ) A frequência fundamental de um tubo aberto é determinada pelo comprimento do tubo e pela velocidade do som no ar. II ) A velocidade do som em um tubo fechado é maior do que em um tubo aberto de comprimento igual. III ) Em um tubo fechado em uma extremidade, a extremidade fechada é sempre um nó e a extremidade aberta é um ventre. IV ) Um tubo fechado em uma extremidade não pode produzir o segundo harmônico.

Resoluções das questões 13 e 14 nas Orientações para o professor.

13. Ao fabricar uma corda de instrumento musical,

para testá-la e poder enviá-la ao comerciante, ela é presa e tensionada por determinada força. A corda é colocada em um aparelho que imprime sobre ela uma frequência de vibração de 150 Hz, produzindo uma onda estacionária equivalente ao terceiro modo de vibração. Sabendo que a corda tem comprimento de 1,0 m, calcule a velocidade de propagação da onda na corda. Resposta: v = 100 m/s

14. O espetáculo do Blue Man Group é famoso por

suas apresentações musicais que envolvem instrumentos de percussão alternativos, alguns deles são feitos por tubos de PVC encaixados entre si. Na execução das músicas, os integrantes do grupo alteram o comprimento dos tubos de PVC para modificar a frequência do som emitido. alexandre zveiger/ Shutterstock.com

10. Na acústica, há dois tipos de tubos sonoros: os

Está(ão) correta(s): Resposta: Alternativa d. a ) II.

d ) I, III e IV.

b ) III.

e ) I, II, III e IV.

c ) I e II.

11. Um tubo fechado em uma extremidade e aberto na outra pode produzir diferentes frequências. Qual das alternativas está correta sobre os tubos fechados? Escreva a alternativa correta, justificando-a. Resposta: Alternativa c. a ) Apenas os harmônicos pares são produzidos. b ) A frequência fundamental é produzida quando há dois ventres no tubo. c ) Apenas os harmônicos ímpares podem ser produzidos. d ) A frequência fundamental é o dobro da de um tubo aberto de mesmo comprimento. e ) O comprimento da onda produzida é sempre igual ao comprimento do tubo.

12. Complete as lacunas com a alternativa correta, escrevendo a frase completa: Um tubo aberto em ambas as extremidades pode produzir uma série de frequências chamadas de harmônicos. A frequência fundamental nesse tubo é produzida quando o tubo tem ■ e o comprimento de onda é igual a ■ comprimento de onda. Resposta: Alternativa a.

a ) um ventre em cada extremidade, meio. b ) um nó em cada extremidade, um quarto de. c ) dois ventres e um nó no meio do tubo, um. d ) três ventres e dois nós, um terço de. e ) um ventre em uma extremidade, um.

UNIDADE

Espetáculo do Blue Man Group.

Considere dois tubos de mesmo comprimento L, sendo um fechado e outro aberto. Sendo fA e fB as frequências fundamentais, respectivamente, qual é a relação entre as frequências? fB _ Resposta: fA = 2

15. Em uma aula de música, o professor demonstra como uma flauta produz som. Ele explica que o tubo da flauta é aberto em ambas as extremidades e que, ao soprar, cria-se uma onda estacionária dentro do tubo, gerando as notas musicais. Com base nesse contexto, assinale a alternativa correta sobre ondas estacionárias em tubos sonoros abertos: a ) A frequência fundamental em um tubo sonoro aberto é gerada quando há um nó em cada extremidade do tubo. b ) Nos tubos sonoros abertos, a frequência fundamental ocorre quando há um ventre em uma extremidade e um nó na outra. c ) Em um tubo sonoro aberto, a frequência fundamental ocorre quando há um nó no centro do tubo e ventres nas extremidades. d ) Em tubos sonoros abertos, a frequência fundamental ocorre quando há ventres em ambas as extremidades do tubo. e ) As ondas estacionárias em tubos sonoros abertos sempre têm frequências mais baixas que as de tubos fechados de mesmo comprimento. Resposta: Alternativa d.

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06/11/2024 16:18:48

CAPÍTULO

Luz e visão humana

Uso da tecnologia e olhos humanos Leia a seguir a manchete de uma reportagem sobre os problemas de visão humana causados pelo uso excessivo de aparelhos eletrônicos. O futuro dos olhos pode estar condicionado à chamada Síndrome Visual do Computador, um fenômeno novo na oftalmologia causado pelo uso constante da visão de perto. Esse problema, alavancado na pandemia com a diminuição de circulação ao ar livre e recebimento da luz natural, tem causado algumas mudanças no comportamento visual, principalmente em crianças. São três aspectos principais que envolvem essa síndrome: o cansaço dos olhos, causado pela sobrecarga muscular no ato de “olhar de perto”, ressecamento do olho, principalmente pela falta do piscar constante e, também, a própria radiação luminosa emitida pelos aparelhos eletrônicos, como smartphones e computadores. [...] LÍDICE, Sarah. Cansaço e ressecamento dos olhos podem indicar uso excessivo de computador. Jornal da USP, 31 maio 2021. Disponível em: https://jornal.usp.br/atualidades/cansaco-e-ressecamento-dos-olhos-podem-indicar-sindrome-visual-do-computador/. Acesso em: 9 set. 2024.

No texto anterior, é destacado que o uso de aparelhos eletrônicos, como computadores, televisores, videogames, tablets e celulares, entre outros, caso ocorra por longos períodos, pode prejudicar a visão. Pesquisadores descobriram uma relação entre as horas de uso diário de dispositivos eletrônicos e o índice de doenças da superfície ocular. Eles estabeleceram que problemas relacionados à visão aumentam proporcionalmente conforme também aumenta o tempo de uso desses equipamentos. MB Images/Shutterstock.com

A tecnologia evoluiu de tal forma que o uso de dispositivos eletrônicos se tornou rotineiro. Por vezes, utilizamos esses equipamentos por longos intervalos de tempo, tanto para diversão quanto para estudos e trabalho. Esses aparelhos têm emissores de luz no fundo para produzir a imagem, dando brilho e clareza para a tela. O tipo de iluminação das telas emite luz azul, que pode ser prejudicial para nossa visão. O tempo de uso diário considerado seguro para evitar danos à visão ainda não está bem estabelecido, contudo há algumas práticas para uma relação mais saudável com essas tecnologias.

Adolescentes utilizando tablets e smartphones para realizar trabalhos escolares.

Entre essas práticas, podemos citar as seguintes. • Faça pequenas pausas de 20 segundos, olhando para objetos distantes, a cada 20 minutos de uso de alguma tela de aparelho eletrônico. Como geralmente as telas ficam próximas dos nossos olhos, a musculatura do olho fica contraída. Olhar para objetos distantes ajuda a relaxar essa musculatura e prevenir a fadiga e o cansaço.

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UNIDADE

6 • Procure piscar os olhos com frequência, para evitar seu ressecamento. Quando utilizamos aparelhos eletrônicos, a taxa com que piscamos é reduzida em cerca de 50%. • Estabeleça limites para o tempo de uso de telas. • Evite usar aparelhos eletrônicos em ambientes com pouca luz e perto do horário em que você costuma dormir. A luz azul emitida pelas telas pode afetar nosso relógio biológico, mantendo-nos acordados, pois diminui os níveis de melatonina, hormônio responsável por nos ajudar a adormecer. Por isso, é importante desligar todos os dispositivos eletrônicos cerca de duas horas antes de dormir. a) Resposta pessoal. Os estudantes podem argumentar que o uso excessivo de aparelhos eletrônicos potencialmente causa problemas na visão e interfere na Compartilhe ideias produção de melatonina, afetando o sono. Além disso, leve-os a refletir sobre como o tempo gasto com telas pode reduzir as oportunidades para atividades sociais Uso consciente dos aparelhos eletrônicos. importantes, como a interação com a família e amigos.

a ) Pense a respeito do uso de aparelhos eletrônicos com telas, como computadores, televisores, videogames, tablets, celulares etc. Cite quais deles você utiliza com frequência e anote quanto tempo você usa cada um diariamente. Em seguida, discuta com seus colegas se o tempo de uso é excessivo ou se consideram que a atual relação com a tecnologia é saudável.

Alguns estudos sugerem ainda que o excesso de luz azul (de energia mais alta na faixa do espectro visível) emitida pelas telas dos equipamentos eletrônicos pode prejudicar diretamente a visão. Essa luz pode danificar as células da retina, representando um fator de risco para o surgimento do processo de degeneração macular relacionada à idade, que leva à perda progressiva da visão central. O olho tem a função de receber a luz emitida pelos objetos e direcioná-la até a retina para formar as imagens. Ele é um órgão que funciona de forma similar a uma máquina fotográfica. No processo da formação das imagens, a córnea e o cristalino agem como lentes, refratando e desviando a trajetória da luz. As imagens são projetadas de forma invertida na retina. No entanto, o cérebro é capaz de fazer a interpretação dessas informações, invertendo as imagens para a orientação normal que coincide com a posição real dos objetos. A retina é constituída de células fotorreceptoras chamadas de cones e bastonetes. Os bastonetes são capazes de reconhecer diferentes níveis de luminosidade, permitindo a gradação entre claro e escuro e a visão de formas e movimento. Já os cones são responsáveis pela visão das cores.

Daniela Mota/Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

O sentido da visão engloba os olhos, o nervo óptico e o cérebro.

cristalino

córnea

retina

Representação em corte do olho humano. Imagem elaborada com base em: PARKER, Steve. O livro do corpo humano: um guia ilustrado de sua estrutura, funções e disfunções. Barueri: Ciranda Cultural, 2007. p. 92.

Há três tipos de cones, um que responde melhor à luz vermelha, outro, à luz verde e um terceiro, à luz azul. São as células sensíveis à luz azul que podem ser danificadas pela luz emitida por telas de aparelhos eletrônicos. Por isso a importância dos cuidados em relação ao uso prolongado desses equipamentos. As células fotorreceptoras sensibilizadas pela luz que chega à retina transformam essa informação em um impulso nervoso, que é transmitido ao cérebro pelo nervo óptico. O cérebro tem a função de fazer a interpretação dessas informações, gerando os resultados para cor, tamanho, forma, distância dos objetos etc. Além da exposição excessiva da visão à luz emitida pelas telas dos equipamentos eletrônicos, há muitas outras situações que prejudicam a visão humana. Vamos estudar algumas delas.

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Luz solar

1. Resposta pessoal. O objetivo desta questão é levar os estudantes a refletir sobre suas ações e verificar a importância de usar óculos que oferecem proteção contra radiação UV. Espera-se que eles reconheçam que usar sem o filtro UV pode ser mais prejudicial do que não utilizá-los, pois a lente escura deixa as pupilas mais abertas e podem focalizar a radiação ultravioleta em um ponto no interior do olho, causando lesões graves.

A luz solar, apesar de iluminar os ambientes possibilitando nossa visão, pode ser prejudicial para nossos olhos. você considera importante para seus olhos ao escolher um par de óculos?

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Daniela Mota/Arquivo da editora

1. Você costuma usar óculos de sol? Que tipo de proteção

retina

A radiação ultravioleta (UV) presente na luz solar pode ser dividida em três faixas: UV-A, UV-B e UV-C.

cristalino

O UV-C tem mais energia, porém é absorvido pela atmosfera. Parte do UV-B é absorvida pela atmosfera e parte chega à superfície terrestre, sendo capaz de provocar queimaduras na pele e induzir o surgimento de câncer de pele.

pupila

U U Vvis V-A B íve IF l IF -A IF- -B C

córnea

Praticamente todo o UV-A penetra na atmosfera. Essa faixa do UV pode ser bastante prejudicial para os olhos, pois é absorvida pelo cristalino ao penetrá-los, danificando os olhos humanos e, consequentemente, a visão.

Representação da absorção de diferentes comprimentos de onda da luz nas estruturas do olho humano. Imagem elaborada com base em: CLARK, Andrew J. et al. Ocular Tolerance of Contemporary Electronic Display Devices. Ophthalmic Surgery, Lasers & Imaging Retina, v. 49, n. 5, 2018. p. 346-354.

A exposição excessiva à radiação ultravioleta pode causar danos imediatos ou tardios à visão. Confira a seguir. A. A ceratoconjuntivite é uma inflamação que afeta a córnea. É normalmente causada por infecções por bactérias ou vírus, mas também pode acontecer por exposição à radiação UV-B. Olho

Por sua vez, a fotoconjuntivite é uma inflamação da conjuntiva do olho, membrana que reveste a superfície interna das pálpebras e a parte branca dos olhos, quando esta é submetida a altas doses de radiação UV-B. A catarata, fotografia B, é um dano que se manifesta em longo prazo. Ela é caracterizada pela opacidade parcial ou total do cristalino. O tratamento desse problema é cirúrgico. Já o pterígio, fotografia C, é o crescimento de uma membrana fibrovascular sobre a córnea, que acaba invadindo a superfície do olho. A radiação UV é um dos fatores que desencadeiam seu desenvolvimento.

humano com fotoceratite.

Olho humano com catarata.

Fotos: ARZTSAMUI/ Shutterstock.com

A fotoceratite, mostrada na fotografia A, é uma inflamação da córnea causada pelos raios UV-B.

Olho humano com pterígio.

Para se proteger da radiação UV, é necessário utilizar óculos de sol com proteção (filtro) contra esse tipo de radiação quando estamos expostos à luz solar. Alguns óculos de sol de baixa qualidade não têm filtro UV, e utilizá-los pode ser prejudicial para os olhos. Dependendo da curvatura da lente, ela pode focalizar a radiação UV em uma pequena área, causando queimaduras no olho. É importante lembrar que olhar diretamente para qualquer fonte de luz de grande intensidade também pode causar danos à visão. Assim, jamais olhe diretamente para o Sol ou incida um feixe de laser diretamente nos olhos.

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Alterações da visão

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Existem vários problemas relacionados aos olhos e à visão além dos estudados anteriormente. Eles têm diferentes características, causas e correções. Problemas de visão podem produzir dores de cabeça, em virtude do esforço para enxergar corretamente, ou problemas de aprendizagem, em razão de o estudante não conseguir enxergar com nitidez as palavras ou os números. Compartilhe ideias

Observando as coisas ao seu redor.

Dica

UNIDADE

Os problemas ou alterações da visão devem ser diagnosticados e tratados pelo médico especialista em olhos, o oftalmologista. Se possível, consulte regularmente esse especialista.

a) Resposta pessoal. O objetivo desta atividade é fazer um levantamento em sala de aula a respeito dos problemas de visão entre os estudantes, como dificuldade de enxergar objetos posicionados distantes do observador ou próximos a ele. Além disso, deve-se incentivar a consulta ao oftalmologista sempre que considerar necessário.

a ) Observe objetos que estão longe de você, como os do outro lado da sala de aula. Em seguida, observe objetos próximos, como caneta, lápis, caderno, as marcações em uma régua etc. Depois, junte-se a um colega e conversem sobre se vocês são capazes de visualizar bem os objetos próximos e distantes. Discutam quais são as atitudes corretas a se tomar caso tenham alguma dificuldade nesse sentido.

Por causa das alterações no formato do globo ocular, na curvatura do cristalino e da córnea e nas células da retina, há diferentes problemas de visão. Na sequência, estudaremos alguns. A.

A miopia é um problema que causa dificuldade em ver com nitidez objetos distantes. No olho míope, a imagem é formada antes da retina, como mostrado em A. Essa alteração acontece quando o bulbo do olho é alongado, bem como quando o olho tem um cristalino de maior espessura. Representação de um olho com miopia.

A miopia pode ser corrigida por meio da utilização de lentes esféricas divergentes (B). Esse tipo de lente faz que os raios de luz cheguem mais afastados ao olho. Assim, a córnea e o cristalino conseguem focalizar a luz na retina. Representação da correção da miopia com uma lente esférica divergente.

A hipermetropia é um problema que causa dificuldade em ver com nitidez os objetos próximos. No olho hipermetrope, a imagem é formada atrás da retina, como mostrado em C. Essa alteração da visão ocorre quando o bulbo do olho é curto, assim como quando o cristalino é muito fino. Representação de um olho com hipermetropia.

Ilustrações: Daniela Mota/ Arquivo da editora

A correção para esse problema é realizada com a utilização de lentes esféricas convergentes (D), que fazem os raios de luz chegarem ao olho mais próximo uns dos outros, permitindo que a córnea e o cristalino focalizem a imagem corretamente na retina. Representação da correção da hipermetropia com uma lente esférica convergente.

Imagens elaboradas com base em: TORTORA, Gerard J. Corpo humano: fundamentos de anatomia e fisiologia. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. p. 309.

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A presbiopia é uma alteração na visão em que, assim como na hipermetropia, a imagem é projetada atrás da retina. Por isso, pessoas que apresentam presbiopia normalmente afastam os objetos a serem observados para enxergá-los com maior nitidez. visão de longe

Essa alteração na visão é corrigida por meio do uso de lentes bifocais ou multifocais. No primeiro caso, os objetos distantes são observados através da parte superior da lente, enquanto os objetos próximos são vistos através da parte inferior. No caso das lentes multifocais, elas têm uma transição gradual, possibilitando a visão de objetos a curtas, médias ou longas distâncias.

visão de perto

Rcphotofun/Shutterstock.com

Em razão do envelhecimento, a lente do olho perde sua elasticidade, o que prejudica a capacidade de focalizar objetos próximos.

Óculos com lentes bifocais.

A alteração na visão conhecida como astigmatismo é causada por irregularidades na córnea ou na lente do olho. Nesse caso, há uma alteração no formato da córnea ou na curvatura da lente, impedindo que os raios de luz sejam focalizados adequadamente na retina, causando a impressão de a imagem estar distorcida ou embaçada, como quando tentamos enxergar através de um vidro irregular, como o dos vitrôs de janelas.

Representação de um olho com astigmatismo.

Representação da correção do astigmatismo com uma lente cilíndrica.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia. Imagens elaboradas com base em: TORTORA, Gerard J. Corpo humano: fundamentos de anatomia e fisiologia. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2000. p. 272. GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física). Física 2: física térmica/óptica. 5. ed. São Paulo: Edusp, 2007. p. 271-272.

Ilustrações: Daniela Mota/Arquivo da editora

A correção do astigmatismo é feita pelo uso de lentes cilíndricas, que têm superfície com maior curvatura em determinadas direções, como mostram as imagens.

O daltonismo, por sua vez, é uma alteração associada ao funcionamento das células do tipo cone, que são as especializadas na identificação das cores. Existem ao todo três tipos de cones, cada um deles sendo mais sensível a uma cor: luz vermelha, luz verde e luz azul. As outras cores podem ser obtidas pela estimulação de mais de um tipo de cone simultaneamente.

Lucky Ball/Shutterstock.com

Confira as figuras a seguir.

Figuras de Ishihara para teste de daltonismo.

Você consegue identificar os números no interior de cada círculo? Pessoas com daltonismo não são capazes de enxergar essas informações, pois elas têm ausência de um dos três tipos de cone, isto é, são incapazes de diferenciar algumas cores.

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UNIDADE

6 Há diversas formas de daltonismo. Cada tipo está relacionado ao problema de um respectivo cone. A protanopia, por exemplo, é a ausência dos cones sensíveis ao vermelho. Nesse caso, a pessoa enxerga os tons de vermelho de uma imagem em tons de bege. A deuteranopia, relacionada à ausência dos cones sensíveis ao verde, faz que a pessoa enxergue os tons de verde em tons de marrom. A tritanopia, relacionada à ausência dos cones sensíveis ao azul, faz a pessoa enxergar os diferentes tons de azul em tons rosados. Por fim, há ainda alguns casos raros, em que não se é capaz de distinguir cor alguma, enxergando apenas imagens em escalas de cinza. O estrabismo é um problema de visão que ocorre quando os olhos não estão perfeitamente alinhados, isto é, apontam em diferentes direções. O cérebro é responsável por controlar os músculos dos olhos, que devem estar equilibrados e trabalhando juntos. A pessoa com estrabismo tem alguma disfunção nesses músculos, que pode ser causada por dificuldade motora, grau elevado de hipermetropia, doenças neurológicas (causadas por traumas, AVC, paralisia cerebral etc.), problemas genéticos e infecções. As imagens a seguir mostram os tipos de estrabismo (A, B, C e D) e uma pessoa com visão considerada normal (E). A.

Esotropia.

Hipotropia.

Hipertropia.

Exotropia.

Fotos: charless/ Shutterstock.com

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Normal.

Para a visão normal, o cérebro combina as imagens dos dois olhos, formando uma única imagem tridimensional. Desse modo, temos a percepção de altura, largura e profundidade (distância dos objetos). No entanto, quando um dos olhos não está alinhado ao outro, formam-se duas imagens diferentes. No caso de uma criança estrábica, por exemplo, o cérebro ignora a imagem do olho não alinhado e, com isso, ela perde a percepção de profundidade. No entanto, no caso de estrabismo em adultos, eles têm uma visão dupla, como mostra a imagem. A posição da segunda imagem depende da direção em que o olho desalinhado está direcionado. Nesse caso, o cérebro considera a imagem formada em cada olho e já tem a percepção de profundidade dos objetos. O tratamento do estrabismo é realizado por meio de diagnóstico e posterior correção do mecanismo que causa o problema no funcionamento dos respectivos músculos. Entre as medidas de tratamento, destacam-se o uso de óculos, exercícios para o fortalecimento dos músculos etc. Apenas em alguns casos é recomendada a realização de cirurgia, quando os outros métodos de tratamento não surtem o efeito desejado.

sruilk/Shutterstock.com

Imagens elaboradas com base em: AAPOS. Strabismus. Disponível em: https://aapos.org/glossary/strabismus. Acesso em: 28 out. 2024.

Visão de uma pessoa adulta com estrabismo.

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ATIVIDADES

1. Resposta: As pessoas que colocam objetos em posição mais afastada dos olhos têm o problema de visão chamado presbiopia, causado pelo enrijecimento do músculo ocular, fazendo que o ponto próximo esteja mais afastado do olho do que normalmente deveria estar. Assim, ao afastar os objetos, instintivamente, estamos adequando-os em uma posição correta.

1. Explique por que as pessoas com idade mais

avançada, quando leem livros ou revistas, seguram-nos em uma posição mais afastada dos olhos do que as pessoas mais jovens.

2. O olho humano tem o cristalino, que atua como

lente convergente. As imagens produzidas por uma lente convergente são sempre de cabeça para baixo. Isso significa que as imagens que vemos estão de cabeça para baixo na retina? JustiSim, estão de cabeça para fique sua resposta. Resposta: baixo, porém o cérebro é capaz de

invertê-las e interpretar corretamente a posição real dos objetos.

3. Um experimento para demonstrar como a mistu-

ra de cores de luz pode produzir novas cores foi realizado em sala de aula, conforme as imagens a seguir. Imagens desta página sem proporção

Ilustrações: Ohanna Schmitt/Arquivo da editora

e em cores fantasia.

Representação da sobreposição de um feixe de luz vermelha com um feixe de luz azul.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

4. Com relação ao uso de aparelhos eletrônicos

com telas emissoras de luz, como televisores, computadores e aparelhos celulares, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) A utilização de aparelhos eletrônicos com telas emissoras de luz por longos intervalos de tempo pode prejudicar a visão, pois eles fazem uso de luz azul potente, que por sua vez é a que tem a maior energia, considerando apenas a faixa do espectro eletromagnético que corresponde à luz visível. II ) A utilização dos equipamentos eletrônicos é segura para a visão, desde que o tempo diário de uso não ultrapasse seis horas. III ) Não se sabe ao certo quanto tempo de uso diário de equipamentos eletrônicos é seguro para a visão, contudo há práticas que ajudam a manter uma relação saudável com esse tipo de tecnologia, como habituar-se a piscar os olhos em uma frequência normal (em torno de 15 vezes por minuto), fazer pausas regulares etc. IV ) Apesar de a utilização por longos períodos causar desconforto para a visão, a luz artificial emitida pelas telas dos aparelhos eletrônicos não apresenta riscos de danos à visão em longo prazo. V ) Utilizar os eletrônicos à noite, pouco antes de dormir, não representa nenhum efeito sobre a qualidade do sono.

5. Muitas pessoas têm problemas com a visão, que

Representação da sobreposição de um feixe de luz vermelha com um feixe de luz verde.

Dois estudantes observam o experimento. Um tem visão considerada normal; o outro, daltonismo do tipo protanopia, caracterizado pela ausência de cones sensíveis ao vermelho. Em quais partes da imagem os dois estudantes observarão as mesmas cores? Resposta: Alternativa c.

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afetam a capacidade de enxergar, como miopia, hipermetropia e presbiopia, que podem ser corrigidos com lentes de óculos, de contato ou cirurgias. Em relação a essas alterações na visão, analise as afirmações a seguir.

I ) Pessoas com presbiopia costumam aproximar os objetos dos olhos para enxergá-los melhor. II ) A miopia pode ser corrigida por meio de lentes convergentes. III ) A hipermetropia é a dificuldade de ver com nitidez objetos próximos.

a ) Nas partes magenta e azul.

IV ) Na presbiopia e na hipermetropia, a imagem é projetada atrás da retina.

b ) Nas partes amarela e verde.

Estão corretas as afirmativas: Resposta: Alternativa c.

c ) Nas partes azul e verde.

a ) Apenas I.

d ) Apenas I, II e III.

d ) Nas partes azul e amarela.

b ) Apenas I e II.

e ) Apenas II, III e IV.

e ) Nas partes magenta e verde.

c ) Apenas III e IV.

4. Respostas: I) Verdadeira; II) Falsa. Não existe um tempo de uso diário definido que seja considerado seguro para a visão; III) Verdadeira; IV) Falsa. Estudos sugerem que o excesso de luz azul emitida pelas telas dos equipamentos eletrônicos pode causar danos às células da retina. Isso pode tornar-se um fator de risco para a degeneração macular relacionada à idade, processo que causa a perda progressiva da visão; V) Falsa. A luz azul emitida por esses aparelhos interfere na produção de melatonina e, consequentemente, no sono.

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6. O cristalino é uma lente biconvexa, transparente

e flexível, situada atrás da íris do olho humano. Sua função principal é: Resposta: Alternativa b. a ) proteger o olho contra infecções e danos externos, funcionando como uma barreira. b ) ajustar seu formato para focalizar a luz na retina, permitindo que os objetos a diferentes distâncias sejam vistos com nitidez. c ) detectar a intensidade da luz e enviar sinais ao cérebro para ajustar a pupila. d ) produzir o fluido aquoso que lubrifica e nutrir a parte frontal do olho, garantindo sua saúde. e ) regular a quantidade de luz que entra no olho, atuando como um filtro de luz.

7. Astrônomos amadores devem tomar certos

cuidados ao realizarem observações solares, pois a grande maioria dos telescópios não tem filtros internos e necessita do encaixe de filtros solares na objetiva do telescópio, a fim de garantir a segurança do observador. Discuta o que aconteceria se um observador descuidado utilizasse um telescópio sem filtro solar, apontado diretamente para o Sol.

8. Em relação aos danos causados à visão pela ra-

diação ultravioleta, julgue as afirmações a seguir como verdadeiras ou falsas, justificando as falsas. I ) Apesar de não ser capaz de atravessar toda a estrutura do olho e chegar à retina, a radiação ultravioleta pode danificar seriamente a visão, gerando uma série de danos em várias estruturas, como córnea, cristalino, conjuntiva etc. II ) A radiação ultravioleta é basicamente absorvida pela atmosfera terrestre, não representando riscos à visão. III ) O ultravioleta de mais baixa energia (UV-A) não apresenta riscos para a saúde dos olhos.

IV ) O UV-A, apesar de menos energia do que os outros tipos de radiação UV, penetra em parte do olho, depositando sua energia principalmente no cristalino, sendo capaz de produzir uma catarata. Já o UV-B pode produzir tanto a catarata quanto a opacidade da córnea.

UNIDADE

9. Resposta: I) Verdadeira; II) Falsa. As células sensíveis às cores e cuja deficiência causa o daltonismo são as do tipo cone; III) Verdadeira; IV) Falsa. O astigmatismo é causado por alteração no formato da córnea ou na curvatura do cristalino, provocando visão embaçada ou distorcida; V) Verdadeira.

9. Julgue as afirmações a seguir como verdadeiras

ou falsas, justificando as falsas. I ) A miopia é um problema de visão em que a pessoa não consegue enxergar com nitidez objetos localizados distantes do observador. Sua correção é feita com a utilização de lentes divergentes. II ) Daltonismo é uma alteração causada por problemas nas células do tipo bastonete presentes na retina. Esse tipo de célula é muito sensível à luz, sendo capaz de diferenciar as cores. III ) O estrabismo se caracteriza pelo desalinhamento dos olhos. Quando ocorre na infância, a criança não desenvolve a capacidade de perceber a noção de profundidade. Quando em adultos, por causa de uma infecção, trauma etc., a pessoa observa duas imagens simultaneamente do mesmo objeto, cuja direção varia de acordo com a respectiva direção de desalinhamento do olho. IV ) No astigmatismo, a pessoa não é capaz de focalizar bem as imagens na retina por conta de uma alteração em seu formato. V ) A presbiopia é uma alteração causada pela perda de elasticidade da lente do olho, tornando-o incapaz de focalizar objetos próximos ao observador. Como a pessoa não perde a capacidade de enxergar nitidamente objetos distantes, são utilizados óculos com lentes bifocais ou multifocais, que permitem enxergar com clareza objetos em diferentes distâncias.

8. Resposta: I) Verdadeira; II) Falsa. Apenas a radiação UV-C é absorvida totalmente na atmosfera. Tanto a radiação UV-B (pelo menos parte dela) quanto a UV-A chegam à superfície terrestre e requerem óculos com filtros de proteção para esse tipo de radiação; III) Falsa. Apesar de ter mais baixa energia, a radiação UV-A consegue penetrar em algumas estruturas dos olhos e pode causar danos à visão; IV) Verdadeira. Respostas nas Orientações para o professor.

RETOME O QUE ESTUDOU

Refletindo sobre o que estudou nesta unidade, responda às questões a seguir. 1. Escreva, em pedaços de papel, as transformações gasosas, diferenciando as expansões das compressões. Em seguida, entregue os papéis ao professor e, com os colegas, montem um quadro, identificando como a quantidade de calor, o trabalho e a energia interna do gás comportam-se em cada uma das transformações. 2. Converse com um colega sobre quais são as condições necessárias para que uma máquina térmica tenha rendimento de 100%. Em seguida, compartilhem suas conclusões com a turma e digam se, com a tecnologia atual, seria viável manter o funcionamento dessa máquina. 3. Em um intervalo de dois minutos, escreva em um pedaço de papel características, propriedades e fenômenos das ondas sonoras. Na sequência, entregue o papel ao professor e, com os colegas, montem uma tabela descrevendo cada ponto que vocês citaram no papel e diferenciando as características do som e da luz. 4. Junte-se a um colega e escrevam um panfleto sobre os problemas causados pela luz das telas de equipamentos eletrônicos e pela luz solar, destacando os cuidados necessários para manter a saúde dos olhos. Em seguida, distribuam os panfletos para os colegas da escola. 7. Resposta: Os estudantes devem comentar que utilizar o telescópio sem o filtro solar pode causar danos à retina, que podem ser temporários ou permanentes, podendo levar à cegueira. Isso porque o telescópio é formado por lentes e espelhos que focalizam a luz em uma pequena região.

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MAIS QUESTÕES 1. (UFAM) Certa quantidade de gás ideal passa do

UFAM/2023

estado Apara o estado D, através dos processos indicados no diagrama p − V , a seguir:

p (Pa) A

20 B

D 1

2 V (m³)

Considere as seguintes afirmativas: Resposta: Alternativa c.

I ) A isoterma que passa pelo estado Atambém passa pelo estado D.

II ) A quantidade de calor trocada pelo gás é menor no percurso ACDque no percurso ABD. III ) O trabalho realizado pelo gás no percurso ACD é maior que o trabalho realizado no percurso ABD. IV ) A temperatura do gás no estado Cé quatro vezes maior que sua temperatura no estado B. Assinale a alternativa CORRETA: a ) Somente as afirmativas I, II e III são verdadeiras. b ) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras. c ) Somente as afirmativas I, III e IV são verdadeiras. d ) Somente as afirmativas II e IV são verdadeiras. e ) Somente as afirmativas III e IV são verdadeiras.

2. (Unesp) Em uma brincadeira, uma pessoa coloca

um copo com a boca para baixo, encostada na superfície parada da água de uma piscina e, cuidadosamente, o afunda 2,5 mabaixo da superfície da água, onde mantém o copo em repouso, ainda de boca para baixo, com um pouco de ar aprisionado em seu interior e com um pouco de água que entrou no copo. A figura mostra o copo nessas duas posições.

NÃO ESCREVA NO LIVRO.

kg Considere o ar um gás ideal e os valores 10 3_3 m para a densidade da água da piscina, 10 5 Papara m a pressão atmosférica local e 10 _2 para a aceles ração da gravidade. Sendo V1 o volume ocupado pelo ar no copo na posição inicial, V2 o volume ocupado pelo ar no copo na posição final, e considerando a temperatura do ar dentro do copo V2 constante nesse processo, o valor da razão _ é V1 Resposta: Alternativa b. c ) 0,75. e ) 0,40. a ) 0,50.

b ) 0,80.

d ) 0,25.

3. (UFPR) Uma certa massa de gás ideal está num

estado termodinâmico em que a pressão vale P0, o volume vale V0, e a temperatura vale T0. Essa massa de gás sofre um processo termodinâmico, e o volume passa a ser V , a pressão passa a ser P, e a temperatura passa a ser T. Sabe-se que P = 4 P0e T = 2 T0. Considerando as informações apresentadas, assinale a alternativa que apresenta corretamente o valor do volume V em função do volume V0. Resposta: Alternativa e. V0 a) V = V0 c ) V = 4 V0 e ) V = _ 2 _ V0 b) V = e ) V = 2 V0 4 4. (UECE) A termodinâmica é um importante ramo da física que estuda, dentre outros assuntos, as trocas de calor. Como exemplo desses processos, é possível citar uma roupa secando no varal ou, mesmo, o aquecimento de água para fazer um café. Sobre os conceitos relacionados à termodinâmica, é correto afirmar que Resposta: Alternativa a. a ) os processos reversíveis são necessariamente quase estáticos. b ) em uma transformação isotérmica, a variação da energia interna é diferente de zero. c ) quando um gás se expande, pode-se dizer que o trabalho foi realizado pelo meio.

Posição inicial UNESP/2024

d ) em uma mesma transformação adiabática, é possível um gás se expandir e aumentar sua temperatura. 2,5 m

5. (UPF-RS) Um gás ideal inicialmente à tempera-

tura de 27° C e volume de 0,02 m3 é submetido a uma transformação isobárica, elevando seu volume para 0,06 m3. Nessas condições, é possível afirmar que sua temperatura final é, em ° C, de:

Posição final

Resposta: Alternativa a. fora de escala

a ) 627

c ) 900

b ) 81

d ) 1173

e ) 300

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6. (UFSC) O ciclo de Carnot é um modelo teórico

isoterma isoterma

p(Pa)

adiabática

um carro com motor turbo é mais potente. Em termos simplificados, um motor de carro tem uma câmara que recebe ar e combustível, passando essa mistura por um processo de combustão (queima) muito rápido. No motor turbo, se comparado a um motor regular, consegue-se injetar mais ar, o que permite a injeção de mais combustível e assim uma maior potência. O ar injetado passa por um processo de compressão em um dispositivo chamado turbina. Caso essa compressão ocorra sem transferência de calor, o ar, após passar pela turbina, tem sua temperatura Resposta: Alternativa a.

adiabática

a ) elevada e sua pressão aumentada. b ) elevada e sua pressão reduzida.

7. (UECE) É comum se ouvir o comentário de que

c ) reduzida e sua pressão aumentada.

d ) reduzida e sua pressão diminuída.

V(m³)

De acordo com o exposto, é correto afirmar que: Resposta: Soma: 01 + 08 + 32 = 41

01 . na primeira etapa isotérmica A ⇒ B, o sistema realiza trabalho enquanto absorve uma quantidade Q1de calor de uma fonte térmica à temperatura T1. Nesse estágio, a expansão ocorre de forma tão lenta que o gás permanece em equilíbrio térmico com a fonte de calor. 02 . na etapa B ⇒ C, o sistema passa por uma expansão adiabática. Aqui, ele continua a se expandir e realizar o trabalho, mas sem trocar calor com o ambiente. O gás se contrai até que sua temperatura atinja T2, que é menor que T1. 04 . na etapa D ⇒ A, o sistema passa por uma compressão adiabática até retornar ao seu estado inicial. Durante esse processo, o sistema realiza trabalho sobre o ambiente, mas há troca de calor. 08 . o rendimento é expresso em termos de temperaturas absolutas T1e T 2das fontes quentes e frias, respectivamente. 16 . independentemente do sentido do ciclo de Carnot, A ⇒ B ⇒ C ⇒ D ⇒ Aou A ⇒ D ⇒ C ⇒ B ⇒ Asempre representará uma máquina térmica quente. 32 . a etapa C ⇒ Dé uma compressão isotérmica durante a qual o sistema cede calor Q2 para uma fonte fria à temperatura T2. O gás é comprimido lentamente, em equilíbrio térmico com a fonte fria.

8. (Epcar-MG) Um cilindro, contendo certa massa de gás perfeito, tem um pistão que está ligado a uma mola ideal. Ao fornecer certa quantidade de calor Q, para esse sistema termodinâmico, observa-se uma expansão do gás com a consequente deformação da mola ∆x, conforme indica figura a seguir. EPCAR/2023

UFSC/2023

idealizado que serve como referência para processos termodinâmicos reversíveis, ou seja, processos que podem ser revertidos sem qualquer aumento na entropia do sistema ou do ambiente. Esse ciclo foi formulado em 1824 por Sadi Carnot e é composto por quatro etapas – duas isotérmicas e duas adiabáticas –, conforme ilustrado abaixo.

Em outro momento, para as mesmas condições iniciais anteriores, ao se fornecer o dobro da quantidade de calor 2Q, a esse sistema, observa-se que a mola sofre uma deformação duas vezes maior, 2∆x. Considerando que nas duas expansões o sistema tenha sofrido a mesma variação de energia interna e que não houve atrito entre o pistão e o cilindro, pode-se afirmar que a constante elástica da mola vale Resposta: Alternativa c. 2Q a) _ ∆x 3Q b ) _2 ∆x 2Q c) _ 3∆x2 4Q d) _ ∆x

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9. (Epcar-MG) A figura a seguir representa trocas de

calor e realização de trabalho em uma máquina térmica. Nela estão indicados os valores da temperatura T1e da quantidade de calor cedido Q1, relativos à fonte quente, e do trabalho τ realizado por essa máquina. Além disso, tem-se que T 2e Q2 correspondem, respectivamente, à temperatura e à quantidade de calor rejeitada para a fonte fria T1 = 127 °C

12. (FCMSCSP) Nas transmissões de corridas automobilísticas, é perceptível que a frequência do som emitido pelo motor de um automóvel, captado por um microfone estático quando o automóvel dele se aproxima, é diferente da frequência quando ele se afasta. A frequência do som captado quando o automóvel se aproxima e a frequência do som captado quando se afasta, em relação à frequência do som emitido pelo motor, são, respectivamente, Resposta: Alternativa c. a ) igual e maior. b ) igual e menor.

Q1 = 4000 J

τ = 1200 J

c ) maior e menor. d ) menor e igual.

EPCAR/2024

e ) menor e maior.

13. (UFSC) Os excertos abaixo foram retirados dos li-

Seu rendimento corresponde a 75% do rendimento da máquina de Carnot, em regime de funcionamento entre as temperaturas T1 e T2. Nessas condições, a temperatura T2 , da fonte fria, é, em kelvin, Resposta: Alternativa b. a ) 100

b ) 240

c ) 513

d ) 613

10. (UEA-AM) Um guarda salva-vidas faz o seguinte

vros Torto arado e A alma encantadora das ruas. Neles, podemos observar menções a ondas sonoras. Ela gritava para meu pai, que colhia com as mãos trêmulas ervas nos canteiros próximos à casa, impaciente, transmitindo seu desespero na voz, que se tornou mais aguda, além do olhar espantado. (Torto arado)

trajeto com um jet-ski: primeiramente, ele sai da beira da praia em direção ao mar e depois volta pelo mesmo caminho que fez anteriormente. Tanto na ida quanto na volta, o jet-ski manteve a mesma velocidade constante em relação à areia da praia e a direção de seu movimento foi sempre perpendicular às ondas. O guarda salva-vidas nota que, durante o caminho de ida, a frequência com que o jet-ski atravessa as ondas é maior do que na volta, porém, em relação à praia, as ondas continuam com a mesma periodicidade. O efeito ondulatório que melhor explica essa constatação do salva-vidas é o efeito Resposta: Alternativa c. a ) de difração. d ) de dispersão. b ) de absorção. e ) de reflexão. c ) Doppler.

02 . o violão, a guitarra, o violino e a gaita são instrumentos de cordas.

11. (UEA-AM) O som é uma onda ■ e por isso, só pode se propagar em meios materiais, como ■.

04 . a frequência do som de uma das cordas de um violão depende do comprimento da corda.

As lacunas do texto são preenchidas, respectivamente, por: Resposta: Alternativa e. a ) eletromagnética — a água. b ) mecânica — o vácuo. c ) eletromagnética — o ar. d ) eletromagnética — o vácuo. e ) mecânica — o ar.

A voz estava tão fraca que só eu pude escutar o que dizia. (Torto arado) [...] encheram-se de canções, de vozes de violão e de guitarra e, de novo, pelas ruas os realejos, os violinos, as gaitas, recomeçaram o seu triunfo. (A alma encantadora das ruas) Ao lado da máquina, na aglomeração, uma voz de mulher fez de repente: [...]. (A alma encantadora das ruas) Considerando o exposto, é correto afirmar que: 01 . as características da voz “aguda” e “fraca” correspondem, fisicamente, à mesma propriedade do som.

08 . o som agudo refere-se à altura do som e diz respeito à amplitude sonora. 16 . em uma mesma sala, um som fraco e um forte têm a mesma velocidade. 32 . os instrumentos de cordas produzem ondas estacionárias, que são criadas por causa dos fenômenos de reflexão e interferência. Resposta: Soma: 04 + 16 + 32 = 52

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Física em 12 lições, de Richard P. Feynman. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 2021.

Editora Planeta

Nesse livro, você terá acesso aos pensamentos profundos de Feynman sobre os fundamentos da Física, explorando conceitos abstratos de maneira única, trazendo uma nova perspectiva para o entendimento do Universo. Cada uma das 12 lições apresentadas no livro revela um aspecto fascinante da Física e permite a você mergulhar no conhecimento científico.

Astrofísica para apressados, de Neil deGrasse Tyson. São Paulo: Planeta, 2020. O aclamado astrofísico e pesquisador Neil deGrasse Tyson, nesse livro, responde a perguntas que certamente todos já fizeram sobre o Universo. O autor traduz o cosmos numa obra organizada em capítulos enxutos, escritos para quem tem pressa, mas que oferecem conhecimentos fundamentais sobre todas as principais ideias e descobertas relacionadas ao Universo.

E se?: respostas científicas para perguntas absurdas, de Randall Munroe. São Paulo: Companhia das Letras, 2014.

Capa do livro Astrofísica para apressados, de Neil deGrasse Tyson.

Esse livro apresenta humor e divulgação científica lado a lado. Para isso, o autor responde a perguntas que sempre queríamos fazer, mas tínhamos vergonha, por considerá-las absurdas demais.

Albert Einstein e seu Universo inflável, de Dr. Mike Goldsmith. São Paulo: Seguinte, 2002. O autor tem como objetivo nesse livro contar a história de Albert Einstein e suas descobertas, utilizando-se de uma maneira simples para se comunicar com o leitor. Assim, discute as dificuldades na carreira de Einstein e como ele se tornou um dos maiores gênios da humanidade, fazendo uso de tirinhas e quadros para aliviar temas mais complexos, facilitando a compreensão da Física moderna.

O menino que descobriu o vento, de William Kamkwamba e Bryan Mealer. São Paulo: Principis, 2021. Livro que narra a história de um menino que, após um período de seca em sua aldeia, começa a explorar livros de Ciência e acaba construindo um moinho de vento para gerar eletricidade para sua casa.

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Para assistir Fukushima: ameaça nuclear. Direção de Setsurō Wakamatsu. Japão: Kadokawa Pictures, 2020 (120 min).

Scott Free Productions/20th Century Fox

Em 2011, no Japão, um terremoto causa um tsunami de proporções catastróficas. Na usina nuclear de Fukushima, 50 pessoas precisam decidir se arriscam suas vidas para tentar impedir um desastre ainda maior.

Perdido em Marte. Direção de Ridley Scott. Estados Unidos: Fox Film do Brasil Ltda., 2015 ( 143 min). Durante uma missão ao planeta Marte, um astronauta desaparece após uma tempestade e é dado como morto por seus colegas, que partem de volta à Terra. Após perceberem que ele está vivo, os colegas planejam resgatá-lo. Para sobreviver, o protagonista utiliza os poucos equipamentos que tem e muita engenhosidade.

Hubble 3D. Direção de Toni Myers. Canadá, 2010 ( 43 min). Esse documentário apresenta a missão da tripulação do ônibus espacial Atlantis, que reparou e melhorou o telescópio espacial Hubble, o primeiro telescópio óptico do mundo a orbitar o planeta Terra. Além das imagens provenientes de suas atividades, são mostradas fotografias que remetem a uma viagem na linha do tempo do Universo. Essas imagens permitem imaginar como ele teria se originado, tal como prevê a teoria do Big Bang.

Cartaz do filme Perdido em Marte, de Ridley Scott, 2015.

Cosmos: uma odisseia do espaço-tempo. Direção de Brannon Braga. Estados Unidos, 2014 ( 44 min). Refilmagem da série de 1980, esse documentário apresenta uma visão da Ciência no decorrer da história, desde Newton até a Ciência moderna, com o intuito de criar um saber científico que possa influenciar sua conduta como cidadão, e não apenas transmitir um conhecimento.

A teoria de tudo. Direção de James Marsh. Estados Unidos: Columbia Tristar Buena Vista Films of Brasil Ltda., 2014 (123 min). O filme conta a história do astrofísico Stephen Hawking e sua trajetória científica na qual fez descobertas relevantes para o mundo da Ciência, inclusive relacionadas ao tempo.

Para acessar Projeto PHET. Disponível em: https://phet.colorado.edu/pt_BR/. Acesso em: 17 out. 2024. Esse site disponibiliza simulações interativas para diversos tópicos de Física, Química e Matemática, visando complementar o aprendizado em sala de aula.

A Escala do Universo. Disponível em: https://www.if.ufrgs.br/oei/cgu/sca/sca.htm. Acesso em: 17 out. 2024. Site que mostra a diferença de escala entre os astros que compõem o Universo, fornecendo comparativos de fácil entendimento.

Laboratório de Demonstrações. Disponível em: https://labdemon.ufpa.br/mecanica-dos-fluidos. Acesso em: 28 out. 2024. Canal vinculado à Universidade Federal do Pará, voltado para o ensino e a divulgação da Física no nível médio, com experimentos e artigos sobre inúmeros tópicos relacionados à Física, podendo atender a diversos públicos.

Para visitar Museu da Indústria do Ceará. Rua Dr. João Moreira, 143, Centro, Fortaleza (CE). Esse museu promove conteúdos relacionados à história da indústria, de modo a demonstrar a importância dos processos industriais no cotidiano das pessoas. Além do espaço físico, oferece exposições virtuais, como a Exposição Eletricidade, disponível em: https://expoeletricidade.sfiec.org.br. Acesso em: 24 out. 2024.

Museu Aberto de Astronomia (Maas). Estrada do Capricórnio, Campinas (SP). Museu que promove divulgação da Astronomia por meio de diversas atrações diurnas e noturnas. Nele, o visitante pode realizar experimentos e observações, além de ter acesso a um radiotelescópio.

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Respostas Confira a seguir as respostas das atividades que envolvem cálculos.

6. Alternativa a.

Unidade 1 A Ciência do Universo

9. Soma: 01 + 04 + 08 = 13.

Capítulo 2

8. g = 7,8 m/s2, aproximadamente. 11. gp= 12,25 m/s2 12. v = 6,86 · 104m/s

Página 35 8. a ) m = 3,00 · 1 0−29kg 26 b ) P = 4 · 10 W

Capítulo 3 Página 41

Capítulo 5 Página 82 2. v = 1 746 km/h. O valor é maior, pois se considera o corpo livre da ação de forças resistivas.

1. Alternativa b.

3. t ≃ 1 ,41 s v = 14,1 m/s

2. Soma 02 + 32 = 34.

6. Alternativa d.

3. a = −11m/s 2; retardado.

Página 83 7. Soma: 01 + 02 + 08 = 11.

8. x = 2 17, 5 m, portanto não é possível ocorrer o hole in one.

MAIS QUESTÕES Páginas 84 a 87 3. Alternativa d. 4. Alternativa a.

Página 46 TN 1. b ) _≃ 1 64,3 TT 2. Possíveis resoluções: 1 606 − 1 530 = 76 835 − 1758 = 1 7 6 1 986 − 1 910 = 76 Tem velocidade maior no periélio, ponto mais próximo do Sol. 22

3. a ) A T= 1,75 · 1 0

4. TP= 64 anos.

Capítulo 4 Páginas 60 e 61 5. A estudante que afirma que o resultado da soma das forças depende de outras informações além do módulo está correta, pois as forças podem estar em sentidos opostos ou fazendo um ângulo entre si, de forma que o resultado da soma seja diferente de 28 N. 6. a = 40 m/s 2 9. avazio= 6 ,25 m/s2 10. FN= 60 000 N Página 67 17. 14 voltas, aproximadamente.

7. Soma: 01 + 04 + 08 = 13. 12. Alternativa b. 13. Alternativa c. 14. Alternativa a. 16. Alternativa a. 17. Alternativa a.

Unidade 2 A Física e a vida na Terra Capítulo 7 Páginas 112 e 113 5. B = 2,5 · 10−6T 7. a ) B = 0,24 T 8. B = 2,5 · 10−5T 9. II ) Verdadeira. 10. a ) B = 10 T

Capítulo 9 Página 132 1. a ) ˆi = 60°

c)1 20°

2. D = 4 m Página 145

1. Alternativa e.

3. vSi= 0,9 · 108m/s n Si = 3,33 ngelo ≃ 1,30

5. gp = 0,4 m/s2e FP= 10 N.

4. nz≃ 1 ,67

Página 68

r = 60° b ) ˆ

441

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5. a ) Qc= 1980 cal 56,6 cal/°C b ) Cc≃ c ) T ≃ 60,7 °C

5. nB≃ 1,92 ˆ r = 0

MAIS QUESTÕES

Página 210

Páginas 147 a 149

13. T = 60 °C

3. Alternativa c. 11. Alternativa a.

14. 300 J. Representa a quantidade de energia que não foi convertida em energia útil para o funcionamento do motor.

12. Alternativa b.

15. mg≃ 227 g

10. Alternativa a.

Unidade 3 Matéria e energia Capítulo 10

Página 216 1. cubo A – alumínio cubo B – ferro

Página 158 8. λ = 250 m

5. p = 800 Pa 6. p = 1,01 · 105Pa

Capítulo 12

7. h = 2 68,02 m

CONEXÕES COM...

8. dóleo= 0,8 g/cm3

Página 177 °Cé maior. b ) O aumento de 1

9. pgás= 100 mmHg ≃ 13 157,9 Pa 10. p = 348 · patm

Página 180 5. Casacos grossos, pois a temperatura é igual a 2°C. 6. Tc= 40 °C 7. Tc= 15 °C

11. ∆p = 6 400 Pa 12. V1= 23,8 cm3 m 2 = 1 57, 5 g Página 222

9. Soma: 02 + 04 + 16 = 22.

2. a ) F1= 2 N b ) h = 8 · 1 0−3m

Página 186 6. ϕ = 10 J/s

3. b ) F = 90 N 40 % = Vobj 5. Vd=

Página 187 7. a ) ϕ = 50 cal/s

Capítulo 14

b) Q = 5 000 cal

8. ϕ = 330,66 cal/s

6. a) Vd= 0,625 m3= 625 cm3 b) E = 5 N 7. d = 922,5 kg/m3

Página 196

9. FT= 27 N

3. ∆L = 1,0560 · 1 0−2m

10. F1= 12,5 N

4. A = 401,76 cm2 6. C = 7 1,4 cal/ °C, aproximadamente; c = 0 ,14 cal/g · °C, aproximadamente.

Página 227 1. Δt = 3 600 s = 1 h 2. ϕ = 0,01 m3/s

8. ∆V = 8,28 cm3 Página 197

3. a ) Δt = 0,013 s

b ) v = 37,5 cm/s

10. Q = 6 4 000 cal

4. a ) ϕ = 5 L/min

b ) v = 0,63 m/min

5. v 2= 10 m/s

11. Q = 15 750 cal

6. V = 1 12,32 L

12. c = 0,125 cal/g · ° C 13. a ) C = 18,39 cal/°C, aproximadamente. b ) c = 0 ,092 cal/g · °C 15. a ) ∆T = 6 ,7 °C, aproximadamente. b ) ∆T = 0,6 °C, aproximadamente.

Capítulo 13

Páginas 228 a 231 2. Soma: 02 + 04 + 08 = 1 4 8. Alternativa c. 12. Alternativa c.

Página 208 1. d ) T(150)= 5,00 °C

MAIS QUESTÕES

13. Alternativa c. e ) t = 100 minutos.

14. Alternativa d.

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16. Alternativa a.

Capítulo 18

17. Alternativa d.

Página 288

18. Alternativa c.

4. E = 114 J

Unidade 4 Energia e sociedade Capítulo 16

7. Y = 2 Página 289 9. Z = 37 A = 90

Página 255 4. Alternativa c.

13. eT= 3 200 J

Página 256

Capítulo 19

8. Soma: 01 + 0 2 + 04 = 0 7.

Página 302

9. Alternativa d. 12. VR= 4 · 105 V

5. a ) A frequência será de um flash a cada 3 minutos. b ) A frequência terá intervalos de tempo maiores ao se afastar da Terra.

13. Quadruplicará também.

6. a ) ∆t0= 1,065 h ou ∆t0= 64 min

10. E = 0 N/C

−3

14. Q = 1 ,2 · 10 C

b ) γ ≃ 1,4 7. a ) ∆t0= 6 anos

15. Soma: 08 + 1 6 = 24.

b ) ∆t ≃ 8,4 anos

Página 265

8. ∆tv≃ 1,9 · 10−4s

1. Q = 0 ,23 C n = 1,44 · 1 0 18 elétrons. 3. a ) i = 1,2 · 10−6A

9. v = 0,8 · c b ) i = 0,012 A

5. Soma: 01 + 08 = 09.

11. a ) ∆t = 58,8 μs b ) L = 17 628 m e L0≃ 660 m.

6. Alternativa b.

12. ∆t0= 0,32 ns

7. 200 Ω

Página 312 3. λ máx= 483 · 10−9m

Página 268 2. Alternativa c.

5. f0≃ 6,3 · 1014Hz

3. 50 W

6. Δx ≃ 1,5 · 10−10m

4. R$ 120,00

MAIS QUESTÕES 5

5. I ) Falsa. Q = 2,52 . 10 J II ) Falsa. P = 1 68 W III ) Verdadeira. R ≅ 7 2 Ω

Páginas 313 a 315 1. Soma: 04 + 1 6 = 20. 2. Alternativa a.

6. a ) R = 8 Ω b ) P = 1 512,5 W c ) R = 2 Ω d ) EE= 3 ,025 kWh

4. Alternativa c. 5. Alternativa a. 6. Alternativa b.

8. a ) P = 1 710 W b ) EE= 4 ,75 kWh

7. Alternativa b. 8. Alternativa e.

Capítulo 17

9. Alternativa a.

Página 276

10. Alternativa b.

5. a ) Aproximadamente 92 voltas. b ) Aproximadamente 108,7. 6. a ) Pt= 0,2 W b) P d= 0,002 W c ) Pu= 0,198 W 7. a ) U = 7 ,2 V Página 277 9. Soma: 02 + 04 + 16 = 22.

11. Alternativa b. 15. Alternativa d.

Unidade 5 Movimento e o ser humano b ) η = 8 0%

Capítulo 20 Página 323 3. a ) 3 polias móveis. b ) Vmec= 16

443

05/11/2024 14:51:41

5. FT≃ 28,87 N

9. a ≃ −3,3 m/ s 2

6. mM= 160 kg

10. a ) t = 20 s b ) Δs = 240 m c ) Calculando a área do gráfico.

7. mB= 6 kg Página 328 2. Fpo= 57,1 N, aproximadamente. 3. bpo= 0 ,9 m

12. a ) ac≃ 0,23 m/s2

4. Fpo= 666,7 N 7. Fpo= 83,3 N. Ele consegue transportar o saco de areia. Página 334 3. FT= 10 000 N

11. a ) R = 2 700 m b ) ac= 12 m/s2

3 N FN = 10 000 √ _

4. F = 12,6 N 5. Soma: 02 + 04 + 1 6 = 22.

9 · π b ) θ = _ rad 4 13. a ) f = 2 Hz b ) ω = 4 · π rad/s

c ) θ = π + 4 · π · t d ) v = 7,8 · π m/s

14. vA= 1 ,5 m/s Δ s A = 157 m Δ s B = 314 m Δ t ≃ 104,7 s

Capítulo 23

F 6. _ = 0,5 Fp

Página 366 Ec 2. _ = 9 Ec0

Capítulo 21 Página 342 1. a ) M = 3 N · m; anti-horário. 1 8 N · m ; anti-horário. b ) M = c ) F = 5 25 N 3. a ) M = 2 2,5 N · m

b ) M = 12 · √ 2 N · m _

4. F = 500 N Página 343 6. Alternativa a. 7. dcriança= 3 ,2 m 9. TI= 70 Ne TII= 90 N, respectivamente.

10. O centro de massa tem coordenadas ( 3, 2).

Capítulo 22 Página 351 1. v = 2 m/s

Como a velocidade triplicou, a energia cinética seria multiplicada por 9. No caso de uma colisão, essa quantidade de energia a mais pode ser transferida para os passageiros no interior do carro, podendo causar lesões graves ou até a morte. A menor energia cinética significa mais segurança para os ocupantes do veículo em caso de acidente. 3. τ = 8,0 · 10−16J 4. Epe= 4 J 5. τAB= − 405 J τ BC = 135 J τ AC = −270 J 6. P ≃ 97,2 W PE 7. _≃ 0,9987 PJ 8. I = 3 000 N · s 630 J 9. Ec=

2. Δt ≃ 1,41 s v = 14,1 m/s

Página 367

3. a ) a = 2 ,5 m/ s2

13. a ) vB= 1 m/s b ) e = 0,5 c ) ∆ E c= −50 J

b ) t = 6 s

4. a ) v = 6 m/s b ) s = 3 6 m Página 352 7. Alternativa b. 8. a ) De 10a 25minutos, Δs = 22,5 m; e de 35 a 45 minutos, Δs = 1 0 m. b ) Entre 10e 25minutos e entre 35e 45minutos. Nesses intervalos de tempo, as velocidades desenvolvidas pelo robô foram constantes. Para os outros intervalos de tempo, as velocidades sofreram variações em seus módulos.

11. Q = 14 kg · m/s

14. a ) VA= 1 ,9 m/s b ) A colisão foi elástica, pois e = 1. 15. Δ E = 0,8. Sendo assim, a bola perde 20% da sua energia inicial.

MAIS QUESTÕES Páginas 368 a 371 1. Alternativa e. 3. Alternativa c. 4. Alternativa b.

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6. Alternativa c.

6. η ≃ 0,27 ou η ≃ 27 %. τ = 324 J

7. Alternativa a.

7. b ) Apenas a máquina 2.

5. Alternativa b.

8. Alternativa a. 12. Alternativa c. 13. Alternativa c. 14. Alternativa a. 15. Soma: 01 + 04 + 1 6 = 21.

Unidade 6 A Física na relação entre o ser humano e o ambiente Capítulo 24 Página 388 2. T = 1 192 K 3. p = 6,7 · 1 04Pa 4. p = 1,15 · p0 Página 389 8. V = 5 m3 9. T ≃ 98,7 K 10. V ≃ 17,9 cm3 11. V ≃ 29,7 L 12. p ≃ 105 Pa 13. V = 215,04 L 14. T = 166,5 °C 16. p = 6 atm

Capítulo 25 Página 394 2 · 105 J 2. τtotal= 1 · 1 05J 3. a ) τABC= 6 b ) τADC= 3 · 105 J c ) τAC= 4,5 · 1 05J 4. τ = 4 153,3 J 6. ΔU = 1 992 J Página 397 a ) Q = τ + ΔU ⇒ ⇒ 0 = τ + ΔU ⇒ τ ∴ ΔU = − T inicial+ 1 0 · 7 ⇒ b ) Tfinal= ⇒ Tfinal = − 40 + 70 = 30 ⇒ ∴ Tfinal = 30 °C Página 404 3. a ) ΔU = 4 80 J b ) T ≃ 2 98,6 K ou 25,6 °C. c ) τ = 300 J d ) T ≃ 3 01 K ou 28 °C.

Página 405 8. a ) η = 0,4 ou η = 4 0%. b ) Q2= 1 200 J c ) η ≃ 0,6 ou η ≃ 60%. 9. Alternativa b. 11. I ) η = 5% II ) E = 2 375 J 1 562,5 J III ) τCarnot= 12 . Alternativa c.

Capítulo 26 Página 418 4. I = 375 W/m2 5. f = 0,5 Hze λ = 4 m. 7. Δs = 3 000 m 8. Alternativa e. Página 419 12. f ’≃ 287,3 Hzpara o veículo se afastando. f ’ ≃ 313,8 Hzpara o veículo se aproximando. 13. f ’ = 88,2 Hz Página 426 2. f3= 900 Hz 4. Soma: 01 + 1 6 = 17. 5. f1= 42,5 Hz 6. f1= 70,8 Hz 0,6 m 7. Lfechado= 8. a ) f = 1 046, 4 Hz 9. f1= 113,3 Hz Página 427 13. v = 100 m/s fB 14. fA= _ 2

Capítulo 27 MAIS QUESTÕES Páginas 436 a 438 1. Alternativa c. 2. Alternativa b. 3. Alternativa e. 5. Alternativa a. 6. Soma: 01 + 08 + 32 = 41. 8. Alternativa c. 9. Alternativa b.

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Referências bibliográficas comentadas Livros

HEWITT, Paul G. Física conceitual. 13. ed. Porto Alegre: Bookman, 2022.

Esse livro proporciona o ensino da Física com textos atraentes e bem-humorados, visando construir um sólido conhecimento conceitual.

Esse livro leva a uma compreensão do desenvolvimento científico e tecnológico e seu contexto histórico.

TEIXEIRA, Wilson et al. (org.). Decifrando a Terra. 2. ed. São Paulo: Companhia Editora Nacional, 2009.

HAYNES, W. M. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97. ed. Londres: CRC Press, 2017.

Esse material apresenta uma temática introdutória, porém ampla e moderna, acerca da dinâmica natural do planeta.

Uma das referências científicas mais acessadas e respeitadas das comunidades científica, técnica e médica, esse manual contém dados e recomendações internacionais de várias áreas.

TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física moderna. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001. Esse livro aborda diversos tópicos da Física moderna,

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levando em conta os aspectos histórico-culturais das pesquisas científicas que ampliaram os horizontes dessa área no final do século XX.

BRASIL. Lei nº 8.069, de 13 de julho de 1990. Disponível em: http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/ leis/l8069.htm. Acesso em: 16 out. 2024.

TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 3 v.

O site dispõe sobre o Estatuto da Criança e do Adolescente.

Essa coleção aborda soluções de problemas baseados em procedimentos de análise e com verificação de resultados que permitem uma melhor compreensão conceitual, além de quadros que discutem as aplicações atuais da Física.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Versão final. Brasília: MEC, 2018. Disponível em: http://basenacionalcomum.mec.gov. br/. Acesso em: 17 out. 2024.

TORTORA, Gerard J.; DERRICKSON, Bryan. Corpo humano: fundamentos de anatomia e fisiologia. Tradução: Alexandre Lins Verneck et al. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017. Esse livro apresenta um conteúdo equilibrado a respeito da organização e da função do corpo humano.

TREFIL, James; HAZEN Robert M. Física viva: uma introdução à física conceitual. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. Rio de Janeiro, LTC, 2006. 3. v. Essa coleção aborda os conceitos da Física por trás de aplicações práticas, aproximando o conhecimento científico ao cotidiano do leitor e proporcionando a compreensão do Universo em que vivemos.

WICANDER, Reed; MONROE, James S. Fundamentos de geologia. Tradução: Harue O. Avritcher. São Paulo: Cengage Learning, 2009. Esse livro apresenta conceitos da Geologia física e da Geologia ambiental, de forma a proporcionar uma compreensão básica da Geologia e seus processos, incentivando o pensamento crítico do leitor/estudante.

Sites ABOUT the Planets. Nasa. Disponível em: https:// science.nasa.gov/solar-system/planets/. Acesso em: 16 out. 2024. Uma visão geral sobre os planetas do Sistema Solar e suas localizações nas órbitas em tempo real, além da possibilidade de explorar em 3D os planetas, as luas, os asteroides e os cometas.

ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 3. ed. Brasília, 2008. Disponível em: https://biblioteca.aneel.gov.br/Busca/ Download?codigoArquivo=179324&tipoMidia=0. Acesso em: 16 out. 2024. Esse atlas traz várias informações sobre o setor elétrico brasileiro, apresentando dados gerais das diversas regiões e setores de atividades do país.

O site apresenta a Base Nacional Comum Curricular seguida por esse livro e que define o conjunto de aprendizagens essenciais que os estudantes devem desenvolver na Educação Básica.

BRASIL. Ministério da Saúde. Perda auditiva induzida por ruído (Pair). Brasília: MEC, 2006. (Série A. Normas e Manuais Técnicos). Disponível em: https://bvsms. saude.gov.br/bvs/publicacoes/protocolo_perda_ auditiva.pdf. Acesso em: 23 out. 2024. Material de estudo sobre perdas auditivas, ruídos e seus devidos protocolos.

CARBON dioxide. Nasa. Disponível em: https://climate. nasa.gov/vital-signs/carbon-dioxide/. Acesso em: 16 out. 2024. Apresenta os dados das medidas de dióxido de carbono no planeta. EMPRESA de Pesquisa Energética. Disponível em: https:// www.epe.gov.br/pt. Acesso em: 16 out. 2024. Site que disponibiliza diversos dados sobre o sistema energético brasileiro.

ENERGY INSTITUTE. Statistical Review of World Energy 2024. 73. ed. Disponível em: https://www. energyinst.org/statistical-review. Acesso em: 23 out. 2024. Material que traz dados estatísticos sobre energia e as fontes primárias de produção e sustentabilidade de cada continente.

GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA. Leituras de física. São Paulo: Instituto de Física da USP. Disponível em: https://fep.if.usp.br/~profis/gref. html#leituras-gref. Acesso em: 23 out. 2024. Esse site disponibiliza de forma gratuita a coleção de livros sobre Física, com conteúdos que abordam mecânica, óptica e eletromagnetismo.

LIMA, Carlos R. A. Tópicos de laboratório de física moderna. Juiz de Fora: UFJF, 2013. Disponível

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em: https://www.ufjf.br/fisica/files/2010/03/ Labfismodroteiro.pdf. Acesso em: 16 out. 2024. Apostila contendo tópicos experimentais relacionados à Física moderna, além de teoria, experimentos e exercícios.

OLIVEIRA FILHO, Kepler de Souza; SARAIVA, Maria de Fátima Oliveira. Sol: a nossa estrela. Astronomia e Astrofísica, 17 nov. 2019. Disponível em: http://astro. if.ufrgs.br/esol/esol.htm. Acesso em: 16 out. 2024. Esse site apresenta informações completas sobre o Sol, com suas características e estrutura.

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Cinesiologia: parte 2: força torque e alavancas. Disponível em: https:// edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3959896/mod_ resource/content/1/2_cinesiologia_forca_torque_ alavancas.pdf. Acesso em: 23 out. 2024. O material discute a dinâmica newtoniana em nosso cotidiano, focando em torques de um sistema mecânico.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. O Big Bang. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/ fis02001/aulas/cosmo3.html. Acesso em: 16 out. 2024.

Siglas EBMSP: Escola Bahiana de Medicina e Saúde Pública

UEM: Universidade Estadual de Maringá

EEAR: Escola de Especialistas da Aeronáutica

UEMG: Universidade do Estado de Minas Gerais

Enem: Exame Nacional do Ensino Médio

UEPG: Universidade Estadual de Ponta Grossa

EPCAR: Escola Preparatória de Cadetes do Ar

Uerj: Universidade do Estado do Rio de Janeiro

EsPCEx: Escola Preparatória de Cadetes do Exército

UERR: Universidade Estadual de Roraima

FCMSCSP: Faculdade de Ciências Médicas da Santa Casa de São Paulo

Uesb: Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia

Fuvest: Fundação Universitária para o Vestibular IFBA: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia

Ufam: Universidade Federal do Amazonas UFJF: Universidade Federal de Juiz de Fora UFPR: Universidade Federal do Paraná

IME: Instituto Militar de Engenharia

UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Mack: Universidade Presbiteriana Mackenzie

UFSC: Universidade Federal de Santa Catarina

UCS: Universidade de Caxias do Sul

Unesp: Universidade Estadual Paulista

Udesc: Universidade do Estado de Santa Catarina

Unicamp: Universidade Estadual de Campinas

UEA: Universidade do Estado do Amazonas

Unioeste: Universidade Estadual do Oeste do Paraná

Uece: Universidade Estadual do Ceará

UPE: Universidade de Pernambuco

UEL: Universidade Estadual de Londrina

UPF: Universidade de Passo Fundo

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ORIENTAÇÕES PARA O PROFESSOR Atualmente, os estudantes têm acesso a informações proveniente de diferentes fontes. Nesse contexto, o professor se torna essencial como orientador, incentivando-os a utilizar essas informações na construção do conhecimento científico e a relacioná-lo com situações do dia a dia. Estas Orientações para o professor foram desenvolvidas para apoiar essa tarefa, destacando como as habilidades e competências da BNCC estão sendo desenvolvidas, além de oferecer dicas, ferramentas de avaliação, leituras e atividades complementares, contribuindo de maneira eficaz para o processo de ensino-aprendizagem.

SUMÁRIO Conhecendo a Coleção ....................................... II Livro do Estudante.....................................................II Orientações para o professor..........................III Fundamentos teórico-metodológicos......IV O ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias....................................................................IV Interdisciplinaridade............................................VI O Ensino Médio.........................................................VII O papel do professor.............................................VII O estudante.....................................................................IX Orientações pedagógicas.................................. X Interações sociais e saúde mental................ X Estratégias de ensino-aprendizagem..........XI Leitura e escrita..................................................... XIII Pensamento computacional................................XV Recursos didáticos................................................XVI Avaliação.................................................................. XVIII A Base Nacional Comum Curricular........XXI Mapa de conteúdos e recursos do volume................................................................. XXII Sugestões de cronograma.......................... XXVI Transcrições....................................................... XXVII Orientações, sugestões e respostas..... XXIX

Unidade 1 A ciência do Universo... XXIX Capítulo 1: História da Ciência............................... XXIX Capítulo 2: Origem e evolução do Universo....... XXXI Capítulo 3: Os astros no Universo......................XXXIII Capítulo 4: Dinâmica do movimento dos corpos..... XXXV Capítulo 5: Movimentos na Terra....................XXXVIII

Unidade 2 A Física e a vida na Terra.XLI Capítulo 6: Campo magnético terrestre................XLII

Capítulo 7: Eletromagnetismo...............................XLIII Capítulo 8: Introdução à Óptica.............................XLIV Capítulo 9: Reflexão e refração da luz................... XLVI

Unidade 3 Matéria e energia...... XLVIII Capítulo 10: Ondas eletromagnéticas.............. XLVIII Capítulo 11: O espectro solar e a Terra........................ L Capítulo 12: Introdução à calorimetria.................... LII Capítulo 13: A energia nos sistemas termodinâmicos........................................................... LIV Capítulo 14: Hidrostática e hidrodinâmica.............LVI

Unidade 4 Energia e Sociedade... LVIII Capítulo 15: Energia elétrica e Sociedade..............LIX Capítulo 16: Transmissão de energia elétrica........LXI Capítulo 17: Geração de energia elétrica...............LXV Capítulo 18: Reações nucleares..............................LXVI Capítulo 19: Física contemporânea................... LXVIII

Unidade 5 Movimento e o

ser humano............................ LXXI

Capítulo 20: Ferramentas e máquinas simples..... LXXII Capítulo 21: Momento e torque......................... LXXIII Capítulo 22: Estudando os movimentos dos corpos ..................................................................LXXV Capítulo 23: Energia e impulso.......................... LXXVII

Unidade 6 A Física na relação entre o ser humano e o ambiente....................... LXXX Capítulo 24: Queima de combustíveis fósseis..... LXXXI Capítulo 25: Termodinâmica.............................LXXXIII Capítulo 26: Sons e audição humana.............. LXXXVI Capítulo 27: Luz e visão humana ..................LXXXVIII

Resoluções seção Mais questões......LXXXIX Para complementar o conteúdo............... XCII Referências bibliográficas comentadas............................................................ XCIV

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Conhecendo a Coleção Esta coleção, destinada aos estudantes do Ensino Médio, é composta de três volumes da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias: Biologia, Física e Química. Este volume destina-se a abordar os conteúdos do componente curricular de Física, incentivando os estudantes a reconhecer as inter-relações com o cotidiano, a fim de desenvolver habilidades, competências específicas e competências gerais propostas pela Base Nacional Comum Curricular (BNCC) para o Ensino Médio. Ele é dividido em seis unidades, que, por sua vez, são estruturadas em capítulos, proporcionando uma organização prática dos conteúdos, o que facilita o planejamento do professor ao longo do ano letivo. Veja a seguir como estão organizados o Livro do Estudante e as Orientações para o professor.

Livro do Estudante Páginas de abertura de unidade Cada unidade se inicia com duas páginas de abertura, que apresentam imagens e textos relacionados aos conteúdos abordados. Esses recursos contextualizam e aproximam os conteúdos do cotidiano dos estudantes e os incentivam a expressar, por meio de questões reflexivas, os conhecimentos prévios acerca dos conteúdos que serão trabalhados.

Conteúdos Os temas estudados em alguns capítulos se iniciam, especialmente, com contextualizações que buscam despertar uma postura ativa dos estudantes durante o processo de aprendizagem, bem como promover uma aproximação dos conteúdos com o cotidiano. Os recursos apresentados e as atividades sugeridas no decorrer dos capítulos também favorecem que os estudantes troquem ideias e relacionem os conhecimentos científicos com experiências do cotidiano.

Boxe complementar

Atividades Seção em que são propostas atividades com o objetivo de aprofundar os conteúdos abordados, recorrendo aos conhecimentos construídos durante o estudo dos capítulos para analisar, investigar, argumentar, formular e resolver problemas, individualmente ou em grupo.

Vocabulário Boxe que apresenta o significado de termos destacados nos textos durante os capítulos, com o objetivo de auxiliar os estudantes na compreensão dos conteúdos.

Medida Boxe que apresenta as medidas dos seres vivos e as dimensões e distâncias aproximadas de astros do Universo citados durante os conteúdos.

Cuidado Boxe que visa despertar a atenção dos estudantes para certos cuidados que devem ser tomados, principalmente na realização de atividades práticas.

Atividades resolvidas Esse boxe apresenta dicas e resoluções a fim de auxiliar os estudantes a estabelecer relações entre os conceitos abordados e as situações representadas em algumas atividades.

Prática científica Nessa seção, são sugeridas atividades práticas que permitem aos estudantes investigar fenômenos e propriedades, incentivando-os a levantar hipóteses, desenvolver procedimentos, manipular materiais, observar e analisar resultados e trocar ideias com os colegas, tornando-se agentes ativos no processo de aprendizagem.

Conexões com...

Boxe com a proposta de enriquecer alguns assuntos dos capítulos e despertar a curiosidade dos estudantes por meio de informações complementares. Além disso, são sugeridas questões por meio das quais eles são convidados a refletir e a interagir com os colegas sobre o assunto estudado.

Seção que reforça as conexões entre os conteúdos abordados nos capítulos e outros componentes curriculares da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias e de outras áreas de conhecimento.

Compartilhe ideias

Ligado no tema

Esse boxe proporciona momentos de troca de ideias entre os estudantes sobre temas relevantes, apresentando atividades que incentivam a argumentação por meio da realização de debates, da troca de experiências pessoais e do compartilhamento de opiniões, em duplas ou em grupos.

Seção que desenvolve trabalhos com os temas contemporâneos transversais propostos pela BNCC. Nela, são exploradas temáticas atuais que relacionam o conhecimento científico com a sociedade. Ao final da seção, são apresentadas questões acerca do tema, permitindo que os estudantes reflitam e debatam aspectos que envolvem valores, direitos e cidadania.

Dica Boxe que apresenta informações importantes que auxiliam na compreensão de assuntos abordados nos capítulos ou que ajudam na realização de atividades.

Retome o que estudou Seção que possibilita aos estudantes avaliar seu aprendizado e retomar conceitos trabalhados, incentivando-os a siste-

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matizar aqueles que são essenciais, além de auxiliar o professor a identificar as principais dúvidas e dificuldades da turma.

Mais questões Essa seção apresenta questões dos principais exames de larga escala do Brasil, com temas relacionados aos conteúdos abordados nas unidades. Além de retomar os conceitos abordados, a seção busca familiarizar os estudantes com as estruturas de atividades comumente praticadas nesses exames.

Conheça mais

as propostas previstas pela BNCC, entre elas as competências gerais e específicas, as habilidades e os temas contemporâneos transversais.

Respostas da abertura Boxe em que são apresentadas as respostas das questões das páginas de abertura da unidade, além de orientações para a condução dessas questões.

Objetivos do capítulo

Seção com indicações de referências complementares, como filmes, livros e sites, relacionados a temas desenvolvidos nas unidades. Essas indicações visam ampliar o aprendizado dos estudantes sobre os conteúdos.

Boxe em que são listados os objetivos de aprendizado que se espera que os estudantes alcancem no trabalho com o capítulo. Esses objetivos auxiliam o professor a realizar as avaliações de aprendizagem ao longo do capítulo e a adequar seus planejamentos.

Respostas

Acompanhando a aprendizagem

Seção que apresenta as respostas de atividades que envolvem cálculos.

Seção em que são sugeridas estratégias e atividades para o professor acompanhar a aprendizagem dos estudantes. Com base nas avaliações, é possível identificar as principais dificuldades da turma e criar condições para fazer ajustes em seu planejamento.

Lista de siglas Apresentação do significado das siglas citadas no volume.

Referências bibliográficas comentadas Seção que apresenta as principais obras consultadas na elaboração do volume, com breve comentário a respeito de cada uma delas.

Orientações para o professor Esse material está organizado em duas partes. A primeira contém pressupostos teóricos e metodológicos que fundamentam a coleção, descrição e orientações sobre as seções e a estrutura de conteúdos, bem como suas relações com a BNCC, além de quadros de distribuição dos conteúdos. Já a segunda parte apresenta as orientações específicas para o professor trabalhar os conteúdos, as seções e as atividades de cada capítulo do volume. Conheça a seguir como estão organizadas as informações das Orientações para o professor.

Objetivos da unidade Localizado no início de cada unidade, esse boxe apresenta os objetivos de aprendizado que se espera que os estudantes alcancem durante o trabalho com os conteúdos da unidade.

Boxe complementar Seção que oferece orientações para o professor desenvolver o trabalho do boxe complementar do Livro do Estudante. Além disso, são apresentadas as respostas das questões propostas no boxe.

Atividade extra Seção com sugestões de atividades para complementar em sala de aula o estudo de conteúdos trabalhados na unidade.

Compartilhe ideias Seção que apresenta ao professor orientações e subsídios para auxiliar na condução das atividades propostas nessa seção do Livro do Estudante, visando desenvolver a inferência e a argumentação.

Conexões com... Nessa seção, são apresentados os objetivos que os estudantes devem alcançar com o trabalho da seção no Livro do Estudante, além de orientações para a construção e a realização das aulas propostas em conjunto com outros componentes curriculares.

Prática científica

Boxe que apresenta os principais conteúdos, as habilidades, as competências e os temas contemporâneos transversais propostos na BNCC que serão trabalhados em cada unidade.

Contém sugestões para orientar os estudantes na realização das atividades práticas de investigação e instruções de como observar e interpretar os resultados das atividades. Além disso, a seção apresenta os objetivos a serem atingidos ao final das atividades práticas, assim como possíveis cuidados necessários para evitar acidentes ou obter o melhor aproveitamento da atividade.

BNCC em contexto

Integrando o conhecimento

Boxe em que são destacadas e comentadas as relações dos conteúdos desenvolvidos no Livro do Estudante com

Seção que sugere possibilidades de relações de conteúdos com outros componentes curriculares de Ciências da

Justificativas

III

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Natureza e suas Tecnologias e outras áreas do conhecimento, oferecendo sugestões e orientações para o trabalho em conjunto com professores desses componentes.

Ligado no tema Auxilia com orientações e comentários para o desenvolvimento do trabalho com os temas contemporâneos transversais propostos na seção no Livro do Estudante. Além disso, há instruções que auxiliam na condução das atividades de reflexão e nos debates.

Respostas Disponibiliza respostas, resoluções e orientações de determinadas atividades realizadas ao longo dos capítulos, assim como comentários de atividades de provas oficiais.

Retome o que estudou Boxe que fornece as respostas das questões presentes na seção do Livro do Estudante e orientações de como essas questões podem ser utilizadas como ferramenta avaliativa e de sistematização dos conceitos.

Fundamentos teórico-metodológicos O ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias

aos estudantes ampliar sua compreensão sobre a vida, o nosso planeta e o universo, bem como sua capacidade de refletir, argumentar, propor soluções e enfrentar desafios pessoais e coletivos, locais e globais.

Os componentes curriculares da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias ajudam a compreender os fenômenos naturais que nos cercam. Dessa maneira, o ensino de Biologia, de Física e de Química deve se pautar na realidade próxima dos estudantes. Eles trazem consigo conhecimentos que construíram em sua vivência e geralmente se baseiam neles para tentar compreender e explicar os fenômenos naturais. No entanto, muitas vezes, precisam ir em busca de outros conhecimentos para compreender e resolver os problemas do cotidiano. O ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias deve contribuir para que os estudantes obtenham esses conhecimentos e estabeleçam as relações necessárias para conhecer o mundo que os cerca, resolver os problemas e argumentar e intervir na realidade de maneira consciente. Diante disso, o ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias deve se pautar nas necessidades dos estudantes e em sua formação cidadã. Assim, é preciso oportunizar momentos para que eles possam ter uma postura ativa e crítica durante o processo de estudo, aprofundamento e apropriação do conhecimento. Para isso, deve-se romper com a ideia de um professor detentor do conhecimento e passar a agir como mediador da aprendizagem, oportunizando questionamentos, argumentação de ideias e opiniões e incentivando a análise de situações. Esta coleção procura desenvolver as competências e habilidades por meio de diferentes modelos didático-pedagógicos. De acordo com a BNCC (2018),

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Versão final. Brasília: MEC, 2018. p. 471-472. Disponível em: https:// www.gov.br/mec/pt-br/escola-em-tempo-integral/BNCC_EI_ EF_110518_versaofinal.pdf. Acesso em: 30 set. 2024.

[...] No Ensino Médio, a área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias oportuniza o aprofundamento e a ampliação dos conhecimentos explorados na etapa anterior. Trata a investigação como forma de engajamento dos estudantes na aprendizagem de processos, práticas e procedimentos científicos e tecnológicos, e promove o domínio de linguagens específicas, o que permite aos estudantes analisar fenômenos e processos, utilizando modelos e fazendo previsões. Dessa maneira, possibilita

[...]

A área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias do Ensino Médio busca a integração entre os seus componentes curriculares, Biologia, Química e Física, e entre eles e os componentes das outras áreas de conhecimento, que são Linguagens e suas Tecnologias, Matemática e suas Tecnologias, Ciências Humanas e Sociais aplicadas. Para possibilitar esse trabalho, a coleção é composta de três volumes organizados por componente curricular: Biologia (volume único), Química (volume único) e Física (volume único). No processo de ensino-aprendizagem de cada volume, os estudantes são motivados a mobilizar conhecimentos não só de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, mas também das outras áreas de conhecimento. Quando ocorrem grandes eventos naturais, descobertas científicas, estudos promissores, grandes epidemias e catástrofes ambientais, a sociedade tende a cobrar respostas imediatas. Cabe aos professores de Ciências da Natureza e suas Tecnologias manterem-se atualizados, procurando constantemente estratégias didáticas adequadas capazes de responder às indagações dos estudantes e incentivá-los a construir o conhecimento concreto e crítico. A abordagem desta coleção visa enfatizar as relações entre os contextos socioculturais, a história da Ciência, a experimentação e os conceitos científicos. Na perspectiva sociocultural, a aprendizagem envolve a apropriação cultural, que depende de diferentes linguagens (internet, cultura digital, gráficos, tabelas e gêneros textuais diversos). É preciso lembrar que o jovem vive imerso em um mundo de signos, utilizados para construir significados. O tipo de ferramenta ou signo mediador regulará a forma como os conceitos são internalizados, o que se dá quando o sujeito constrói os próprios significados sobre o mundo, associando-os a ideias de seu contexto sociocultural. Nessa perspectiva, a aprendizagem se estabelece quando os estudantes são capazes de

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compreender as relações entre os sujeitos sociais e os conhecimentos científicos, abandonando uma visão concreta do mundo e passando a percebê-lo de forma abstrata, generalizando os conceitos estudados e aplicando-os na análise de diversas situações. É importante lembrar que eles ainda podem ter concepções alternativas e que cabe ao professor identificá-las e trabalhá-las individualmente. A história da Ciência possibilita aos estudantes conhecer os caminhos dela, a maneira como se desenvolveu e de que forma os estudiosos elaboram suas teorias, das primeiras até as atuais. Ela auxilia os estudantes a perceber que a Ciência se desenvolve com base em problemas e questionamentos da sociedade em cada época e em meio a dificuldades, dúvidas e equívocos. Além disso, na perspectiva da etnociência, é muito importante que o ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias incentive os estudantes a valorizar e a reinterpretar os conhecimentos tradicionais, propiciando uma compreensão mais integrada entre a cultura e os conhecimentos científicos. Essas visões podem contribuir para a formação de um indivíduo com potencial de análise reflexiva e analítica, percebendo que a Ciência é uma construção humana, dinâmica e mutável e que o conhecimento científico está sujeito a reformulações. Um ponto fundamental na área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias é a experimentação, a qual permite aos estudantes vivenciar situações práticas, colocando-se no papel central da construção do conhecimento, além de tornar as aulas mais dinâmicas e participativas. Nesta coleção, procuramos sugerir atividades práticas simples e acessíveis, que visam desenvolver conteúdos procedimentais e atitudinais. Os experimentos ou as demonstrações podem ser realizados no início das aulas ou no decorrer delas. Essas atividades permitem aos estudantes reconhecer a importância de desenvolver as etapas do método científico: observação, levantamento de hipóteses, elaboração de um plano de trabalho, montagem e coleta e análise de dados. Para que o ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias seja efetivo, também é importante considerar a realidade próxima dos estudantes, incluindo suas vivências e experiências. Junto às situações-problema, a valorização dos conhecimentos e das experiências prévias dos estudantes pode incentivá-los a se tornar protagonistas no processo de ensino-aprendizagem, levando-os a buscar o conhecimento científico para explicar ou resolver problemas do cotidiano. Durante o processo de ensino-aprendizagem, o professor deve auxiliar os estudantes a construir argumentações e a se posicionar diante de situações do cotidiano, desenvolvendo o raciocínio e uma postura crítica. Essas capacidades proporcionam a formação integral dos estudantes como cidadãos atuantes e participantes das questões sociais relevantes. Nesta coleção, utilizamos diferentes perspectivas teórico-metodológicas, pois entendemos que os professores precisam conhecer uma pluralidade de perspectivas teórico-práticas. Esse trabalho permite que sejam oferecidas aos estudantes abordagens variadas, dependendo do assunto e do campo do saber observados. Além disso, são oferecidas orientações de como desenvolver o pensamento acerca de Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA). [...] A grande finalidade da educação em Ciências nu-

ma perspectiva CTSA (Ciência-Tecnologia-Sociedade-Ambiente) é dar da Ciência uma visão integrada, relacionando-a com a Tecnologia e evidenciando os impactos que estas têm na Sociedade e no Ambiente, bem como a influência que a Sociedade/Ambiente tem no desenvolvimento da Ciência e da Tecnologia. [....] FERNANDES, I. M. B.; PIRES, D. M.; DELGADO-IGLESIAS, J. Perspetiva Ciência, Tecnologia, Sociedade, Ambiente (CTSA) nos manuais escolares portugueses de Ciências Naturais do 6º ano de escolaridade. Ciência e Educação, v. 24, n. 4, out./dez. 2018. p. 876. Disponível em: https://www.scielo.br/pdf/ciedu/v24n4/1516-7313ciedu-24-04-0875.pdf. Acesso em: 30 jul. 2024.

Assim, esta coleção apresenta alguns pilares.

Ferramentas • Momentos de integração de conhecimentos (Biologia, Química e Física). • Análise de situações. • Experimentação. • História da Ciência. • Cultura digital. • Divulgação científica. • Ciência, tecnologia, sociedade e ambiente.

Recursos • Imagens diversas (esquemas, ilustrações e fotografias). • Gêneros textuais diversos (textos de fontes diversas, reportagens, tirinhas, cartuns). • Tabelas, gráficos e mapas. • Materiais diversos e acessíveis. • Recursos audiovisuais.

Metas • Desenvolvimento de habilidades e competências. • Leitura e interpretação de textos e dados. • Cidadania. • Protagonismo no processo de ensino-aprendizagem. • Desenvolvimento da alfabetização científica. • Apropriação do método científico (observação, análise, levantamento e teste de hipóteses). • Argumentação e comunicação científica. • Desenvolvimento do raciocínio lógico-matemático e do pensamento computacional. • Desenvolvimento do raciocínio linguístico.

Problematização A problematização é uma forma de iniciar uma aula, por exemplo, atraindo a atenção dos estudantes. Ao lançar uma situação-problema contextualizada, ela pode instigar e despertar o interesse deles pelo tema a ser abordado. Porém, não se trata apenas de apresentar uma sentença e pedir-lhes que a resolvam; é necessário que a situação-problema seja relevante para o estudante e que o professor acompanhe a resolução. Dessa forma, o professor precisa verificar se a situação levantada é interessante para os estudantes e se efetivamente cria um elo adequado entre Ciência, tecnologia, sociedade, saúde e ambiente. Trata-se de uma proposição qualitativa,

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em que é preciso raciocinar sem o objetivo de aplicar fórmulas ou modelos prontos. A ideia é levar os estudantes a argumentar à medida que refletem sobre as estratégias necessárias para a resolução do problema, na busca de realizar uma ação investigativa. De maneira geral, essas situações contribuem para que os estudantes reflitam, levantem hipóteses, busquem explicações e confrontem seus modelos com as informações coletadas, a fim de realizar a sistematização do conhecimento, retomar todas as questões e chegar às conclusões. Para que eles sejam incentivados a participar das situações propostas e resolvê-las, o professor deve ser um mediador, orientando-os a encontrar soluções para os problemas e não atuando apenas como um transmissor de tarefas. Ele deve ainda considerar os conhecimentos prévios dos estudantes e suas respostas para o problema proposto. Nesta coleção, a problematização ocorre principalmente no desenvolvimento de alguns conteúdos, nas seções Prática científica, Atividades e Ligado no tema.

Interdisciplinaridade A interdisciplinaridade incentiva a formulação de um saber crítico-reflexivo com base no diálogo entre os conteúdos de diferentes componentes curriculares, possibilitando que os estudantes e professores reconheçam as relações entre os conhecimentos, deixando de concebê-los de maneira segmentada. Essa perspectiva proporciona aos estudantes uma compreensão mais abrangente da realidade, dando-lhes oportunidades de vivenciar uma aprendizagem mais efetiva e articulada, levando em conta os objetivos gerais e específicos de cada componente envolvido. O conceito orientador de uma prática pedagógica desenvolvida em parceria, fruto de uma pedagogia integradora, é o de interdisciplinaridade, que se trata da: [...] Interação existente entre duas ou mais disciplinas. Essa interação pode ir da simples comunicação de ideias à integração mútua dos conceitos diretores da epistemologia, da terminologia, da metodologia, dos procedimentos, dos dados e da organização referentes ao ensino e à pesquisa. Um grupo interdisciplinar compõe-se de pessoas que receberam sua formação em diferentes domínios do conhecimento (disciplinas) com seus métodos, conceitos, dados e termos próprios. [...] FAZENDA, Ivani Catarina Arantes. Integração e interdisciplinaridade no ensino brasileiro: efetividade ou ideologia. 6. ed. São Paulo: Loyola, 2011. p. 54.

Um trabalho interdisciplinar preocupa-se em relacionar os conceitos de modo articulado, promovendo o pensamento crítico, o pensamento científico, o pluralismo de ideias e a autonomia de pensamento, com o propósito de evitar a fragmentação do conhecimento e instigar o interesse dos estudantes na participação direta do processo de aprendizagem. Esse trabalho deve estar ligado às culturas juvenis, considerando a vida dos estudantes e suas motivações em contextos reais e/ou próximos à realidade, de modo que os envolva e torne o processo, além de útil, prazeroso, dando voz, vez e atitude ativa a eles. Deve instigar o trabalho coletivo, de interação e colaboração, tanto entre os estudantes quanto entre eles e os professores, favorecendo o desenvolvimento da capacidade de argumentar e organizar informações.

Professores e estudantes, por meio de práticas pedagógicas e vivências interdisciplinares, devem associar um conhecimento geral a conteúdos das diversas áreas do conhecimento e, ao final, promover uma síntese, ampliando a compreensão dele em relação ao do início do processo. É fundamental que os professores sejam os primeiros a trilhar esse percurso e garantam que as habilidades seguintes estejam envolvidas nessa abordagem. Para colaborar para a mudança de visão conteudista e fragmentada do conhecimento para uma postura interdisciplinar, esta obra sugere, em diversos momentos, conexões entre os componentes curriculares e seus respectivos objetos de conhecimento com base em temas, conteúdos, recursos e seções que promovem tais abordagens. A seção Conexões com... apresenta uma proposta de interdisciplinaridade entre os componentes curriculares de Biologia, Química e Física e os componentes curriculares das demais áreas de conhecimento: Linguagens e suas Tecnologias (Língua Portuguesa, Língua Inglesa, Arte e Educação Física), Matemática e suas Tecnologias e Ciências Humanas e Sociais Aplicadas (História, Geografia, Filosofia e Sociologia). A seção é apoiada pelas Orientações para o professor, com sugestões de desenvolvimento específicas para tirar o melhor proveito dos trabalhos propostos. Além disso, a seção Ligado no tema, por meio do trabalho com os temas contemporâneos transversais (TCTs) e outros textos e atividades ao longo do volume, possibilita explorar algum aspecto interdisciplinar, trazendo subsídios para o professor aproveitar a oportunidade de relacioná-los a outros componentes curriculares. Para as atividades que permitem a integração com outros componentes curriculares, é preciso alinhar com o professor do outro componente os objetivos de aprendizagem pertinentes àquele trabalho e as formas como podem ser desenvolvidos em conjunto. Durante esse alinhamento, é importante evidenciar as relações que se espera que os estudantes estabeleçam durante a atividade, além de detalhar as etapas necessárias para o desenvolvimento de cada objetivo, estabelecer os prazos para a conclusão de cada etapa e estipular os critérios de avaliação. Quando não for possível realizar o trabalho prático com a colaboração de outro professor, é importante identificar os principais conceitos e relações que se pode estabelecer entre os componentes envolvidos e buscar orientações sobre como desenvolver a proposta interdisciplinar com os estudantes. Também é importante orientar e acompanhar os estudantes para que realizem pesquisas direcionadas a fim de adquirir os conhecimentos necessários para o desenvolvimento da proposta interdisciplinar. Essas orientações devem estar relacionadas: • à escolha de fontes de pesquisa confiáveis e adequadas à proposta; • ao modo de realizar os registros, distinguindo o que é relevante para o estudo do que não é; • à maneira como as informações obtidas podem ser organizadas; • à forma como os resultados das pesquisas devem ser entregues (impressos, por meio de cartazes, postagens na internet etc.). O trabalho interdisciplinar revela como o processo de aprendizagem é contínuo e permanente. O trabalho de associação entre componentes curriculares não propicia apenas uma formação integral e significativa, mas também fornece a oportunidade para o estudante desenvolver sua autonomia no processo.

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O Ensino Médio O papel do professor Entre todos os aspectos já citados a respeito do docente, frisamos que o professor da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias deve ser capaz de perceber as relações professor-estudante e estudante-estudante, de modo a orientar suas aulas de acordo com essas observações. Uma das formas de promover a interação em sala de aula é substituir algumas aulas expositivas por estratégias que incentivem a participação dos estudantes e a troca de ideias entre eles, o que pode ser feito por meio da oralidade, da escrita, de imagens ou de gestos. Utilizar diferentes formas de abordagem pode auxiliar o docente a atingir o objetivo de levar os estudantes a desenvolver a capacidade de acessar as informações científicas, interpretá-las e formar as próprias opiniões. À medida que são orientados nesse sentido, ficará cada vez mais evidente para eles como ocorre a união da teoria com a prática. [...] Dessa forma, a figura do professor aparece como mediadora, seja para formular questões que conduzam a discussão aos pontos considerados importantes, ou ainda para encaminhar a discussão para aspectos do cotidiano dos alunos, procurando assim falar com estudantes e não aos estudantes. Muda-se, portanto, o referencial, tirando o conhecimento como algo que vem do professor, que é assim detentor absoluto desse conhecimento (geralmente uma Ciência absoluta, inquestionável), e coloca-se o conhecimento como algo que pode ser construído pelos estudantes. [...] NASCIMENTO, Viviane Briccia do. A natureza do conhecimento científico e o ensino de ciências. In: CARVALHO, Anna Maria Pessoa de (org.). Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004. p. 53-54.

O trabalho do professor em sala de aula é amplo porque, além de buscar metodologias que adaptem os conteúdos ao aprendizado dos estudantes, contribui para a formação de cidadãos críticos. Portanto, o profissional se depara com a necessidade de ir além do ensino de conteúdos para encaminhar os jovens a desenvolver habilidades, atitudes, valores e competências. Logo, é fundamental que se mantenha em constante formação. [...] Entendendo que a democratização do ensino passa pelos professores, por sua formação, por sua valorização profissional e por suas condições de trabalho, pesquisadores têm defendido a importância do investimento no seu desenvolvimento profissional. Esse processo de valorização envolve formação inicial e continuada, articulada, identitária e profissional. Essa formação identitária é epistemológica, ou seja, reconhece a docência como um campo de conhecimentos específicos configurados em quatro grandes conjuntos, a saber: 1) conteúdos das diversas áreas do saber e do ensino, ou seja, das ciências humanas e naturais, da cultura e das artes; 2) conteúdos didático-pedagógicos mais amplos do campo teórico da prática educacional; 3) conteúdos ligados a saberes pedagógicos mais amplos do campo teórico da

prática educacional; 4) conteúdos ligados à explicitação do sentido da existência humana individual, com sensibilidade pessoal e social. E essa formação identitária é também profissional, ou seja, a docência constitui um campo específico de intervenção na prática social. MARANDINO, Martha; SELLES, Sandra Escovedo; FERREIRA, Marcia Serra. Ensino de biologia: histórias e práticas em diferentes espaços educativos. São Paulo: Cortez, 2009. p. 11.

Para autores como Alarcão (2018) e Pimenta (2018), a formação de professores deve priorizar o profissional reflexivo, além de ser contínua para reelaborar os saberes, confrontando-os com a prática vivenciada em sala de aula. O professor, ao atuar como um profissional reflexivo, deixará de reproduzir ideias e práticas para passar a integrar ciência, técnica, arte e sensibilidade. Para que ele atue sobre a própria prática, são necessários, de acordo com Alarcão (2018), conhecimentos científicos e pedagógicos; conhecimento do conteúdo curricular e pedagógico em geral do estudante, dos contextos, dos fins educativos e, por fim, de si mesmo.

Planejamento Outro elemento significativo para o trabalho do docente é o planejamento. Ao planejar as aulas, o professor tem a oportunidade de refletir sobre como trabalhar as habilidades dos estudantes e quais estratégias usar no ensino de diferentes conceitos, procedimentos e atitudes. Nessa fase do trabalho é possível que o docente organize suas atividades práticas, prevendo o tempo necessário ou disponível para cada uma delas. O planejamento de atividades deve seguir algumas etapas: a apresentação do tema; a delimitação dos problemas a serem investigados e o levantamento de hipóteses; a investigação do problema; a sistematização dos conceitos; e a avaliação. O professor também deve se planejar com base nos objetivos que pretende alcançar, levar em consideração as estratégias necessárias para essa finalidade e escolher os recursos necessários. Contudo, ele deve se preparar para possíveis desvios no roteiro inicial, já que uma aula não é igual a outra, tampouco previsível. Também é necessário conhecer a si mesmo e aos estudantes (desenvolvimento cognitivo, socioeconômico e cultural), bem como ter preestabelecida a metodologia adequada àquele momento. Nos casos propícios para articulação entre áreas diversas do conhecimento, é importante, mais uma vez, pensar no planejamento coletivo em parceria com professores de outros componentes curriculares. Faz-se necessário um encontro para que, com base em uma avaliação diagnóstica interdisciplinar, ambos os professores tracem os objetivos de aprendizagem pertinentes às áreas do conhecimento envolvidas, de modo que seja possível trabalhá-los em conjunto para potencializar a formação integral dos estudantes. As Orientações para o professor oferecem subsídios para apoiar a confecção de planejamentos diversos conforme a necessidade do professor, dos conteúdos e das turmas. No entanto, é preciso atenção, autonomia e flexibilidade para adaptar as sugestões aqui fornecidas às regências contidas no Projeto Político Pedagógico da unidade escolar e no currículo estadual. Outra atenção necessária ao planejar as aulas é quanto

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aos casos de estudantes com deficiências ou transtornos, os quais requerem a dedicação do professor a um Planejamento Educacional Individual (PEI).

Organização do espaço Com base nas novas perspectivas educacionais, o estudante do Ensino Médio tem papel de protagonismo em seu desenvolvimento pessoal. Portanto, apenas o modelo tradicional de configuração de uma sala de aula, com carteiras enfileiradas, em que o professor atua como único detentor do conhecimento, não supre a necessidade de um espaço propício para a interação e as relações interpessoais na aprendizagem. Por isso, outras formas de organização do espaço da sala de aula, além de promover a construção do conhecimento de forma significativa e qualificada, podem ser aliadas para melhorar o convívio; incentivar a troca de experiências e a interação entre estudantes de diferentes perfis; favorecer o processo de inclusão; propiciar o desenvolvimento da empatia e da cooperação e proporcionar um ambiente mais dinâmico e agradável. Confira a seguir algumas possibilidades de dispor as carteiras na sala de aula para motivar os estudantes a se interessarem mais pelas práticas escolares. Cada uma delas pode ser aplicada conforme a intencionalidade pedagógica, podendo variar, por exemplo, na recepção deles durante as aulas convencionais e nos momentos de avaliação. Atente, contudo, à presença de estudantes com deficiências ou transtornos, a fim de que essas possibilidades não prejudiquem o desempenho deles ou não os excluam das atividades.

Em fileiras voltadas umas para as outras.

De frente uns para os outros.

Em U ou meia-lua.

[...] a princípio podemos demarcar seus campos de desenvolvimento: a educação formal é aquela desenvolvida nas escolas, com conteúdos previamente demarcados; a informal como aquela que os indivíduos aprendem durante seu processo de socialização – na família, bairro, clube, amigos etc., carregada de valores e culturas próprias, de pertencimento e sentimentos herdados; e a educação não formal é aquela que se aprende “no mundo da vida”, via processos de compartilhamento de experiências, principalmente em espaços e ações coletivos cotidianos. GOHN, Maria da Glória. Educação não-formal, participação da sociedade civil e estruturas colegiadas nas escolas. Ensaio: avaliação e políticas públicas em educação, Rio de Janeiro, v. 14, n. 50, p. 28, jan./mar. 2006.

As atividades direcionadas à educação não formal podem ser realizadas em espaços não escolares, como centros de Ciências, museus, jardins botânicos, herbários, zoológicos, planetários e indústrias. Alguns espaços onde se veiculam conhecimentos populares também oportunizam a aprendizagem, como lavanderias e tinturarias; locais de produção de laticínios ou bebidas; ambientes de fundição, funilaria e metalurgia; jardinagem e floricultura; feiras alimentares; shopping centers; pedreiras e pesqueiros. Os espaços não formais de ensino ainda têm o papel de divulgar e comunicar a ciência.

LANGHI, Rodolfo; NARDI, Roberto. Ensino da astronomia no Brasil: educação formal, informal, não formal e divulgação científica. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 4, 2009. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbef/a/jPYT5PRkLsy5TJQfM8pDWKB/ ?format=pdf&lang=pt. Acesso em: 15 out. 2024.

Em formato de plateia.

Em grupos.

O ensino de Ciências da Natureza e suas Tecnologias pode ocorrer em diversos espaços e contextos além da sala de aula. Alguns autores consideram três tipos de educação: formal, informal e não formal. De acordo com Gohn (2006),

[...] A educação não formal, por outro lado, com caráter sempre coletivo, envolve práticas educativas fora do ambiente escolar, sem a obrigatoriedade legislativa, nas quais o indivíduo experimenta a liberdade de escolher métodos e conteúdos de aprendizagem. Alguns exemplos de locais que oferecem a educação não formal são: museus, meios de comunicação, agências formativas para grupos sociais específicos, organizações profissionais, instituições não convencionais de educação que organizam eventos tais como cursos livres, feiras e encontros. [...] os museus de astronomia, planetários, observatórios astronômicos e clubes de astrônomos amadores que oferecem tais atividades podem ser incluídos na categoria de estabelecimentos de educação não formal em astronomia. [...]

Ilustrações: Keithy Mostachi/ Arquivo da editora

Em círculo.

Espaços não formais de ensino-aprendizagem

Portanto, torna-se indispensável proporcionar vivências como essas aos estudantes, contemplando, no planejamento das aulas visitas a esses espaços não formais de ensino-aprendizagem. Essas sugestões visam fortalecer o ensino para que ele cumpra seu papel democrático, inclusivo e transformador e desperte nos jovens a capacidade e a necessidade de mudar o mundo.

VIII

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O estudante É inegável que as constantes transformações na sociedade resvalam em âmbitos diversos da vida social, incluindo a escola. Nesse processo, os estudantes se deparam com instituições de educação que nem sempre conseguem acompanhar as mudanças estabelecidas fora dos muros escolares, uma vez que se debatem entre práticas há muito enraizadas. Surge, com isso, a necessidade de adaptação frente a novas demandas, ou seja, de contribuição para a formação de jovens que já agem e participam da sociedade em que vivem como sujeitos ativos, preparando-os não somente para o mercado de trabalho, mas também para os desafios que lhes são proporcionados, tornando-os cada vez mais independentes e desenvolvendo neles atitudes e valores como a inovação, a criatividade, a organização e o planejamento, que lhes serão importantes como cidadãos. Um discurso bastante presente nas novas propostas político-pedagógicas é a democratização do ensino público e a melhoria de sua qualidade, baseados na equidade, justiça social e a valorização da diversidade dos estudantes. Essas transformações devem envolver uma série de ações por parte dos pais, professores e especialistas, muitas vezes, envolvendo também a reformulação de currículos. Um dos pilares que deve sustentar essa manobra “está no reconhecimento de que a reflexão sobre a multiplicidade exige a consideração da identidade não como essência, mas como um campo de ação social” (BRASIL, 2013, p. 18). Desse modo, há de se compreender o que é ser jovem atualmente, ou seja, cidadãos em transformação, em sua maioria, conectados e engajados tecnologicamente, cientes dos fatos e acontecimentos sociais e culturais que ocorrem no âmbito local e mundial, que buscam respostas perante as dúvidas e os anseios que sentem, curiosos e criativos, apreciadores da cultura local e global, entre outras características. [...] O mundo da cultura aparece como um espaço privilegiado de práticas, representações, símbolos e rituais, no qual os jovens buscam demarcar sua identidade juvenil. Longe dos olhares dos pais, educadores ou patrões, mas sempre tendo-os como referência, os jovens constituem culturas juvenis que lhes dão uma identidade como jovens. As culturas juvenis, como expressões simbólicas da condição juvenil, se manifestam na diversidade em que esta se constitui, ganhando visibilidade através dos mais diferentes estilos, que têm no corpo e no visual uma das suas marcas distintivas. [...] REIS, Juliana Batista dos; JESUS, Rodrigo Ednilson de. Marcas das culturas juvenis. In: Culturas juvenis e tecnologias. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2014. p. 16.

Dessa forma, ao considerar essa pluralidade das identidades juvenis, tomando os jovens como sujeitos sociais com importante participação cultural dentro e fora dos muros da escola, apresentam-se, nesta coleção, diversos temas que podem

ampliar o repertório de conhecimento desses estudantes, a fim de instigá-los a ter contato com a área de Ciências da Natureza por meio de assuntos que sejam pertinentes, significativos e agradáveis a eles. Além disso, acredita-se que eles usarão esse aprendizado não somente na escola, mas também em diferentes fases da vida, para seu desenvolvimento pessoal e profissional, e na atuação como cidadãos participativos do meio em que vivem. Entre os elementos que constituem as culturas juvenis, destacam-se ainda a arte, o esporte, a política e a tecnologia. Esta última tem exercido um papel significativo nas práticas cotidianas dos jovens, que encontram nas plataformas digitais um meio para expressarem sua singularidade. A respeito disso, Carrano, Damasceno e Tafakgi afirmam que: [...] notar pelas mídias eletrônicas, podem e devem ser utilizadas como ferramentas que facilitem a interlocução e o diálogo entre os jovens, profissionais da educação e da escola, contribuindo assim para o desenvolvimento de práticas pedagógicas inovadoras em comunidades de aprendizagens superadoras das tradicionais hierarquias de práticas e saberes ainda tão presentes nas instituições escolares. [...] BRASIL. Secretaria de Educação Básica. Formação de professores do ensino médio, etapa I - caderno II: o jovem como sujeito do ensino médio. Ministério da Educação, Secretaria de Educação Básica. Curitiba: UFPR/Setor de Educação, 2013. p. 27-28.

Nesse sentido, são vários os benefícios que se observam ao transformar a cibercultura em uma aliada dos métodos de ensino, mas exigem que educadores estejam abertos a aprender os novos recursos e a se prepararem adequadamente para se tornar mediadores nas novas configurações de ensino e aprendizagem e não os detentores máximos do saber. Ainda no que se refere à inserção das culturas juvenis no contexto escolar, é possível organizar pesquisas, atividades temáticas e rodas de conversa em que os estudantes terão a oportunidade de falar sobre a relação que mantêm com tecnologias digitais, música, dança, moda e outros interesses relacionados ao seu desenvolvimento pessoal. Com base nessas práticas, o currículo escolar poderá ser planejado de modo a contemplar os temas integrantes das culturas juvenis. A autonomia dos estudantes, em conjunto com o autoconhecimento e a autoestima – que, da mesma forma, devem ser trabalhados no contexto escolar –, auxiliará os jovens não somente na definição de suas escolhas profissionais, mas também no “que concerne às escolhas de estilos de vida saudáveis, sustentáveis e éticos” (BRASIL, 2018a, p. 463). Identificar as inspirações e as expectativas dos estudantes, bem como suas angústias e aflições no que se refere ao futuro, é imprescindível para que se inicie esse trabalho, cujo objetivo é permitir que aprimorem as habilidades e competências exigidas para o que almejam – por isso a importância de um ensino personalizado, que valorize as singularidades dos sujeitos envolvidos e transforme o professor em um facilitador.

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Orientações pedagógicas Interações sociais e saúde mental Entre os muitos atributos e habilidades exigidos dos professores na atualidade, é fundamental ressaltar a importância de um olhar atento e sensível para detectar atitudes que possam refletir problemas pelos quais os estudantes estejam passando, dentro ou fora de sala de aula. Essas adversidades podem se manifestar de formas distintas, como por meio da dificuldade de lidar com emoções ou de comportamentos que indiquem falta de interação social ou problemas de convivência. Como a saúde mental não se caracteriza por sua linearidade, mas por dimensões, o professor, além de estar continuamente vigilante, deve promover, constantemente, o desenvolvimento de certas habilidades, atitudes e valores dos estudantes. Nesse momento, é válido salientar que a escola não deve se limitar a abordar os conteúdos curriculares regulares, mas também promover junto aos estudantes a capacidade de se comunicar e de se relacionar com os colegas, ouvindo-os e praticando a empatia; de respeitar as regras do ambiente escolar; de engajar em atividades culturais, entre outras. Concomitantemente ao reconhecimento de habilidades, deve ocorrer a identificação de situações que podem dar indícios de questões relacionadas às interações sociais e à saúde mental e que precisam ser observadas, como bullying, cyberbullying, racismo, sexismo, homofobia, transfobia, isolamento social, maus-tratos, violências de qualquer tipo, problemas com autoimagem e distúrbios alimentares. Em consonância com esses fatores e pautada em metodologias especializadas, é dever da comunidade escolar, incluindo diretores, coordenadores, professores, outros funcionários que desempenham atividades técnicas e administrativas e também os próprios estudantes, manter um ambiente harmonioso e livre de conflitos, promovendo a cultura da paz. Nesse sentido, promover o diálogo de forma respeitosa, prezando pela comunicação não violenta; incentivar práticas colaborativas, em detrimento das competitivas; manter relações horizontais, ou seja, sem predominância de estruturas hierárquicas; e desenvolver continuamente as competências socioemocionais mostram-se essenciais para que a saúde mental dos sujeitos pertencentes a esse contexto seja preservada. Embora sejam perceptíveis em muitas ocorrências, alguns dos problemas descritos anteriormente aparecem de modo silencioso ou são negados insistentemente. Casos de bullying e de cyberbullying, por exemplo, podem acontecer sem que ninguém os testemunhe, dificultando sua constatação, uma vez que a vítima pode ser intimidada ou ameaçada se relatar o ocorrido a um terceiro. Nessas situações, canais abertos de comunicação e, novamente, atenção às mudanças comportamentais, ainda que sutis, são capazes de reverter esse cenário. Além disso, projetos paralelos em que são discutidas questões como relações humanas, diversidade e construção da identidade na juventude demonstram eficácia no combate a essas questões. Quanto ao bullying, é fundamental enfatizar que ele se caracteriza por ser recorrente, ter intenção de chatear ou

ameaçar e não ter motivos claros para acontecer, evidenciando que a força e o poder do agressor sobre a vítima constituem suas bases estruturantes. Ele deve, portanto, ser diferenciado de brigas ocasionais ou de situações pontuais em que haja discordância entre os estudantes. Já o cyberbullying pode prejudicar a saúde mental dos estudantes por meio de insultos, intimidações e violência psicológica causados por usuários de redes sociais ou outros meios digitais, sendo potencializados pela abrangência da internet. Uma vez que as consequências do bullying e do cyberbullying extrapolam o ambiente onde ele foi praticado, as medidas preventivas devem se estender a outros contextos. Tanto a instituição familiar como a escolar são essenciais para detectar a violência e impedir que ela aconteça, por isso devem agir em conjunto visando à superação dessa e de toda forma de violência. Cabe ressaltar que as medidas tomadas com relação a esse problema não objetivam punir o agressor, mas oferecer-lhe assistência. Apesar dos mecanismos que possibilitam a resolução, ainda que lenta e gradual, dessas questões, alguns casos podem se revelar mais graves, exigindo que se busque ajuda especializada. Nesse contexto, o professor tem muito a contribuir no combate a esses tipos de violência, desenvolvendo atividades, abordagens e campanhas antibullying.

Sugestões de práticas para a promoção da boa convivência 1. Nos primeiros dias de aula, promova momentos para combinar práticas de cuidados ao se relacionar com as pessoas, como: • pensar no que quer falar, de modo que seja dito somente se tiver certeza de que não ofenderá ou magoará alguém; • conversar fazendo uso de palavras positivas, sem prepotência, coação ou agressividade; • respeitar o próximo e a si mesmo; • apoiar suas atitudes em comportamentos éticos, democráticos e inclusivos; • não julgar nem comparar as pessoas; • assumir o que fala e suas atitudes; • valorizar e promover o desenvolvimento da autoestima; • desenvolver competências socioemocionais, como empatia, respeito, responsabilidade, foco, persistência e autoconfiança. 2. Em parceria com um profissional especializado, promova momentos para conversarem, por exemplo, sobre: • a importância da empatia nos ambientes digitais; • o respeito à intimidade de cada um; • a importância de assumir a responsabilidade pelo que diz e faz; • o desenvolvimento da autoestima; • a importância de denunciar atos de violência e discriminação de qualquer tipo; • o combate aos estereótipos, à violência sexual, à intolerância religiosa, ao racismo, à xenofobia, ao discurso de ódio, ao cancelamento digital, entre outros.

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3. Proponha rodas de conversa mediadas reflexivas, realizadas por meio de diálogos respeitosos, abordando temáticas sensíveis de nossa sociedade, como desigualdade de gênero, violência contra a mulher, homofobia, transfobia e racismo. 4. Promova atividades culturais relacionadas a diferentes matrizes étnico-culturais (abordagens que utilizam a linguagem artístico-literária permitem um trabalho prático com essas temáticas e colaboram para o contato com o outro). 5. Realize dinâmicas que objetivam expor sentimentos e emoções. Esse tipo de atividade deve ser bem orientado e conduzido para não causar desconforto e constrangimento aos estudantes. 6. Proponha a produção e divulgação de autobiografias contemplando a diversidade e as características pessoais dos estudantes a fim de valorizar os diferentes perfis. 7. Assista com os estudantes a filmes e documentários para refletir e conversar sobre diferentes assuntos sociais importantes relacionados à saúde emocional e ao campo da convivência. 8. Inclua estudantes em situação de itinerância (povos ciganos, circenses, migrantes, imigrantes ou em trânsito) ao ambiente escolar por meio de momentos de conversa e trocas de experiências, como forma de promover o acolhimento deles e consequentemente ampliar o universo dos demais estudantes. Abordagens como essas podem auxiliar na percepção de situações problemáticas e oferecer suporte aos estudantes, evitando que possíveis episódios de discriminação ou violência ocorram. Nesta obra, em momentos apropriados, propomos atividades que promovem o pensamento crítico, o diálogo e a resolução de conflitos, oportunizando aos estudantes o aprofundamento de discussões, a fim de que se posicionem diante de temas importantes, desenvolvendo a empatia e o respeito ao próximo.

Estratégias de ensino-aprendizagem As metodologias ativas As metodologias ativas consistem em abordagens diversificadas que consideram o estudante como centro do processo de aprendizagem e o professor como mediador dele (MORAN, 2018). O fato de, em uma mesma sala de aula, o professor se deparar com jovens que têm variadas formas de aprender exige da prática pedagógica ações que possibilitem alcançar os diferentes perfis desses estudantes, uma vez que eles já chegam com seus conhecimentos de mundo e da cultura, o que tem grande influência no processo de aprendizagem. Nesse sentido, as metodologias ativas, além de associarem situações de ensino à realidade, são fundamentais para que o professor consiga atingir o maior número de estudantes possível, já que elas fornecem possibilidades de compreensão dos conteúdos de modo diferente das práticas comumente utilizadas e abrangem maior variedade de formas de aprender.

[...] O que constatamos, cada vez mais, é que a aprendizagem por meio da transmissão é importante, mas a aprendizagem por questionamento e experimentação é mais relevante para uma compreensão mais ampla e profunda. Nos últimos anos, tem havido uma ênfase em combinar metodologias ativas em contextos híbridos, que unam as vantagens das metodologias indutivas e das metodologias dedutivas. Os modelos híbridos procuram equilibrar a experimentação com a dedução, invertendo a ordem tradicional: experimentamos, entendemos a teoria e voltamos para a realidade (indução-dedução, com apoio docente). [...] MORAN, José. Metodologias ativas para uma aprendizagem mais profunda. In: BACICH, Lilian; MORAN, José (org.). Metodologias ativas para uma educação inovadora: uma abordagem teórico-prática. Porto Alegre: Penso, 2018. p. 2.

É importante, ainda, considerar que a autonomia e a motivação se inter-relacionam no processo de aprendizagem. O interesse em buscar novos conhecimentos e a oportunidade possibilitada aos estudantes de ser responsáveis pelo seu aprendizado despertam a motivação e, estando motivados, eles nutrem o desejo de aprender mais e de descobrir novas informações. Dessa forma, acreditamos que um estudante engajado se sentirá mais responsável e comprometido com o próprio processo de aprendizagem, uma vez que, ao ser exposto a desafios, mesmo que simples, como uma pesquisa para a busca de respostas sobre um assunto proposto, ele terá a curiosidade despertada, além de ter a possibilidade do desenvolvimento do pensamento crítico e reflexivo. Assim, é preciso que os estudantes sejam constantemente incentivados, para que esse interesse inicial não se perca ao longo do ano letivo ou da vida deles. Em consonância com o que foi exposto e acreditando na promoção do estudante como agente atuante e responsável em seu processo de aprendizagem, sugerem-se, em diversos momentos desta obra, tanto no Livro do Estudante como nas Orientações para o professor, atividades baseadas nas estratégias de metodologias ativas, que oportunizam o desenvolvimento da autonomia e da participação dos estudantes, objetivando à pesquisa para a construção de novos conhecimentos, debates, trocas de ideias e experiências com os colegas sobre os temas propostos e atividades em grupos em que possam colocar em prática os conhecimentos adquiridos ao longo das unidades. Essas ações promovem aspectos como cooperação, empatia, pluralismo de ideias, argumentação, inferência, pensamento crítico, curiosidade intelectual, investigação e pensamento científicos, entre outros. A seguir, apresentamos algumas sugestões de estratégias de metodologias ativas.

One-minute paper O professor faz uma pergunta relacionada ao conteúdo e os estudantes devem respondê-la em até 1 minuto, de maneira concisa e direta. Eles podem registrar a resposta no caderno ou em uma folha avulsa. Essa estratégia pode ser utilizada como uma avaliação diagnóstica para identificar o nível de conhecimento da turma sobre o assunto ou pode ser realizada em diferentes momentos, como antes, durante ou ao final da aula.

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Turn and talk O professor propõe uma questão aos estudantes, que se viram (turn) para discutir (talk) a resposta com o colega imediatamente ao lado. Essa estratégia possibilita que eles organizem e compartilhem oralmente suas ideias e ouçam ativamente as opiniões do colega. Além disso, ela busca acessar os conhecimentos prévios e desenvolver a argumentação.

Think-pair-share O professor propõe a questão e orienta os estudantes a refletir individualmente sobre ela (think). Em seguida, organiza-os em duplas para que troquem opiniões sobre a questão (pair). Por fim, incentiva as duplas a compartilhar suas respostas/conclusões com a turma (share).

Gallery walk Os estudantes exibem suas produções de maneira semelhante a uma galeria de arte, fixando-as em paredes ou organizadas em fileiras. Eles devem circular e visitar todos os cartazes. Assim, cada um terá a oportunidade de apresentar seu trabalho e conhecer a produção dos colegas.

Jogo pedagógico – Verdadeiro, falso ou discussão O professor deve confeccionar, com antecedência, de quatro a seis tabuleiros, que poderão ser utilizados em diferentes momentos durante o ano letivo. Cada tabuleiro deverá ser dividido em duas partes para organizar dois conjuntos de envelopes. De um lado do tabuleiro devem ser fixados cinco envelopes, numerados de 1 a 5. Já do outro lado, devem ser fixados três envelopes, nomeados com as palavras verdadeiro, falso e discussão. Para realizar a atividade, também devem ser confeccionados de vinte a trinta cartões, com perguntas relacionadas ao conteúdo estudado. As perguntas devem ter como resposta verdadeiro ou falso, mas não devem estar registradas no cartão, e sim em um gabarito, que servirá para a consulta dos grupos ao final da atividade. Para realizar o jogo, organize a turma em grupos e entregue a cada um deles um dado e um tabuleiro, com os cartões já inseridos dentro dos envelopes numerados de 1 a 5. Cada integrante deverá jogar o dado e tirar um cartão do envelope, de acordo com o número sorteado (caso seja o número 6, o jogador passa a vez para o colega). O estudante deverá ler a questão e tentar respondê-la sozinho para colocar o cartão no envelope verdadeiro ou falso. Os colegas do grupo podem ajudá-lo a responder e, quando não souberem a resposta, o cartão deverá ser colocado no envelope discussão. Ao final, o professor deve disponibilizar o gabarito aos grupos, para que façam a correção e conversem sobre as perguntas que foram depositadas no envelope discussão, sanando as dúvidas e revisando o conteúdo. Os acertos devem ser anotados na lousa, em um placar. O grupo com maior pontuação vence.

Debate Os estudantes se posicionam de modo a formar dois grupos. Um grupo faz um levantamento de aspectos positivos ou favoráveis com relação a um assunto, ao passo que o outro faz um apanhado dos pontos negativos ou desfavoráveis. Para

isso, é necessária uma pesquisa prévia em fontes relevantes e confiáveis, a fim de extrapolar as opiniões típicas do senso comum. Em seguida, sugere-se que eles façam anotações sobre os argumentos e os contra-argumentos que desejam evidenciar no debate. Ao final, um estudante de cada grupo apresenta a defesa de seu grupo a fim de que o outro grupo analise e exponha seus contra-argumentos.

Seminário Os estudantes devem ser organizados em grupos e orientados a preparar o seminário, de acordo com o tema e a data estipulada. Primeiro, cada grupo deverá planejar o que será apresentado, definindo o tema e dividindo as tarefas entre os integrantes do grupo. Em seguida, deverão executar o planejamento, realizando as pesquisas necessárias, levantando dados e informações em fontes confiáveis. Com as informações coletadas, os grupos deverão organizar o roteiro com os principais tópicos que farão parte da apresentação e organizá-la, produzindo, se necessário, materiais audiovisuais, como cartazes e vídeos. Os grupos deverão organizar a apresentação, distribuindo as falas entre os integrantes, para então ensaiá-las. No momento da apresentação, um dos integrantes do grupo deverá iniciar o seminário apresentando um resumo do que será exposto. Na sequência, cada um dos demais integrantes deverá apresentar sua parte, falando com clareza, sem utilizar gírias ou repetições em excesso de determinadas palavras ou expressões, apresentando, assim, as informações de forma coesa e coerente. Ao final, deve ser realizado um momento de conversa para refletir sobre os diferentes posicionamentos da turma com relação ao tema apresentado e concluir quais pontos precisam ser retomados. Ao propor atividades como as sugeridas anteriormente, verifique sempre a compatibilidade de cada uma com as individualidades de cada estudante. Pode ser que algum estudante com deficiência ou transtorno necessite de adaptação para não haver qualquer tipo de exclusão.

Pesquisa escolar No processo de ensino-aprendizagem, a pesquisa é uma estratégia bastante utilizada para trabalhar com os estudantes em sala de aula. No entanto, para obter resultados satisfatórios, existem algumas orientações que o professor deve fornecer a eles antes de realizá-la. 1. Definição do tema: ao definir claramente o tema da pesquisa, estabelece-se um objeto de estudo que desperte o interesse dos estudantes. 2. Planejamento: estabelecer um planejamento para a pesquisa, no qual devem constar os objetivos, envolvendo a problemática inicial sobre o tema escolhido; as fontes de pesquisa (livros, jornais, revistas, internet, dicionários, enciclopédias, fotografias, documentários, filmes etc.); a distribuição de tarefas e a elaboração de um cronograma. 3. Coleta de dados: início dos trabalhos para a efetiva realização da pesquisa. É fundamental que haja interação e troca de experiências entre os próprios estudantes nessa etapa, para que possam verificar se seu trabalho está sendo produtivo para o restante do grupo.

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4. Análise e interpretação dos dados: as informações coletadas devem ser analisadas e interpretadas, pois apenas farão sentido após serem relacionadas com os conhecimentos prévios dos estudantes, com sua realidade próxima, com os conteúdos estudados nos capítulos e com as problemáticas propostas no início da pesquisa. 5. Produção do texto: refere-se a uma reunião de pauta com todo o grupo para definir a ordem em que os tópicos serão apresentados e produzir um rascunho do texto com as informações pesquisadas. 6. Revisão: após essas etapas, cada membro do grupo deve novamente ler o trabalho e apresentar suas considerações finais. A parte final, por sua vez, é composta das referências bibliográficas. 7. Socialização: é fundamental que os grupos troquem informações sobre as conclusões a que chegaram. Outra opção é escolher um meio de divulgação da pesquisa para compartilhá-la com os outros estudantes da escola, com os funcionários ou com a comunidade.

Trabalho em grupo Os trabalhos em grupo podem contribuir para a aprendizagem, pois incentivam a interação de todos os envolvidos, o que cria uma oportunidade para conversarem, trocarem ideias e debaterem determinados assuntos. [...] o trabalho em grupo desponta como uma alternativa ao modelo tradicional, por meio da qual os alunos podem estabelecer uma relação dialógica e dialética com seus colegas e professores. Assim, eles compartilham diferentes momentos e percursos de aprendizagem, trocando distintas experiências de vida e educacionais. [...] BACICH, Lilian; MORAN, José (org.). Metodologias ativas para uma educação inovadora: uma abordagem teórico-prática. Porto Alegre: Penso, 2018. p. 80. (Série Desafios da Educação).

A colocação de situações diversificadas, de assuntos polêmicos, além de instigar a curiosidade dos estudantes, permite o desenvolvimento de um debate rico e construtivo, em que eles se sentem encorajados a buscar soluções e alternativas. Uma das características do trabalho em grupo é levar o estudante a expor suas ideias e argumentar sobre o que pensa, estabelecendo uma relação entre sua opinião e a dos colegas, além de se relacionar com o outro e ouvi-lo. Ao explorar esse tipo de trabalho, é importante que os elementos de avaliação tenham o objetivo de acompanhar o desenvolvimento das ideias e os argumentos dos estudantes. O professor deve conduzir as ações desencadeando questões desafiadoras, evitando uma postura autoritária, o que comprometeria a participação dos estudantes e, consequentemente, dificultaria a manifestação de seus sentimentos e dúvidas.

Leitura e escrita A leitura, a escrita e a interpretação de textos estão relacionadas à competência leitora. Por esse motivo, nesta coleção elaboramos estratégias de leitura para que o estudante interprete signos e mensagens tanto em textos quanto em imagens, gráficos ou tabelas, em diversos níveis de cognição, o que viabiliza a interpretação e a compreensão da leitura crítica e autônoma.

Não é somente com base na capacidade de ler e escrever que os estudantes afirmam sua alfabetização. É necessário dispor de meios para consolidar essas competências a fim de que o estudante as desempenhe de maneira efetiva para obter conhecimentos e se expressar. Atualmente, a rapidez e a praticidade com que se tem acesso à informação, muitas vezes, condiciona os jovens a desenvolver uma leitura rápida e fragmentada. Portanto, a leitura contínua e atenta é fundamental para ser um veículo de informação eficaz, o que consequentemente também é importante para construir o conhecimento. Além das leituras estratégicas, ao longo deste material, os estudantes são incentivados a registrar suas respostas e opiniões por escrito. Dessa forma, garantimos que a escrita também seja efetiva nesse processo.

Argumentação e inferência Os estudantes, no Ensino Médio, devem consolidar sua capacidade de análise, compreensão e argumentação a fim de se posicionar com segurança sobre as mais diversas questões. Essa capacidade é indispensável para reconhecerem quando argumentos com os quais se deparam são válidos ou não, tornando-se aptos não só para a vida prática cotidiana, mas também para as etapas seguintes de formação no Ensino Superior. Analisar, compreender e argumentar constituem um conjunto de práticas fundamentais para a interação social e para que os estudantes exerçam plenamente sua cidadania. A capacidade de análise e compreensão está muito ligada à capacidade de inferência, um processo pelo qual o leitor chega a uma conclusão tendo como base uma ou mais premissas. A inferência pode ser feita com base em pistas fornecidas no próprio texto. Uma vez obtidas as pistas, deve-se confrontá-las com aspectos conhecidos da realidade. Assim, por meio de diversos mecanismos de análise, são estabelecidas relações com base em um indício para formular conclusões. [...] Na leitura de um texto, o resultado da compreensão depende da qualidade das inferências geradas. Os textos possuem informações explícitas e implícitas; existem sempre lacunas a serem preenchidas. O leitor infere ao associar as informações explícitas aos seus conhecimentos prévios e, a partir daí, gera sentido para o que está, de algum modo, informado pelo texto ou através dele. A informação fornecida direta ou indiretamente é uma pista que ativa uma operação de construção de sentido. Portanto, ao contrário do que muitos acreditam, a inferência não está no texto, mas na leitura, e vai sendo construída à medida que leitores vão interagindo com a escrita. [...] DELL’ISOLA, Regina L. Péret. Inferência na leitura. Glossário Ceale. Disponível em: https://www.ceale.fae.ufmg.br/glossarioceale/ verbetes/inferencia-na-leitura. Acesso em: 31 jul. 2024.

Sendo assim, em uma leitura inferencial, o leitor lê algo, recorre a pistas que o próprio texto fornece e aos seus conhecimentos prévios em um processo contínuo. Com isso, ele interpreta as informações implícitas e, por fim, compreende ou faz novos questionamentos sobre o que leu. A argumentação é uma organização discursiva que tem entre suas principais características a negociação de argu-

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mentos favoráveis e contrários a certa perspectiva, tendo o objetivo de chegar a uma conclusão. Assim, ela tem o intuito de convencer alguém, defendendo ou rejeitando determinado ponto de vista, e pode ser desenvolvida tanto oralmente quanto por meio da escrita. Em sala de aula, as atividades relacionadas à argumentação podem incluir leitura, oralidade e produção escrita e devem ser escolhidas de acordo com o perfil da turma. Nas aulas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, os estudantes são apresentados a uma linguagem específica, determinante na aprendizagem dos conceitos. Por isso, o discurso argumentativo deve se pautar nos conceitos científicos, associando-os aos conceitos científicos escolares e aos conhecimentos cotidianos. Em contrapartida, as opiniões são mutáveis e estão amparadas por crenças pessoais e valores baseados em pontos de vista próprios. Portanto, quando se pretende convencer outra pessoa de algo, é necessário argumentar, e não emitir opiniões infundadas. [...] A argumentação [...] é uma atividade social, intelectual e de comunicação verbal e não verbal utilizada para justificar ou refutar uma opinião sobre um assunto de ciências. Ela é constituída de um conjunto específico de um ou mais posicionamentos dirigidos para obter a aprovação de um ponto de vista particular por um ou mais interlocutores. Estes posicionamentos podem ser expressos em um ou vários enunciados e comunicados e interpretados como argumentos ou opiniões. Um enunciado isolado não pode constituir um argumento ou uma opinião a priori. Somente quando inserido em um discurso e submetido a um determinado contexto é que este enunciado pode ser analisado e interpretado como sendo um argumento ou uma opinião. [...] VILLANI, Carlos Eduardo Porto; NASCIMENTO, Silvania Sousa do. A argumentação e o ensino de ciências: uma atividade experimental no laboratório didático de física do ensino médio. Investigações em Ensino de Ciências, v. 8, n. 3, 2003. p. 189. Disponível em: https://ienci.if.ufrgs.br/index.php/ienci/article/view/539/334. Acesso em: 2 ago. 2024.

Nas atividades baseadas em argumentações, os estudantes se apropriam da linguagem científica e passam a estruturar enunciados, desenvolvendo, assim, a autonomia. Para alcançar essa finalidade, o professor deve proporcionar momentos de interação, como conversas, bate-papos, mesas-redondas e debates, atuando como mediador nesses processos. São situações para os estudantes elaborarem explicações coletivas ou individuais acerca das evidências apresentadas e desenvolverem o respeito a opiniões diferentes das suas. Com a argumentação, os estudantes participam de questões sociais e desenvolvem a capacidade de tomar decisões, o que os ajuda no exercício da cidadania. No decorrer do processo, é preciso desenvolver nos estudantes o cuidado com o uso de argumentos falaciosos, que podem comprometer o raciocínio e a compreensão dos textos. Falácias são recursos falsos e apelativos usados para convencer uma pessoa nas mais diversas circunstâncias. São argumentos que procuram ser conclusivos com relação a algum assunto, mas não se sustentam como verdade. Uma falácia pode ser usada de modo proposital ou não – muitas vezes, qualquer um pode recorrer a ela sem perceber, deixando-se guiar pelas emoções. Há diversos tipos de falácias, e conhecer mais sobre

elas é uma maneira de estar preparado para não ser convencido por elas e ser mais coerente nas participações em debates e mais assertivo ao escrever um texto argumentativo. Além disso, o trabalho com argumentação e inferência é propício para abordar a pseudociência, desenvolvendo nos estudantes a capacidade de identificar e diferenciar os conhecimentos fundamentados no método científico e desenvolvidos por meio dele dos que se dizem fundamentados cientificamente, mas que foram desenvolvidos por meio de pesquisas que não se pautam no método científico. A pseudociência está presente em diversos meios a que geralmente os estudantes têm acesso e acaba sendo atrativa ao ser explicada. Os prejuízos da pseudociência vão muito além da desinformação, podendo afetar toda a sociedade, como na área da saúde pública. A seguir, apresentamos algumas sugestões que podem ser utilizadas para o desenvolvimento da leitura inferencial e da argumentação. Salientamos a importância de adaptar tais sugestões conforme o perfil dos estudantes e a demanda em sala de aula, como estudantes com deficiências ou transtornos, a fim de que não haja qualquer tipo de exclusão.

Leitura e inferência

Para aprimorar a capacidade de inferir, nos momentos de prática de leitura de notícia, reportagem, tirinha, gráfico, tabela etc., os estudantes devem ser orientados a realizar uma leitura silenciosa ou em voz alta, que pode ser individual, em duplas ou em grupos. Durante a leitura, eles devem fazer questionamentos como: “Eu já ouvi falar disso antes?”; “Qual é o significado de tal palavra nesse texto?”; “Por que o autor se posicionou dessa maneira?” e registrar no caderno as compreensões ou dúvidas que vão surgir. Em seguida, eles devem refletir sobre os conhecimentos que já têm sobre o assunto para, então, ler novamente o texto, refletir, identificar as informações implícitas no texto para, por fim, interpretar e compreender o que foi lido. Também é importante orientar os estudantes a obter informações sobre o autor do texto, principalmente a respeito das ideias e dos posicionamentos dele acerca de diversos temas.

Argumentação oral

É possível aprimorar a capacidade de argumentar proporcionando aos estudantes o contato com textos de múltiplos temas que lhes interessem, procurando contemplar a diversidade em sala de aula e as diferenças de perfis. Para que o aprendizado se torne mais significativo, é importante que eles pratiquem a escolha dos temas, pesquisem e leiam sobre ele, buscando fontes confiáveis de informação. Eles devem analisar os textos com a percepção de como o autor defende suas ideias, qual é o principal argumento usado no texto e quais são as fontes dos dados apresentados. Com isso, devem fazer anotações sobre o assunto, destacando os argumentos que julgam mais relevantes e de que maneira concordam com ele ou discordam dele. É preciso que o professor acompanhe a atividade para perceber quais são as dificuldades dos estudantes a fim de adaptar e aprimorar algumas das etapas conforme as necessidades. Após a análise inicial, os estudantes devem realizar um debate para expor seus argumentos sobre o tema. É imprescindível que eles mantenham a clareza e a coerência em suas falas. O debate em sala de aula não deve ser uma disputa em que um ganha e o outro perde, mas sim um exercício que busque a reflexão com base em fatos, evidências e no raciocínio lógico e incentive a argumentação oral. Para isso, é preciso esclarecer que o respeito deve fazer parte das ações e das

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atitudes nessa atividade. Um mediador deve ser escolhido para criar as regras antes de iniciar o debate, a fim de que ele ocorra de modo organizado. O mediador pode, por exemplo, definir antecipadamente o tempo para realizar as perguntas e efetuar as respostas e permitir o direito a réplicas e tréplicas.

• analisem a coerência das ideias apresentadas e suas possíveis contradições, desenvolvendo, assim, a capacidade de produzir análises com autonomia e pensamento crítico, aspectos fundamentais para o desenvolvimento da cidadania; • verifiquem alguns elementos, como informações que apresentam dados muito generalizados e que são repassadas de maneira apressada, pois, nesses casos, pode-se presumir, por exemplo, algo sobre uma grande parcela da população com base em uma amostra inadequada, geralmente tendo como ponto de partida um estereótipo ou algum preconceito.

Argumentação escrita

Por meio de um primeiro exercício oral, como o debate sugerido anteriormente, é importante trabalhar a produção escrita com os estudantes. Nessa produção, eles devem apresentar o tema que escolheram, desenvolver seus argumentos e compor uma conclusão, buscando clareza em seu posicionamento e tendo como base pressupostos que embasem suas ideias. Ao produzir o texto, eles devem fazer um exercício crítico de análise dos próprios argumentos, com o objetivo de identificar possíveis fragilidades e pontos falhos. O professor deve avaliar as características da turma para orientar se a produção será feita individualmente, em dupla ou em grupo. Após produzirem o texto, é importante corrigi-lo, verificando atentamente a estrutura e a organização dos parágrafos, além da coesão, da coerência e da consistência dos argumentos. Por fim, os estudantes devem reescrever o texto com base nos apontamentos feitos na correção. Se preferirem, os textos podem ser divulgados em blogs e em mídias sociais da escola. Porém, isso deve ser definido antes de se iniciar a produção dos textos, respeitando a escolha individual e a possibilidade de mudarem de ideia ao longo do processo. Em muitos casos, esse tipo de divulgação pode aumentar o engajamento dos jovens e servir como um motivador para a atividade se tornar uma rotina.

Pensamento computacional O pensamento computacional (PC) é um processo que visa encontrar e especificar soluções para problemas, como aqueles considerados complexos, a fim de que sejam entendidos e soluções sejam desenvolvidas. Segundo o Centro de Inovação para a Educação Brasileira (Cieb), o PC: [...] Refere-se à capacidade de resolver problemas a partir de conhecimentos e práticas da computação, englobando sistematizar, representar, analisar e resolver problemas. O Pensamento Computacional tem sido considerado como um dos pilares fundamentais do intelecto humano, junto à leitura, à escrita e à aritmética, visto que ele também é aplicado para descrever, explicar e modelar o universo e seus processos complexos.

Identificação de falácias Para tornar os estudantes aptos a identificar falácias, é possível realizar atividades que os incentivem a ter rigor nos momentos de leitura ou de escuta de todo tipo de informação, avaliando os argumentos e fazendo uma análise crítica a fim de questionar aquilo que foi apresentado. Essas estratégias contribuem para que os estudantes identifiquem falácias e evitam que eles as construam e as reproduzam. Para isso, é importante, por exemplo, que eles: • verifiquem se o foco nos argumentos principais foi mantido e se tais argumentos têm base em evidências científicas e fontes confiáveis;

CENTRO DE INOVAÇÃO PARA A EDUCAÇÃO BRASILEIRA. Currículo de referência em tecnologia e computação. Disponível em: https://curriculo.cieb.net.br/. Acesso em: 29 jul. 2024.

A tabela a seguir apresenta algumas maneiras como o PC pode ser utilizado no processo de ensino-aprendizagem dos componentes da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias.

Pensamento computacional e a área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias Conceitos PC

Biologia, Química e Física

Coleção de dados

Coletar dados de um experimento.

Análise de dados

Analisar os dados de um experimento obtidos por meio da experimentação.

Representação de dados

Sintetizar os dados obtidos por meio da experimentação e encontrar diferentes maneiras de representá-los.

Abstração

Elaborar modelos que expliquem a situação representada nos experimentos.

Algoritmos e procedimentos

Criar procedimentos que permitem investigar situações semelhantes a investigada no experimento realizado.

Paralelismo

Realizar experimentos semelhantes com diferentes parâmetros.

Simulação

Simular situações por meio dos conceitos investigados no experimento.

Fonte: BRACKMANN, Christian Puhlmann. Desenvolvimento do pensamento computacional através de atividades desplugadas na educação básica. 2017. 244 f. Tese (Doutorado em Informática na Educação) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Centro de Estudos Interdisciplinares em Novas Tecnologias na Educação, Programa de Pós-Graduação em Informática na Educação, Porto Alegre, 2017. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/172208/001054290.pdf?sequence=1&isAllowed=y. Acesso em: 1º ago. 2024.

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O PC apresenta quatro pilares interdependentes ao longo do processo de resolução de problemas. • Decomposição: decompor um problema em partes menores (subproblemas) para que seja mais fácil entendê-lo e resolvê-lo. Com essa técnica, é possível resolver problemas complexos de maneira mais simples. • Reconhecimento de padrões: reconhecer as etapas similares dentro de um mesmo problema. • Abstração: abstrair somente as informações relevantes para a solução do problema, ignorando os detalhes irrelevantes. Para isso, é necessário filtrar e classificar as informações, de forma que os detalhes irrelevantes do problema sejam ignorados. • Algoritmos: desenvolver um passo a passo simples ou regras para a solução do problema. O PC vai também ao encontro das competências gerais e das competências específicas da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias apresentadas na BNCC. Nesta obra, o uso do PC é incentivado tanto em sua forma plugada como em sua forma desplugada e ocorre em diferentes momentos do Livro do Estudante e das Orientações para o professor. Está, por exemplo, em propostas de atividades em que os estudantes precisam utilizar os meios tecnológicos para buscar informações sobre assuntos relacionados aos temas propostos; também em atividades práticas de investigação, nas quais desenvolvem procedimentos, coletam dados e elaboram conclusões; em produções de esquemas que exigem generalizações e formas de layout específicas projetadas ou não por ferramentas tecnológicas; em atividades de análise, com os colegas, de produções escritas e de busca por soluções para melhorar os textos produzidos; e em atividades de compreensão oral cuja execução depende da escolha de estratégias para melhorar o processo de aprendizagem.

Recursos didáticos Tecnologias de informação e comunicação Com as tecnologias de informação e comunicação (TICs), ampliaram-se os elementos disponíveis para enriquecer o trabalho do professor. Em sala de aula, elas potencializam o processo de aprendizagem, favorecendo a interação entre professor, educando e conhecimento. É importante ressaltar que o uso de TICs é um meio do processo ensino-aprendizagem, e não seu foco. Atualmente, muitas pessoas consideram que há excesso de tecnologia no dia a dia dos jovens. Um aspecto a ser ressaltado é a época em que eles nasceram, pois não se trata de uma distância temporal, mas digital. [...] Segundo Marc Prensky (2010), temos gerações diferentes envolvidas nesse processo: a dos nativos e a dos imigrantes digitais. Os primeiros são aqueles que já nasceram inseridos em uma cultura digital e

cujas relações com essas tecnologias foram aprendidas intuitivamente e marcam sua forma de relacionamento com os conhecimentos. A maioria dos professores, imigrantes digitais que se inseriram no mundo da tecnologia, têm uma forma de ensinar que nem sempre está em sintonia com o modo como os nativos aprendem melhor, ou, pelo menos, que lhes desperta maior interesse. [...] BACICH, Lilian; NETO, Adolfo Tanzi (org.). Ensino híbrido: personalização e tecnologia na educação. Porto Alegre: Penso, 2015. p. 49.

Em muitos casos, encontram-se no mesmo espaço a lousa, o giz, os televisores, os computadores, os softwares, as lousas digitais e os projetores multimídia. Esses instrumentos não reduzem o papel da escola ou do professor na educação. [...] Os recursos semióticos que encontramos nas telas dos computadores são basicamente os mesmos que podemos encontrar em uma sala de aula convencional: letras e textos escritos, imagens estáticas ou em movimento, linguagem oral, sons, dados numéricos, gráficos, etc. A novidade, em resumo, está realmente no fato de que as TIC digitais permitem criar ambientes que integram os sistemas semióticos conhecidos e ampliam até limites inimagináveis à capacidade humana de (re)apresentar, processar, transmitir e compartilhar grandes quantidades de informação com cada vez menos limitações de espaço e de tempo, de forma quase instantânea e com um custo econômico cada vez menor (Coll e Martí, 2001). [...] COLL, César; MAURI, Teresa; ONRUBIA, Javier. A incorporação das tecnologias da informação e da comunicação na educação: do projeto técnico-pedagógico às práticas de uso. In: COLL, César; MONEREO, Carles. Psicologia da educação virtual: aprender e ensinar com as tecnologias da informação e da comunicação. Porto Alegre: Artmed, 2010. p. 76.

Com o uso de TICs, há uma potencialização do trabalho docente, que começa a participar mais diretamente das práticas pedagógicas, envolvendo-se com os estudantes nas atividades propostas. O professor passa de um centralizador do conhecimento a um sujeito aberto também a aprender a cada experiência digital, capaz de se adaptar àquilo que desperta o interesse dos estudantes. Outro desafio do professor que utiliza as TICs é lidar com diferentes estudantes em situações opostas: aqueles que têm acesso às inovações tecnológicas e as dominam e os excluídos desse universo digital. O docente deve mobilizar-se para mudar esse quadro e aproximar esses estudantes, transformando a tecnologia em uma aliada do processo de ensino-aprendizagem, aproximando pessoas tão distintas e tornando-as cidadãos críticos e participativos. Para superar esse desafio, o professor precisa atentar à realidade socioeconômica dos estudantes e do local onde vivem, verificando quais são os tipos de tecnologias disponíveis em seu dia a dia, como fazem para acessar a internet ou digitar trabalhos no computador; como utilizam a telefonia móvel; qual modo escolhem para assistir aos filmes (cinema, televi-

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são aberta, computador); como ouvem músicas (rádio, computador, smartphone); como se comunicam com os amigos (smartphone, redes sociais). Baseando-se nessas informações, o professor tem condições de estabelecer formas de utilizar as TICs em sala de aula e orientar os discentes nas práticas pedagógicas, inserindo-os no universo digital de forma construtiva.

Internet A internet permite a integração e a articulação entre as pessoas no ciberespaço (espaço digital), contribuindo para a troca de experiências e de conhecimentos entre os usuários. Além disso, possibilita que os estudantes busquem informações necessárias à construção de seu conhecimento, transformando a escola em um espaço aberto, conectado com o mundo, capaz de promover trocas de experiências entre professores e estudantes de outras localidades. Com a quantidade de textos e recursos educacionais disponíveis, o professor tem um papel importante na orientação dos estudantes, direcionando-os em suas pesquisas, auxiliando-os na escolha das informações para garantir os melhores resultados em sala de aula. Para isso, é imprescindível instruir os estudantes sobre os seguintes cuidados: • Conferir previamente as informações de sites, a fim de identificar os que apresentam conteúdos confiáveis, combatendo, assim, as fake news. • Buscar o assunto da pesquisa em um domínio confiável. Por exemplo, ao pesquisar tartarugas marinhas, o recomendado seria acessar um site específico sobre o assunto, como o do projeto brasileiro de conservação de tartarugas marinhas, o Projeto Tamar. • Perante situações em que não se conhece sites pertinentes ao assunto em questão, é necessário usar um mecanismo de busca (confiável). Nesse caso, o usuário deve pesquisar com base na palavra-chave ou na combinação de palavras relacionadas ao assunto. Em seguida, deve conferir os resultados da busca e fazer o levantamento sobre os autores, as fontes bibliográficas e os temas associados ao assunto para selecionar as melhores opções. Feito isso, repete-se o procedimento nos sites escolhidos a fim de filtrar ainda mais a pesquisa. Com essa facilidade na obtenção de informações, é preciso instruir os estudantes sobre os respectivos aspectos éticos, como as regras de direitos autorais e as consequências para quem comete plágio. Por isso, é fundamental orientá-los a usar as próprias palavras e ideias na elaboração de textos, ainda que sejam baseados em textos de terceiros. Isso, além de ser uma postura ética, auxilia na ampliação do vocabulário pessoal e no desenvolvimento da competência leitora.

Recursos audiovisuais Há diversos recursos audiovisuais que os professores podem utilizar em suas aulas, como pinturas, esculturas, televisão e cinema. A realidade da maioria dos estudantes é composta de elementos da cultura popular provenientes de diferentes meios,

geralmente televisivos e fílmicos. Como a comunicação em massa é uma realidade, pode ser aproveitada em sala de aula para promover a aprendizagem. No cinema e na televisão, há confluência de imagem, som e movimento. O professor pode aproveitar esses recursos audiovisuais para mostrar alguns fatos históricos, a construção de conceitos científicos e os conceitos errôneos presentes em muitas ideias de senso comum. Os filmes e a televisão têm em comum o aspecto motivador e, dependendo da ação do professor, podem ser contextualizados com os conceitos científicos a serem ensinados. [...] assistir a um filme, seja para entreter-se com ele, seja para analisá-lo, pressupõe aprendizagens específicas. Os filmes são produções em que a imagem em movimento, aliada às múltiplas técnicas de filmagem e montagem e ao próprio processo de produção e ao elenco selecionado, cria um sistema de significações. São histórias que nos interpelam de um modo avassalador porque não dispensam o prazer, o sonho e a imaginação. Elas mexem com nosso inconsciente, embaralham as fronteiras do que entendemos por realidade e ficção. Quando dizemos que o cinema cria um mundo ficcional, precisamos entendê-lo como uma forma de a realidade apresentar-se. [...] FABRIS, Elí Henn. Cinema e educação: um caminho metodológico. Educação e Realidade, v. 1, n. 33, jan./jun. 2008. p. 118. Disponível em: https://seer.ufrgs.br/index.php/educacaoerealidade/issue/ view/638/387. Acesso em: 29 jul. 2024.

No entanto, para que tais recursos audiovisuais sejam utilizados em sala de aula, é necessário que o professor verifique se a linguagem empregada no recurso está de acordo com a faixa etária e cognitiva dos estudantes. O Ministério da Justiça indica a classificação dos filmes lançados legalmente no mercado brasileiro, incluindo o ano de lançamento, o país de origem, a distribuidora, a produtora e os responsáveis pela direção geral. Se o filme for considerado inadequado para determinada faixa etária, há uma justificativa acompanhando essas informações, a qual está disponível em: https:// classindportal.mj.gov.br/home. Acesso em: 27 set. 2024. Também é preciso conferir se o equipamento disponibilizado para a transmissão está em condições de ser usado e planejar a aula de acordo com a duração do filme, por exemplo, incluindo a previsão de possíveis questionamentos dos estudantes. Nesta coleção, apresentamos também a reprodução de algumas obras de arte consagradas para que os estudantes conheçam e valorizem tanto as diferentes culturas como a história da arte.

Gêneros textuais Atualmente, a maior parte dos estudantes, muito mais interessada em ler temas de sua preferência, apresenta dificuldades para interpretar os textos propostos em sala de aula, o que se torna um obstáculo à aprendizagem dos diversos conteúdos. Dessa maneira, o choque entre a leitura descompromissada, de entretenimento, e a leitura acadêmica também ocorre na escola.

XVII

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Uma forma de minimizar a situação citada anteriormente é tornar o momento de leitura agradável. É possível atingir esse objetivo tanto pela leitura de textos literários como de textos científicos e jornalísticos, considerando inclusive os recursos imagéticos como as histórias em quadrinhos, as tirinhas e os cartuns. Além de terem caráter humorístico, essas modalidades textuais assumem papel crítico ou descritivo de alguma situação do cotidiano. Também são acessíveis, adequadas à faixa etária dos estudantes e podem ser usadas como instrumento avaliativo dos conhecimentos prévios dos estudantes. As histórias em quadrinhos podem ser exploradas nas aulas de diversas maneiras: antes dos conteúdos a serem trabalhados; como exemplo do que foi abordado; como base para os estudantes elaborarem os próprios quadrinhos; como meio para leitura, discussão, comentário; como fonte de inspiração para criação de atividades ou instrumento para desenvolvimento de diálogos, no caso das tirinhas sem balão de fala dos personagens; como modo de retratar os conceitos científicos explícitos na história em questão; entre outras possibilidades.

Avaliação A avaliação é um instrumento que o professor tem para diagnosticar, analisar, sistematizar e orientar suas ações pedagógicas. Entende-se a avaliação como um diálogo contínuo entre professor e estudante, uma vez que, quando elaborada em concordância com o conteúdo ensinado, serve como resposta concreta à prática do professor e ao processo de ensino-aprendizagem. No contexto em que atua, deve estar claro para o professor que, além de a avaliação ser importante, ter um processo que deve ser contínuo e não se restringir a resultados, ela diagnostica os reais problemas na aprendizagem e colabora para a evolução do estudante. A avaliação deve ser compreendida como processo, instrumento de coleta de informações em que os estudantes sistematizam e interpretam as informações obtidas, tomando uma decisão e, principalmente, ocorrendo a descentralização do poder do professor. Para que a avaliação não se torne uma forma de seleção e exclusão, focada apenas em princípios de eficiência e competitividade, é importante haver um canal de comunicação entre estudantes e professor. Desse modo, os critérios da avaliação, seja diagnóstica, formativa, comparativa, ipsativa ou mesmo somativa, precisam ser apresentados e discutidos antes de sua aplicação, para que o estudante saiba como e sob quais aspectos serão avaliados. Para isso, é preciso compreender e diferenciar cada um desses tipos de avaliação.

Avaliação diagnóstica Esse tipo de avaliação deve ser realizado principalmente no início do estudo de cada tema. Seu objetivo é fornecer informações para que o professor possa identificar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre os conteúdos que serão trabalhados. Assim, a avaliação diagnóstica

adota uma perspectiva investigativa e pode ser aplicada para aprofundar a compreensão dos aspectos socioculturais dos estudantes, como história de vida, interesses e concepção de mundo. O risco de obter resultados falsos e inconsistentes com a realidade do grupo é alto ao usar apenas um modelo avaliativo. Portanto, o uso de diferentes métodos de avaliação diagnóstica, tanto individuais quanto coletivos, é essencial, pois permite uma investigação mais profunda sobre os conhecimentos, as habilidades e as competências dos estudantes. Entre os métodos possíveis estão entrevistas com os estudantes, debates, análise conjunta de imagens, leitura e interpretação de textos de diversos gêneros, dinâmicas, criação de textos e aplicação de questionários com variados formatos e graus de dificuldade. Após as avaliações diagnósticas, é necessário analisar os resultados a fim de discutir possíveis soluções para corrigir deficiências e aprimorar o planejamento, tornando-o mais alinhado à realidade dos estudantes. Inicialmente, é possível criar um perfil geral da turma, examinando os elementos socioculturais investigados e aqueles diretamente relacionados ao material. A readequação do planejamento deve incluir tópicos relacionados aos interesses e à realidade dos estudantes e que procurem suprir suas principais dificuldades, além de metodologias diversas e conteúdos identificados como inadequados. Essas avaliações também ajudam na análise individual, identificando os estudantes que precisam de maior intervenção. Isso permite observar diferentes perfis e considerar várias maneiras de ajudá-los a atingir seus objetivos de aprendizagem. As páginas de abertura desta coleção são boas ocasiões para realizar um diagnóstico da turma, pois incentivam a reflexão e permitem que os estudantes expressem seus conhecimentos prévios. Além disso, muitas questões de intervenção ao longo do desenvolvimento dos capítulos atuam como avaliações diagnósticas, a depender de suas abordagens.

Avaliação formativa Essa avaliação aborda os aspectos essenciais para a formação integral dos estudantes e deve ser aplicada ao longo de todo o período letivo, considerando tanto o conteúdo aprendido como o processo de aprendizagem. As situações de aprendizagem devem ser usadas como ferramentas para avaliar se os objetivos educacionais estão sendo alcançados e discutir com a equipe pedagógica as melhorias necessárias no processo de ensino-aprendizagem, além de identificar se intervenções individuais são necessárias. Algumas estratégias, como seminários, debates e rodas de conversa podem promover a elaboração e a expressão de ideias. O desenvolvimento de projetos ao longo do ano letivo, a correção de tarefas com feedback para os estudantes, a resolução de problemas e atividades em grupo que exigem posturas ativas e colaborativas são exemplos de práticas que permitem ao professor observar as habilidades e competências desenvolvidas pela turma.

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No Livro do Estudante, além da seção Atividades, que sugere diversas estruturas que podem ser utilizadas como ferramentas de avaliação formativa, existe a seção Mais questões, que apresenta atividades comuns em provas oficiais e fornece informações importantes sobre o aprendizado dos estudantes. Nas Orientações para o professor, também há a seção Acompanhando a aprendizagem, que apresenta sugestões de estratégias de avaliação para que o professor acompanhe a aprendizagem da turma em momentos oportunos e, se necessário, altere seus planejamentos. A estrutura das atividades práticas presentes na seção Prática científica possibilita ao professor acompanhar a atuação dos estudantes em diferentes tarefas, como levantamento de hipóteses, trabalho em equipe, manipulação dos materiais, observação e análise dos resultados, elaboração de conclusões baseada em observações, além da capacidade de solucionar problemas que surgem durante a execução. São, portanto, atividades que fornecem importantes informações sobre o aprendizado dos estudantes quanto a conceitos, comportamentos, argumentação e inferências.

Avaliação somativa Esse tipo de avaliação é comumente realizado ao final de uma unidade de aprendizagem. Ele complementa a avaliação formativa e evidencia os resultados obtidos, permitindo identificar estratégias que podem ser modificadas para melhorar o aprendizado dos estudantes. Portanto, essa avaliação deve refletir o trabalho realizado anteriormente e fornecer uma reflexão final e uma visão geral do processo de ensino-aprendizagem. A avaliação somativa geralmente tem como objetivo atribuir notas e conceitos aos estudantes e determinar se eles devem ser aprovados. No entanto, os indicadores fornecidos por esse tipo de avaliação permitem que o processo de ensino seja repensado e melhorado. Quando há uma discrepância significativa entre os resultados da avaliação formativa e da somativa, é crucial analisar esses casos para entender o que ocorreu e encontrar possíveis soluções. A seção Retome o que estudou, presente ao final de cada unidade desta coleção, permite aos estudantes retomar os principais conceitos estudados na unidade e identificar as principais dificuldades. Além disso, nessa seção serão retomadas algumas questões sugeridas nas páginas de abertura de unidade e ao longo do desenvolvimento dos conteúdos, a fim revisar os principais conceitos e possibilitar que os estudantes façam uma autoavaliação de seu aprendizado.

Avaliação comparativa A avaliação comparativa é um instrumento pedagógico que fornece informações sobre o aprendizado dos estudantes com relação a padrões, critérios, grupos ou normas. Seu objetivo é comparar o desenvolvimento da aprendizagem entre estudantes, proporcionando uma visão clara de como cada um está em relação ao grupo.

Esses padrões podem ser definidos por currículos nacionais, estaduais ou escolares, e os critérios podem incluir expectativas específicas de desempenho. As comparações são feitas em relação à média de desempenho de um grupo, normas estabelecidas por estudos anteriores ou testes nacionais e internacionais. Os métodos de avaliação comparativa incluem resumos de conteúdo, testes rápidos, relatórios e exames de larga escala, como o Enem. Esses métodos fornecem uma gama de ferramentas para monitorar e comparar o progresso dos estudantes. Desde os anos 1990, as avaliações de sistema conduzidas pelo Ministério da Educação (MEC) têm se tornado essenciais para formular e implementar políticas educacionais. O uso sistemático dos resultados delas pelas escolas e redes de ensino tem crescido, especialmente com a criação do Índice de Desenvolvimento da Educação Básica (Ideb), que mobiliza redes e escolas a utilizar os resultados no planejamento educacional.

Avaliação ipsativa Trata-se de uma ferramenta de educação que se concentra no progresso individual do estudante ao longo do tempo, fazendo comparações entre seu desempenho atual e anterior. Como foca no estudante, comparando-o consigo mesmo e levando em consideração fatores como esforço, contexto de trabalho e progresso, a avaliação ipsativa permite a cada estudante que observe o próprio crescimento e desenvolvimento, ao contrário das avaliações normativas, que comparam o desempenho dos estudantes entre si. Essa abordagem se concentra exclusivamente na evolução pessoal dos estudantes e evita comparações com os demais da turma. Testes regulares, feedbacks individualizados, autoavaliações e avaliações contínuas são algumas das muitas formas pelas quais a avaliação ipsativa pode ocorrer. Uma maneira comum de avaliar o progresso das habilidades de um estudante é fazer testes no início e no final de um período. Esses exames ajudam a determinar o ponto de partida de cada estudante e a evolução alcançada ao longo do tempo. A avaliação ipsativa, que acompanha os processos de aprendizagem, oferece informações valiosas sobre o desenvolvimento dos estudantes, ajudando a superar dificuldades e aprimorar habilidades. Seus resultados devem ser usados para adaptar o ensino, e não para classificar os estudantes. Assim, esse tipo de avaliação responde a perguntas sobre o que o estudante sabe, faz e é capaz de ser, contribuindo para o desenvolvimento das aprendizagens dele. As questões sugeridas na seção Retome o que estudou e algumas atividades sugeridas na seção Acompanhando a aprendizagem contribuem para a avaliação ipsativa. Cabe ao professor pensar na avaliação como um processo que vai além de sua mera aplicação, que precisa ser cuidadosamente elaborado. As informações obtidas por meio dessa avaliação, por sua vez, devem ser revisadas com os estudan-

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tes para reconhecerem o ensino como um processo contínuo, que implica rever suas dificuldades a fim de avançar na aprendizagem. O planejamento do processo de avaliação deve incluir conteúdos trabalhados em sala de aula de maneira situada e reflexiva, levando em consideração o processo de aprendizagem do estudante. Deve, ainda, na medida do possível, conter atividades que valorizem diferentes tipos de conhecimento do estudante, como atividades objetivas, dissertativas, trabalhos em grupo e debates. Quando elaborada, aplicada e revisada corretamente, a avaliação perde seu caráter punitivo e excludente e passa a avaliar o estudante de maneira formativa e continuada, além de possibilitar que o professor reveja sua prática pedagógica.

A autoavaliação A autoavaliação tem papel fundamental na democratização da avaliação. A utilização dessa ferramenta possibilita tanto a estudantes como a professores avaliar o próprio desempenho em sala de aula. Ao dar aos estudantes a oportunidade de se autoavaliar, o educador também tem a chance de refletir sobre suas práticas pedagógicas e as escolhas que faz em sala de aula. [...] Para o aluno autoavaliar-se, é altamente favorável o desafio indicado pelo professor, provocando-o a refletir sobre o que está fazendo, retomar passo a passo seus processos, tomar consciência das estratégias de pensamento utilizadas. Mas não é tarefa simples. Para tal, o professor precisará ajustar suas perguntas e desafios às possibilidades de cada estudante, analisar as etapas do processo em que se encontra, priorizando uns e outros aspectos, decidindo sobre o quê, como e quando falar, refletindo sobre o seu papel frente à possível vulnerabilidade do aprendiz. [...] HOFFMANN, Jussara Maria Lerch. Avaliar para promover: as setas do caminho. 15. ed. Porto Alegre: Mediação, 2014. p. 60.

A autoavaliação pode ser feita em diferentes momentos, como no final de cada produção escrita/oral, com o objetivo de levar o estudante a analisar sua compreensão a respeito das características necessárias à produção do texto. Além da autoavaliação da produção textual, outra ainda é proposta para avaliar o processo. Nesta, o estudante pode verificar o que já aprendeu e identificar o que precisa aprender mais, apontando e corrigindo as inadequações. Algumas seções desta coleção que incluem atividades avaliativas permitem aos estudantes que façam avaliações pessoais do próprio aprendizado. A seguir, apresentamos algumas perguntas para autoavaliação que podem ser utilizadas pelos estudantes em diferentes momentos da aula. • Quais foram os principais conteúdos que aprendi na unidade? • Quais dificuldades encontrei e como posso superá-las? • Preciso retomar o estudo de quais conteúdos?

• Consegui aplicar os conteúdos e conceitos estudados em atividades práticas? A seção Retome o que estudou também oportuniza momentos para a realização da autoavaliação, quando o estudante deve retomar as questões respondidas durante a condução dos conceitos e respondê-las novamente. Com isso, ele tem a oportunidade de confrontar essas respostas e verificar as mudanças, tomando consciência da aprendizagem.

Exames de larga escala Além dos diferentes modelos de avaliação, é importante levar em consideração a preparação dos estudantes para exames de larga escala, como o Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), que avalia o desempenho escolar dos estudantes ao final do Ensino Médio e, em certos casos, serve como critério de seleção para ingresso em instituições de Ensino Superior por meio de programas como o Sistema de Seleção Unificada (Sisu), o Programa Universidade para Todos (ProUni) e o Fundo de Financiamento Estudantil (Fies). Assim, é importante fornecer, no decorrer do Ensino Médio, instruções sobre como funcionam e resolver questões de edições anteriores desses exames para auxiliar os estudantes a se familiarizarem com a estrutura das questões, que geralmente apresentam um texto-base contextualizado em temas reais e atuais e são, muitas vezes, interdisciplinares. Promover simulados em sala de aula, além de ser uma forma de familiarizar os estudantes com as estruturas de atividades comuns nesses tipos de exames, pode ser uma boa oportunidade de revisar e avaliar alguns processos e conteúdos e discutir as questões. Rodas de conversa sobre as dificuldades enfrentadas por estudantes que já tiveram a experiência com esses exames podem incentivar a troca de impressões, ajudando-os a se sentir acolhidos ao compartilhar eventuais frustrações e a superar suas dificuldades. Essas práticas promovem, ainda, o desenvolvimento de habilidades e competências essenciais para a formação integral, incluindo a capacidade de aplicar informações científicas em diferentes contextos e a compreensão da dinâmica de algumas relações sociais. Na seção Mais questões, esta coleção apresenta uma variedade de questões que já foram aplicadas em edições anteriores do Enem e em outros exames de larga escala. O objetivo é familiarizar os estudantes com os diferentes tipos de questões comuns em avaliações de larga escala. Os exames de larga escala geralmente contribuem para desenvolver as competências e a autonomia dos estudantes para solucionar problemas com base em conhecimentos interdisciplinares. Nesse sentido, entende-se como competência a capacidade de fazer esquemas mentais, que se referem a ações e operações mentais de caráter cognitivo, socioafetivo ou psicomotor que, mobilizadas e associadas a saberes teóricos ou experienciais, geram habilidades: o saber fazer.

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A Base Nacional Comum Curricular A Base Nacional Comum Curricular (BNCC) é um documento que estabelece normas que organizam e orientam as aprendizagens fundamentais a serem desenvolvidas progressivamente pelos estudantes ao longo de sua trajetória escolar na Educação Básica. Ela está prevista na Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional e no Plano Nacional da Educação, que a torna obrigatória nos currículos das instituições públicas e privadas do Brasil. A BNCC valoriza não só os conteúdos regulares do currículo, mas também o desenvolvimento de aspectos socioemocionais, favorecendo a formação integral dos estudantes, combatendo problemas como o preconceito e valorizando as diversidades com vistas à construção de uma sociedade justa, democrática, inclusiva e preocupada com os problemas contemporâneos. O principal objetivo dessa política pública é estabelecer uma base norteadora para o ensino no país, considerando as demandas dos estudantes, a fim de prepará-los para o futuro, diminuindo desigualdades e proporcionando direitos iguais de aprendizagem. Sendo um documento que tem como proposta normatizar o currículo escolar brasileiro, a BNCC define que, ao longo da Educação Básica (incluindo, dessa forma, a Educação Infantil, o Ensino Fundamental e o Ensino Médio), os estudantes devem ter assegurado o desenvolvimento de dez competências gerais, que se unificam, no âmbito pedagógico, nos direitos de aprendizagem e desenvolvimento e na formação de atitudes e valores dos aprendizes. Dessa forma, essas competências são delineadas pela BNCC como mobilização de conhecimentos, em que estão inseridos os conceitos e procedimentos; as habilidades, denominadas pelas práticas cognitivas e socioemocionais; além das atitudes e dos valores para resolver demandas complexas da vida cotidiana, do pleno exercício da cidadania e do mundo do trabalho. Como a proposta é a de que o estudante desenvolva essas competências ao longo de sua trajetória escolar, a fim de promover uma amplitude e uma complexidade das abordagens propostas por elas, espera-se que eles, no Ensino Médio, desenvolvam-nas em sua totalidade. Dessa forma, o professor deve propor cada uma de acordo com o nível de cada turma, fazendo adaptações e ajustes conforme a demanda. O Ensino Médio deve continuar a formação dos estudantes ampliando os conhecimentos construídos no Ensino Fundamental e preparando-os para os desafios que encontrarão ao longo de sua trajetória na vida pessoal e profissional. A área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias busca consolidar e ampliar as aprendizagens previstas pela BNCC nos componentes de Biologia, Física e Química, a fim de garantir o uso pertinente das terminologias, processos e conceitos científicos, provendo-lhes a possibilidade de desenvolver competências e habilidades para utilizar os conhecimentos desses componentes simultaneamente em situações de aprendizagem. Apresentamos, a seguir, as competências específicas da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias para o Ensino Médio.

1. Analisar fenômenos naturais e processos tecnológicos, com base nas interações e relações entre matéria e energia, para propor ações individuais e coletivas que aperfeiçoem processos produtivos, minimizem impactos socioambientais e melhorem as condições de vida em âmbito local, regional e global. 2. Analisar e utilizar interpretações sobre a dinâmica da Vida, da Terra e do Cosmos para elaborar argumentos, realizar previsões sobre o funcionamento e a evolução dos seres vivos e do Universo, e fundamentar e defender decisões éticas e responsáveis. 3. Investigar situações-problema e avaliar aplicações do conhecimento científico e tecnológico e suas implicações no mundo, utilizando procedimentos e linguagens próprios das Ciências da Natureza, para propor soluções que considerem demandas locais, regionais e/ou globais, e comunicar suas descobertas e conclusões a públicos variados, em diversos contextos e por meio de diferentes mídias e tecnologias digitais de informação e comunicação (TDIC). BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Versão final. Brasília: MEC, 2018. p. 553. Disponível em: https://www. gov.br/mec/pt-br/escola-em-tempo-integral/BNCC_EI_EF_110518_ versaofinal.pdf. Acesso em: 30 jul. 2024.

No documento da BNCC, cada uma dessas competências é detalhada e explicada e, para cada uma delas, são elencadas algumas habilidades. Nas Orientações para o professor são apresentados os trabalhos com as competências gerais, as competências específicas e as habilidades, destacando os códigos e as relações com o conteúdo/o tema/a atividade trabalhados. Esses elementos também são mapeados no Quadro de habilidades e conteúdos. Além das competências gerais, das competências específicas e das habilidades, as Orientações para o professor destacam os temas contemporâneos transversais trabalhados na coleção, segundo o documento Temas contemporâneos transversais na BNCC, de 2019. Os temas contemporâneos transversais propiciam aos estudantes reflexões sobre diferentes temas e questões relevantes da contemporaneidade, incentivando a participação social, política e cidadã. Essas reflexões são sempre vinculadas às atividades do Livro do Estudante cujo tema permita não apenas colocar em prática conteúdos de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, mas também discutir, argumentar e se conscientizar sobre o que é aprender em conjunto. Dessa forma, os estudantes, ao fazerem uma atividade em que aprendem sobre as tradições indígenas, por exemplo, são instigados a refletir sobre os temas contemporâneos transversais Diversidade cultural e Educação para valorização do multiculturalismo nas matrizes históricas e culturais brasileiras, uma vez que podem aprender ou complementar o conhecimento que eles têm sobre a importância dos hábitos e das tradições indígenas para a cultura do país.

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Mapa de conteúdos e recursos do volume Apresentamos, a seguir, um mapa de conteúdos e recursos deste volume. Cabe ao professor a decisão fundamental sobre como utilizar o apoio pedagógico que é o livro didático: construir critérios de seleção dos temas das unidades de que fará uso, levando-se em conta o projeto pedagógico da escola, as condições da turma e as condições temporais da carga horária da grade curricular. Além disso, da maneira como a coleção está estruturada, o professor tem autonomia pedagógica para decidir sobre quais unidades abordar ou deixar de abordar, no todo ou em partes; sobre seguir a ordem apresentada ou reagrupar as unidades pelos critérios organizativos que escolher e fazer as pontes entre as unidades dentro desses critérios.

Unidade 1 – A ciência do Universo Capítulo

Conteúdos

Competências gerais; competências específicas da BNCC

Habilidades da BNCC

Temas Contemporâneos Transversais

1 – História da Ciência

Evolução dos conceitos da Física. Transição da mitologia para o pensamento racional. Explicações mitológicas e científicas de um fenômeno. Evolução do conhecimento científico e da Ciência. Uso do método científico no cotidiano.

CG1; CG2; CG3

EM13CNT201

Educação para valorização do multiculturalismo nas matrizes históricas e culturais brasileiras.

2 – Origem e evolução do Universo

Formação do Universo e a teoria do Big Bang. Evolução do Universo desde o Big Bang. Nascimento e evolução das estrelas. Formação dos buracos negros e das supernovas. Estrutura estelar e fonte de energia. Formação de sistemas planetários. Origem do Universo em diferentes culturas.

CG1

EM13CNT201 EM13CNT204 EM13CNT303

Diversidade cultural. Educação para valorização do multiculturalismo nas matrizes históricas e culturais brasileiras.

3 – Os astros no Universo

Movimento dos astros no Universo. Movimento dos corpos e repouso (velocidade, aceleração e MRU). Leis de Kepler.

CG2; CG3

4 – Dinâmica do movimento dos corpos

Leis de Newton. Força, variação da velocidade e deformação dos corpos. Força peso, normal e de tração. Segurança no trânsito. Lei da gravitação universal. Campo gravitacional e movimento dos satélites.

CG1; CG2; CG10

EM13CNT204 EM13CNT306

5 – Movimentos na Terra

Ação da gravidade na Terra. Aceleração gravitacional, tangencial e centrípeta. MRUV. Equação de Torricelli. Lançamento vertical, horizontal e oblíquo de corpos. Lixo espacial.

CG1; CG2; CG4; CG9

EM13CNT204

CECNT2

EM13CNT101 EM13CNT204

CECNT2 Educação para o trânsito.

CECNT2 CECHSA1

Unidade 2 – A Física e a vida na Terra Capítulo

Conteúdos

Competências gerais; competências específicas da BNCC

6 – Campo magnético terrestre

Origem e características do campo magnético terrestre. Magnetismo. Propriedades e campo magnético criado por um ímã. Ímãs naturais e ímãs artificiais. Desenvolvimento da bússola e a expansão marítima europeia. Importância do campo magnético para a vida na Terra.

CG1; CG2; CG4; CG7

7 – Eletromagnetismo

Campo magnético gerado por corrente elétrica. Eletroímã. Campo magnético solar. Campo magnético de um fio retilíneo. Campo magnético no centro de uma espira e em uma bobina. Forças magnéticas. Construção de um motor. Aplicações do eletromagnetismo na medicina.

CG1; CG2; CG4

CECNT1 CECNT2

CECNT1 CECNT3

Habilidades da BNCC

Temas Contemporâneos Transversais

EM13CNT103 EM13CNT105 EM13CNT201 EM13CNT202 EM13CNT204 EM13CNT205 EM13CNT209 EM13CNT107 EM13CNT201 EM13CNT301 EM13CNT302

XXII

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Unidade 2 – A Física e a vida na Terra 8 – Introdução à Óptica

CG1; CG2; CG5; CG6 Óptica e os instrumentos de observação. Microscópios ópticos, eletrônicos de varredura e eletrônicos de transmissão. CECNT2; Telescópios refratores e refletores. CECNT3 Características da luz. Princípio da propagação retilínea da luz. Princípio da independência dos raios de luz. Princípio da reversibilidade dos raios de luz. Meios físicos (transparentes, translúcidos e opacos). Reflexão da luz. Carros autônomos e o LIDAR.

9 – Reflexão e refração da luz

Características gerais da reflexão da luz. Formação de imagens em espelhos planos e esféricos. Elementos geométricos de um espelho esférico côncavo e convexo. Formação das imagens em um espelho côncavo e em um espelho convexo. Refração da luz. Refringência. Leis da refração. Refração em um dioptro plano. Ângulo limite e reflexão total da luz. Formação de imagem em lentes convergentes e em lentes divergentes. Elementos geométricos das lentes esféricas. Construção geométrica de imagem em lentes convergentes e em lentes divergentes. Sistema de alerta de terremotos e tsunamis com fibra óptica.

CG2; CG3

EM13CNT201 EM13CNT204 EM13CNT301

EM13CNT101 EM13CNT301

CECNT1

Unidade 3 – Matéria e energia Capítulo

Conteúdos

Competências gerais; competências específicas da BNCC

Habilidades da BNCC

10 – Ondas eletromagnéticas

Espectro eletromagnético. Características das ondas. Características das faixas do espectro eletromagnético (ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama). Uso de ondas eletromagnéticas no cotidiano.

CG1; CG2; CG4

11 – O espectro solar e a Terra

Espectro solar. Características da luz visível. Dispersão da luz branca. Espectros de absorção. Como enxergamos as cores dos corpos. Construção de um espectroscópio. Características da radiação infravermelha. Características da radiação ultravioleta. Radiação solar e o efeito estufa. Efeito estufa em veículos. Sustentabilidade e proteção contra a radiação solar.

CG7

12 – Introdução à calorimetria

Conceito de temperatura. Escalas de temperatura. Conceito de calor. Trocas de calor (condução, convecção e irradiação). Efeitos das trocas de calor (dilatação, variação da temperatura, mudanças de fase). Calor sensível, calor específico e calor latente. Biocombustíveis.

CG1; CG9 CECNT3

EM13CNT102 EM13CNT105 EM13CNT309

13 – A energia nos sistemas termodinâmicos

Tipos de sistemas termodinâmicos. Energia nos sistemas termodinâmicos. Características dos sistemas conservativos e dos sistemas dissipativos. Trocas de calor em um calorímetro.

CG2; CG9

EM13CNT101 EM13CNT102

14 – Hidrostática e hidrodinâmica

Propriedades dos fluidos. Densidade e pressão dos fluidos. Princípios de Pascal e Arquimedes. Construção de um elevador hidráulico. Fluidos em movimento. Princípio de Bernoulli e efeito Coandă. Efeitos provocados no solo pelas chuvas.

CECNT3

Temas Contemporâneos Transversais Educação ambiental.

CECNT1 CECNT2

EM13CNT103

Educação ambiental. Trabalho.

CECNT1 CECNT2

Direitos da criança e do adolescente. Educação em direitos humanos. Educação ambiental.

CECNT1 CECNT2 EM13CNT301

XXIII

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Unidade 4 – Energia e Sociedade

Capítulo

Conteúdos

Competências gerais; competências específicas da BNCC

15 – Energia elétrica e Sociedade

Uso da energia elétrica pela sociedade. Características dos tipos de usinas elétricas. Energias renováveis na geração de energia elétrica.

CG9

16 – Transmissão de energia elétrica

Conceitos relacionados à energia elétrica (circuitos elétricos, condutores e isolantes, semicondutores, supercondutores). Cargas e forças elétricas. Construção de um eletroscópio. Tipos de eletrização. Campo e potencial elétricos. Diferença de potencial. Capacitores. Corrente elétrica (corrente contínua e corrente alternada). Circuitos elétricos. Resistência elétrica. Cuidados com a eletricidade. Bioimpedância. Potência e consumo de energia elétrica.

CG2; CG8

17 – Geração de energia elétrica

Geradores elétricos. Transformadores elétricos. Indução elétrica. Força eletromotriz induzida. Potência e rendimento de geradores elétricos. Guerra das correntes. Construção de um gerador elétrico.

CG1; CG2; CG9

18 – Reações nucleares

Conceito de reações nucleares. Fissão nuclear. Fusão nuclear. Usinas de fissão nuclear. Acidentes nucleares. Medidores de radiação. Modelo padrão de partículas. Desenvolvimento da bomba atômica.

CG5; CG7; CG9; CG10

Introdução à Física contemporânea. Teoria da relatividade restrita. Postulados da teoria da relatividade restrita. Relatividade do tempo e do comprimento. Teoria da relatividade geral. Teoria da relatividade em filmes e séries. Física quântica. Radiação térmica. Efeito fotoelétrico. Dualidade onda-partícula. Nova teoria quântica. Física quântica e as distorções de seus conceitos.

CECNT3

19 – Física contemporânea

Habilidades da BNCC

Temas Contemporâneos Transversais

EM13CNT310

CECNT3

CECNT1 CECNT3

CECNT1 CECNT3 CECHSA5

EM13CNT306 EM13CNT307 EM13CNT308 EM13CNT309

Ciência e tecnologia. Educação alimentar e nutricional. Trabalho.

EM13CNT107 EM13CNT301 EM13CNT303 EM13CNT309

Ciência e tecnologia. Educação ambiental.

EM13CNT103 EM13CNT104 EM13CNT302 EM13CNT304 EM13CNT306 EM13CNT308

Unidade 5 – Movimento e o ser humano Capítulo

Conteúdos

20 – Ferramentas Histórico do desenvolvimento das máquinas simples. Rodas e polias (tipos de polias, aplicações e tipos de e máquinas associações). simples Alavancas (tipos e aplicações). Construção de uma catapulta. Plano inclinado (tipos e aplicações). Uso de máquinas simples em equipamentos modernos. Desenvolvimento de ferramentas e máquinas pelos hominíneos.

Competências gerais; competências específicas da BNCC CG1

Habilidades da BNCC

Temas Contemporâneos Transversais Ciência e tecnologia.

CECNT2 CECNT3

XXIV

06/11/2024 17:25:20

21– Momento e torque

Momento de uma força. Tipos de alavanca. Torque. Equilíbrio de corpo extenso. Equilíbrio em movimento. Centro de gravidade. Centro de massa.

CG1; CG2; CG8

EM13CNT101 EM13CNT204

Saúde.

22 – Estudando os movimentos dos corpos

Tipos de movimento comum em práticas esportivas. Velocidade. Aceleração. Movimento uniforme e movimento uniformemente variado. Movimento circular. Movimento circular uniforme.

CECNT3

EM13CNT204 EM13CNT306

Saúde.

23 – Energia e impulso

Trabalho. Forças conservativas. Energia potencial elástica e gravitacional. Energia cinética. Conservação de energia. Potência e rendimento. Quantidade de movimento e impulso. Conservação da quantidade de movimento. Atividades físicas e saúde.

CG2

EM13CNT101

Educação para o trânsito.

Unidade 6 – A Física na relação entre o ser humano e o ambiente Competências gerais; competências específicas da BNCC

Habilidades da BNCC

Capítulo

Conteúdos

24 – Queima de combustíveis fósseis

Dependência da sociedade dos combustíveis fósseis. Máquinas a vapor e motores de combustão interna. Revoluções industriais. Transformações gasosas. Lei geral dos gases.

CG1; CG2; CG4; CG5; CG7; CG9 CECNT1 CECNT3

EM13CNT101 EM13CNT104 EM13CNT105 EM13CNT301 EM13CNT309

25 – Termodinâmica

Trabalho em uma transformação gasosa. Energia interna de um gás. Primeira lei da Termodinâmica. Primeira lei da Termodinâmica e fenômenos meteorológicos. Segunda lei da Termodinâmica. Rendimento de uma máquina térmica e o ciclo de Carnot. Outros ciclos termodinâmicos.

CG1; CG4; CG6; CG7; CG9

EM13CNT102

26 – Sons e audição humana

Ondas sonoras. Características das ondas. Velocidade de propagação de uma onda. Características do som. Propriedades do som. Reflexão, refração e difração do som. Interferência das ondas sonoras. Ressonância das ondas sonoras. Efeito Doppler. Instrumentos sonoros. Cordas e tubos sonoros. Perda de audição induzida por ruído. Produção e propagação do som.

CG8

EM13CNT207 EM13CNT301 EM13CNT306

27 – Luz e visão humana

Uso da tecnologia e olhos humanos. Como enxergamos as imagens. Características da luz solar. Problemas nos olhos. Alterações da visão.

CECNT1

CECNT3

Temas Contemporâneos Transversais

Educação ambiental.

EM13CNT103 EM13CNT104 EM13CNT306

XXV

06/11/2024 17:25:20

Sugestões de cronograma Apresentamos, a seguir, uma proposta de cronograma para elaborar o planejamento deste volume. No entanto, cabe ao professor a decisão de como utilizar o livro didático como apoio pedagógico, seguindo critérios de seleção dos temas e levando em consideração diversos fatores, como o projeto pedagógico da escola, as condições da turma, a carga horária e a grade curricular. Da maneira como está estruturada, esta coleção permite que o professor tenha autonomia pedagógica para decidir quais temas abordar ou deixar de abordar, no todo ou em partes; e seguir a ordem apresentada ou reagrupar os temas de acordo com os critérios organizacionais escolhidos e, com isso, estabelecer as conexões entre os temas dentro desses critérios.

Sugestão bimestral

Sugestão trimestral

Unidades e capítulos

Trimestre

Unidades e capítulos

1º trimestre (1º ano)

Unidade 1 - Capítulo 1 Unidade 1 - Capítulo 2 Unidade 1 - Capítulo 3

2º trimestre (1º ano)

Unidade 1 - Capítulo 4 Unidade 1 - Capítulo 5 Unidade 2 - Capítulo 6

Bimestre

Unidade 1 - Capítulo 1 1º bimestre Unidade 1 - Capítulo 2 (1º ano) Unidade 1 - Capítulo 3 2º bimestre Unidade 1 - Capítulo 4 (1º ano) Unidade 1 - Capítulo 5 3º bimestre Unidade 2 - Capítulo 6 (1º ano) Unidade 2 - Capítulo 7 4º bimestre Unidade 2 - Capítulo 8 (1º ano) Unidade 2 - Capítulo 9 1º bimestre Unidade 3 - Capítulo 10 (2º ano) Unidade 3 - Capítulo 11 Unidade 3 - Capítulo 12 2º bimestre Unidade 3 - Capítulo 13 (2º ano) Unidade 3 - Capítulo 14 Unidade 4 - Capítulo 15 3º bimestre Unidade 4 - Capítulo 16 (2º ano) Unidade 4 - Capítulo 17 4º bimestre Unidade 4 - Capítulo 18 (2º ano) Unidade 4 - Capítulo 19 1º bimestre Unidade 5 - Capítulo 20 (3º ano) Unidade 5 - Capítulo 21 2º bimestre Unidade 5 - Capítulo 22 (3º ano) Unidade 5 - Capítulo 23 3º bimestre Unidade 6 - Capítulo 24 (3º ano) Unidade 6 - Capítulo 25 4º bimestre Unidade 6 - Capítulo 26 (3º ano) Unidade 6 - Capítulo 27

3º trimestre (1º ano)

Unidade 2 - Capítulo 7 Unidade 2 - Capítulo 8 Unidade 2 - Capítulo 9

1º trimestre (2º ano)

Unidade 3 - Capítulo 10 Unidade 3 - Capítulo 11 Unidade 3 - Capítulo 12

2º trimestre (2º ano)

Unidade 3 - Capítulo 13 Unidade 3 - Capítulo 14 Unidade 4 - Capítulo 15 Unidade 4 - Capítulo 16

3º trimestre (2º ano)

Unidade 4 - Capítulo 17 Unidade 4 - Capítulo 18 Unidade 4 - Capítulo 19

1º trimestre (3º ano)

Unidade 5 - Capítulo 20 Unidade 5 - Capítulo 21 Unidade 5 - Capítulo 22

2º trimestre (3º ano)

Unidade 5 - Capítulo 23 Unidade 6 - Capítulo 24 Unidade 6 - Capítulo 25

3º trimestre (3º ano)

Unidade 6 - Capítulo 26 Unidade 6 - Capítulo 27

Sugestão semestral Semestre

Unidades e capítulos

1º semestre (1º ano)

Unidade 1 - Capítulo 1 Unidade 1 - Capítulo 2 Unidade 1 - Capítulo 3 Unidade 1 - Capítulo 4 Unidade 1 - Capítulo 5

2º semestre (1º ano)

Unidade 2 - Capítulo 6 Unidade 2 - Capítulo 7 Unidade 2 - Capítulo 8 Unidade 2 - Capítulo 9

1º semestre (2º ano)

Unidade 3 - Capítulo 10 Unidade 3 - Capítulo 11 Unidade 3 - Capítulo 12 Unidade 3 - Capítulo 13 Unidade 3 - Capítulo 14

2º semestre (2º ano)

Unidade 4 - Capítulo 15 Unidade 4 - Capítulo 16 Unidade 4 - Capítulo 17 Unidade 4 - Capítulo 18 Unidade 4 - Capítulo 19

1º semestre (3º ano)

Unidade 5 - Capítulo 20 Unidade 5 - Capítulo 21 Unidade 5 - Capítulo 22 Unidade 5 - Capítulo 23

2º semestre (3º ano)

Unidade 6 - Capítulo 24 Unidade 6 - Capítulo 25 Unidade 6 - Capítulo 26 Unidade 6 - Capítulo 27

XXVI

06/11/2024 17:26:01

Transcrições Podcast: Anomalias magnéticas da Terra Unidade 2, Capítulo 6 [VINHETA DE ENTRADA] [JULIANA] Anomalias magnéticas da Terra. [VINHETA DE SEPARAÇÃO] [JULIANA] Olá! Seja bem-vindo e bem-vinda ao nosso podcast de Ciências da Natureza! Eu sou Juliana Modotti e, no episódio de hoje, vamos falar de anomalias magnéticas em nosso planeta. Sabia que uma delas ocorre bem acima de nossas cabeças, aqui no Brasil? [VINHETA DE APROFUNDAMENTO] [JULIANA] Para me ajudar, convidamos um especialista. O professor Fabio Spina é graduado em Física pela Universidade Federal do Paraná, mestre em Formação Científica, Educacional e Tecnológica pela UTFPR, além de mestre em Física e Astronomia pela mesma instituição. Atua como planetarista no Observatório e Planetário do Colégio Estadual do Paraná, em Curitiba, onde também ministra aulas para o ensino Fundamental, Médio e para a formação de professores para a Educação em Astronomia. Também é autor do blogue Olhando para o céu, em que compartilha informações para jovens cientistas, astrônomos amadores e curiosos por ciências e astronomia. Ufa! Seja bem-vindo, professor! [FÁBIO] Olá, Juliana! É um prazer estar aqui! [JULIANA] Mestre, poderia nos explicar o que é a Anomalia Magnética do Atlântico Sul e onde ela acontece? [EFEITO SONORO DE MISTÉRIO] [FÁBIO] Juliana, a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, ou Amas, como é conhecida popularmente, ela é uma região onde o campo magnético da Terra é mais fraco, cerca de um terço da intensidade média global. Essa anomalia abrange partes da América do Sul, África e Antártida, com o Brasil sendo um dos pontos mais afetados. [JULIANA] Pera aí, professor. [EFEITO SONORO DE DÚVIDA] [JULIANA] Me explica o que é o campo magnético da Terra, como ele funciona e por que ele é mais fraco justo aqui no Brasil. [FÁBIO] Legal! O campo magnético da Terra, ele é um escudo invisível que nos protege das partículas carregadas vindas do Sol, que é chamado de vento solar. É... Ele é gerado por um processo complexo no interior do nosso planeta, é um dínamo terrestre que nós temos dentro de nosso planeta. Imagine um enorme ímã em constante movimento no núcleo da Terra, com correntes elétricas fluindo através dele. Esse movimento gera um campo magnético que envolve todo o planeta e nos protege de partículas provenientes do espaço, que fazem parte da radiação espacial. O interior do planeta é composto por diferentes camadas, como o núcleo externo, que essencialmente é uma composição de ferro e outros materiais aquecidos em altas temperaturas e eles giram de forma complexa no interior do planeta. O movimento de cargas elétricas vinculadas a esse material gera o campo magnético que envolve a Terra. [JULIANA] Mas esse campo não deveria ser igual por todo o planeta? [FÁBIO] A princípio sim, mas, por motivos que ainda não são compreendidos muito bem, há regiões onde a intensidade dele diminui. A região da Amas sofre com essa atenuação com maior frequência ao longo dos anos. Existem estudos que indicam que, nos últimos duzentos anos, o campo magnético nessa região diminuiu em nove por cento. [JULIANA] Então, a Anomalia Magnética do Atlântico Sul é como uma “rachadura” no nosso escudo protetor? [FÁBIO] Na verdade, é como se nessa região o escudo estivesse mais fino, deixando todas as pessoas mais vulneráveis à radiação espacial. [JULIANA] E isso é prejudicial para nossa saúde? Devemos ficar preocupados? [EFEITO SONORO DE SUSPENSE] [FÁBIO] A princípio não. Os danos mais significativos ocorrem lá no espaço. Os mais prejudicados são satélites e outros objetos que passam por essa região. [JULIANA] O que pode acontecer com eles? [FÁBIO] Com a maior exposição à radiação, os satélites podem sofrer danos em componentes eletrônicos, o que afeta sua funcionalidade. Podem acontecer erros em computadores de bordo, degradação em painéis solares, corrosão de componentes, falhas de comunicação e, em casos extremos, até a sua desativação ou perda de controle. [JULIANA] Nossa! E dá para desviar os satélites dessa região? [FÁBIO] Infelizmente não é possível desviá-los, mas, durante a passagem por essa região, alguns componentes podem ser desligados. O teles-

cópio espacial Hubble, por exemplo, não faz coleta de dados durante sua passagem pela Amas. A estação espacial internacional, por sua vez, ela possui um revestimento espacial para lidar com o problema. [JULIANA] E quais medidas estão sendo tomadas para tentar diminuir os efeitos da Amas? [FÁBIO] Cientistas e agências espaciais do mundo todo estão trabalhando em conjunto para desenvolver novas tecnologias e estratégias para proteger os satélites da radiação espacial na Amas. Isso inclui o desenvolvimento de materiais mais resistentes à radiação, a criação de sistemas de blindagem mais eficazes e a otimização das órbitas dos satélites. [JULIANA] E no futuro, hein? Há alguma expectativa da Amas deixar de existir? Ou é capaz de ela aumentar? [FÁBIO] Hm, isso é difícil prever o futuro com precisão. No entanto, o avanço da tecnologia e a intensificação da pesquisa científica nos dão motivos para acreditar que, com o tempo, vamos encontrar soluções cada vez mais eficazes para lidar com os desafios da Amas e assim garantir a segurança dos nossos satélites. [JULIANA] Professor, o papo está ótimo, mas nosso tempo está acabando. [EFEITO SONORO DE TRISTE] [JULIANA] Quero te agradecer por compartilhar seus conhecimentos conosco. [FÁBIO] Eu que agradeço a oportunidade e espero ter despertado a curiosidade dos ouvintes sobre esse tema tão fascinante. [EFEITO SONORO DE APLAUSOS] [JULIANA] Esse foi mais um episódio do podcast de Ciências da Natureza. Nos vemos no futuro! [VINHETA DE ENCERRAMENTO] [JULIANA] Esta produção usou áudios de Yan Maran e Envato Elements. Vozes de Juliana Modotti e Fabio Spina.

Podcast: Física na cozinha Unidade 3, Capítulo 12 [VINHETA DE ENTRADA] [MARI] Física na cozinha! [VINHETA DE INICIAÇÃO] [MARI] E aí, beleza? Eu sou a Mari e nesse episódio vamos investigar os segredos da física em um lugar que tá bem pertinho da gente: a cozinha. Bora saborear esse banquete de conhecimentos? [VINHETA DE SEPARAÇÃO][MARI] Para isso, contamos com a participação superespecial de três mestres da cozinha, que vão compartilhar conosco alguns dos seus truques culinários. Vamos começar com o depoimento do Senhor Alceu. Ele é um aposentado bem esperto, que tem alguns segredos sobre a temperatura na hora de preparar seus pratos! Seu Alceu, conta aí pra gente quais são suas manhas! [EFEITO SONORO DE PLAY DE MENSAGEM DE VOZ] [SEU ALCEU] Olá, pessoal. Eu sou o Alceu e o que eu vou contar pra vocês eu aprendi foi com a vida, especialmente com minha avó. Ela me ensinou a jogar um punhado de sal na água do macarrão pra “fazer ele” cozinhar mais rápido. Como sou curioso, fui testar e descobri que é verdade mesmo, mas o porquê eu não sei... [EFEITO SONORO DE FINALIZAÇÃO DE MENSAGEM DE VOZ] [MARI] Ah, Senhor Alceu, então eu te explico! Isso acontece porque o sal aumenta o ponto de ebulição da água, e por isso ela atinge temperaturas mais altas e cozinha as coisas mais rápido. Tem outro áudio do Senhor Alceu que ele conta também o segredo pra fritar um bife suculento e crocante. Ouve só! [EFEITO SONORO DE PLAY DE MENSAGEM DE VOZ] [SEU ALCEU] Ah, pra fritar o bife, nada melhor que uma frigideira bem quente, né?! Daí forma uma crosta crocante, mas fica suculento por dentro! [EFEITO SONORO DE FINALIZAÇÃO DE MENSAGEM DE VOZ] [MARI] Olha aí a dica de ouro do Seu Alceu! Isso acontece devido à condução térmica. Ao selar o bife em alta temperatura, e depois terminar o cozimento em uma temperatura menor, diminuímos a perda dos líquidos, deixando a carne muito mais macia. Demais, né?! A gente agradece o Seu Alceu por compartilhar suas experiências conosco. [SOBE TRILHA] [MARI] Agora, quero ouvir outra sábia da cozinha. Vamos falar de sobremesas, de doces! [EFEITO SONORO DE DEGUSTAÇÃO] [MARI] A Ana é confeiteira, expert em doces. Ana, conta aí pra gente qual a importância da temperatura na hora de fazer um docinho. [EFEITO SONORO DE PLAY DE MENSAGEM DE VOZ] [ANA] Oi, Mari! Olha, na confeitaria, a temperatura é tudo! Pra derreter chocolate, por exemplo, tem que usar fogo baixinho e mexer sempre, senão, ele queima e fica sem brilho. É tipo cuidar de um bebê: tem que ter muita atenção e carinho! [EFEITO SONORO DE FINALIZAÇÃO DE MENSAGEM DE VOZ] [MARI] Que comparação fofa! Eu sei que você tem um bufê de todos os tipos de doces. No dia a dia, vocês preferem usar colheres de metal, plástico ou madeira? Conta pra gente.

XXVII

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[EFEITO SONORO DE PLAY DE MENSAGEM DE VOZ] [ANA] As colheres de metal esquentam mais rápido, então são boas pra pegar pratos frios. As de plástico não esquentam tanto, mas podem amassar fácil. Já as de madeira são ótimas pra pratos quentes, porque não transferem o calor da comida para quem segura a colher. [EFEITO SONORO DE FINALIZAÇÃO DE MENSAGEM DE VOZ] [MARI] Isso mesmo, Ana! Ótima constatação sobre condução térmica! O calor é a energia térmica que se transfere do corpo de temperatura mais alta para o corpo com menor temperatura. No caso da colher de metal, a transferência ocorre em seu interior. A parte da colher que encosta no alimento quente aumenta de temperatura e vai transferindo calor para as outras partes da colher que estão com temperatura menor. Assim, a colher pode se esquentar por inteiro e até queimar a nossa mão. [SOBE TRILHA] [MARI] Agora eu tô aqui com a dona Joana. Fera no fogão há mais de trinta anos, ela manda ver em pratos caseiros de dar água na boca! Dona Joana, me conta aí, qual é o segredo pra um feijão tropeiro de dar inveja? [DONA JOANA] “Óia fia”, é “facin”! O segredo tá na panela de ferro, que esquenta mais rápido e por igual, envolvendo tudo “os grão”. E também deixa “os ingrediente” bem temperadinho, né? Com o sabor de comidinha de vó! [MARI] Entendi, dona Joana! Na Física, isso se explica por conta da densidade do ferro e sua capacidade térmica. Ou seja, é um material que, depois de aquecido, precisa de menos calor para manter a temperatura, auxiliando no processo de cozimento dos alimentos. Por isso essa história de panela grossa deixar o caldo mais grosso, não é mesmo? [DONA JOANA] É verdade, “fia”! Depois que a panela grossa esquenta, dá pra cozinhar por bastante tempo. Aí, o que tá no fogo vai liberando o sabor e “os aroma” devagarinho, deixando o caldo mais encorpado e gostoso. Experimenta fazer um caldo de legumes numa panela de ferro grossa e me fala se não fica bom! [MARI] Hm, vou fazer sim, hein, dona Joana! Mas e a panela de barro? [DONA JOANA] Ah é! É bom na hora de servir! O barro segura o calor que é uma beleza! [MARI] Falou dona Joana, voz da experiência! O barro é um mau condutor de calor e acaba funcionando como um isolante térmico. Ele evita a troca de calor do alimento quente, que tá no interior da panela, com o ambiente, mantendo a comida quentinha por mais tempo. Obrigada pela participação! [VINHETA DE TRANSIÇÃO] [MARI] E você? O que achou de ouvir isso tudo? Já tinha parado para pensar em como os conhecimentos científicos se aplicam no nosso dia a dia? Espero que se lembre deste bate-papo na próxima vez que for a um restaurante, ou até mesmo se aventurar pelas panelas aí da sua casa. Cozinhar pode ser uma verdadeira aventura científica! Até a próxima! [VINHETA DE ENCERRAMENTO] [MARI] Essa produção usou áudios de Yan Maran e Envato Elements. Vozes de Mari Guedes, Barros Batista, Lee Courtney Marvin e Juliana Modotti.

Podcast: Césio-137: uma ferida ainda aberta em Goiânia Unidade 4, Capítulo 18 [VINHETA DE ENTRADA] [LOCUTORA] Césio cento e trinta e sete: uma ferida ainda aberta em Goiânia. [VINHETA DE INICIAÇÃO] [LOCUTORA] Boas-vindas novamente ao nosso podcast de ciências da natureza! Hoje, iremos falar sobre um incidente que aconteceu na cidade de Goiânia no fim da década de mil novecentos e oitenta com materiais radioativos. Acompanhe essa história. [EFEITO SONORO DE SIRENE] [MARI] A vida de centenas de pessoas mudou para sempre em um dia comum na cidade de Goiânia. Era treze de setembro de mil novecentos e oitenta e sete. Começava um evento trágico, conhecido como o Acidente do Césio cento e trinta e sete, que marcou a história do local e se tornou um dos maiores desastres radiológicos do mundo. Dias antes, no prédio abandonado onde havia funcionado o Instituto Radiológico de Goiânia, dois rapazes acharam um velho equipamento médico desativado. Eles procuravam sucata para vender e esse objeto, pesando mais de cem quilos, seria a oportunidade de ganhar algum dinheiro. Tudo começou em um ferro-velho no centro de Goiânia, de propriedade de Devair Ferreira. Os catadores de sucata venderam ao Seu Devair o equipamento e, dentro da máquina, ele encontrou algo curioso: uma cápsula pesada com um brilho azul intenso. Sem saber que se tratava de uma fonte radioativa abandonada no edifício do Instituto Radiológico, Devair e mais alguns amigos manipularam o material, abriram

a cápsula e espalharam o pó azul por toda parte. Aquele pó era cloreto de Césio cento e trinta e sete, um sal extremamente perigoso, composto por um isótopo radioativo do Césio. Devair levou um pouco do pó de coloração azul para casa e o mostrou para a mulher, Maria Gabriela. Dias depois, Seu Devair e Dona Maria Gabriela começam a apresentar sintomas típicos de exposição a alta radiação, como náusea, tontura, diarreia e vômito. O irmão de Seu Devair, Ivo Ferreira, foi fazer uma visita aos doentes e saiu de lá carregando um pouco do pó azul. Quando chegou em casa, apresentou aos filhos e à mulher aquele brilho novo. Aos poucos, muitas pessoas começaram a desenvolver os mesmos sintomas que o núcleo familiar de Seu Devair. Elas foram levadas inicialmente aos postos de saúde e hospitais de Goiânia. Primeiro, foram tratadas como se tivessem uma doença qualquer, afinal não se sabia ainda da contaminação por radiação. Foram dezessete dias desde a abertura da cápsula contendo Césio cento e trinta e sete, até a identificação da contaminação por radiação. Nesse meio-tempo, diversas pessoas haviam entrado em contato com o pó altamente radioativo. A notícia desse acidente se espalhou rápido. Então, o pânico tomou conta da cidade. As autoridades não sabiam como lidar com a situação. Muitos dias se passaram até a identificação da fonte da radiação e o início da contenção do material. Mais de mil pessoas foram contaminadas, muitas com graves sequelas de saúde. Quatro pessoas morreram em decorrência da exposição ao material radioativo. A área contaminada foi isolada. Casas foram demolidas e parte do solo foi removida. [EFEITO SONORO DE RÉ DE CAMINHÃO] [MARI] Esse acidente gerou mais de seis mil toneladas de lixo radioativo, que foi depositado em quatorze contêineres. Esses contêineres foram enterrados no município de Abadia de Goiás, a vinte quilômetros de Goiânia, debaixo de uma parede de concreto e chumbo. Se não tivesse sido contido corretamente, o Césio cento e trinta e sete poderia ter provocado contaminação no solo por um longo período. Por se ligar facilmente às partículas do solo, ele poderia afetar a produção agrícola, o que colocaria em risco a saúde de animais e seres humanos que consumissem produtos cultivados na área contaminada. O Césio cento e trinta e sete poderia ter sido transportado pela água da chuva e por rios, contaminando lençóis freáticos e as fontes de água potável. Essa contaminação poderia causar diversos problemas de saúde, como câncer, doenças renais e problemas reprodutivos. Isso causaria a morte de animais, plantas e microrganismos, levando ao desequilíbrio dos ecossistemas e à perda de biodiversidade. [EFEITO SONORO DE RÉ DE ATENÇÃO] [MARI] Nos seres vivos, e em especial nos seres humanos, a exposição à radiação do Césio-cento e trinta e sete pode provocar náuseas, vômitos, diarreia, queda de cabelo e, em casos graves, morte. A exposição de longo prazo pode levar ao desenvolvimento de câncer, doenças do sangue, problemas reprodutivos, doenças cardíacas, além de danos genéticos no DNA que podem ser transmitidos para as próximas gerações. Isso pode levar ao aumento de doenças congênitas e malformações em bebês. Esse acidente expôs falhas graves na destinação de materiais hospitalares. Medidas de segurança precárias, procedimentos ineficazes no descarte de materiais e a falta de informação da população contribuíram para a tragédia. Depois desse acidente, houve mudanças nas regras para o uso de fontes de radiação: não se pode mais utilizar pó em aparelhos radiológicos. O acidente com o Césio cento e trinta e sete causou um grande trauma na população de Goiânia. As vítimas e seus familiares sofreram com medo, ansiedade, depressão e outros problemas psicológicos. O acontecimento serviu de lição e, atualmente, temos protocolos de segurança mais rigorosos. [VINHETA DE SEPARAÇÃO] [MARI] Como está Goiânia hoje? A região afetada pelo Césio cento e trinta e sete ainda carrega as marcas do acidente. O local continua isolado e é monitorado, e a memória das vítimas e dos sobreviventes é preservada em museus e memoriais. A tragédia serve como um lembrete constante da importância da segurança nuclear e da responsabilidade no manejo de materiais radioativos. As pessoas afetadas pelo acidente se uniram em uma associação para lutar pelos seus direitos. O governo começou a pagar pensões vitalícias para cerca de duzentas e cinquenta vítimas. Posteriormente, outras duas mil pessoas exigiram esses benefícios. Eram motoristas, bombeiros e policiais que haviam trabalhado nas unidades de emergência, expondo-se também à alta radiação. [VINHETA DE ENCERRAMENTO DO ASSUNTO][MARI] Esse episódio com Césio cento e trinta e sete em Goiânia foi um capítulo sombrio na história do Brasil, um evento que ensinou sobre os perigos da negligência e a importância da prevenção. A ferida ainda está aberta, mas a luta por justiça e reparação continua para que as vítimas e seus descendentes não sejam esquecidos. [VINHETA DE CRÉDITOS] [MARI] Essa produção usou áudios de Yan Maran e Envato Elements. Voz de Mari Guedes.

XXVIII

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Orientações, sugestões e respostas Neste tópico das Orientações para o professor, serão apresentados os objetivos das unidades, bem como as habilidades e competências da BNCC trabalhadas em cada tema. Além disso, serão apresentadas orientações, sugestões de atividades, materiais complementares e estratégias de avaliação para os conteúdos abordados em cada capítulo.

Unidade 1 A ciência

do Universo

Objetivos da unidade • Valorizar as explicações mitológicas desenvolvidas por diferentes povos ao longo do tempo e reconhecer sua importância. • Refletir sobre a influência do contexto sociocultural no desenvolvimento científico. • Explorar a formação e a evolução das estrelas. • Compreender o processo de formação dos sistemas planetários. • Aplicar as leis de Kepler para descrever o movimento dos planetas ao redor do Sol. • Descrever as características do movimento. • Compreender as três leis de Newton e sua aplicação na vida cotidiana. • Explorar o conceito de queda livre. • Analisar o lançamento de projéteis e suas equações.

Justificativas A abordagem das páginas dessa unidade contribui para o desenvolvimento da Competência geral 1 e da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1, pois possibilita aos estudantes entender a evolução da Física, desde a Antiguidade até os dias atuais, e como os conceitos físicos estão presentes no nosso cotidiano. A análise dos modelos científicos e teorias propostos ao longo do tempo para explicar a origem do Universo e aspectos importantes da evolução do conhecimento científico permitem trabalhar a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2 e a habilidade EM13CNT201. Também são propostas atividades que contribuem para a valorização de manifestações artísticas e culturais, desenvolvendo a Competência geral 3, e a interpretação de textos de divulgação científica contribui para desenvolver a habilidade EM13CNT303. A elaboração de questões, hipóteses e interpretações acerca da situação-problema proposta nessa unidade permite o desenvolvimento da habilidade EM13CNT301 e o trabalho em grupo desenvolve a Competência geral 9.

Abertura da Unidade - páginas 12 e 13 BNCC em contexto Nessas páginas é abordada a Competência geral 1, pois possibilita aos estudantes refletir sobre a evolução da Ciência e sua contribuição para o desenvolvimento da sociedade.

Inicie o trabalho com essas páginas solicitando aos estudantes que observem a fotografia, destacando que ela foi tirada pelo telescópio espacial James Webb do aglomerado de galáxias SMACS 0723. Comente que esse telescópio foi desenvolvido pela Nasa e lançado ao espaço em 2021 e que, ao contrário do seu antecessor, o Hubble, que observa principalmente em luz visível e ultravioleta, o James Webb opera predominantemente na faixa do infravermelho. Isso permite a ele que veja através de poeira e gases cósmicos que bloqueiam a visão de telescópios óticos, proporcionando imagens mais detalhadas de regiões do espaço, como berçários estelares e núcleos galácticos.

Respostas a ) Resposta pessoal. Espera-se que eles reconheçam que há uma influência mútua entre Ciência e sociedade. Assim, a sociedade pode tanto influenciar a construção do conhecimento científico como este influenciar o desenvolvimento da sociedade. b ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é levantar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre o Universo e as teorias a respeito de sua origem e evolução. Alguns podem citar a teoria do Big Bang. Incentive-os a expressar o que sabem dessa teoria. Verifique se eles relacionam a teoria do Big Bang à expansão de um ponto material extremamente quente e denso, com liberação de grande quantidade de energia. c ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é levantar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre o Sistema Solar e sua formação. Eles podem citar que o Sistema Solar se formou de uma estrutura chamada nebulosa solar. Caso algum estudante relacione a origem do Sistema Solar com o Big Bang, comente que a formação do Sistema Solar se iniciou aproximadamente 9 bilhões de anos após o Big Bang. d ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é levar os estudantes a expressar seus conhecimentos prévios sobre o telescópio espacial James Webb. Espera-se que eles comentem que o telescópio se mantém em órbita do Sol, pois sofre influência da força da gravidade da estrela.

Capítulo 1 - História da Ciência páginas 14 a 22 Objetivos do capítulo • Compreender a importância do conhecimento científico e suas origens. • Analisar as contribuições de civilizações antigas para o conhecimento científico. • Examinar como o desenvolvimento da Ciência influenciou e foi influenciado por fatores sociais, econômicos e religiosos.

XXIX

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• Refletir sobre a influência do desenvolvimento tecnológico nas ciências.

Páginas 14 a 20 BNCC em contexto A abordagem das páginas 14 e 15 contribui para o trabalho com as Competências gerais 1 e 2, pois incentiva os estudantes a reconhecer o caráter humano das ciências, sujeito aos contextos social, político, cultural e econômico em que está inserido. Também contempla a habilidade EM13CNT201, pois incentiva os estudantes a analisar algumas teorias propostas ao longo do tempo sobre aspectos importantes da evolução do conhecimento científico. A abordagem das páginas 14 e 15 permite o desenvolvimento do tema contemporâneo transversal Educação para valorização do multiculturalismo nas matrizes históricas culturais brasileiras ao trabalhar fenômenos astronômicos observados e registrados pelos povos indígenas brasileiros Tupi-Guarani. Além disso, incentiva os estudantes a analisar e fruir manifestações artísticas e culturais, trabalhando a Competência geral 3. Se julgar conveniente, inicie o trabalho desse capítulo orientando os estudantes a responder à questão 1 da página 14, utilizando a estratégia de metodologia ativa One-minute paper. Confira mais orientações sobre essa estratégia nas páginas XI e XII destas Orientações para o professor. Para isso, peça a eles que respondam à questão proposta em, no máximo, cinco minutos, possibilitando a livre expressão, a fluência na escrita e a capacidade de síntese. O objetivo da questão é levar os estudantes a refletir sobre a história da humanidade, incluindo a história da Ciência, e compreender como determinado conceito é construído, ou modificado, chegando à sua definição nos dias atuais. Utilize as respostas para verificar os conhecimentos prévios da turma sobre a história da Ciência, e a relação entre o desenvolvimento da Ciência e o da humanidade. Se julgar adequado, ao abordar os fenômenos astronômicos observados e registrados pelos povos indígenas brasileiros Tupi-Guarani, na página 14, acesse o site da revista Ciência & Cultura e trabalhe com os estudantes um pouco mais sobre a Astronomia indígena. Promova uma abordagem que incentive o respeito pelas mitologias, crenças e tradições. Disponível em: https://revistacienciaecultura.org.br/?artigos=mitos-e -estacoes-no-ceu-tupi-guarani. Acesso em: 23 set. 2024. Ao comentar as áreas das Ciências da Natureza, além dos exemplos das áreas fundamentais que embasam as demais citadas na página 14, cite outras, como a Astrofísica, as Geociências, a Oceanografia, a Zootecnia e a Engenharia de alimentos. Explique que todas elas são consideradas áreas de estudo das Ciências da Natureza. Na página 14, note que a lenda do boitatá varia de acordo com as regiões do Brasil. Assim, proponha uma atividade de pesquisa sobre as diferentes versões da lenda para que sejam apresentadas em sala de aula. As páginas 15 a 19 tratam da transição para um pensamento racional em termos do desenvolvimento dos conhecimentos científicos e, apesar de serem apresentadas contribuições de diferentes civilizações separadamente, explique aos estudantes que diversas delas ocorreram de forma simultânea.

Ainda na página 15, se julgar necessário, comente que Cheikh Anta Diop (1923-1986) foi um matemático, físico e químico senegalês cuja obra teve impacto significativo na compreensão da história e cultura africana. Diop é amplamente reconhecido por seus estudos que desafiaram as narrativas eurocêntricas sobre a África e que buscaram provar a unidade cultural e histórica do continente africano. Diop argumentou que a civilização egípcia antiga tinha raízes africanas negras, desafiando a visão predominante de que o Egito antigo era uma civilização de origem mediterrânea ou semítica. Para isso, utilizou uma variedade de evidências, incluindo antropológicas, linguísticas e históricas, para fundamentar sua tese. Ele promoveu a ideia de que havia uma conexão cultural e histórica entre o Egito antigo e outras civilizações africanas. Sustentava que a África compartilhava uma história comum e que essa unidade cultural deveria ser reconhecida e celebrada. Diop também foi ativo politicamente, defendendo a unidade cultural africana, baseado no conhecimento e valorização da verdadeira história e identidade africana. Além de suas contribuições em História e Antropologia, Diop era químico e físico. Ele realizou pesquisas em radiocarbono e Física nuclear, e foi um defensor do uso da Ciência e da tecnologia para o desenvolvimento da África. Ao abordar os estudos do filósofo persa Avicena (9801037),na página 16, explique aos estudantes que também existem registros de atividades relacionadas à Medicina, como documentos de grandes cirurgias traumáticas que datam do Egito antigo registradas em papiros, milênios a.C. e, consequentemente, antes de Avicena. Ressalte como o desenvolvimento dos instrumentos de navegação, na página 17, reflete o avanço científico na época e como essas invenções foram importantes para as grandes navegações e como sua ausência poderia limitar o alcance das expedições. Na página 18, se julgar conveniente, promova uma discussão sobre a Revolução Científica e a chegada dos portugueses ao Brasil. Explique que esse fato ocorreu graças à expansão marítima que abriu caminho para outras grandes descobertas. Isso tudo foi possível por causa da evolução dos conhecimentos científicos que contribuíram para a criação e o aperfeiçoamento de novas técnicas de navegação. Aproveite para comentar que os indígenas tinham crenças e costumes diferentes dos portugueses.

Acompanhando a aprendizagem Ao final desse capítulo, solicite aos estudantes que retomem a resposta da questão 1 da página 14 e comparem com sua resposta inicial. Dessa forma, eles podem refletir sobre como sua compreensão evoluiu e quais aspectos consideram mais importantes agora.

Ligado no tema - página 20 Objetivos • Reconhecer as etapas do método científico. • Avaliar a aplicação do método científico para resolver problemas do cotidiano. Orientações Apresente ou reforce o entendimento do método científico e como ele pode ser aplicado fora do ambiente científico tradicional, reforçando a importância de cada etapa e como a abordagem sistemática auxilia a resolver problemas. Organize os estudantes em duplas para que identifiquem cada etapa do método científico do problema da lâmpada e respondam às

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duas questões da seção. Caminhe entre as duplas, oferecendo orientação e suporte conforme necessário. Ajude-os a refinar suas perguntas e hipóteses. Para finalizar, solicite a algumas duplas que comentem suas respostas, reforçando o método científico. Pergunte se há alguma outra situação no cotidiano deles em que possa ser aplicado esse método. As atividades 3 e 4 da página 21 permitem o trabalho integrado com o componente curricular de Filosofia. O professor desse componente pode auxiliar os estudantes na compreensão dos conceitos de mito e da Filosofia da Ciência.

Respostas - Página 22 5. c ) As tecnologias modernas de satélites e a observação astronômica desempenham um papel crucial no desenvolvimento da agricultura sustentável. Satélites meteorológicos fornecem dados precisos sobre o clima, permitindo aos agricultores que prevejam padrões climáticos, como chuvas e secas, e planejem suas atividades de acordo com eles. Sensores de satélite também monitoram a umidade do solo, a saúde das plantas e o uso da água, ajudando a otimizar a irrigação e reduzir o desperdício de recursos. Além disso, a observação astronômica e os dados de satélite contribuem para a previsão de eventos climáticos extremos, permitindo aos agricultores que tomem medidas preventivas para proteger suas culturas e maximizar a produção agrícola de maneira sustentável. 6. b ) Espera-se que os estudantes concluam que a maior parte do átomo é composta de espaços vazios, já que a maior parte das partículas de carga positiva não tem suas trajetórias alteradas. E o fato de que uma pequena fração de partículas foi desviada indicou que elas estavam colidindo com algo muito denso e positivamente carregado. Logo, o átomo seria composto de um núcleo central denso e a maior parte do seu volume seria de espaço vazio. 7. O objetivo dessa questão é incentivar os estudantes a verificar como os conceitos da Física podem ser observados e aplicados em diversas áreas do cotidiano. Eles podem citar a interação da Física com a Medicina e a Biologia em tratamentos e exames médicos; a integração entre Física, Geografia e Geologia no monitoramento, mapeamento e estudos da superfície terrestre via satélite; a integração entre Física e Química nos estudos de partículas e estrutura da matéria, entre outras situações.

Capítulo 2 - Origem e evolução do Universo - páginas 23 a 35 Objetivos do capítulo • Descrever a teoria do Big Bang. • Identificar o processo de formação das estrelas e descrever as fases do ciclo de vida das estrelas de diferentes massas. • Analisar a importância da espectroscopia na determinação da composição das estrelas. • Explorar a estrutura interna e a composição do Sol. • Compreender a formação dos sistemas planetários e dos planetas.

Páginas 23 a 33 BNCC em contexto A abordagem dos modelos científicos propostos ao longo do tempo para explicar a origem do Universo

contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2. Além disso, a análise de interpretações sobre a dinâmica do Universo e sua evolução contribuem para desenvolver a habilidade EM13CNT201. A leitura do esquema da página 24 contribui para o trabalho com a habilidade EM13CNT303, pois possibilita aos estudantes interpretar textos de divulgação científica. Ao abordar os conteúdos da página 23, enfatize que, apesar do nome, o Big Bang não se trata de uma explosão, como a de uma bomba. O termo é uma analogia à rápida expansão do espaço, distribuindo a matéria e a energia que estavam comprimidas em uma pequena região. Explique que a radiação remanescente do processo de expansão do Universo foi detectada em 1964 pelo astrofísico alemão Arno Penzias (1933-2024) e pelo astrônomo estadunidense Robert Woodrow Wilson (1936-) por meio de um telescópio de micro-ondas. Na ocasião, eles verificaram que, para qualquer direção que apontassem o telescópio, sempre detectavam um ruído de fundo, identificado posteriormente como a radiação cósmica de fundo que permeia todo o espaço. Essa é uma das maiores evidências do Big Bang. A interpretação do esquema da página 25 possibilita trabalhar o pensamento computacional. Para isso, oriente os estudantes a analisar cada etapa e processo separadamente, procurando informações detalhadas sobre cada uma delas. É importante que eles também analisem separadamente as possibilidades de processos, dependendo da massa das estrelas. Na página 26, comente o trabalho da astrônoma inglesa Cecilia Payne-Gaposchkin (1900-1979) com espectroscopia, que criou uma das bases da Astronomia moderna, particularmente com relação à composição química das estrelas e à estrutura da Via Láctea.

Integrando o conhecimento Ao abordar a análise das linhas espectrais das estrelas na página 26, incentive os estudantes a refletir sobre como é conduzida essa investigação. Proponha que eles investiguem como a luz das estrelas interage com os gases em suas camadas externas e como isso resulta nas linhas espectrais. Para essa análise, a turma pode utilizar espectroscópios simples feitos de materiais acessíveis, como CDs, caixas de papelão e fontes de luz específicas. Essa atividade pode ser enriquecida em um projeto com o professor do componente curricular de Química, contribuindo, além da espectroscopia, para o cálculo da composição química de uma estrela usando gráficos das linhas espectrais.

Atividade extra Se achar conveniente, trabalhe o esquema do ciclo de vida do Sol, como apresentado anteriormente, referente à página 26, aplicando a estratégia de metodologia ativa Jigsaw, descrita a seguir. 1. Organize a turma em quatro grupos de base. Divida o conteúdo em quatro partes, de acordo com as etapas do esquema. Entregue uma parte do conteúdo ou texto a cada estudante e reserve um tempo para que a leiam e pesquisem o assunto. É importante que eles tenham acesso somente à parte que lhes foi atribuída.

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2. Reconfigure os grupos, formando os novos grupos de especialistas, ou seja, reúna os estudantes responsáveis por cada parte do conteúdo. Eles devem trocar ideias sobre o que compreenderam do fragmento que ficou sob sua responsabilidade. 3. Solicite aos estudantes que voltem ao grupo de base e expliquem aos colegas as partes discutidas nos grupos de especialistas. Durante a dinâmica, caminhe entre os grupos e, caso algum estudante tenha dificuldade para se comunicar com a equipe, auxilie-o. Sugira aos estudantes que troquem ideias em duplas para responder à questão 2 da página 27 e que exponham suas ideias às outras duplas.

Incentive-os a apresentar o que perceberam aos colegas, promovendo uma discussão sobre o assunto. Caso julgue necessário, indique ou leia com eles trechos do livro a seguir, que apresenta diferentes versões da origem do Universo: BIRZNEK, F. C. A evolução das teorias cosmológicas: da visão do Universo dos povos antigos até a teoria do Big Bang. Curitiba: UFPR, 2015. Disponível em: http://fisica.ufpr.br/grad/Monografia_Fernando_Carvalho_ Birznek.pdf. Acesso em: 27 set. 2024. Por fim, peça a cada grupo que apresente o desenho e a mitologia investigada aos outros grupos da turma.

Aproveite o momento para promover uma discussão sobre a importância da luz solar para a vida na Terra. Espera-se que eles respondam que a luz do Sol é essencial para as plantas realizarem a fotossíntese, inserindo energia nas cadeias alimentares. Além disso, a luz solar mantém a temperatura do planeta adequada à vida. O objetivo da questão é verificar se a turma relaciona a luz visível emitida pelo Sol à radiação gerada.

Conexões com ... - páginas 32 e 33

Formação dos buracos negros e supernovas - página 29 Após ler a manchete na página 29, pergunte aos estudantes o que eles sabem de buracos negros. O objetivo dessa questão é uma análise prévia do conhecimento deles sobre esse assunto. Ao trabalhar a fotografia do buraco negro na página 29, explique à turma que não é possível fotografá-lo diretamente. Para produzir uma fotografia, é necessário que a luz refletida pelo objeto fotografado incida sobre a câmera fotográfica. No caso dos buracos negros, sua gravidade é tão intensa que nem mesmo a luz que entra em uma região muito próxima dele consegue escapar. Assim, a fotografia apresentada na página é, provavelmente, algum corpo massivo sendo absorvido pelo buraco negro, girando tão rápido que emite a luz captada pela câmera. Explique que os buracos negros absorvem os corpos apenas quando estes ultrapassam determinado limite, denominado horizonte de eventos. Quanto mais massivo é o buraco negro, maior é seu horizonte de eventos. Caso algum objeto ultrapasse o limite e entre nessa região, para um observador, do lado de fora, a imagem do objeto movimenta-se cada vez mais devagar, até paralisar. Isso acontece porque um buraco negro não absorve apenas a luz ou a massa, mas também o tempo.

BNCC em contexto A questão 3 da página 30 possibilita aos estudantes elaborar explicações e reconhecer o Sistema Solar como um sistema planetário composto de outros astros que orbitam uma estrela por meio de interações gravitacionais, contribuindo para desenvolver a habilidade EM13CNT204.

Atividade extra Peça aos grupos que escolham uma cultura e façam uma pesquisa sobre mitos que expliquem a formação e a evolução estelar de acordo com ela. É importante que eles comparem essas explicações com os modelos atuais que explicam esse tema. Em uma folha de cartolina branca, peça a eles que representem a mitologia estudada por meio de um desenho. Sugira algumas mitologias que eles podem pesquisar, como a nórdica, babilônica, indiana, egípcia, grega, indígena, entre outras.

Objetivos • Identificar e descrever diferentes explicações culturais sobre a origem do Universo. • Compreender a importância de mitos e lendas para as sociedades que os criaram. Orientações Converse com os professores dos componentes curriculares de Sociologia e Filosofia a fim de desenvolverem uma aula conjunta, de modo a trabalhar a definição de mito e a importância dele na organização de diferentes povos. Inicie a atividade discutindo com os estudantes como diferentes culturas têm as próprias explicações sobre a origem do Universo. Destaque a importância dos mitos como uma forma de refletir sobre o mundo e sobre a nossa existência. Discuta como esses mitos representam as estruturas sociais e as identidades coletivas dos povos que os criaram. É importante enfatizar a necessidade de interpretar os mitos por meio de cada contexto cultural. É fundamental proporcionar um momento de reflexão e diálogo com os estudantes, de modo que eles compreendam que, apesar de serem construídos de maneira diferente do conhecimento científico, os mitos não devem ser vistos como inferiores ou opostos à Ciência moderna, e sim como formas de explicar fenômenos ligados à história e à identidade cultural de um povo, e que devem ser respeitados. Esses temas permitem a abordagem dos temas contemporâneos transversais Diversidade cultural e Educação para valorização do multiculturalismo nas matrizes históricas culturais brasileiras. Se julgar conveniente, apresente aos estudantes o texto a seguir, que define o mito e sua relevância para a existência do ser humano. Essa abordagem contribui para trabalhar a Competência geral 1. Há milênios, muito antes de esse corpo de conhecimento que hoje chamamos de ciência existir, a relação dos seres humanos com o mundo era bem diferente. [...] [...] Uma vez que nos perguntamos sobre a origem do Universo, encontrar uma resposta se torna muito tentador. O caminho que cada indivíduo escolhe depende, sem dúvida, de quem está fazendo a pergunta. Uma pessoa religiosa vai procurar respostas dentro do contexto de alguma religião, que poderá ser tanto uma religião organizada como uma versão mais pessoal. O ateu tentará, talvez, achar uma resposta dentro de um contexto científico. Religiosas ou não, certamente a maioria das pessoas terá alguma resposta. O veículo encontrado por várias culturas foi o mito. Mitos são

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histórias que procuram viabilizar ou reafirmar sistemas de valores, que não só dão sentido à nossa existência como também servem de instrumento no estudo de uma determinada cultura. [...] GLEISER, Marcelo. A dança do Universo: dos mitos de criação ao Big Bang. 6ª reimpressão. São Paulo: Companhia das Letras, 2006. p. 16-21.

Respostas - Páginas 34 e 35 1. c ) O Universo não é estático, pois está em constante expansão, e as galáxias distantes estão se afastando umas das outras, sugerindo que em algum período elas deveriam estar mais próximas. 8. a ) A diferença de massa entre elas é dada por: Δm = 4 · mH − mHe = 4 · 1 ,67 · 1 0 −27− 6,65 · 10 −27⇒ −29 Δm = 3 · 1 ⇒ 0 ∴ Δm = 3 · 10 −29 kg b ) A energia de cada fusão é dada por: E = Δm · c 2= 3 · 10 −29(3 · 10 8) ⇒ ⇒E= 27 · 10 −13∴ ⇒ E = 2,7 · 10 −12 J 2

Assim, a energia total, por segundo, é: Etotal = 2 ,7 · 10 −12· 1,5 · 10 38∴ Etotal ≃ 4 · 10 26 J Então, a potência gerada no núcleo do Sol, por segundo, é: E 4 · 10 26 P = _= _ ∴ P = 4 · 1 0 26 J 1 Δt 9. a ) Resposta pessoal. O objetivo dessa atividade é levar os estudantes a perceber que existem diversas explicações para um mesmo fenômeno e que muitas delas estão relacionadas à cultura dos povos. Ao trabalhar a questão, verifique se os estudantes não estão utilizando argumentos preconceituosos e pejorativos para embasar seus respectivos pontos de vista. Enfatize que uma argumentação válida não se apoia em comentários e justificativas ofensivas e que podem desmerecer e inferiorizar as hipóteses de formação da Lua de diferentes povos. b ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é desenvolver a argumentação, incentivando os estudantes a elencar e apresentar os principais argumentos que sustentam uma ideia. c ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é desenvolver a oralidade e a divulgação de informações. Organize os estudantes em roda para que discutam as ideias propostas pelos grupos.

Capítulo 3 - Os astros no Universo - páginas 36 a 46 Objetivos do capítulo • Identificar a diferença entre movimento de rotação e revolução da Terra. • Demonstrar como a rotação da Terra causa o ciclo de dia e noite. • Explorar como o conceito de referencial é essencial para definir movimento e repouso. • Descrever o conceito de movimento retilíneo uniforme (MRU) e suas características.

• Definir o conceito de velocidade média e rapidez média e sua aplicação em movimentos cotidianos. • Reconhecer o movimento dos planetas em torno do Sol e a relação com as leis de Kepler. • Identificar as três leis de Kepler para o movimento dos planetas.

Páginas 36 a 40 BNCC em contexto A abordagem da página 36 contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2 e da Competência geral 2, pois possibilita interpretar e compreender a dinâmica dos astros e do planeta Terra de acordo com o modelo heliocêntrico. A leitura e interpretação da tirinha apresentada na página 37 contempla a Competência geral 3, promovendo a fruição e a valorização de manifestações artísticas e culturais. Além disso, os conteúdos apresentados nas páginas 36 a 40 contribuem para o desenvolvimento das habilidades EM13CNT101 e EM13CNT204. Ao trabalhar os movimentos da Terra, aproveite para comentar que diversos estudos científicos evidenciam o formato esférico da Terra. Há mais de 2 mil anos, o filósofo grego Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) escreveu que, de acordo com a observação das estrelas, ficava evidente que a Terra era circular e não muito grande, pois uma pequena mudança na posição de observação apresentaria uma grande alteração no horizonte. Entretanto, caso a Terra fosse plana, as mesmas estrelas seriam observadas de qualquer ponto e a qualquer momento.

Integrando o conhecimento O estudo dos movimentos de rotação e revolução da Terra na página 36 promove uma integração com o componente curricular de Geografia ao discutir como esses movimentos causam o ciclo dia-noite e as estações do ano. Sendo assim, é possível desenvolver uma aula ou um projeto com o professor desse componente curricular, a fim de estudar como diferentes regiões da Terra experienciam as estações do ano de maneira distinta por causa da inclinação do eixo terrestre e de sua posição em relação ao Sol. Ao abordar o conceito de movimento e de repouso na página 37, pergunte aos estudantes como é possível identificar se um corpo está em movimento ou em repouso. O intuito é promover um debate acerca das respostas e ideias propostas por eles. Verifique se eles compreendem que é necessário observar se o corpo muda de posição no decorrer do tempo ao compará-lo com um referencial. Explique aos estudantes que o movimento é definido como a variação da posição de determinado objeto em relação a um dado referencial com o decorrer do tempo. A trajetória, por sua vez, é o lugar geométrico que contém o conjunto de todas as posições ocupadas por certo movimento, sendo classificada como retilínea ou curvilínea. Por fim, explique a eles que a trajetória do movimento de um mesmo objeto é diferente para referenciais distintos. O texto a seguir explica a observação das trajetórias com base em diferentes referenciais, segundo o cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642).

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[…] Galileu utilizou o princípio da relatividade dos movimentos, ou princípio da independência dos movimentos, para demonstrar a trajetória parabólica dos projéteis. Consideremos o seguinte exemplo: um projétil lançado a partir do solo com um certo ângulo de lançamento pode ter seu movimento decomposto em dois movimentos independentes: um horizontal e outro vertical. No lançamento de um projétil verticalmente para cima, sobre uma plataforma em movimento retilíneo e uniforme, um observador que esteja sobre a plataforma em movimento verá a trajetória do projétil como retilínea de ida e volta. Quanto a um observador que esteja parado no solo, onde a plataforma está em movimento, visualizará a trajetória do projétil como parabólica. Assim, cada observador terá uma visão diferente do movimento. Com isso, Galileu conseguiu resolver o paradoxo de Zenão, mostrando que a trajetória e velocidades são dependentes do referencial de onde se observa o movimento. […] WOLFF, Jeferson de Souza; MORS, Paulo Machado. Relatividade: a passagem do enfoque galileano para a visão de Einstein. In: Textos de Apoio ao Professor de Física. Porto Alegre: v. 16, n. 5, 2005. p. 12.

Em vez de dividir a análise dos conceitos de deslocamento, velocidade e aceleração em situações consideradas vetores e em situações consideradas escalares, essa obra se refere a esses conceitos com um nome único (deslocamento, velocidade e aceleração). Em casos específicos, como no movimento unidimensional, cuja representação vetorial pode ser abandonada, trabalhando-se com um valor numérico para o módulo do vetor e o sinal positivo ou negativo para definir o sentido do vetor, a direção dele é dada pela direção da trajetória definida. Aproveite o momento para classificar o movimento de determinado objeto em relação ao sinal (positivo ou negativo) do deslocamento e, consequentemente, da velocidade. Explique aos estudantes que: se Δs > 0 ⇒ v > 0, tem-se o movimento para o mesmo sentido da orientação adotada, portanto o movimento é denominado progressivo. se Δs < 0 ⇒ v < 0, tem-se o movimento para o sentido oposto da orientação adotada, portanto o movimento é denominado retrógrado. Explique ainda que a notação vetorial pode ser aplicada apenas para determinadas grandezas, denominadas grandezas vetoriais, como deslocamento, velocidade, aceleração e força. Já grandezas que não podem ser representadas por um vetor são denominadas grandezas escalares, como massa, energia e temperatura. Essas grandezas são completamente definidas com o valor numérico, acompanhado de sua unidade de medida. Na página 39, comente que muitos livros trazem a definição de velocidade escalar e velocidade escalar média. No entanto, não utilizaremos essas definições para evitar misturar conceitos, isto é, os vetoriais com os escalares. Assim, considera-se a velocidade escalar média como a rapidez desenvolvida por um corpo em que o deslocamento (com direção e sentido) é substituído pela distância percorrida (d) em determinado intervalo de tempo, ou seja: distância percorrida       rapidez = _________________ tempo Comente que em alguns automóveis há um computador de bordo. Nesse caso, por exemplo, a rapidez média proporciona a autonomia, fornecendo a distância possível a ser percorrida com base na quantidade de combustível no tanque.

A manipulação dos valores expressos com sinais positivo ou negativo, representando os módulos dos vetores, e os sentidos são condições de contorno relacionadas ao tipo de movimento que se está trabalhando. Ou seja, no movimento retilíneo uniforme, pode-se abandonar a notação vetorial, pois a velocidade média é igual à rapidez do movimento. Por Δs _ . isso, podemos escrever vm = Δt Apresente aos estudantes outras unidades de medida de velocidade comumente utilizadas no cotidiano, como milhas por hora ( mi/h) , indicada no velocímetro dos carros ingleses e estadunidenses, por exemplo, sendo 1 quilômetro = 1,6 milha, 1 ,6 mi / h. Para medir a velocidade maneira que 1 km / h = de dos barcos, normalmente aplica-se a medida nó, em que 1 nó = 1,150 mi / h = 1,852 km / h.

Acompanhando a aprendizagem Ao final da abordagem da página 39, peça aos estudantes que diferenciem distância e deslocamento. Se for necessário, retome com eles esse assunto para averiguar sua aprendizagem acerca das características do movimento.

Páginas 42 a 45 As atividades resolvidas da página 40 possibilitam classificar o movimento de um móvel em relação à sua aceleração. Enfatize que, nos movimentos retilíneos, o movimento acelerado se dá quando os vetores aceleração e velocidade apresentam o mesmo sentido, ou seja, módulos de mesmo sinal. Já o movimento retardado ocorre quando os vetores aceleração e velocidade têm sentidos opostos, isto é, sinais diferentes. Na página 42, ao abordar as leis de Kepler e seu modelo heliocêntrico, cujos planetas executam órbitas elípticas, ressalte que há relatos de estudiosos que propuseram uma explicação idêntica às apresentadas por Kepler muito tempo antes dele. Um desses relatos está relacionado à matemática e filósofa egípcia Hipátia (370-415), que viveu em Alexandria, no Egito, e que obteve sucesso na sociedade da época. Para mais informações, acesse o site Biografias de Mulheres Africanas. Disponível em: https://www.ufrgs.br/africanas/hipatia-c-355-415/. Acesso em: 4 nov. 2024. Aproveite o momento para propor aos estudantes uma pesquisa sobre mulheres que, apesar de toda opressão do machismo na comunidade científica, conseguiram ser mencionadas na construção da Ciência, como a física polonesa Marie Curie (1867-1934), com seus estudos sobre a radioatividade, e a matemática alemã Emmy Noether (1882-1935), com seus teoremas sobre simetrias e as leis da natureza, que são considerados base estruturante de toda a Física.

Integrando o conhecimento Ao abordar as leis de Kepler na página 42, é possível trabalhar com o professor do componente curricular de História, explorando as mudanças na concepção acerca do Universo ao longo do tempo, desde as concepções geocêntricas até o modelo heliocêntrico, e analisar como essas mudanças influenciaram a sociedade e o pensamento científico. Também nas leis de Kepler, em um trabalho integrado com o professor do componente curricular de Matemática, é viável propor a resolução de problemas matemáticos que envolvam as leis do movimento planetário e o cálculo das órbitas, aplicando conceitos de geometria e trigonometria.

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Prática científica - página 43 Objetivos • Identificar a forma de uma elipse e seus elementos principais. • Investigar a variação da distância entre dois pontos fixos (focos) ao longo de uma elipse. • Entender as órbitas elípticas dos planetas. Orientações Antes de iniciar a atividade, revise os conceitos básicos de elipse, focos e eixos maior e menor. Explique brevemente como esses conceitos se aplicam às órbitas dos planetas ao redor do Sol, destacando a primeira lei de Kepler. Mostre exemplos reais de órbitas planetárias. Certifique-se de que todos os materiais estejam disponíveis para os estudantes e prepare um espaço adequado na sala de aula para que os grupos manipulem a cartolina e tracem as elipses. Caminhe entre os grupos para verificar o progresso e tirar as dúvidas. Certifique-se de que os alfinetes sejam posicionados corretamente e que o barbante esteja amarrado adequadamente a fim de formar uma elipse. Oriente os estudantes a manter o barbante levemente esticado enquanto desenham a elipse. Isso garante que a soma das distâncias do lápis aos dois focos permaneça constante, resultando em uma forma elíptica precisa. Ao trabalhar a segunda lei de Kepler, na página 44, explique aos estudantes que as pesquisas do físico inglês William Gilbert (1540-1603) sobre as forças magnéticas tiveram grande influência nos estudos de Kepler, postulando que a atração entre o Sol e os planetas seria similar à interação entre ímãs. Essas experiências se tornaram a segunda lei de Kepler (lei das áreas). Na página 44, comente que as órbitas elípticas dos planetas estão representadas com proporções exageradas. A órbita da Terra, por exemplo, apresenta diferença de cerca de 3% entre a posição mais próxima do Sol e a posição mais afastada dele, de modo que a órbita da Terra é considerada quase circular. Porém, os cometas têm órbitas com alta excentricidade, com elipses alongadas (grande diferença entre os eixos maior e menor).

Respostas - Página 41

Keithy Mostachi/Arquivo da editora

1. A distância percorrida pode ser obtida pela soma do comprimento dos vetores mostrados na figura: Imagem sem proporção e em cores fantasia.

1 600 km

1 200 km

2. 01) Incorreta. O sistema formado pelos dois radares usa a posição em dois intervalos de tempo, fornecendo a velocidade média do automóvel. 04) Incorreta. Com os dados fornecidos pelo enunciado, não é possível determinar a aceleração do automóvel, logo não é possível classificar o movimento como acelerado ou retardado. 08) Incorreta. Na posição igual a 0, o radar deve estar “zerado”, ou seja, deve marcar t = 0. 16) Incorreta. O módulo da velocidade média é dado por v = 10 m/s. 32) Correta. Conforme o cálculo realizado na proposição anterior. 3. Primeiro deve-se converter a velocidade de km / h para m / s: vinicial = 270 km / h = 7 5 m / s 7 2 km / h = 2 0 m / s vfinal = A aceleração do carro de corrida pode ser calculada por: 20 − 75 ∆v _   ⇒ am = _ ∴ am = − 11 m / s² am = 5 − 0 ∆t O sinal negativo na aceleração indica que o movimento é retardado.

Respostas - Página 46

1. b ) Aplicando a terceira lei de Kepler, temos: T2T _ T2N ___________ T2T T2N _ 3 = 3 ⇒ = ___________ ⇒ 3 RT RN 1,5 · 10 8 4,5 · 10 9 3

(

)

(

)

T 2N 91,125 · 10 27 ⇒ ⇒_ 2 = _______________ T 3,375 · 10 24 _ T

_ √ T2N TN _ = √ 27 · 10 3 ⇒ _ ≃ 1 64,3 ⇒ _ TT √ T2T 3. a ) Como os arcos da figura correspondem a 1 mês, sendo o período de órbita da Terra igual a 1 ano, o que equivale a 12 meses, e como a área total da elipse é igual a 7 · 1 022m2, podemos calcular a área correspondente a 1 mês da seguinte maneira:

7 · 10 22m 2 Amês = ___________ ≃ 0 ,58 · 1 0 22m 2 12 Pela segunda lei de Kepler, o raio vetor descreve áreas iguais em intervalos de tempos iguais. Logo, A1 = A 2 = A3. Portanto, a soma das áreas é: 1 + A2 + A 3 = 3 · 0 , 58 · 10 22⇒ AT = A ⇒∴A T = 1,75 · 1 0 22m 2

4. Usando a terceira lei de Kepler, que é válida para qualquer corpo em órbita ao redor do Sol: T2P T2T T2P _ 64 000 1 2 _ 3 = _ 3⇒ 3 = _ 3 ⇒ T 2P= _⇒ 15,625 40 RT RP 2,5 TP = 6 4 anos ⇒ T2P= 4 096 ∴

Representação dos vetores deslocamento do avião.

= 1 600 + 1200 ∴ d = 2 800 km d Já o deslocamento (total) é obtido pela soma vetorial dos vetores deslocamentos realizados e pode ser calculado pelo Teorema de Pitágoras: ___________ 200 2⇒ Δs = √ 4 000 000 ⇒ Δ s 2= 1 600 2+ 1 ⇒ ∴ Δs = 2 000 km

Capítulo 4 - Dinâmica do movimento dos corpos - páginas 47 a 69 Objetivos do capítulo • Descrever as leis de Newton e identificar situações em que elas são aplicadas. • Identificar e calcular a força resultante em situações com múltiplas forças atuando em um objeto. • Diferenciar o conceito de força peso da massa dos corpos.

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BNCC em contexto Nas páginas 47 a 59, a abordagem da Dinâmica por meio das leis de movimento de Newton e sua aplicação às situações do cotidiano contribuem para desenvolver a Competência geral 1 e a habilidade EM13CNT204, pois possibilita aos estudantes empregar os conhecimentos das leis de Newton para entender e explicar a realidade. Em sua obra Principia, publicada em 1687, Newton expressou o quanto o estudo das forças é importante para favorecer uma ampla visão acerca dos fenômenos da natureza. […] ofereço este trabalho como os princípios matemáticos da filosofia, pois toda a essência da filosofia parece constituir nisso – a partir dos fenômenos de movimento, investigar as forças da natureza e, então, dessas forças demonstrar os outros fenômenos […]. NEWTON, Isaac. Principia: princípios matemáticos de filosofia natural: livro I. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2012. p. 14.

Na citação, o cientista inglês Isaac Newton (1643-1727) se refere à Filosofia, pois naquela época áreas como Física, Química e Biologia ainda não estavam consolidadas. Por isso, os estudiosos da natureza eram considerados filósofos naturais. Nos livros I e II são apresentados os princípios básicos dos movimentos. O livro III trata do movimento de planetas, cometas e satélites naturais e do efeito maré. Ao abordar os efeitos da força e sua natureza, na página 48, comente que se trata do conjunto de leis que possibilita a análise e a compreensão dos comportamentos estático e dinâmico dos corpos, de forma simples e dialética. Na página 50, comente que a intuição, algo tão importante em diversos segmentos da vida, muitas vezes pode sugerir imprecisões científicas. É muito comum que os estudantes, ao longo da vida escolar, formulem hipóteses e conceitos espontâneos que podem parecer óbvios, mas depois comprovam que são inadequados. Um desses casos é a ideia de que um corpo só se mantém em movimento sob a ação de forças (essa confusão ocorre porque, geralmente, os estudantes pensam em corpos deslizando sobre superfícies ásperas). Na construção histórica do conceito de força e sua relação com o movimento dos corpos, o filósofo grego Aristóteles formulou uma teoria na qual a força aplicada sobre um objeto era diretamente proporcional à sua velocidade. Além disso, a velocidade era inversamente proporcional à resistência que o meio oferecia ao movimento do corpo. Na página 50, ao discutir a primeira lei de Newton, explique que, embora essa lei tenha sido enunciada e sistematizada por Newton, o primeiro pensador a verificar essa propriedade dos corpos foi o cientista italiano Galileu Galilei. O objetivo de Galileu era analisar uma das teorias de Aristóteles, a de que o movimento dos corpos existe somente mediante uma força. Galileu, contudo, constatou que a tendência dos corpos é manter o estado natural de repouso ou de movimento em linha reta mesmo na ausência de forças.

Comente que a massa representa uma constante de proporcionalidade entre a força e a aceleração adquirida pelo corpo, denominada massa inercial. A massa determinada pela força que atua sobre o corpo em um campo gravitacional, isto é, medido pela força peso sobre o objeto, denomina-se massa gravitacional. No entanto, para os dois efeitos, massa inercial e gravitacional apresentam o mesmo valor. Ao trabalhar a terceira lei de Newton, apresente aos estudantes o vídeo Skate: ação e reação (3ª lei de Newton), do Canal Futura, que mostra a manobra de skate de acordo com a ação e reação de Newton. Disponível em: https://www.you tube.com/watch?v=krRi6AJMXe0. Acesso em: 2 out. 2024. Com esse tipo de abordagem, os estudantes são capazes de analisar situações que envolvam sua cultura, de modo que podem relacioná-las ao conhecimento científico por meio de ferramentas que fazem parte das culturas juvenis. É importante enfatizar que as interações de ação e reação acontecem em corpos distintos, portanto elas nunca se anularão. Explique também que, mesmo que os corpos tenham dimensões e quantidades de massa diferentes, as forças de ação e reação terão a mesma intensidade. Comente que a força de tração, definida na página 57, provém das forças de ligação entre os átomos que constituem a corda, de natureza eletromagnética. Ao puxarmos uma corda, a tendência é afastarmos os elementos dos quais ela é constituída. É importante salientar que as forças normal e de tração não são determinadas por uma função ou equação, como a força peso, e sim pelas condições e situações do sistema analisado.

Integrando o conhecimento A decomposição das forças que agem em um bloco em um plano inclinado, na página 56, favorece um trabalho integrado com o professor do componente curricular de Matemática. É essencial que os estudantes compreendam que a decomposição vetorial é uma operação matemática em que determinado vetor é dividido em dois vetores componentes ortogonais, paralelos aos eixos xe y, respectivamente. A imagem a seguir ilustra a decomposição de um vetor em suas componentes xe y. Aplica-se a trigonometria para obter o módulo dos vetores componentes ortogonais, de modo que: Fx = F · c os θe Fy = F · sen θ em que Fx e Fy são, respectivamente, o módulo das componentes horizontal e vertical. y

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Páginas 47 a 59

→ Representação da decomposição de uma força F em → → seus componentes F x e F y.

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do pela relação de Pitágoras F = √ Fx 2+ Fy 2.

Acompanhando a aprendizagem Após abordar o conteúdo da página 58, organize os estudantes em duplas para debaterem o tema. A fim de instigar e nortear a discussão, faça perguntas como: “Em uma colisão, o que acontece com quem usa o cinto de segurança? E com quem não o utiliza?”; “Por que a pessoa que usa o cinto de segurança não é lançada para a frente?”; “Por que a pessoa que não o utiliza é lançada para a frente?”. Após a discussão, peça-lhes que socializem suas conclusões com todos os colegas.

Atividade extra Se for conveniente, ao trabalhar o efeito da aceleração sobre um corpo sujeito à determinada força resultante, proponha uma disputa de Cabo de guerra. Para isso, utilize 0 mde comprimento que seja resistente o uma corda de 1 bastante para não se romper. 1. Amarre uma fita no meio do comprimento da corda. 2. Em relação a essa fita, use um giz para marcar a posição referente a 2 m à direita e a posição referente a 2 m à esquerda. 3. Organize a turma em dois grupos. Cada grupo deverá puxar uma extremidade da corda. 4. O grupo vencedor é o que conseguir fazer a fita ultrapassar a respectiva marcação. Com essa dinâmica, explique aos estudantes que a corda se movimenta para o lado que a puxou com força de maior intensidade, isto é, a força resultante sobre a corda atua no mesmo sentido da variação de movimento sofrida por ela. Explique que, caso os dois grupos puxassem a corda com a mesma intensidade, a força resultante seria nula e a corda não entraria em movimento, ou seja, ficaria em repouso, exemplificando, portanto, a primeira lei de Newton.

Ligado no tema - páginas 58 e 59 Objetivos • Compreender a importância dos dispositivos de segurança. • Explicar de que forma conceitos físicos, como a inércia, são aplicados na segurança veicular. Orientações Inicie com um debate com os estudantes sobre a importância da segurança no trânsito. Para isso, eles devem considerar os dados fornecidos no texto sobre a mortalidade causada por acidentes de trânsito no Brasil. Também é possível iniciar perguntando se eles usam cinto de segurança e por quais motivos fazem isso. Questione-os a respeito da relação entre a primeira lei de Newton e os equipamentos de segurança dos carros. Incentive-os a responder às questões de reflexão. Para finalizar a atividade, solicite aos estudantes que elaborem campanhas de conscientização sobre segurança no trânsito, que podem ser apresentadas depois para a escola ou para a comunidade.

BNCC em contexto Abordar a aplicabilidade dos conceitos físicos estudados por meio das leis de Newton para o desenvolvimento de equipamentos de segurança, visando à resolução de problemas relacionados à vida, contempla a Competência geral 2 e o tema contemporâneo transversal Educação para o trânsito além de contribuir para desenvolver a habilidade EM13CNT306. A questão b da página 59 incentiva os estudantes a agir coletivamente a fim de tomar decisões com base em princípios éticos e solidários, contribuindo para desenvolver a Competência geral 10.

Resposta c ) Resposta pessoal. Essa questão incentiva os estudantes a expor seus conhecimentos prévios. Eles podem comentar que o uso da cadeirinha no Brasil passou a ser obrigatório em 2008. De acordo com os números oficiais apresentados pelo Conselho Federal de Medicina (CFM) e pela Associação Brasileira de Medicina de Tráfego (Abramet), a quantidade de crianças hospitalizadas em estado grave após se envolverem em acidentes veiculares caiu 33% nos últimos oito anos, ao passo que a quantidade de óbitos teve uma queda de quase 20%. A cadeirinha mantém a criança no assento traseiro do veículo, evitando que seu corpo seja ejetado para a frente. A atividade 8 da página 69 permite o trabalho integrado com os componentes curriculares de Geografia e Biologia. Os professores desses componentes podem comentar com os estudantes a importância do monitoramento via satélite para a preservação do ambiente.

Respostas - Páginas 60 e 61 4. a ) Espera-se que os estudantes produzam um esquema como o mostrado a seguir.

Fgf Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

De acordo com a regra do paralelogramo para a soma vetorial, nota-se que o vetor é a resultante da soma dos ve→ → → tores componentes, isto é, F = F x + F y, cujo módulo é obti-

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Far FP Ffg

Representação das forças que atuam no foguete.

6. F = m · a ⇒ 18 = a · 0,450 ∴ a = 40 m / s2 → 9. Primeiramente, é preciso saber a intensidade da força F . Para isso, pode-se aplicar a segunda lei de Newton. 0 000 · 5 ∴ F = 1 00 000 N F = mlotado · alotado ⇒ F = 2 Como a mesma intensidade de força é aplicada no ônibus vazio, tem-se: F = mvazio · avazio ⇒ 100 000 = 1 6 000 · avazio ⇒ ⇒ ∴ avazio = 6,25 m / s 2

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Eduardo Carriça/Arquivo da editora

10. Nessa situação, na caixa agem as seguintes forças:

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

9. 02) Falsa. Os satélites se mantêm em órbita em razão da força gravitacional que atua sobre eles. 16) Falsa. Os satélites artificiais obedecem às leis de Kepler. 11. Aplicando a lei da gravitação universal, temos que a gravidade do planeta descoberto é dada por: G · 5 · M _ 5 · G · M _ 5 5 gp = _ = = · g = _ · 9 ,8 = 1 2,25 ⇒ 2 2 4 4 T (2 · RT) 4 · R

Representação das forças que atuam sobre a caixa.

Logo, tem-se: FP = FN + FT ⇒ 70 000 = FN + 10 000 ∴ FN = 60 000 N

Respostas - Páginas 68 e 69 1. A intensidade da força gravitacional Fé dada por: G · M · m F = _ d 2 Caso a distância entre eles fosse dobrada e a massa dos corpos fosse diminuída para a metade: M m M · m G · _ · _ G · _ G · M · m 2 2 4 _ _ F’= ⇒ F ’= ⇒ F’= _ ⇒ 2 2 4 · d 16 · d 2 (2 · d) 1 G · M · m F ⇒ F’= _ · _ ⇒ F’= _ 2 16 16 d

5. A aceleração da gravidade na altura da peça é dada por: G · M G · M G · M ⇒ gp = _ ⇒ gp = _ ⇒ gp = _ 2 2 25 · R 2 (R + h) (R + 4 · R) 9,8 ⇒ gp = _ ⇒ gp ≃ 0,4 ∴ gp = 0,4 m/ s 2 25 Então, a força peso atuando sobre a peça é dada por: FP = m · gp = 25 · 0,4 ∴ FP = 10 N 7. Espera-se que os estudantes façam um esquema como o mostrado a seguir.

Keithy Mostachi/Arquivo da editora

órbita

√

2,35 · 10 40 5 · 10 30· v 2 1,5 · 10 = _ ⇒ v = _ ⇒ 20 1,57 · 10 5 · 1 0 30 20

v = 6,86 · 1 0 4 m/s ⇒ v = 0,686 = · 10 5∴

Capítulo 5 - Movimentos na Terra - páginas 70 a 83 Objetivos do capítulo • Descrever o movimento de queda livre e as condições em que ele ocorre. • Comparar as interpretações históricas do movimento de queda livre do filósofo grego Aristóteles e do cientista italiano Galileu Galilei. • Aplicar as equações do movimento uniformemente variado (MUV) para descrever o movimento de queda livre. • Identificar os componentes horizontal e vertical do movimento oblíquo.

Páginas 70 a 81 BNCC em contexto

satélite Terra

⇒∴g p = 12,25 m/ s 2 12. A intensidade da força gravitacional é igual à da força centrípeta, logo: m · v 2 FG = Fcp ⇒ FG = _ R A intensidade da força gravitacional, a uma distância de 1,57 · 1 0 20 m do centro da massa da estrela, pode ser obtida pela leitura do gráfico, sendo igual a 1,5 · 10 20 N. Substituindo na expressão anterior:

Representação da força sobre um satélite em órbita em torno da Terra.

8. A intensidade da aceleração gravitacional pode ser calculada por: −11 24 ( 6,67 · 10 )· ( 5,97 · 10 ) G · M ______________________ g = _ ⇒ g =       ⇒ 2 ( RT + h) 2 (6,4 · 10 6+ 0 ,75 · 10 6)

39,82 · 10 13 ∴ g ≃ 7,8 m/s 2 ⇒ g = _ 5,11 · 10 13

A abordagem das páginas 70 a 81 fornece subsídios para que os estudantes elaborem explicações e previsões sobre os movimentos de objetos na Terra, no Sistema Solar e no Universo com base na análise das interações gravitacionais, o que contribui para desenvolver a habilidade EM13CNT204 e a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2. Além disso, o trabalho com essas páginas desenvolve a Competência geral 2, pois possibilita à turma exercitar a curiosidade intelectual e recorrer à abordagem da Ciência. • Descrever a trajetória de um projétil em movimento oblíquo. Ao abordar os experimentos de Galileu na página 71, ressalte que não há consenso entre os historiadores com relação a eles. Contudo, o mérito de suas conclusões está, justamente, em dar visibilidade a antigas discussões teóricas por meio de exemplos impactantes e concretos. Desse modo, a compreensão de que o movimento de queda pode ser estudado por meio da análise do movimento em planos inclinados consistiu em um

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grande avanço tanto para o estudo de movimentos acelerados quanto para a compreensão da gravitação universal.

Compartilhe ideias – página 71 Retome o método científico, lembrando-os das etapas do processo, como formulação de hipóteses, testes, observação e conclusão, para auxiliá-los na análise investigativa. Oriente-os durante a atividade de investigação, incentivando a troca de ideias e a identificação dos pontos fundamentais para a solução do problema. Esse boxe promove a empatia, a troca de ideias e o respeito às opiniões dos colegas, desenvolvendo, assim, a Competência geral 9. Além disso, proporciona uma oportunidade para explorar o pensamento computacional dos estudantes. Esse pensamento inclui a decomposição do problema em partes menores, o reconhecimento de padrões, a análise dos dados e a solução do problema utilizando os elementos obtidos nos processos anteriores.

Resposta a ) Os estudantes podem concluir que a folha aberta tem mais área de contato com o ar, sofrendo também mais influência da força de resistência do ar. Os corpos, quando se movem pelo ar, experimentam uma resistência ao movimento, reduzindo sua velocidade, o que chamamos de resistência do ar, oposta ao movimento dos corpos. Essa força depende da área frontal do objeto em queda, ou seja, a quantidade de ar que o objeto retira de seu caminho quando cai e da velocidade de queda do objeto em relação ao meio (quanto maior a velocidade, maior a força total em razão do impacto com as moléculas que compõem o meio). O conceito de aceleração apresentado na página 72 deve ser trabalhado com cuidado, por causa do grau de abstração dessa grandeza. Recomendamos que, antes de abordar a aceleração, sejam trabalhados exemplos de movimentos variados, comuns no cotidiano dos estudantes. Peça a eles que citem movimentos que acreditam ser variados e proporcione um tempo para todos se expressarem.

BNCC em contexto O conteúdo dessas páginas contempla a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2 e a habilidade EM13CNT204 ao trabalhar explicações e previsões a respeito dos movimentos de objetos na Terra, com base na análise das interações gravitacionais, motivando os estudantes a recorrer à abordagem científica para realizar essa análise. Incentive os estudantes a trocar experiências ao responderem à questão 2 da página 75. Aproveite para ressaltar a simetria entre o movimento ascendente e o descendente quando não há resistência ao movimento. Se julgar conveniente, é possível reutilizar os resultados dos planos inclinados de Galileu, discutidos anteriormente, para retomar a influência de forças que podem se opor ao movimento dos corpos. Ao abordar os conceitos de lançamento horizontal e oblíquo, explore com os estudantes as componentes dos movimentos que ocorrem em mais de uma direção. Comente que, mesmo decompondo o movimento em componentes x e y, como apresentado na página 77, o móvel descreve apenas um

movimento, determinado pela soma de todas as componentes. Essa decomposição é um artifício de cálculo que auxilia a tratar o caso real, não impedindo de vermos o movimento completo.

BNCC em contexto O conteúdo dessa página contribui para o desenvolvimento da Competência geral 2, pois incentiva os estudantes a recorrer à abordagem própria das Ciências, incluindo a investigação, a reflexão e a análise crítica para investigar causas e elaborar hipóteses. Além disso, contempla a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2 e a habilidade EM13CNT204 ao trabalhar explicações e previsões a respeito dos movimentos de objetos na Terra com base na análise das interações gravitacionais. Ao trabalhar as representações gráficas da página 78, comente com os estudantes que o gráfico x y é um referencial independente do tempo, por isso a trajetória é traçada de forma completa (do começo ao fim do movimento). Mas, em todos os casos, é sempre possível fazer gráficos que representem a evolução temporal de cada uma das coordenadas, traçando gráficos das respectivas funções horárias. Enfatize que a diferença entre lançamento vertical, lançamento horizontal e lançamento oblíquo é a direção da velocidade inicial. No gráfico xy, a direção da velocidade é definida pelo aumento ou diminuição do ângulo θ. Quanto maior for essa inclinação, maior será a componente y em comparação à x , configurando um lançamento que tende a ser vertical. Se o valor de θfor pequeno, o lançamento tenderá a ser horizontal.

Integrando o conhecimento A abordagem histórica das diferentes visões sobre o movimento de queda dos corpos possibilita trabalhar com professores da área de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas, permitindo conhecer diferentes pensamentos científicos e sua importância para a construção da aprendizagem. Assim, os professores de ambas as áreas de conhecimento exploram as concepções científicas de maneira histórica e epistemológica, desenvolvimento, assim, a Competência específica de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas 1 e a Competência geral 1, pois valoriza os conhecimentos historicamente construídos. Se for interessante, proponha ao professor do componente curricular de História uma atividade de pesquisa para que os estudantes compreendam mais detalhadamente o que fundamentava ambas as visões. Vocês podem organizá-los em dois grupos, assim cada um deve pesquisar um pensamento. Depois, um grupo apresenta as informações obtidas para o outro. Os estudantes podem apresentá-las com auxílio de recursos digitais, produzindo, eles mesmos, um documentário. Para isso, é possível gravar um vídeo, elaborar um podcast, entre outras possibilidades, o que desenvolve a Competência geral 4 ao compreender, manipular e criar tecnologias digitais de informação nas práticas escolares. Nesse tipo de abordagem, eles utilizam ferramentas que fazem parte das culturas juvenis para divulgar conhecimentos científicos.

Prática científica - página 79 Objetivos • Entender o conceito de queda livre e o lançamento horizontal. • Identificar fatores que influenciam o movimento de queda.

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Orientações Essa é uma atividade com materiais simples, mas com grande potencial para que os estudantes verifiquem a diferença entre queda livre e lançamento horizontal. É possível aproveitar a atividade prática para explicar que a velocidade é uma grandeza vetorial, a qual tem direção, sentido e módulo. Também é possível abordar o lançamento horizontal, decompondo o vetor velocidade, e demonstrar, teoricamente, que, mesmo que a régua tenha dado velocidade horizontal para uma das moedas, o tempo de queda das duas é o mesmo. Assim, conclui-se que, embora dois corpos descrevam trajetórias diferentes, eles chegam juntos ao solo em razão da mesma aceleração, a qual nesse caso é a gravitacional. Além disso, nessa prática é possível calcular a aceleração da gravidade, medindo a altura da mesa, o alcance e o tempo de queda. Incentive os estudantes a responder à questão do texto da contextualização, de modo que fique claro que devem elaborar hipóteses sobre a queda dos corpos.

Conexões com... - páginas 80 e 81 Objetivos • Entender a problemática do lixo espacial e sua interferência no cotidiano. • Explorar soluções para diminuir o lixo espacial. Orientações Inicie a aula apresentando a manchete “Lixo espacial é problema crescente com soluções difíceis” e discuta brevemente com os estudantes sobre o que eles entendem por lixo espacial. Mostre algumas ilustrações que representem a superfície terrestre, os foguetes, os satélites e os detritos espaciais, a fim de visualizarem o problema. Se possível, acesse com eles a plataforma Leolabs, que mostra em tempo real todos os satélites em volta da Terra, disponível em: https:// platform.leolabs.space/visualization. Acesso em: 29 set. 2024. Proponha uma discussão em sala de aula sobre as razões do acúmulo de lixo espacial e os impactos potenciais em satélites operacionais e na Estação Espacial Internacional (EEI).

Respostas - Páginas 82 e 83 1. I ) Incorreta. A altura máxima só depende da velocidade inicial. Como as velocidades iniciais e a altura inicial são iguais, a altura máxima também será a mesma. II ) Correta. III ) Incorreta. No ponto mais alto da trajetória, a velocidade das esferas é nula, porém a aceleração é sempre constante, e não nula (aproximadamente 9,8 m/ s2), durante a trajetória. 2. A velocidade atingida pelo paraquedista em 5 0 sde queda é dada por: a · t = 0 + 9,7 · 50 ∴ v = 485 m/s v = v0 + Transformando a velocidade para km/h: v = 485 · 3,6 ∴ v = 1 746 km/h O valor obtido no cálculo é maior do que o valor real atingido, pois no cálculo se considera um movimento de queda livre sob ação apenas da força da gravidade sem resistência do ar. 3. O tempo de queda pode ser obtido por: g · t 2 10 · t 2 2 · 1 0 ⇒ 10 = _⇒ t 2= _ ⇒ y = _ 2 2 10 ⇒ t ≃ 1,41 ∴ t ≃ 1,41 s A velocidade na queda livre é dada por: v = v0 + g · t ⇒ v = 0 + 10 · 1,41 ⇒ ⇒ v = 14,1 ∴ v = 14,1 m/s

5. a ) Na altura máxima da trajetória, ocorre a inversão no sentido do movimento, e a velocidade se anula. b ) No lançamento vertical, os corpos estão sujeitos à ação da força gravitacional, portanto a aceleração é a da gravidade, a qual permanece constante durante todo o movimento. c ) Durante a descida, o corpo também executa um MRUV, mas este é um MRUV acelerado. d ) Desprezando a resistência do ar, o tempo de subida é igual ao tempo de descida, portanto o objeto retorna à posição inicial no instante que equivale ao dobro do tempo de subida. e ) Como a aceleração é constante e os tempos de subida e descida são iguais, as velocidades em uma mesma posição têm o mesmo módulo, apenas os sentidos de movimento são diferentes. 6. A velocidade de queda, desconsiderando a resistência do ar, é dada por: 2 · 1 0 · 8 28 = √ 16 560 ⇒ v = √ 2 · g · H = √ ⇒ ∴ v = 128,1 m / s Convertendo a velocidade real para m/s: vreal = 94,3 km/h = 26,2 m / s Então, a razão entre as velocidades é: 128,1 _ v v _ = _ ∴ ≃ 4,9 vreal 26,2 vreal _

_____________

7. 01 ) Correta. 02 ) Correta. 04 ) Incorreta. A velocidade vertical com que ambos atingem o solo é a mesma, porém o objeto lançado horizontalmente tem uma componente horizontal de velocidade não nula. Portanto, o módulo da velocidade de ambos ao atingirem o solo é diferente. 08 ) Correta. 16 ) Incorreta. A componente horizontal do objeto lançado horizontalmente executa um movimento uniforme, enquanto sua componente vertical executa um movimento uniformemente variado. 8. O tempo em que a bola de golfe permanece no ar pode ser obtido usando a função horária da velocidade para um MRUV: v  y  = v  0    − g · t ⇒ 0 = 50 · sen 30° − 10 · t  subida  ⇒ 25 ⇒ 0 = 25 − 10 · t  subida  ⇒ t  subida  =   _   ∴ t  subida  = 2,5 s 10 Como o tempo de subida é igual ao tempo de descida, quando desprezada a resistência do ar, tem-se: y

t  total  = t  subida  + t  descida  ⇒ t  total  = 2,5 + 2,5 ∴ t  total  = 5,0 s A distância horizontal percorrida pode ser calculada usando a função horária das posições para um MRU, então: x = x  0  + v  x  · t ⇒ x = 0 + 50 · cos 30° · 5 ⇒ ⇒ x = 50 · 0,87 · 5 ∴ x = 217,5 m 9. a ) A função horária da velocidade é obtida por: a · t ∴ v = 10 · t v = v 0 + Já a função horária para a posição do objeto é dada por: a · t 2 s = s 0 + v0 · t + _ ∴ s = 5 · t 2 2 b ) Para montar a tabela, devemos substituir os valores do tempo nas equações horárias.

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Para t = 0, temos que v = 0e s = 0. Para t = 0,4 s, temos: v = 1 0 · 0,4 ∴ v = 4 m/s s = 5 · t 2= 5 · 0,4 2∴ s = 0,8 m Para t = 0,8 s, temos: v = 10 · 0,8 ∴ v = 8 m/s · t 2= 5 · 0,8 2∴ s = 5 s = 3,2 m

Retome o que estudou - página 83 Respostas 1. A principal inovação no modelo proposto pelo matemático e astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) foi a de substituir o foco do Universo, considerando o Sol como o centro das órbitas planetárias. Além disso, ele revolucionou a Astronomia ao simplificar as órbitas planetárias, mais tarde validadas por Galileu e pelo matemático alemão Johannes Kepler (1571-1630), fazendo o modelo heliocêntrico ser aceito. 2. A formação de um sistema planetário geralmente começa em uma nuvem de gás e poeira, chamada nebulosa. A gravidade leva essa nuvem a colapsar. À medida que a temperatura e a pressão aumentam, inicia-se a fusão nuclear, transformando hidrogênio ( H)  em hélio ( He)  e liberando grande quantidade de energia. O material restante da nebulosa começa a se aglutinar e formar planetas, luas e demais corpos que constituem o sistema planetário. 3. A velocidade é uma grandeza vetorial que indica a taxa de variação da posição de um objeto em relação ao tempo e tem direção e sentido. A aceleração, por outro lado, é a taxa de variação da velocidade de um objeto em relação ao tempo, além de ser uma grandeza vetorial. Se a aceleração for positiva, a velocidade do objeto estará aumentando; se for negativa, a velocidade estará diminuindo. 4. As leis de Newton descrevem que os objetos não mudam seu estado de movimento a menos que uma força externa atue sobre eles, além de entender como as forças afetam o movimento dos corpos e como as forças atuam aos pares, analisando as interações entre objetos. Já o uso do cinto de segurança é importante porque ele reduz o risco de lesões em caso de acidente. Em uma colisão, o corpo do ocupante tende a continuar se movendo com a mesma velocidade do veículo. Nesse caso, o cinto de segurança aplica uma força sobre o corpo, diminuindo a velocidade do ocupante gradualmente e reduzindo o impacto, o que mantém o corpo em uma posição segura. 5. É caracterizado pela aceleração constante por causa da gravidade, que faz o objeto cair em direção à Terra. Desprezando a resistência do ar, a única força atuante sobre o corpo durante a queda é a força gravitacional, fazendo a velocidade do objeto aumentar constantemente com o tempo.

Unidade 2 A Física e a

vida na Terra

Objetivos da unidade • Analisar a natureza do campo magnético terrestre e sua importância para a vida na Terra. • Calcular a interação entre cargas elétricas e o campo magnético por meio da força magnética. • Conhecer alguns instrumentos de observação e identificar qual é mais eficiente para visualizar determinados objetos.

• Explicar como ocorrem os fenômenos ópticos: reflexão e refração. • Compreender o funcionamento dos instrumentos ópticos, relacionando com os fenômenos ópticos.

Justificativas A análise da natureza e das propriedades do campo magnético da Terra permite aos estudantes reconhecer sua importância para a vida no planeta, contribuindo para desenvolver as habilidades EM13CNT209 e EM13CNT202. Já a compreensão dos processos tecnológicos e desenvolvimento de equipamentos de observação contribuem para o desenvolvimento das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2 e das Competências gerais 1 e 2, assim como do tema contemporâneo transversal Ciência e tecnologia. Além disso, abordar fenômenos naturais com base na interação da luz com a matéria e as propriedades específicas de materiais contribui para desenvolver a habilidade EM13CNT307.

Abertura da unidade páginas 88 e 89 Solicite aos estudantes que observem a imagem da página 89 e, antes de abordar seu conteúdo, tentem explicar do que se trata. Verifique se eles identificam que se trata do Sol. Em seguida, pergunte como eles acham que essa imagem foi obtida. Depois, incentive-os a ler a legenda da imagem e comente a respeito dos nomes das sondas espaciais: SDO é a sigla em inglês para Solar Dynamics Observatory (Observatório da Dinâmica Solar); já SOHO é a sigla em inglês para Solar and Heliospheric Observatory (Observatório Solar e Heliosférico). Posteriormente, promova uma leitura em conjunto dos textos da página 88 e verifique os conhecimentos que eles têm sobre a radiação solar e sua interação com a Terra. Incentive-os a registrar seus conhecimentos prévios e as discussões sobre as questões para, ao final da unidade, retomá-los e alterá-los conforme seu aprendizado.

Respostas a ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é resgatar os conhecimentos prévios dos estudantes sobre o campo magnético terrestre. Eles podem citar que, sem o campo magnético, provavelmente a Terra não teria condições de abrigar vida, pois as partículas provenientes do Sol poderiam interferir na atmosfera e na superfície terrestre, além de que a radiação e as partículas de alta energia poderiam danificar tecidos vivos. b ) O objetivo dessa questão é resgatar os conhecimentos dos estudantes sobre o eletromagnetismo. Eles podem citar que as partículas carregadas em movimento geram um campo magnético em torno delas que interage com o campo magnético da Terra. c ) O objetivo dessa questão é resgatar os conhecimentos dos estudantes sobre instrumentos de observação. Eles podem responder que as sondas espaciais e outros instrumentos de observação devem ter espelhos e/ou lentes para captar a luz proveniente do corpos celestes.

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Capítulo 6 - Campo magnético terrestre - páginas 90 a 100 Objetivos do capítulo • Compreender a natureza do campo magnético terrestre, diferenciando polo geográfico de polo magnético. • Reconhecer o magnetismo como fenômeno natural e algumas de suas aplicações tecnológicas. • Relacionar o campo magnético com a corrente elétrica. • Analisar e calcular a interação entre as cargas elétricas e o campo magnético por meio da força magnética.

Páginas 90 a 98 BNCC em contexto A apresentação da estrutura do planeta Terra e das características do campo magnético terrestre na páginas 90 a 92 contribui para o desenvolvimento das Competências gerais 1, 2 e 7 ao fazer uma construção histórica do conhecimento sobre o tema, além das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2. A abordagem dessas páginas contribui para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT201, pois possibilita aos estudantes descobrir o processo de formação da Terra e reconhecer como funciona o núcleo do planeta, e das habilidades EM13CNT202, EM13CNT205 e EM13CNT209 quando os leva a entender o comportamento dos campos magnéticos terrestres. Na página 90, a abordagem da origem do campo magnético da Terra por meio da análise de um filme de ficção contribui para aproximar os conhecimentos científicos do universo das culturas juvenis, levando os estudantes a desenvolver uma postura crítica diante desse tipo de mídia ao explicar que o núcleo do planeta é sólido. Enfatize para os estudantes que as teorias a respeito da constituição interna da Terra provêm da análise de dados sísmicos, ou seja, trata-se de modelos, e não de observação direta. Na página 91, quando apresentar a representação esquemática do campo magnético da Terra, explique aos estudantes que não há um grande ímã na superfície terrestre. O objetivo desse esquema é representar como o campo magnético da Terra está orientado em relação ao planeta.

Atividade extra Para que os estudantes verifiquem as propriedades magnéticas de alguns objetos, proponha a atividade a seguir. Em grupos de no máximo quatro integrantes, peça-lhes que observem quais materiais são atraídos por um ímã. Para isso, providencie antecipadamente um ímã e objetos de materiais diferentes, como borracha escolar, régua, lápis e clipe. Coloque o objeto sobre uma mesa e aproxime dele o ímã. Em seguida, depois de identificar qual dos objetos sofre atração, escolha um deles e veja a possibilidade de colocar diversos em sequência. Aproxime o ímã do primeiro e observe o que acontece com os demais. Conversem sobre a atividade realizada e anotem suas conclusões. Peça aos estudantes que registrem no caderno os materiais utilizados e como eles interagiram com os ímãs.

Integrando o conhecimento Ao abordar os temas da página 92, combine com o professor do componente curricular de Biologia uma atividade de pesquisa com os estudantes sobre a magnetorrecepção. Solicite que pesquisem animais que possuem esse sentido e que produzam cartazes com as características desses animais. Por fim, aplique a estratégia de metodologia ativa Gallery Walk para que eles apresentem os materiais produzidos para os colegas. Para isso, veja mais orientações sobre essa estratégia nas páginas XI e XII destas Orientações para o professor. Na página 93, leve ímãs em barra e permita aos estudantes que investiguem na prática as propriedades de atração e repulsão dos ímãs.

Compartilhe ideias - página 95 Essa atividade contribui para desenvolver o pensamento computacional. Oriente os estudantes a identificar cada uma das etapas para a montagem do aparato, criando um organograma completo da estratégia, o qual deve incluir as etapas de levantamento de hipóteses, coleta de materiais, montagem, procedimentos de imantação, verificações, possíveis problemas e suas soluções, conclusão e divulgação científica.

Conexões com... - página 96 Objetivo • Identificar a importância do conhecimento das propriedades magnéticas dos materiais para o desenvolvimento da humanidade. Orientações Combine com os professores de História e de Geografia para que eles comentem com os estudantes a relevância da bússola nas Grandes Navegações e como atualmente ela vem sendo substituída por novas tecnologias, que possibilitam a navegação marítima, aérea ou terrestre mesmo sem visibilidade alguma, pois o aparelho GPS (Sistema de Posicionamento Global, em português) fornece todas as informações sobre altitude, longitude e latitude em tempo real. Esse sistema de orientação utiliza as transmissões via satélite, por meio de ondas eletromagnéticas, para obter informações precisas sobre a localização em qualquer ponto da Terra. Os simuladores digitais disponíveis na internet são ferramentas da cultura juvenil que contribuem para aproximar o conhecimento científico do cotidiano dos estudantes. Se julgar necessário, acesse o site da Universidade Federal do Rio Grande do Sul para mais informações sobre a invenção da bússola. Disponível em: https://www.ufrgs.br/amlef/ glossario/bussola/#:~:text=A%20b%C3%BAssola%20foi%20 inventada%20pelos,auxiliar%20na%20tomada%20de%20 decis%C3%B5es. Acesso em: 15 out. 2024.

BNCC em contexto O trabalho com temas sobre o campo magnético e a vida na Terra e em Marte contribui para o desenvolvimento da Competência geral 1, pois envolve fenômenos que afetam o ambiente terrestre e o potencial de vida fora dela. Além disso, o entendimento dos conceitos científicos voltados às informações complexas sobre Física e Astronomia contribui para o trabalho com a Competência geral 4. Ao conhecer o aspecto consciente socioambiental, os estudantes podem compreender que o campo magnético desempenha um papel de proteção, o que contribui para o desenvolvimento da Competência geral 7.

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Ao discutirem os efeitos das radiações solares e o papel do campo magnético na manutenção da atmosfera, além de entenderem a descrição do movimento das partículas provenientes dos ventos solares e suas interações com o campo magnético da Terra, os estudantes desenvolvem a compreensão das interações gravitacionais e eletromagnéticas, o que contribui para o desenvolvimento das habilidades EM13CNT103, EM13CNT105 e EM13CNT204.

Prática científica - página 98 Objetivos • Observar os formatos de linhas de campos gerados por diferentes ímãs. • Identificar o efeito dos diferentes tipos de materiais utilizados como suporte da limalha de ferro ( Fe) nos campos magnéticos gerados. Orientações Incentive os estudantes a usar fundamentos do pensamento computacional para encontrar maneiras de observar e registrar as linhas do campo magnético de diferentes ímãs, contribuindo para desenvolver o pensamento computacional. O objetivo é levá-los a considerar importantes aspectos que devem ser observados no decorrer da investigação. Oriente-os para que não inspirem a limalha de ferro. Os ímãs e a limalha de ferro devem ser guardados e armazenados para utilizar em outras investigações. Já a folha de papel sulfite pode ser encaminhada para a coleta seletiva.

Respostas - Páginas 99 e 100 1. I) Incorreta. O polo Sul geográfico coincide, aproximadamente, com a posição do polo Norte magnético, pois atrai o polo Sul de um ímã. II) Correta. III) Correta. IV) Incorreta. As linhas de campo magnético terrestre emergem e adentram, aproximadamente, nos polos geográficos. Portanto, as regiões dos polos geográficos apresentam mais concentração de linhas de campo, sendo regiões de mais intensidade quando comparadas com a região da linha do equador.

Capítulo 7 - Eletromagnetismo páginas 101 a 113 Objetivos do capítulo • Descrever como correntes elétricas geram campos magnéticos e a interação desses campos com materiais, aplicando conceitos como a regra da mão direita e a lei de Ampère. • Mostrar como solenoides e eletroímãs geram campos magnéticos, com foco em sua utilidade prática em dispositivos elétricos cotidianos, como fechaduras e motores. • Discutir fenômenos naturais, como a interação entre ventos solares e o campo magnético da Terra.

Páginas 101 a 111 BNCC em contexto O texto explora conceitos de eletromagnetismo como a relação entre correntes elétricas e campos magnéticos, a lei de Ampère e a regra da mão direita. Também discute o funcionamento de eletroímãs e a aplicação de campos magnéticos em fechaduras e o campo magnético do Sol, destacando tanto aspectos teóricos quanto práticos. Nesse capítulo,

são abordados conhecimentos históricos e científicos sobre eletromagnetismo e suas aplicações no cotidiano, promovendo seu uso para entender fenômenos naturais e tecnológicos. Além disso, são apresentadas diferentes linguagens científicas, como a descrição de fenômenos físicos, fórmulas matemáticas e a interpretação de vetores e símbolos, exemplificando o uso dessas linguagens para expressar ideias e compartilhar informações técnicas. Isso contribui para o desenvolvimento das Competências gerais 1, 2 e 4, além das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 3 e das habilidades EM13CNT107, EM13CNT201, EM13CNT301 e EM13CNT302. Se considerar necessária uma explicação mais detalhada sobre o eletroímã, abordado na página 101, diga aos estudantes que uma bobina conduzindo corrente elétrica constitui-se em um eletroímã. Uma bobina é um conjunto de espiras, ou seja, um fio condutor curvado na forma circular. A intensidade de um eletroímã pode ser aumentada simplesmente ao aumentar a corrente que flui pelo dispositivo e o número de espiras em torno do núcleo.

Atividade extra

Caso seja possível, reproduza a imagem do campo magnético produzido por um fio condutor retilíneo apresentada na página 102. Para isso, utilize uma pilha, um fio condutor, uma folha de papel sulfite e limalha de ferro ou farelo de palha de aço. Atravesse o fio retilíneo perpendicularmente à folha de papel sulfite e espalhe a limalha de ferro sobre o papel, próximo ao fio. Em seguida, conecte o fio e a pilha e peça aos estudantes que observem a configuração da disposição da limalha de ferro sobre o papel. Espera-se que eles percebam que a limalha se organiza de acordo com as linhas do campo magnético produzido pelo fio retilíneo. Na página 103, ao abordar a representação do campo magnético gerado pela corrente elétrica no fio, se julgar conveniente, represente os vetores perpendiculares que entram e saem no plano da página usando uma folha de papel e um lápis. Para isso, atravesse a folha de papel com o lápis e mostre aos estudantes as duas perspectivas.

BNCC em contexto Nas páginas 104 a 107 são apresentados conceitos de eletromagnetismo, como a formação e o comportamento de solenoides, a força magnética e a interação entre partículas carregadas e campos magnéticos, a aplicação desses conceitos em dispositivos elétricos, como motores e outros dispositivos tecnológicos, e sua relação com fenômenos. Além disso, os estudantes são incentivados a usar linguagens científicas, como fórmulas matemáticas, vetores e a regra da mão direita, favorecendo a capacidade de interpretar e utilizar diversas formas de expressão para descrever fenômenos físicos, o que caracteriza o desenvolvimento das Competências gerais 1 e 4 e da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1, além das habilidades EM13CNT107, EM13CNT301 e EM13CNT302.

Prática científica - páginas 108 e 109 Objetivos • Aplicar conceitos de eletromagnetismo como a interação entre a corrente elétrica e o campo magnético, observando a criação de movimento.

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Conexões com...- páginas 110 e 111 Objetivos • Identificar como os conceitos de campo magnético, corrente elétrica e indução eletromagnética são utilizados em tecnologias médicas, auxiliando no diagnóstico e tratamento de doenças. • Conhecer como os efeitos do eletromagnetismo podem influenciar processos químicos no corpo humano. • Relacionar as funções biológicas, como os impulsos nervosos e a atividade elétrica do coração, com as tecnologias que utilizam eletromagnetismo para monitorar ou influenciar esses processos. Orientações Ao explorar o texto, explique que a ressonância magnética é baseada em princípios de eletromagnetismo (Física), enquanto o desenvolvimento de materiais como o biovidro envolve reações químicas complexas (Química) e interações biológicas (Biologia) no corpo humano. Isso reforça a importância de uma abordagem interdisciplinar nas ciências. Incentive os estudantes a trocar ideias sobre como a utilização da ressonância magnética nuclear (RMN) e da estimulação magnética transcraniana (EMT) possibilita métodos que podem ser mais seguros e/ou eficazes em comparação a técnicas mais invasivas. Proponha aos estudantes que reflitam sobre como a inovação científica, a exemplo do biovidro e dos robôs magnéticos, transforma o campo da Medicina. Questione sobre o que eles acham a respeito dos benefícios desses avanços e como essas tecnologias podem melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Além disso, peça a eles que considerem os desafios da biocompatibilidade dos materiais e da segurança no uso de novas terapias.

Respostas - Páginas 112 e 113 0· i μ 4 · π · 10−7· 3 4 · 10−7 5. B = _ = _____________       = _ ⇒ −2 2 · π · R 2 · π · 24 · 10 24 · 10−2 ⇒ B = 0,25 · 10−5∴ B = 2,5 · 10−6 T

μ0· N · i 4 · π · 10−7· 2 0 000 · 1 0 7. a ) B = _ = _____________________    = 1 L = 0,08 · π ∴ B = 0 ,24 T μ0· i 4 · π · 10−7· 5 = ____________ ∴ B = 2 ,5 · 1 0−5 T 8. B = _ 2 · R 2 · 4 · π · 10−2

9. II ) Como a velocidade da partícula é perpendicular às linhas de campo magnético, temos θ = 90°e sen θ = 1. Portanto, a intensidade da força magnética é dada por: F = | q|· v · B · s en θ = 6 · 10 −6· 40 · 5 · 10 3· 1 ⇒ −3 ⇒ F = 1 200 · 10 ∴ F = 1,2 N ∴ B = 1 0T 10. a ) F = |q|· v · B · sen θ ⇒ 1 · 10−3= 2 · 10−5· 5 · B · 1 b)

Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

• Desenvolver habilidades práticas durante a montagem de circuitos e a manipulação de materiais, incentivando o entendimento de como componentes simples podem ser combinados para criar um dispositivo funcional. • Explicar a transformação de energia elétrica em energia mecânica. Orientações Antes de iniciar a atividade, revise com os estudantes os conceitos de eletromagnetismo envolvendo corrente elétrica, campo magnético e forças que agem sobre um condutor em um campo magnético. Explique também o funcionamento básico de um motor elétrico para que os estudantes possam fazer conexão entre a teoria e a prática e identificar possíveis falhas durante a realização da atividade. Oriente-os a prestar atenção ao que acontece quando o sentido de rotação da bobina é alterado e a posição do ímã é invertida. Isso os ajudará a fazer inferências sobre como o campo magnético afeta o movimento da bobina. Por fim, caso o motor não funcione, incentive os estudantes a identificar problemas no circuito. Eles devem verificar a conexão dos fios, a posição do ímã e se o esmalte do fio foi completamente removido. Todos os materiais dessa atividade podem ser reutilizados em outras atividades práticas.

Fm v

q B Representação dos vetores de força, velocidade e campo magnético de uma carga elétrica se movendo em um campo magnético forte.

Capítulo 8 - Introdução à Óptica páginas 114 a 126 Objetivos do capítulo • Explicar os conceitos fundamentais relacionados à luz, sua propagação, reflexão e refração, além de introduzir os princípios da Óptica geométrica e os fenômenos ópticos associados. • Apresentar o uso de telescópios e outros instrumentos ópticos na observação de fenômenos astronômicos e a importância das tecnologias na pesquisa e compreensão do Universo, promovendo a valorização do conhecimento técnico e científico. • Abordar as contribuições históricas de cientistas para a compreensão da luz e a evolução dos instrumentos ópticos, enfatizando o desenvolvimento do conhecimento científico ao longo do tempo.

Páginas 114 a 117 BNCC em contexto O texto promove a capacidade de investigar fenômenos invisíveis, como a infecção celular por vírus, utilizando microscópios avançados. Também estimula o desenvolvimento do pensamento crítico ao analisar como esses dispositivos contribuem para a pesquisa científica e para a solução de problemas de saúde, contribuindo para aprimorar a Competência geral 2. Além disso, aborda o uso de instrumentos como microscópios ópticos e eletrônicos, destacando suas funções e a importância na ampliação do conhecimento científico, o que colabora para desenvolver a habilidade EM13CNT301. Ao abordar a manchete da página 114, questione os estudantes sobre como a microscopia tem colaborado na compreensão de processos biológicos, como a infecção viral, e fomente uma discussão sobre a importância dessas imagens para o avanço da Ciência, especialmente em áreas como Virologia e Medicina.

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Compartilhe ideias - página 114 Oriente-os a buscar informações em artigos de revistas científicas ou de universidades e a anotar suas interpretações e ideias, permitindo retomar ou completar hipóteses iniciais. Peça a eles que busquem informações sobre como o desenvolvimento tecnológico e a combinação de tecnologias podem contribuir para os avanços nas diferentes áreas das Ciências. Essa atividade contribui para desenvolver a Competência geral 9. Oriente os estudantes a observar as diferenças entre o microscópio óptico e o eletrônico, na página 115, tanto em termos de funcionamento quanto na capacidade de ampliação. Discuta como são usados para diferentes finalidades e tipos de amostras. Enfatize o papel dos estudos em Óptica no funcionamento desses instrumentos, levando-os a compreender as limitações e vantagens de cada um.

BNCC em contexto O texto das páginas 116 e 117 aborda o funcionamento dos telescópios e as descobertas que possibilitaram e incentiva a curiosidade intelectual e a análise crítica sobre a Ciência da Astronomia. Ao mencionar telescópios espaciais como o Hubble e o Very Large Telescope, o texto também trata da utilização de tecnologias digitais na observação astronômica. As contribuições de cientistas de diferentes nacionalidades e épocas refletem a diversidade de saberes e o papel de cada um na construção do conhecimento científico. Desse modo, a seção contribui para desenvolver as Competências gerais 1, 2, 5 e 6. Além disso, o texto aborda a evolução dos telescópios e como as teorias sobre a observação do Universo se desenvolveram ao longo do tempo, enfatizando a importância dos telescópios na pesquisa astronômica e a continuidade da pesquisa em tecnologias de observação. Assim, as páginas colaboram para o desenvolvimento das habilidades EM13CNT201 e EM13CNT310. Ao apresentar os telescópios refratores e refletores, na página 117, leve os estudantes a entender a diferença no funcionamento de cada telescópio, enfatizando que os refratores utilizam lentes, enquanto os refletores usam espelhos. Mostre como os princípios físicos da refração e da reflexão da luz são aplicados em cada tipo de telescópio e de que forma isso influencia sua capacidade de captar imagens dos astros.

Páginas 119 a 124 BNCC em contexto As páginas 119 a 123 exploram o desenvolvimento histórico da compreensão da luz, destacando contribuições de alguns filósofos e cientistas, incentivando a valorização do método científico e do conhecimento acumulado. Ao descrever como conceitos de luz evoluíram e como experimentos levaram a novas descobertas, o texto promove a análise crítica e a investigação científica, fundamentais na formação dos estudantes. O reconhecimento das contribuições de cientistas de diversas culturas e épocas ilustra a importância da diversidade de perspectivas na Ciência. Assim, contribui para o desenvolvimento das Competências gerais 1, 2 e 6. A descrição dos instrumentos ópticos e os princípios da Óptica proporcionam uma base para entender a importância da tecnologia no estudo da luz. Desse modo,

subsidia o aprimoramento das habilidades EM13CNT201, EM13CNT204 e EM13CNT310 e das Competências especificas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2 e 3.

Atividade extra

Se julgar interessante, proponha aos estudantes a construção de uma câmara escura, usando materiais simples. Para isso, peça a eles, antecipadamente, que levem uma caixa de sapato ou uma lata de leite em pó ou achocolatado; providencie papel vegetal, fita-crepe, velas e tesoura. Faça um furo central no fundo da lata ou na lateral (menor) da caixa de sapato e coloque papel vegetal no lugar da tampa da lata ou na lateral oposta da caixa, usando a fita-crepe. Certifique-se de que a caixa ou a lata está bem lacrada, de modo que a luz entre em seu interior apenas pelo orifício. Escolha um ambiente da escola em que a entrada de luz natural possa ser bloqueada e oriente os estudantes a posicionar a caixa (ou lata) no mesmo nível da vela, em uma superfície, com o orifício voltado para ela. Acenda a vela e peça que observem pelo papel vegetal. Ajuste a distância entre a caixa e a vela, se necessário. Verifique se eles percebem a formação da imagem invertida. Essa atividade permite desenvolver a Competência geral 2, pois possibilita aos estudantes exercitar a curiosidade intelectual e recorrer à abordagem da Ciência, incluindo a reflexão, a análise crítica, a imaginação e a criatividade, para investigar causas e elaborar hipóteses. Nas páginas 122 e 123, ao explicar a reflexão, refração, absorção e dispersão da luz, incentive os estudantes a identificar exemplos desses fenômenos no dia a dia. Para isso, pergunte como eles enxergam a luz refletida em um espelho, como as lentes de óculos mudam a direção da luz, como objetos escuros absorvem mais calor ou como um prisma divide a luz branca em cores.

Ligado no tema - página 124 Objetivos • Compreender o funcionamento e a aplicação do LIDAR. • Refletir sobre os impactos da automação no futuro da mobilidade. • Analisar a inclusão tecnológica nos veículos autônomos. Orientações Explique aos estudantes a importância dos sensores em carros modernos começando com exemplos simples, como sensores de estacionamento e sistemas de alerta de ponto cego. Em seguida, introduza o conceito de LIDAR como um dos sensores mais avançados, essencial para a operação de veículos autônomos. Ao abordar a classificação dos níveis de automação dos veículos, incentive os estudantes a debater sobre cada nível, suas implicações e os desafios técnicos e éticos que surgem com o aumento da automação. Questione-os sobre como eles imaginam que será o futuro da mobilidade, com carros totalmente autônomos, discutindo as vantagens e as desvantagens.

Respostas

a ) Resposta pessoal. É possível que os estudantes mencionem que a adoção de carros autônomos pode reduzir a oferta de empregos para motoristas, exigindo requalificação profissional. No entanto, possivelmente melhorará a segurança rodoviária ao diminuir acidentes causados por erro humano. As normas de trânsito e a infraestrutura urbana também precisarão se adaptar a essa nova realidade. b ) Resposta pessoal. Espera-se que os estudantes digam que o constante monitoramento de trajetos e

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rotinas pode levar a preocupações com privacidade e segurança de dados, além do potencial uso indevido das informações pessoais coletadas. c ) Resposta pessoal. O objetivo dessa questão é compreender que os carros autônomos podem trazer diversos benefícios, mas há ainda muitos problemas a serem resolvidos, entre eles o desenvolvimento tecnológico. Espera-se que eles pesquisem em fontes confiáveis possíveis falhas nos carros autônomos, como dificuldade em operar sob condições climáticas adversas, erros de detecção e identificação de obstáculos, além de vulnerabilidade a ataques cibernéticos. Essas questões podem ser resolvidas com avanços em sensores e algoritmos, mais proteção cibernética e testes rigorosos. Os benefícios dos carros autônomos incluem redução de acidentes causados por erro humano, redução de congestionamentos e mais eficiência de transporte.

Respostas - Página 125 Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

1. a )

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

A análise dos diferentes tipos de espelhos e suas características permite uma reflexão sobre como as propriedades físicas influenciam as imagens formadas. O uso de princípios da Geometria e da Física para descrever a reflexão da luz fundamenta uma argumentação científica sólida, contribuindo para o desenvolvimento das Competências gerais 2 e 3. Durante a leitura da página 129, diga aos estudantes que a lei da reflexão também é válida para a reflexão da luz nos espelhos esféricos, de modo que os ângulos de incidência e de reflexão em relação à direção da normal ao espelho são iguais.

Acompanhamento da aprendizagem Se julgar conveniente, oriente os estudantes a responder à atividade 5 da página 132 com base na estratégia de metodologia ativa Think-pair-share. Para isso, veja mais orientações sobre essa estratégia nas páginas XI e XII destas Orientações para o professor. Primeiramente, os estudantes devem observar as imagens da atividade individualmente e, em seguida, compartilhar suas conclusões com os colegas. Essa abordagem permite avaliar a compreensão dos estudantes em relação à formação de imagens por espelhos planos e esféricos. Caso eles tenham dificuldade em responder à atividade, retome as páginas referentes a esses conteúdos.

Páginas 133 a 144 Representação de uma pessoa observando um carrinho.

Capítulo 9 - Reflexão e refração da luz - páginas 127 a 144 Objetivos do capítulo • Explicar o fenômeno da refração da luz ao passar por diferentes meios, incluindo a definição de índice de refração, e a relação entre velocidade da luz nos meios. • Demonstrar como as leis da refração são utilizadas para prever a trajetória da luz e suas implicações com fenômenos visuais do cotidiano, como a observação de objetos submersos. • Discutir como o entendimento da refração da luz é fundamental para o funcionamento de dispositivos ópticos, como lentes e fibras ópticas, e suas aplicações em diversas áreas, incluindo tecnologia e Biologia.

Páginas 127 a 131 BNCC em contexto As páginas 127 e 128 abordam conceitos relacionados à reflexão da luz, especialmente em espelhos planos, contribuindo para a habilidade EM13CNT101. Na página 127, auxilie os estudantes a identificar cada elemento da imagem que representa o raio de luz incidindo sobre a superfície lisa e polida. Enfatize que os três traços representam a parte de trás do espelho. Ao abordar a representação da formação de uma imagem em espelho plano ao final da página, oriente os estuantes a comparar essa representação com a primeira.

BNCC em contexto O texto explora os elementos geométricos de espelhos esféricos e descreve como eles influenciam a formação de imagens em espelhos côncavos, convexos e parabólicos.

BNCC em contexto

As páginas 133 a 136 abordam a definição e a importância da refração da luz, permitindo que os estudantes entendam o fenômeno físico e sua relevância em diversas aplicações, como fibras ópticas e microscópios, contribuindo para o desenvolvimento da Competência geral 2 e da Competência específica de Ciências da Natureza 1. Além disso, o texto explica como as lentes funcionam, suas classificações (convergentes e divergentes) e as condições para formação de imagens, o que é essencial para entender dispositivos ópticos, contribuindo para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT301. Ao abordar o conteúdo da página 130, diga aos estudantes que, nos espelhos esféricos, o procedimento para obter geometricamente a imagem de um objeto refletida é o mesmo que em espelhos planos, mas, como cada um dos raios incide no espelho com ângulos diferentes, os espelhos esféricos não configuram imagens iguais e simétricas ao objeto, como ocorre nos espelhos planos. Diga aos estudantes que as imagens reais são formadas pelo encontro efetivo dos raios refletidos por um espelho, que, por sua natureza, podem ser projetadas em um anteparo, diferentemente das imagens virtuais, que não podem ser projetadas. Na questão 4 da página 134, comente com os estudantes que no caso da miragem, as camadas de ar mais próximas do chão estão mais quentes, por isso menos densas. Ao atravessar camadas de ar com diferentes índices de refração, a luz tem sua trajetória desviada. Na fotografia, a região que se parece com água ( H2 O) sobre a areia é uma ilusão de óptica, em que vemos a imagem do céu e de regiões da superfície do solo produzida por sucessivas refrações da luz proveniente desses objetos. Na página 135, se conveniente, proponha a leitura do material disponibilizado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Nele, os estudantes vão encontrar mais informações sobre o conteúdo de dioptros planos. Disponível em: https://cref.if.ufrgs.br/?contact-pergunta=posicao-aparente -do-corpo-submerso. Acesso em: 17 out. 2024.

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Ao trabalhar o conteúdo da página 139, diga aos estudantes que o olho mágico, dispositivo de segurança utilizado em portas de residências, é formado por um conjunto de lentes que se comporta como uma lente divergente, formando uma imagem virtual, menor e direita dos objetos à sua frente.

Prática científica - páginas 142 e 143 Objetivos • Compreender os fenômenos de reflexão da luz em superfícies curvas. • Explorar o efeito de lentes naturais, como gotas de água, na refração da luz. Orientações Mencione para os estudantes que é possível projetar imagens utilizando espelhos esféricos côncavos, dependendo da distância da imagem ao espelho. Além disso, para projetar imagens por meio de lentes, deve-se utilizar uma lente convergente. Assim como nos espelhos, a imagem poderá ser projetada em certas situações, dependendo da distância do objeto à lente. Algumas alternativas a esse experimento envolvem dispor uma gota de água sobre uma régua ou colher transparente ou colocar algumas gotas de água na tela de um celular e observar a imagem aumentada nesses pontos. A gota continua se comportando como uma lente. Após a atividade, a garrafa plástica e o papel espelhado podem ser encaminhados para reciclagem. A água pode ser descartada na pia e o restante dos materiais, usados em outras atividades práticas.

Respostas

7. Espera-se que os estudantes mencionem que os objetos pareceram maiores. A gota de água atua como uma lente convergente porque sua forma arredondada faz os raios de luz se curvarem e se concentrarem em um ponto, ampliando a imagem dos objetos observados. A água, como um meio transparente, tem a capacidade de refratar (curvar) a luz, e a forma curva da gota faz que funcione de maneira semelhante a uma lente convexa, aumentando as imagens. 8. Se o tamanho da gota de água aumentar, o raio de curvatura da gota também aumenta, o que diminui o efeito de ampliação, porque a gota se torna uma lente menos curvada e, portanto, menos convergente. Por outro lado, se a gota for menor, a curvatura aumenta, concentrando os raios de luz mais rapidamente e formando uma imagem mais ampliada. Isso acontece porque lentes mais curvadas em geral têm focos mais próximos, proporcionando maior ampliação. 9. Espera-se que os estudantes citem quando as lentes são utilizadas em várias áreas da Ciência e da tecnologia, impactando significativamente a qualidade de vida das pessoas, como em telescópios, microscópios, óculos, lentes de contato, câmeras, retrovisores etc. Espera-se que o vídeo mencione que essas aplicações impactam diretamente o avanço científico, a saúde e a segurança da sociedade, mostrando como elas melhoram nossa vida.

Conexões com… - página 144 Objetivos • Compreender a relação entre o movimento das placas tectônicas e os fenômenos sísmicos. • Explorar o papel da fibra óptica na detecção de abalos sísmicos. • Refletir sobre os desafios e avanços tecnológicos no monitoramento de desastres naturais. Orientações Comente com os estudantes que cientificamente há duas maneiras de medir a magnitude e avaliar a intensidade dos

abalos sísmicos. A classificação é feita com base nas chamadas escala Richter e escala de Mercalli. Explique que os eventos são classificados de acordo com a magnitude e a intensidade estabelecida por essas escalas, podendo ser considerados de micro a extremo na escala Richter e de muito fraco a catastrófico na escala de Mercalli. Para conhecer mais a respeito desse e de outros assuntos relacionados a sismos, acesse o link a seguir, que apresenta um rico material informativo do Corpo de Bombeiros e da Defesa Civil do estado do Ceará. Disponível em: https://www.gov.br/mdr/pt-br/assuntos/protecao-e-defesa -civil/boas-praticas/004_boas_praticas_eixo_iniciatiava_para _as_comunidades/002_boaspraticas_iniciativacomunidades_ tremor_terra_saiba_como_agir_ceara.pdf. Acesso em: 17 out. 2024.

Respostas - Página 145

c _ _ n gelo _ vgelo vSi c _ 3. = 0,39 ⇒ = 0,39 ⇒ _ · = 0 ,39 ⇒ vgelo c c nSi _ vSi vSi vSi ⇒ _= 0 ,39 ⇒ _ = 0,39 ⇒ vgelo 2,3 · 10 8

⇒ v Si = 0,39 · 2,3 · 10 8∴ vSi ≃ 0,9 · 1 0 8m/s 8 3 · 1 0 c _ nSi = _ = ∴ n Si ≃ 3 ,33 vSi 0,9 · 10 8 8 3 · 10 c _ = _ ∴ ngelo ≃ 1,30 n gelo = vgelo 2,3 · 1 0 8 30 50 4. n z· sen ˆ i = nar· sen ˆ r ⇒ nz· _ = 1 · _ ⇒ r r 50 _ ⇒n z= ∴ nz≃ 1 ,67 30 i = nB· s en ˆ r ⇒ 1 · s en 30° = nB· s en 15° ⇒ 5. n A· sen ˆ 0,5 ∴ nB≃ 1,92 ⇒n B= _ 0,26

Retome o que estudou - página 146 Respostas

1. Essa questão possibilita verificar se os estudantes reconhecem a importância do campo magnético da Terra para a manutenção das condições favoráveis de vida. Espera-se que eles respondam que a ação do campo magnético terrestre protege o planeta das radiações e dos ventos solares, pois as partículas provenientes destes que o atingem, de dois a quatro dias após a ejeção, normalmente são por ele defletidas ou capturadas. O campo magnético da Terra também protege a atmosfera, visto que a influência dos ventos e sua atividade no ambiente terrestre levariam a uma perda contínua das partículas que a compõem. 2. No experimento do físico dinamarquês Hans Oersted (1777-1851), verificou-se que correntes elétricas produzem campos magnéticos, e a explicação mais aceita para a origem do campo magnético da Terra é a movimentação de íons em seu interior (corrente elétrica) com seu movimento de rotação. 3. As leis da reflexão são válidas para qualquer situação, tanto para a reflexão regular quanto para a difusa. 4. Espera-se que os estudantes respondam que, no microscópio óptico, as estruturas responsáveis pela formação das imagens são as lentes, por isso o principal fenômeno nesse equipamento é a refração da luz. Nos telescópios refratores também são as lentes que produzem as imagens pela refração da luz. Já nos telescópios refletores, as estruturas principais na formação das imagens são os espelhos esféricos ou parabólicos, que produzem as imagens pela reflexão da luz.

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Unidade 3 Matéria e

energia

Objetivos da unidade • Analisar o espectro eletromagnético. • Compreender as características das ondas. • Conhecer as diferentes faixas de frequência do espectro eletromagnético e suas aplicações. • Compreender as características do espectro visível. • Descrever como ocorre o efeito estufa e entender sua importância para a Terra. • Compreender os mecanismos de proteção da Terra contra a radiação ultravioleta. • Conhecer os efeitos do calor e como ocorre sua transferência entre os corpos. • Compreender os princípios da calorimetria. • Caracterizar sistemas conservativos e sistemas dissipativos. • Compreender o princípio de conservação de energia. • Conhecer as propriedades dos fluidos. • Conceituar empuxo. • Compreender a equação de Bernoulli.

Justificativas A abordagem das páginas desta unidade contribui para o desenvolvimento da Competência geral 1, pois incentiva os estudantes, em vários momentos, a relacionar os conhecimentos científicos historicamente construídos a situações e à explicação de fenômenos. Ao abordar o espectro eletromagnético, relacionando-o com o estudo da origem e evolução de uma estrela, contribui para desenvolver as Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2. A unidade também incentiva os estudantes a conhecer as características das radiações, permitindo-lhes avaliar os riscos e as vantagens em aplicações em equipamentos do cotidiano, contribuindo, assim, para desenvolver as habilidades EM13CNT103 e EM13CNT306. A abordagem da relação entre o uso dos combustíveis fósseis e a intensificação dos efeitos estufa contribui para trabalhar a habilidade EM13CNT309 e o tema contemporâneo transversal Educação ambiental. Já a abordagem das transformações e conservações em sistemas que envolvem quantidade de matéria e de energia permite aos estudantes estabelecer relações que possibilitam o trabalho com as habilidades EM13CNT101 e EM13CNT102 e as Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2. Além disso, interpretar modelos explicativos e resultados experimentais para enfrentar uma situação-problema contribui para trabalhar a habilidade EM13CNT301 e a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3.

Abertura da unidade - Páginas 150 e 151 BNCC em contexto Essas páginas, ao abordar a relação dos fenômenos climáticos à intensificação do efeito estufa, contribuem

para desenvolver a habilidade EM13CNT309 e o tema contemporâneo transversal Educação ambiental. Inicie o trabalho com essas páginas solicitando aos estudantes que observem a fotografia, questionando-os sobre como eles acham que essa imagem foi obtida. Verifique se percebem que foram utilizadas tecnologias presentes em satélites meteorológicos. Se possível, leve para a sala de aula notícias recentes sobre furacões ou outros fenômenos climáticos que têm relação com o aquecimento global para complementar o estudo dessas páginas e das questões sugeridas. Pode-se também sugerir aos estudantes que pesquisem essas reportagens e as levem de casa. A fim de desenvolver a Competência geral 9, sugira aos estudantes que respondam às questões em grupo.

Respostas - Página 150 a ) Os estudantes podem citar que a energia emitida pelo Sol chega à Terra por meio de ondas eletromagnéticas. Além disso, podem responder que o aquecimento é provocado principalmente pela radiação infravermelha. b ) Os estudantes podem citar que o aquecimento das águas dos oceanos se relaciona com a formação de furacões, porque o processo se inicia quando o vapor de água aquecido sobe e se condensa. Nessa mudança de estado físico, ocorre liberação de calor para o ar atmosférico, que se aquece, se torna menos denso e se move para cima por causa da convecção, gerando uma região de baixa pressão que causa o movimento para cima de mais vapor de água aquecido, e o processo se repete. c ) Espera-se que os estudantes respondam que a afirmação está correta, pois o ser humano recebe calor do ambiente e também cede calor ao ambiente, além de trocar matéria no processo da respiração e da alimentação, por exemplo.

Capítulo 10 - Ondas eletromagnéticas - página 152 a 159 Objetivos do capítulo • Compreender o que é o espectro eletromagnético. • Identificar as diferentes faixas de frequência que compõem o espectro eletromagnético. • Analisar a abrangência de aplicações do espectro eletromagnético. • Caracterizar ondas eletromagnéticas.

Páginas 152 a 157 BNCC em contexto A abordagem utilizada no capítulo contribui para o desenvolvimento das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2, pois possibilita aos estudantes compreender a origem das radiações por meio da evolução de uma estrela, como o Sol, e das que constituem o espectro eletromagnético.

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Também contempla a Competência geral 1, pois os incentiva a valorizar e a utilizar os conhecimentos historicamente construídos para compreender fenômenos naturais.

diagnóstico e tratamento. Disponível em: https://www.sbd.org. br/campanha-dezembro-laranja-confira-dicas-para-se-proteger -do-sol-e-evitar-o-cancer-da-pele/. Acesso em: 7 nov. 2024.

Integrando o conhecimento Acompanhando a aprendizagem Ao iniciar o trabalho com esse capítulo, peça aos estudantes que respondam à questão 1 da página 152 e verifique o entendimento deles sobre o que são ondas eletromagnéticas, seu espectro e suas diferentes aplicações. Incentive-os a debater entre si as razões pelas quais pode ser mais interessante o telescópio James Webb utilizar faixas do infravermelho do que o espectro visível, por exemplo. Promova uma troca de ideias sobre algumas das características da radiação eletromagnética e suas aplicações, verificando os conhecimentos prévios da turma e anotando as ideias. Guarde essa lista e, ao longo do capítulo, evidencie quais estão corretas e quais foram os erros das incorretas.

Atividade extra Se julgar conveniente, inicie o estudo da página 153 representando os elementos de uma onda por meio de uma corda com uma de suas extremidades fixa a uma parede. Para isso, movimente a extremidade livre na direção vertical e questione os estudantes sobre como é possível medir o comprimento de onda, a amplitude, a frequência e o período. Além disso, pergunte-lhes qual é a direção de propagação da onda. Verifique se eles percebem que o movimento vertical de oscilação produzirá um movimento ondulatório na corda cuja direção de propagação das ondas será na horizontal. Esse tipo de onda é chamado de transversal, pois a direção da velocidade de propagação é perpendicular ao movimento de vibração. Essa atividade contribui para desenvolver a Competência geral 2. Ao trabalhar a imagem do espectro eletromagnético da página 154, quando mencionar a radiação infravermelha, comente que, até o momento, não foram observados corpos que atingiram o zero absoluto. Já o espectro visível normalmente é designado pelas cores que percebemos em um arco-íris, não havendo um limite claro entre uma cor e outra, assim como ocorre com as demais ondas do espectro eletromagnético. Caso julgue interessante, ao trabalhar os conceitos sobre raios X, leve para a sala de aula algumas radiografias e explique aos estudantes que as partes mais escuras são as regiões onde houve maior incidência de raios X, e as áreas mais claras correspondem às que tiveram absorção total ou parcial dessa radiação. Aproveite para perguntar quais cuidados os técnicos de radiologia devem ter durante o trabalho. Verifique se eles respondem que, ao realizar esses procedimentos, os técnicos ou responsáveis ausentam-se da sala onde é feito o exame a fim de evitar a exposição à radiação, uma vez que ela pode causar danos à saúde. O boxe Dica da página 155 menciona a icterícia. Se julgar interessante, acesse o site da Sociedade Brasileira de Dermatologia e apresente aos estudantes a campanha Dezembro Laranja, que tem por objetivo conscientizar a população a respeito da prevenção do câncer de pele desde a infância, além de alertar sobre possíveis sinais do câncer de pele para

Ao trabalhar o conceito da radiação ultravioleta, é importante comentar com os estudantes que a UV-A é uma radiação com a frequência mais baixa, próxima da luz visível, e não é danosa à saúde. No entanto, a de frequência mais alta, chamada UV-C, é a mais danosa, mas é quase totalmente bloqueada pela camada de ozônio da atmosfera terrestre. Aproveite para ressaltar a importância da conservação da camada de ozônio, contemplando o tema contemporâneo transversal Educação ambiental. Já a radiação ultravioleta considerada intermediária, chamada UV-B, tem energia suficiente para prejudicar os olhos e as células da pele, provocando queimaduras e câncer de pele. Comente com os estudantes que devemos sempre nos proteger contra os raios solares utilizando filtro solar, chapéus e óculos escuros, além de evitar exposições prolongadas a essa radiação. Enfatize que exposições moderadas devem ser consideradas nos horários adequados e evitadas entre 10 he 16 h. Dessa maneira, a radiação pode ser benéfica, induzindo a síntese da maior parte da vitamina D do organismo, a qual atua no fortalecimento dos ossos. Aproveite para mencionar também que a luz solar desempenha um papel crucial no ciclo circadiano, regulando diversas funções do corpo humano ao longo do dia. Esse ciclo controla processos como o sono, a liberação de hormônios, a temperatura corporal e o metabolismo. Para essa abordagem, é válido propor uma aula em conjunto com o professor do componente curricular de Biologia visando ressaltar a importância da radiação solar para os seres vivos. O boxe complementar Hedy Lamarr da página 155 mostra a dificuldade que as mulheres enfrentaram ao longo da história para serem reconhecidas na Ciência, muitas vezes tendo suas contribuições ignoradas ou atribuídas a homens. Em um contexto dominado por preconceito de gênero, elas foram frequentemente excluídas de instituições educacionais, privadas de recursos e relegadas a papéis secundários, independentemente de suas habilidades. Nesse contexto, peça aos estudantes que façam uma pesquisa sobre a contribuição das mulheres na Ciência nos últimos anos.

Integrando o conhecimento A percepção do espectro da luz visível ocorre em razão dos elementos biológicos que constituem o olho humano, como os cones e os bastonetes. Por isso, é interessante propor uma discussão voltada à função dessas células. Se julgar adequado, junto ao professor do componente curricular de Biologia, promova uma atividade de pesquisa, solicitando aos estudantes um trabalho sobre os componentes do olho humano que estejam relacionados à visão a fim de explicar a função de cada um. Para isso, forme grupos com cinco integrantes e reserve um momento para que apresentem as informações à turma. Nas apresentações podem ser usados recursos digitais. Eles podem gravar um vídeo com animações e imagens, elaborar um podcast etc. Dessa maneira, desenvolve-se a

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Competência geral 4, compreendendo, utilizando e criando tecnologias digitais de informação nas práticas escolares. Essa estratégia incentiva os estudantes a usar ferramentas das culturas juvenis. Ao fim da atividade, verifique se eles compreenderam a função de cada um dos componentes do olho humano.

Ligado no tema - páginas 156 e 157 Objetivos • Identificar o uso de ondas eletromagnéticas na comunicação. • Compreender a evolução histórica das telecomunicações. • Refletir sobre o uso de ondas eletromagnéticas em outras áreas do cotidiano além da telecomunicação. Orientações Garanta que os estudantes tenham uma compreensão clara acerca da evolução das telecomunicações e da importância das ondas eletromagnéticas nesse contexto. Verifique se eles conseguem identificar informações baseadas em evidências científicas e em notícias falsas sobre doenças causadas por ondas eletromagnéticas utilizadas na telecomunicação. Considere organizar a turma em grupos para discutir os impactos sociais e éticos das tecnologias 4 G e 5Ge das futuras redes, como o 6 G. Incentive-os a diferenciar os impactos e os usos das ondas eletromagnéticas tendo como base seu espectro. As perguntas têm como objetivo levar os estudantes a aprofundar o entendimento referente à aplicação das ondas eletromagnéticas na telecomunicação, ao mesmo tempo que instigam a reflexão crítica sobre o impacto dessas tecnologias no cotidiano e na saúde. Elas incentivam a conexão entre o conhecimento científico e sua aplicação prática, abordando desde a evolução histórica das telecomunicações até questões éticas e sociais relacionadas às novas tecnologias, como o 6G, desenvolvendo o tema contemporâneo transversal Ciência e Tecnologia. Ademais, também propiciam a discussão em grupo, promovendo a troca de ideias e o desenvolvimento de habilidades argumentativas dos estudantes.

Respostas - Página 158 8. Sabendo que a onda de rádio é eletromagnética e que sua velocidade na atmosfera é aproximadamente igual à do vácuo, cujo valor é de cerca de 3 · 108 m/s,temos: 3 · 1 05km/s = 3 · 1 08m/s; f = 1 200 kHz = 1 200 · 1 03Hze v =

v = λ · f ⇒ 3 · 10 8= λ · 1 200 · 1 0 3⇒ λ = 250 ∴ λ = 250 m

Capítulo 11 - O espectro solar e a Terra - páginas 160 a 174 Objetivos do capítulo • Identificar o espectro visível e compreender como ele se relaciona com as cores percebidas. • Entender o conceito de espectros de absorção e emissão e como eles são utilizados para identificar elementos químicos. • Estudar o efeito estufa. • Reconhecer a importância da proteção contra a radiação ultravioleta, destacando os impactos dessa radiação na saúde humana.

BNCC em contexto O trabalho com as páginas 160 e 174 contribui para o desenvolvimento das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2, pois possibilita aos estudantes compreender alguns dos fenômenos naturais com base no estudo de diferentes radiações eletromagnéticas emitidas pelo Sol e identificar características e a composição química dos astros celestes. A habilidade EM13CNT103 também é contemplada ao abordar o conhecimento sobre as radiações e suas origens para avaliar as potencialidades e os riscos de sua aplicação por equipamentos do uso cotidiano.

Páginas 160 a 171 Inicie o trabalho deste capítulo enfatizando aos estudantes que todas as radiações que completam o espectro eletromagnético compartilham muitas propriedades básicas: todas elas são compostas de fótons; viajam com a mesma velocidade; comportam-se ora como partícula, ora como onda. O objetivo da questão 1 da página 160 é levar os estudantes a identificar situações que envolvem a energia solar. Portanto, eles podem citar, por exemplo, a radiação infravermelha em aquecedores solares e usinas solares térmicas e a luz visível em placas fotovoltaicas.

Atividade extra Ao abordar como percebemos as cores de um objeto, na página 163, é válido aplicar à turma as seguintes atividades. a ) Imagine que você, ao passear por um parque com seu primo mais novo, tenham encontrado algumas rosas brancas. Seu primo, uma criança muito curiosa, pergunta por que elas têm essa cor. O que você responderia a ele? b ) Ao pousar na Lua, um astronauta olha para cima enquanto o Sol está visível acima do horizonte. Qual é a cor do céu observado por ele? Explique sua resposta. c ) Em uma atividade prática, peça aos estudantes que iluminem objetos de diferentes cores com lanternas que emitem luz nas cores branca, verde, vermelha e azul. Para isso, basta colocar papel-celofane sobre as lâmpadas das lanternas. Em seguida, peça-lhes que anotem os resultados observados e os expliquem.

Prática científica - páginas 164 e 165 Objetivos • Analisar o espectro da luz e suas diferentes frequências e comprimentos de onda. • Identificar e explicar os diferentes espectros de luz emitidos por fontes luminosas. Orientações Oriente os estudantes a registrar as observações realizadas no desenvolvimento da atividade e refletir sobre as diferenças entre os espectros, relacionando-as às características da fonte de luz. Essa análise proporcionará o entendimento necessário acerca de como diferentes fontes de luz produzem espectros distintos e servirá como base para discussões

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em sala de aula a respeito dos princípios físicos envolvidos. Os estudantes podem usar caixas de creme dental para substituir o rolo de papelão. Após a atividade, os materiais podem ser armazenados e utilizados em outras atividades práticas.

Respostas 6. Espera-se que os estudantes mencionem que os elementos químicos presentes na estrela emitem ou absorvem luz em comprimentos de onda específicos, então, ao comparar essas linhas com espectros conhecidos de elementos, seria possível identificar quais estão presentes na estrela. Além disso, a cor predominante do espectro ajudaria a estimar a temperatura da estrela, pois estrelas mais quentes emitem mais radiação azul e ultravioleta, enquanto as mais frias emitem, sobretudo, vermelha e infravermelha. 7. Espera-se que os estudantes mencionem que analisando a luz que atravessa a atmosfera e identificando os gases presentes com base nas linhas de absorção no espectro. 8. Espera-se que os estudantes apresentem como construir um espectroscópio simples e como analisar diferentes fontes de luz.

BNCC em contexto A abordagem das páginas 166 a 169 contribui para o desenvolvimento das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 2, pois possibilita aos estudantes compreender alguns dos fenômenos naturais ao analisarem a interação entre matéria e energia com base no estudo de diferentes radiações eletromagnéticas emitidas pelo Sol. Assim, eles avaliam potencialidades, limites e riscos do uso de diferentes materiais e/ou tecnologias para tomar decisões responsáveis e conscientes diante dos diversos desafios contemporâneos.

Compartilhe ideias - página 168 Ressalte aos estudantes que todos os equipamentos que têm a finalidade de eliminar, neutralizar ou minimizar os riscos ocupacionais, de maneira a tornar as condições de trabalho mais seguras para os profissionais, são considerados equipamentos de proteção individual (EPIs). Eles diminuem a probabilidade de acidentes e doenças ocupacionais e são obrigatórios para diversas funções. Apresente aos estudantes a Lei no 6.514, relativa à segurança e à medicina do trabalho. Disponível em: http://www.planalto. gov.br/ccivil_03/LEIS/L6514.htm. Acesso em: 14 out. 2024. Essa abordagem permite trabalhar o tema contemporâneo transversal Trabalho.

Integrando o conhecimento Ao trabalhar o efeito estufa, sugira aos estudantes que explorem também os aspectos biológicos desse fenômeno. Uma possibilidade é discutir como o efeito estufa impacta os ecossistemas e a biodiversidade. Esse assunto está relacionado ao tema contemporâneo transversal Educação ambiental e possibilita desenvolver a Competência geral 7, pois incentiva os estudantes a refletir e argumentar com base em dados confiáveis a fim de defender pontos de vista que promovam a consciência socioambiental.

Se julgar interessante, proponha a eles que investiguem como o aumento da temperatura global afeta o hábitat de diversas espécies, provocando a extinção de algumas e a adaptação de outras. Esse estudo pode ser enriquecido com a colaboração do professor do componente curricular de Biologia, que pode aprofundar a análise dos processos biológicos envolvidos e o impacto provocado pela crise climática.

Conexões com... - página 171 Objetivos • Compreender os benefícios e os riscos da exposição à radiação solar. • Reconhecer a função dos protetores solares. • Identificar os impactos ambientais de alguns compostos dos protetores solares. Orientações Ajude os estudantes a refletir sobre a dualidade dos efeitos da radiação solar, destacando tanto os benefícios quanto os riscos associados à exposição ao Sol. Os protetores solares que absorvem a radiação ultravioleta geralmente têm compostos orgânicos aromáticos e são conhecidos como protetores químicos. Já os que refletem os raios ultravioleta têm óxidos metálicos e são conhecidos como protetores solares físicos. Promova discussões voltadas ao impacto ambiental das substâncias químicas presentes nos protetores solares, incentivando os estudantes a considerar as consequências para os ecossistemas marinhos, como o branqueamento dos corais. Ao abordar esses aspectos, pode-se também realizar uma aula em conjunto com o professor do componente curricular de Biologia. Além disso, sugira que façam pesquisas em grupo sobre alternativas sustentáveis para proteção solar, estimulando a conscientização ecológica e o desenvolvimento de soluções práticas.

Respostas - Página 163 4. O objetivo da questão é resgatar os conhecimentos prévios dos estudantes com relação ao espalhamento da luz na atmosfera. Eles podem citar que a cor do céu se altera por causa do espalhamento da componente azul e da transmissão da componente vermelha da luz solar na atmosfera.

Respostas - Página 172 6. Espera-se que os estudantes respondam que o disco de Newton fica na cor branca, quando todas as cores se misturam, pois ele é pintado com as cores componentes da luz branca. Além disso, eles devem comentar que a mistura das cores do arco-íris para formar a luz branca no disco de Newton é o oposto da decomposição da luz por um prisma, no qual a luz branca é dividida em suas cores componentes.

Respostas - Página 174 16. A refração ocorre quando a luz entra na gota de água, curvando-se por conta da mudança de velocidade. A dispersão acontece porque diferentes cores (comprimentos de onda) são refratadas em ângulos diferentes. Isso leva as cores a se separarem e formarem o arco-íris.

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Capítulo 12 - Introdução à calorimetria - páginas 175 a 197 Objetivos do capítulo • Definir temperatura. • Entender as mudanças climáticas e suas causas. • Compreender as escalas de temperatura. • Explicar o conceito de calor. • Descrever os modos de transferência de calor. • Explorar e calcular a dilatação térmica dos corpos. • Explicar os princípios da calorimetria. • Compreender os princípios que regem a mudança de fase.

Páginas 175 a 179 BNCC em contexto A abordagem das páginas 175 a 179 contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3 e das habilidades EM13CNT102, EM13CNT105 e EM13CNT309, possibilitando aos estudantes a percepção da relação entre a utilização dos combustíveis fósseis e o aumento do efeito estufa, bem como o reconhecimento de que isso impacta diretamente nas mudanças climáticas globais. Essa abordagem também permite trabalhar o tema contemporâneo transversal Educação ambiental. A reportagem da página 175 permite o trabalho com os temas contemporâneos transversais Direitos da criança e do adolescente e Educação em direitos humanos. É válido acessar as seguintes reportagens, trabalhando as culturas juvenis e incentivando o protagonismo dos estudantes em relação às situações do seu cotidiano. Disponíveis em: https://news. un.org/pt/story/2024/02/1828077 e https://news.un.org/pt/ audio/2023/12/1824617. Acessos em: 9 out. 2024.

Compartilhe ideias - página 176 Se for possível, peça às duplas que acessem o simulador sugerido no boxe Dica e analisem as imagens formadas. Tanto nas imagens da página como no simulador, oriente os estudantes para que observem a quantidade e a localização de áreas indicadas em vermelho, que se referem às que apresentam maiores temperaturas. Durante a pesquisa sobre os efeitos das alterações climáticas, sugeridas na questão do boxe, peça aos estudantes que procurem, além de informações relacionadas aos prejuízos ao meio ambiente, informações relativas aos problemas sociais causados pelas alterações climáticas.

Resposta a ) Os estudantes podem mencionar que foi percebido um aumento significativo nas temperaturas ao longo do século, evidenciado pela predominância da cor vermelha em 2021. Esse aumento de temperatura é a evidência do aquecimento global causado pelo aumento das emissões e, consequentemente, da concentração de gases de efeito estufa. Os efeitos incluem derretimento das calotas polares, aumento

do nível do mar, alteração negativa da vida marinha e aumento na frequência de eventos climáticos extremos. Para reduzir esse fenômeno, os estudantes podem citar a adoção e intensificação do uso de energias renováveis, a promoção do reflorestamento, o incentivo a meios de transporte sustentáveis, além da intensificação na conscientização da população e o apoio a políticas públicas que tenham como objetivo a redução da emissão de gases de efeito estufa.

Conexões com... - página 177 Objetivo • Encontrar um algoritmo que leve a uma equação de conversão entre diferentes escalas de temperatura. Orientações Lembre os estudantes de que, independentemente da escala adotada, as alturas inicial e final do líquido no interior do termômetro são as mesmas, assim como a razão entre essas alturas, sendo possível chegar a uma relação matemática entre as escalas de temperatura. Na letra b, mencione que a temperatura mede o grau de agitação médio das partículas; quanto maior a temperatura, maior essa agitação. Na página 178, o trabalho com a charge permite o desenvolvimento da leitura inferencial. Pergunte aos estudantes o que produz o efeito de humor nesse texto.

Prática científica - página 179 Objetivo Perceber as trocas de calor por meio da sensação de quente ou frio. Orientações Explique aos estudantes o conceito de transferência de calor e como nosso corpo percebe essa transferência. Mencione como nosso sistema sensorial responde às mudanças de temperatura. Discuta o fenômeno da adaptação sensorial, ou seja, como a percepção de quente ou frio depende da temperatura de referência anterior, destacando o papel dos sensores de temperatura na pele.

Páginas 181 a 185 Integrando o conhecimento Ao trabalhar os fenômenos climáticos na página 184, é possível desenvolver uma aula conjunta com o professor do componente curricular de Geografia, relacionando o conteúdo estudado com a atmosfera, o tempo e o clima. Se possível, convide o professor de Geografia para complementar o esquema apresentado na página, relacionando-o com o assunto ilhas de calor. Peça a ele que sugira materiais complementares sobre o assunto.

Páginas 188 a 195 Prática científica - página 193 Objetivos • Descrever o calor como a energia em transferência entre corpos com temperaturas diferentes. • Entender o processo de condução térmica.

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Orientações Enfatize aos estudantes a necessidade de usar luvas térmicas ao manipular objetos que possam estar a altas temperaturas. Nessa atividade, realize as etapas A e B e sugira que os estudantes registrem os procedimentos realizados em cada etapa e os resultados observados por meio de vídeo, que pode ser feito com uma filmadora ou um smartphone. Certifique-se de que os parafusos estejam bem fixados no arame com a parafina. Caso algum parafuso caia fora da ordem, peça aos estudantes que tentem explicar por que isso ocorreu. Embora simples, essa é uma atividade que tem grande potencial para que os estudantes observem a condução térmica. É possível explorar a prática substituindo o fio condutor por outros tipos de material. Além disso, contribui para desenvolver o pensamento computacional e as Competências gerais 1 e 9.

Respostas 1. A temperatura da extremidade do fio condutor aumenta à medida que se aproxima da chama da vela, resultando em um aquecimento mais rápido da parafina. Quanto maior a temperatura da extremidade do fio, menor será o tempo necessário para a parafina derreter. 2. Espera-se que os estudantes mencionem o material do fio (metais como cobre são melhores condutores do que materiais não metálicos), a espessura (fios mais espessos têm maior capacidade de conduzir calor) e o comprimento (fios mais longos podem apresentar mais resistência térmica, diminuindo a eficiência). 3. A quantidade de parafina utilizada tem relação direta com o tempo necessário para que os parafusos caiam. Quanto mais parafina, maior a barreira térmica, retendo calor e prolongando o tempo que os parafusos ficam presos. 4. A parafina que fixa os parafusos mais próximos da fonte de calor (a chama da vela) se aquece mais rapidamente, resultando em um derretimento mais rápido e, consequentemente, na queda dos respectivos parafusos.

Ligado no tema - páginas 194 e 195 Objetivos • Entender o que são biocombustíveis, em especial o biodiesel, e como eles se diferenciam dos combustíveis fósseis. • Identificar os benefícios e os desafios do uso de biodiesel em termos de sustentabilidade ambiental e suas implicações para a economia nacional. • Avaliar as vantagens e limitações do biodiesel no contexto das necessidades energéticas brasileiras. Orientações Explore com os estudantes os desafios da implementação dos biocombustíveis, como o custo elevado de produção e o aumento da demanda por soja. Incentive uma reflexão sobre o equilíbrio entre a produção de biocombustíveis e a segurança alimentar. Oriente-os a propor possíveis soluções, como diversificação de matérias-primas para a produção de biodiesel (mamona, girassol, dendê etc.) e inovações tecnológicas para melhorar a eficiência e reduzir os custos de produção. Essa seção possibilita trabalhar o tema transversal Educação ambiental.

Respostas - Página 180 2. É necessário esperar certo tempo para que o termômetro troque calor com o corpo e entre em equilíbrio térmico com ele. Dessa maneira, a temperatura atingida pelo termômetro será, aproximadamente, a mesma que a temperatura do corpo. TF− 32 TC 35,6 − 32 TC 5. _ = _ ⇒ _= _ ∴ T C= 2 ° C 5 5 9 9 TC TK− 2 73 313 − 2 73 _ 40 6. _ = _= _ = ∴ TC= 40 ° C 5 5 5 5 _ TC _ TC _ TF− 32 _ 59 − 3 2 7. = ⇒ = ⇒ TC= 15 ∴ TC= 15 ° C 5 5 9 9

8. A escala kelvin é definida em função da energia cinética das partículas que constituem o meio no qual a temperatura é medida. O zero dessa escala (ao contrário das escalas Celsius ou Fahrenheit, por exemplo) não é arbitrário, correspondendo à temperatura cuja energia cinética das partículas é nula. 9. 01) Falsa, pois ocorre a troca de calor da panela com água quente com o meio, o calor passa do corpo de maior temperatura para o de menor, fazendo que a panela com água quente entre em equilíbrio térmico com o ambiente mais frio, assim diminuindo sua temperatura. 02) Correta. 04) Correta, pela transferência de energia, o corpo de maior temperatura aquece o corpo de menor temperatura até entrar em equilíTX − ( − 20) TF − 32 _ brio térmico. 08) Falsa, pois _ = ⇒ 212 − 32 80 − ( − 20) TF − 3 2 _ TX + 2 0 _ TF − 3 2 _ TX + 20 ⇒_ = ⇒ = ⇒ 5 180 100 9 TX + 20 − 130 − 32 ⇒ _ = _ ⇒9 · TX + 180 = − 810 ⇒ 5 9 ⇒9 · T X = − 990 ∴ TX = − 110 ° X. 16) Correta.

Respostas - Página 186 1. I) Incorreta. A colher esquenta por condução. II) Correta. Conforme explicado no item anterior. III) Correta. Para que a colher não esquentasse, o cozinheiro poderia ter usado uma feita com material que conduzisse menos o calor, como a de madeira. 6. Convertendo a quantidade de calor para joule, temos: Q = 4,2 · 99 ∴ Q = 415,8 J Aplicando a relação do fluxo de calor, temos: Q 415,8 Φ = _ = _ = 10 ∴ Φ = 10 J/s ∆ t 41,45

Respostas - Página 187 Q 500 7. a ) Φ = _ = _ ∴ Φ = 50 cal / s Δt 10 Q Q b ) Φ = _ ⇒ 50 = _ ∴ Q = 5 000 cal 100 Δt k · A · ( Tmaior− T menor)    = 8. Φ = __________________ e

2,0 · 10 −2· 8,0 · ( 25,0 − ( − 6,0))       ⇒ = ___________________________ 1,5 · 10 −2

16 · 31 Φ = 330,66 cal / s ⇒ Φ = _∴ 1,5

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3. ∆ L = L0· αFe· ∆ T = 24 · 11 · 10 · ( 42 − 2)⇒ −6

⇒ ∆ L ≃ 0,01056 ∴ ∆ L ≃ 1 cm

Assim, como os trilhos são colocados um ao lado do outro e ambos dilatam, eles devem ser afastados em no mínimo 2 cmpara permitir a dilatação sem deformação da estrutura. 4. Para a chapa, teremos uma dilatação superficial 2 · α): ( β = ∆ A = A0 · β aço · ∆ T ⇒ ( 20 · 20)· 2 · 11 · 10 −6· 200 ∴ ∴∆ A = 1,76 cm 2 Assim, a nova área será: A = A0 + ∆ A = 400 + 1,76 ∴ A = 401,76 cm 2 Q 5 000 5 000 6. C = _ = _____________ = _ ∴ C ≃ 71,43 cal/° C 70 ∆ T (80 − 10) Q 5 000 5 000 ⇒ _ = _ ∴ c ≃ 0,14 cal/g · ° C c = _ 0 35 000 m · ∆ T 500 · 7

8. γ = 3 · α = 3 · 23 · 10−6 ° C−1∴ γ = 69 · 10−6 °C−1 Aplicando a fórmula da dilatação volumétrica: ΔV = V0 · γ · ΔT = 2 000 · 69 · 10 −6· 60 ∴ Δ V = 8,28 cm 3

Respostas - Página 197 10. Q = m · L = 800 · 80 ∴ Q = 64 000 cal

11. Q = m · c · ∆ T = 500 · 1 · ( 36,5 − 5)∴ Q = 15 750 cal 12. Q = 1 000 cale ∆ T = 10 ° C, assim: Q = m · c · ∆ T ⇒ 1 000 = 800 · c · 10 ⇒ c = 0,125 ∴ c = = 0,125 cal/g · °C 13. a ) A capacidade térmica pode ser calculada por: Q _ − 800 = C _ = ≃ 18,39 ∴ C ≃ 18,39 cal/°C ∆ T − 43,5 b ) Usando a equação fundamental da calorimetria: Q = m · c · ∆ T ⇒ − 800 = 200 · c · ( − 43,5 )⇒

Páginas 198 a 207 Na página 198, enfatize aos estudantes que um sistema corresponde a um grupo bem definido de átomos, moléculas, partículas ou corpos que se resume ao local a ser estudado. Cite exemplos como o planeta Terra, o corpo de um ser vivo, o vapor em alta temperatura no interior de uma máquina térmica, um líquido aquecido armazenado no interior de uma garrafa térmica, entre outros. Diga aos estudantes que o mais importante é ser capaz de definir claramente o que está contido no sistema e o que está fora dele, além de compreender que, quando se adiciona energia a ele, o sistema pode usá-la para aumentar sua energia própria interna, se esta permanecer nele, ou para realizar um trabalho sobre os elementos que são externos a ele, caso a energia deixe o sistema. Comente que um sistema termodinâmico é caracterizado por suas variáveis de estado termodinâmico e, quando conhecidos a massa, a pressão, o volume e a temperatura, as condições em que o sistema se encontra ficam caracterizadas, permitindo seu estudo.

Compartilhe ideias O boxe Compartilhe ideias da página 198 leva os estudantes a identificar outros sistemas termodinâmicos que podem utilizar energia para a realização de trabalho. Eles podem citar, por exemplo, o motor a combustão interna, que converte a energia química do combustível em energia térmica, e a energia térmica em trabalho, simplificadamente.

Acompanhando a aprendizagem Após estudar todos os três tipos de sistemas, reproduza na lousa uma imagem simples, mas que represente de maneira adequada os três sistemas citados, como a apresentada a seguir, em que as setas representam as trocas de matéria e calor com o ambiente. Em seguida, peça aos estudantes que identifiquem cada tipo de sistema e expliquem como os identificaram.

⇒ c ≃ 0,092 ∴ c ≃ 0,092 cal/g · °C Q 500 15. a ) Q = m · c · ∆ T⇒ ∆ T = _ = _   ∴ ∆T ≃ 6,7 °C m · c 150 · 0 ,50 Q 500 b) Q = m · c · ∆ T ⇒ ∆T = _ = _ ∴ ∆T ≃ 0 ,6 °C m · c 200 · 4,18

Capítulo 13 – A energia nos sistemas termodinâmicos páginas 198 a 210 Objetivos do capítulo • Compreender o conceito de sistemas conservativos. • Identificar características de sistemas dissipativos. • Diferenciar sistemas conservativos de sistemas dissipativos. • Explorar o princípio da conservação de energia. • Analisar exemplos práticos de sistemas conservativos e dissipativos.

aberto

fechado

Ilustrações: Heloísa Pintarelli/Arquivo da editora

Respostas - Página 196

isolado

Representação de sistemas termodinâmicos. Imagem sem proporção e em cores fantasia.

BNCC em contexto A abordagem das páginas 198 a 205 contribui para desenvolver as Competências específicas de Ciências da

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Natureza e suas Tecnologias 1 e 2, pois auxilia os estudantes a compreender a aplicação do princípio da conservação de energia em sistemas termodinâmicos e analisar o planeta Terra como um desses sistemas, utilizando interpretações sobre sua dinâmica de aproveitamento da energia solar para aquecer o planeta, fundamental tanto para a manutenção da vida quanto para a biodiversidade terrestre. Também possibilita desenvolver as habilidades EM13CNT101 e EM13CNT102 ao abordar o conhecimento sobre as transformações e conservações em sistemas que envolvem quantidade de matéria e de energia, além de permitir previsões, avaliação de possíveis intervenções e construção de protótipos de sistemas térmicos, considerando a sua composição e os efeitos de suas variáveis termodinâmicas. O sistema conservativo abordado na página 204 pode ser trabalhado discutindo as propriedades do calorímetro e enfatizando o princípio da conservação da energia. Entretanto, chame a atenção dos estudantes para o fato de que em qualquer situação real o material trocará parte da energia com a substância que compõe o equipamento, sendo necessário conhecer sua capacidade térmica.

Prática científica - páginas 206 e 207 Objetivos • Identificar e explicar as diferenças entre calor e temperatura. • Interpretar dados para compreender as trocas de calor. • Aplicar o princípio da conservação de energia. Orientações Comente com os estudantes que a troca de energia ocorre entre a chama do fogão e a panela, causando o aumento de sua temperatura interna. A troca de massa da panela de pressão com o ambiente ocorre por meio de uma das válvulas que estão em sua tampa. Essa válvula permite a saída de vapor, a fim de controlar a pressão no seu interior. Além disso, cite como exemplos de sistemas abertos água fervente em uma panela sem tampa e o corpo humano, e a atmosfera terrestre e a roupa de mergulho como exemplos de sistemas isolados. Oriente os estudantes a não manipular o aquecedor e o recipiente com água aquecida. As etapas que envolvem esses materiais devem ser realizadas pelo professor. Oriente-os também a registrar no caderno todas as observações e questionamentos que surgirem durante a atividade. Após a realização da atividade, a água pode ser descartada na pia e os outros materiais podem ser guardados e utilizados em outras atividades práticas.

Respostas 1. Espera-se que os estudantes utilizem materiais de fácil acesso, como recipientes ou embalagens recicláveis. Os materiais utilizados no sistema termodinâmico aberto devem ser condutores, e a substância em seu interior precisa ter contato direto com o meio externo. Já para o sistema isolado, os materiais devem ser isolantes, dificultando o máximo possível a troca de energia com o meio externo, e não podem permitir a perda de matéria para o ambiente, ou seja, ele deve ser vedado.

3. A troca de energia do sistema com o meio externo pode ser analisada por meio da temperatura. Portanto, afere-se a variação da temperatura em função do tempo. A troca de matéria pode ser analisada por meio da quantidade de massa da substância. Assim, afere-se a variação de massa do sistema. 9. Espera-se que os estudantes mencionem que a água no recipiente exposto diminuiu mais do que no calorímetro, o que indica que houve mais evaporação. O calorímetro foi mais eficiente em reduzir essa perda, pois impede a troca de calor com o ambiente, mantendo a água mais protegida e, assim, perdendo menos por evaporação. 11. Espera-se que os estudantes produzam um vídeo que traga uma análise sobre a diferença da evolução da temperatura de duas quantidades iguais de água, uma no calorímetro e outra exposta ao ambiente, ao longo do tempo. Além disso, os procedimentos executados para a realização da prática devem ser expostos de maneira clara e ordenada. Por fim, conclusões e resultados deverão ser destacados, a fim de mostrar as diferenças entre um sistema fechado e um sistema aberto.

Atividade extra Se julgar interessante, proponha aos estudantes uma atividade em grupo para discutir a importância da energia contida nas ligações químicas para os sistemas e os organismos vivos. Para isso, divida a turma em grupos de quatro integrantes e peça a eles que respondam às seguintes questões. • Por que a ingestão de alimentos é importante para a nossa sobrevivência? • Por que, diferentemente dos seres humanos e outros animais, as plantas não precisam de grande complementação de outras substâncias para o seu desenvolvimento? Proponha um momento para que os estudantes se reúnam durante a aula e respondam às questões. Peça-lhes que anotem suas conclusões em um material que possam entregar ao final da aula. Além de contribuir para o desenvolvimento das Competências gerais 2 e 9 ao exercitar a curiosidade intelectual e utilizar o conhecimento das diferentes áreas, a atividade possibilita o trabalho com os professores dos componentes curriculares de Biologia e Química. Para finalizar, convide antecipadamente os professores desses componentes para uma aula em conjunto. O objetivo é dar um retorno para os estudantes quanto às suas respostas e proporcionar um momento para novas discussões sobre o tema.

Acompanhando a aprendizagem Ao concluir o estudo do capítulo, peça aos estudantes que respondam novamente à primeira questão e comparem as respostas com as que deram no início do estudo. Essa abordagem os incentiva a fazer uma autoavaliação, comparando os conhecimentos anteriores com os que adquiriram ao longo do estudo do capítulo.

Respostas - Página 208 1. c ) Não. Sem o funcionamento do compressor, o calor não será removido e a temperatura interna começará

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a aumentar gradualmente por conta da transferência de calor do ambiente externo para o interior do refrigerador. d ) Sendo 2,5 horas = 150 minutos, tem-se: T(t)= 2,00 + 0,02 · t ⇒ T(150)= 2,00 + 0,02 · 150 = = 5,00 ∴ T(150)= 5,00 ° C

e ) T( t) = 2 ,00 + 0 ,02 · t ⇒ 4 ,00 = 2 ,00 + 0 ,02 · t ⇒ 4,00 − 2 ,00 ⇒ t = _∴ t = 100 minutos 0,02

f ) Com o compressor desligado, abrir e fechar a porta da geladeira altera a temperatura interna, pois o ar quente do ambiente entra e não é removido, fazendo a temperatura subir gradualmente. Quando o compressor está ligado e a porta é aberta e fechada frequentemente, a conta de energia elétrica pode aumentar, pois o compressor precisa trabalhar mais para remover o calor extra que entra, resultando em mais consumo de energia. 5. a ) Aplicando a relação da conservação de energia, temos: ΣQ = 0 ⇒ Qágua + Qmetal + QC = 0 ⇒

0 ⇒ ⇒ mágua · cágua · ( T − T0água)+ mmetal · cmetal(T − T0metal)= C = 0 ⇒ ⇒ 300 · 1 · ( 55 − 20)+ 80 · 0,6 · ( 55 − 315)+ Q 980 cal ⇒ 10 500 − 12 480 + QC = 0 ∴ QC = 1

b ) Utilizando a relação da quantidade de calor para o calorímetro, temos: QC = C C · ΔT ⇒ 1 980 = C C · ( 55 − 20)⇒ 1 980 ⇒C C = _ ∴ CC ≃ 5 6,6 cal/° C 35 c ) Aplicando a relação da conservação de energia, temos: Qágua + Qmetal = 0 ⇒

0 ⇒ ⇒ mágua · cágua · ( T − T0água) + mmetal · cmetal(T − T0metal) = ⇒ 300 · 1 · ( T − 20)+ 80 · 0,6 · ( T − 315)= 0 ⇒ ⇒ 300 · T − 6 000 + 48 · T − 15 120 = 0 ⇒ ⇒ 348 · T = 21 120 ∴ T ≃ 60,7 ° C

Respostas - Página 210 11. Espera-se que os estudantes respondam que, nas condições citadas, o copo térmico pode ser classificado como um sistema fechado, pois troca somente energia com o ambiente. 12. O aquecimento do ar no interior do envelope faz suas moléculas se distanciarem umas das outras, assim, sua densidade diminui. Quando a força de empuxo (vertical e para cima) for maior do que a força peso (vertical e para baixo), o balão inicia o voo. 13. m1· cágua· Δ T1= − ( m2· cágua· Δ T2) 200 · ( T − 20)= − [ 400 · ( T − 80)] ⇒ 200 · T − 4 000 =

= − 400 · T + 32 000 ⇒

36 000 ∴ T = 60 ° C ⇒ 600 · T = 36 000 ⇒ T = _ 600 14. Ed= Q − τ = 1 000 − 700 ∴ Ed = 300 J 15. Como o vapor está se condensando, ele está perdendo calor, portanto devemos utilizar Lv= − 540 cal/g L. Assim:

Lv + Q Qv + QLg + Qg = 0 ⇒ ⇒m v · L v + m v · c · ΔT + m g · L f + m g · c · ΔT = 0 ⇒

⇒ 50 · (−540) + 5 0 · 1 · ( 50 − 100) + mg · 8 0+ mg · 1 · ( 50 − 0 ) = 0 ⇒ ⇒1 30 · mg = 29 500 ∴ m g ≃ 227 g

Capítulo 14 - Hidrostática e hidrodinâmica - Páginas 211 a 227 Objetivos do capítulo • Compreender o que é um fluido e suas propriedades. • Entender o conceito de densidade. • Estudar o que é pressão. • Compreender como a pressão varia com a profundidade em um fluido. • Investigar como mudanças na pressão em um ponto de um fluido fechado são transmitidas igualmente em todas as direções. • Entender o conceito de empuxo e como ele explica o flutuar ou afundar de objetos em fluidos. • Aprender a calcular a vazão de um fluido. • Compreender e utilizar a equação da continuidade.

Páginas 211 a 215 BNCC em contexto A abordagem das páginas 211 a 215 contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3, pois possibilita aos estudantes investigar situações-problema e propor soluções com base no conhecimento científico e tecnológico. Também contempla a habilidade EM13CNT301 ao interpretar modelos explicativos e resultados experimentais para enfrentar uma situação-problema. Ao iniciar o capítulo, questione os estudantes sobre os conceitos de massa, volume e densidade. Com base nas respostas, avalie os conhecimentos prévios deles sobre o assunto. Se achar interessante, apresente-lhes alguns exemplos relacionados aos conceitos de massa, volume e densidade. Para isso, use o exemplo de duas esferas idênticas, sendo uma maciça e outra oca; então, questione-os sobre o volume, a massa e a densidade de cada uma delas. Ao definir o conceito de pressão, explique que apenas a componente normal da força aplicada exerce pressão sobre a área em questão. Em virtude disso, a pressão é uma grandeza física escalar.

Páginas 217 a 221 Acompanhando a aprendizagem A finalidade da questão 2 da página 217 é analisar o conhecimento prévio dos estudantes sobre o funcionamento de um elevador hidráulico. Depois de trabalhar o princípio de Pascal, peça a eles que retomem suas respostas sobre o funcionamento do elevador hidráulico. Se necessário,

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solicite-lhes que as complementem. Com isso, espera-se que eles compreendam a possibilidade de equilibrar uma força de grande intensidade com outra de menor intensidade. Na página 218, ao iniciar o estudo sobre empuxo e flutuação de corpos em fluidos, explique aos estudantes que, mesmo que o objeto pareça ser mais leve, não existe alteração de sua massa nem de seu peso. O empuxo explica por que os objetos parecem mais leves quando imersos na água, por que os navios flutuam ou os balões sobem, entre outras situações. Ressalte que o empuxo é dirigido para cima e corresponde ao módulo da força peso do volume deslocado.

Prática científica - páginas 220 e 221 Objetivos • Explicar o funcionamento do princípio de Pascal. • Conhecer uma aplicação do princípio de Pascal. Orientações Oriente os estudantes para que tenham cuidado ao manipular as tachinhas. Após a montagem, as pontas delas poderão ficar aparentes na parte posterior dos palitos. Oriente-os a não as tocar. Acompanhe a montagem da estrutura de palitos. Se algum estudante posicionar algum palito de forma inadequada, incentive-o a identificar o equívoco e solucionar o problema. É essencial que a fixação da mangueira nas seringas não tenha vazamentos. Oriente-os a atentar à posição dos êmbolos das seringas antes de conectar as extremidades da mangueira. Permita aos estudantes criar a própria versão, utilizando diferentes esquemas com os palitos de sorvete. No entanto, o objetivo final deve ser preservado. Após a realização da atividade, os palitos de sorvete poderão ser descartados em coletor de material reciclável. O restante dos materiais poderá ser reutilizado em outras atividades práticas.

Páginas 223 a 226 O questionamento inicial da página 223 relaciona o aumento da velocidade à diminuição da pressão exercida por um fluido. Para abordar esse assunto, peça aos estudantes que realizem a mesma atividade prática descrita. Depois, promova uma conversa sobre os resultados obtidos. Explique que a velocidade do ar na superfície do papel aumenta, diminuindo a pressão, e, como a pressão de baixo da folha de papel (pressão atmosférica) é maior, ela empurra a folha para cima. Por fim, pergunte-lhes em quais situações do cotidiano esses efeitos são percebidos. Ao trabalhar o escoamento de um fluido estacionário, na página 223, peça aos estudantes que considerem a seguinte situação: uma folha está boiando em um rio e, ao passar pela parte mais estreita dele, ela adquire mais velocidade. Questione-os por que isso ocorre. Na página 224, o princípio de Bernoulli pode ser inicialmente abordado com questionamentos: “O movimento de uma bola através de um fluido pode ser alterado?”; “Como um avião pode ser sustentado no ar?”. Por fim, comente que a equação de Bernoulli é uma aplicação da lei da conservação de energia entre dois pontos localizados no fluido.

Conexões com... - página 226 Objetivo • Identificar como a vegetação e a fauna influenciam positivamente a estabilidade do solo. • Investigar a urbanização desordenada, além das práticas agrícolas que impactam negativamente o solo. Orientações Inicie a abordagem dessa seção questionando os estudantes sobre a importância da cobertura vegetal para a proteção do solo. Ao iniciar a abordagem do tema proposto, questione os estudantes sobre a importância do estudo dos efeitos das chuvas no solo relacionados com as questões ambientais e sociais. Se julgar conveniente, apresente aos estudantes mais informações sobre racismo ambiental, acessando o site da Secretaria de Comunicação Social, disponível em: https:// www.gov.br/secom/pt-br/fatos/brasil-contra-fake/noticias/ 2024/o-que-e-racismo-ambiental-e-de-que-forma-impacta -populacoes-mais-vulneraveis. Acesso em: 14 out. 2024. Incentive uma troca de ideias entre os estudantes ao responder às questões sugeridas.

Respostas - Página 216 1. Ambos os cubos têm o mesmo volume, sendo 6 4 cm3. Para o primeiro cubo, tem-se: 173 m _ μ A = _ = ≃ 2 ,7 g / cm 3∴ μ A ≃ 2 ,7 · 10 3kg / m 3 64 V Para o segundo, tem-se: m 500 _ = _≃ 7,8 g / cm 3∴ μ B ≃ 7 ,8 · 10 3kg/ m 3 μ B = 64 V 5. A pressão exercida por um fluido em um ponto depende apenas da altura do fluido sobre o ponto, ou seja, 8 cm (0,08 m) 0 · 0,08 ∴ p = 800 Pa p = μ · g · h = 10 3· 1 ,14 · 2 5 · h ∴ h = 10 cm V= π · r 2· h ⇒ 785,4 = 3       6. p = patm + d · g · h = 1 · 105+ 103· 10 · 0,1 ∴ p = 1,01 · 105Pa 7. p 1= d1· g · h1= p2= d 2· g · h2⇒ d 1· h 1= d2· h2⇒ d1h1 _____________ 1 · 103· 318,25 ⇒h 2= _ =    = 268,02 m d2 1,24 · 103 8. p 1= p2⇒ d água· g · h água= dóleo· g · hóleo⇒

3 ⇒ 1 · 2 = d óleo· 2,5 ∴ dóleo= 0,8 g/c m

9. p gás= 140 − 40 ∴ pgás= 1 00 mmHg ≃ 13 157,2 Pa 10. Aplicando a relação da pressão do líquido, temos: 0 · 3 500 ∴ p = 3,48 · 10 7 Pa p = d · g · h = 1,025 · 10 3· 1 Pela razão entre a pressão do líquido e a pressão atmosférica, temos: p 3,48 · 10 7 _ = ___________ ∴ p = 348 · patm patm 1 · 10 5 11. Sabendo que h = 80 cm = 0 ,8 m, temos: 3 Δp = d · g · h = 0 ,8 · 10 · 10 · 0,8 = 6 400 ∴ Δp = 6 400 Pa 12. Para o bloco sobre a balança: m1 250 250 1 0,5 = _⇒ V 1 = _ ∴ V1 = 23,8 cm 3 d = _ ⇒ 10,5 V1 V1 Para o bloco sobre a mesa: m2 m2 10,5 = _∴ m2 = 157,5 g d = _⇒ 15 V2

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Respostas - Página 222 F2 F1 4 · 20 · 10 2. a ) _ = _ ⇒ F1= _ ∴ F 1= 2 N 2 2 400 π · d π · d 1 2 _ _ 4 4 π · d22 π · d12 2⇒ _ · h1= _ h2⇒ 2 2· 0,8 = b ) V1= V 4 4 −3 2 2∴ h2= 8 · 10 m = 20 · h

40 · 6 ,5 · 1 0 −5 6. Φ = ____________ = 2,6 · 1 0 −3L/s 1 V Φ = _ ⇒ V = Φ · Δ t ⇒ V = Δt −3 ,6 · 10 · ( 30 · 24 · 60)∴ V = =2 1 12,32 L

Retome o que estudou - página 227

F1 F2 _ F1 F1 m · g ⇒ = _ ⇒ ___________ = 10. _ = _ 2 2 2 A1 A2 π · R1 π · R2 π · ( 5 · 10−2) F1 20 · 10   2 ⇒ ___________ = ____________ = −2 π · 2 5 · 10 −4 π · ( 20 · 10 ) 200 200 · 25 = ___________ ⇒ F1 = _ ∴ F 1 = 12,5 N 400 π · 400 · 10 −4

1. Espera-se que os estudantes respondam que a maior parte das ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol está na faixa da luz visível, a qual pode ser percebida por meio do sentido da visão. 2. Essa questão possibilita verificar a compreensão dos estudantes em relação aos efeitos da absorção ou perda de calor por uma substância. Espera-se que eles respondam que uma substância que absorve ou perde calor pode ter sua temperatura variada, suas dimensões alteradas e também mudar de fase. Eles podem citar ainda que estruturas como viadutos precisam de juntas de dilatação para que não ocorram rachaduras ou rompimento da estrutura quando sua temperatura variar e ocorrer a dilatação térmica. 3. Essa questão possibilita verificar se os estudantes conseguem diferenciar o calor utilizado na mudança de temperatura e o utilizado na mudança de fase. Eles devem citar que o calor sensível é a quantidade de calor que foi recebida ou perdida na mudança de temperatura de uma substância ou de um corpo. Já o calor latente é a quantidade de calor relacionada à mudança de fase, que altera o estado de agregação das partículas que compõem a substância. 4. Espera-se que os estudantes mencionem o fato de que um sistema termodinâmico é composto de matéria e energia, cujas quantidades são mantidas dentro de uma fronteira, limitando a região a ser estudada. 5. Espera-se que no esquema elaborado pelos estudantes sejam relacionados os sistemas aberto, fechado e isolado, caracterizando-os pela maneira em que se dá sua interação com o meio ou pela ausência da interação. Os estudantes poderão mencionar a panela de pressão, a atmosfera terrestre e a caixa térmica como exemplos para cada tipo de sistema, respectivamente, ou outros dispositivos que estejam relacionados ao seu cotidiano. 6. Espera-se que os estudantes respondam que a água não escoa em razão da pressão atmosférica que atua equilibrando a coluna de água no interior do copo, assim como ocorre no experimento de Torricelli, no qual a pressão atmosférica equilibrou a coluna de mercúrio no interior do tubo utilizado no experimento.

259,2 · 103 V 1. Φ = _ ⇒ 72 = _ ∴ Δt = 3600 s = 1 h Δt Δt

Unidade 4 Energia e

A2 F1 F2 9 · R21 ⇒ F2= _ · F1= _ · 10 ⇒ F2= 9 0N 3. b ) _ = _ A1 A2 A1 R1

5. Como o objeto encontra-se em equilíbrio, a força resultante sobre ele é nula. · Vobj ⇒ E = Fp ⇒ dL · g · Vd = dobj · g ⇒ dL · Vd = dobj · Vobj ⇒ 2 · Vd = 0,8 · Vobj ⇒ ⇒ Vd = 0,4 · Vobj ⇒ Vd = 40% Vobj 6. a ) E = P ⇒ d · V · g = m · g ⇒ 0 ,8 · V = 500 ∴ V = 625 c m3 b ) E = d · V · g = 800 · 625 · 10−6· 10 = 5 N

sub.· g = m · g ⇒ d água· Vsub= mgelo 7. E = P ⇒ dágua· V gelo =d gelo · Vgelo ⇒ dágua · 0,9 · Vgelo = dgelo · V 0,9 · 1 025 ∴ dgelo = 9 22,5 kg/ m 3 dgelo = 0,9 · dágua = 8. Não, porque uma força aplicada no pistão de menor área de um elevador hidráulico realiza trabalho sobre ele, causando certo deslocamento e, em razão do princípio de Pascal, uma força de maior intensidade é aplicada no pistão de maior área, realizando o mesmo trabalho, de forma que esse pistão sofre um deslocamento menor, ou seja, a energia fornecida ao sistema se conserva, ocorrendo apenas uma multiplicação da força aplicada. 9. FT + FP = E ⇒ FT + m · g = dL · g · Vd ⇒ ⇒ FT + 0,8 · 10 = 1 000 · 10 · 3,5 · 10 −3⇒ ⇒ FT = 35 − 8 ∴ FT = 27 N

Respostas - Página 227

= 0,01 m3/s 2. Φ = A · v = 20 · 10−4· 5 ϕ = A · v = 2,5 · 30 = 75 cm3/s

3. a )     V V 1 ϕ = _ ⇒ Δt = _ = _ ∴ ∆ t = 1,3 · 10−2s Φ 75 Δt b ) ϕ = A · v ⇒ 75 = 2 · v ∴ v = 37,5 cm/s ΔV 1 000 ∴ ϕ = 5 L/min 4. a ) ϕ = _ = _ 200 Δt

π · 52∴ A ≃ 79 cm2 ou A ≃ 7,9 · 10−3 m2 b ) A = π · R2= −3 3 ϕ = 5 L/min = 5 · 10 m /min 5 · 1 0−3= 7 ,9 · 10−4· v ∴ v = 0,63 m/min ϕ = A · v ⇒ 5. A1· v 1= A2· v2⇒ 6 · 5 = 3 · v2∴ v2= 10 m/s

Sociedade

Objetivos da unidade

• Elencar vantagens e desvantagens de cada tipo de usina elétrica que faz parte da matriz energética brasileira. • Conceituar grandezas elétricas e analisar o consumo e a eficiência de aparelhos elétricos. • Analisar como ocorrem as reações de fissão e fusão nuclear. • Analisar acidentes relacionados a reações nucleares a fim de refletir sobre os cuidados necessários para evitá-los. • Compreender os princípios da relatividade de Einstein (1879-1955), reconhecendo o contexto histórico e científico no qual ela foi desenvolvida.

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• Compreender o espectro de radiação de um corpo aquecido e sua importância para a criação da Mecânica quântica. • Compreender a dualidade da luz: de onda e de partícula.

Justificativas Ao abordar a geração e a transmissão de energia elétrica, os estudantes a analisam e descrevem as principais vantagens e desvantagens dos tipos de usina, além de elencar possíveis medidas de uso consciente e responsável dessa energia. Tais temas contribuem para desenvolver as habilidades EM13CNT106, EM13CNT309 e EM13CNT310. Para que os estudantes analisem todo o processo de geração e distribuição de energia elétrica, essa unidade os incentiva a analisar a estrutura atômica de materiais bons e maus condutores, o que contribui para desenvolver a habilidade EM13CNT307. Outros conceitos abordados que também auxiliam os estudantes a refletir sobre medidas para reduzir o consumo de energia elétrica são o de resistência e de potência elétrica, colaborando para o desenvolvimento das habilidades EM13CNT107 e EM13CNT308. Além disso, serão tratados conceitos sobre as reações nucleares apresentando alguns acidentes nucleares e a aplicação da fissão nuclear na geração de energia elétrica, colaborando para desenvolver as habilidades EM13CNT103 e EM13CNT104 em conjunto com os componentes curriculares de Biologia e Química. Ainda serão abordados a teoria da relatividade de Einstein e o desenvolvimento da Física quântica, incentivando a valorização do conhecimento científico construído ao longo do tempo, o que contempla as Competências gerais 1, 2 e 7 e as Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 3.

Abertura da unidade - páginas 232 e 233 Ao trabalhar as páginas de abertura da unidade, pergunte aos estudantes o que eles sabem sobre energia nuclear e radioatividade. Possivelmente, citarão situações negativas, como bombas atômicas, lixo nuclear, câncer, mutações, entre outros. É até esperado que haja certo nível de receio por parte da população geral quando o assunto é radioatividade, em razão dos desastres nucleares em usinas e das bombas atômicas. Enfatize que a radioatividade não tem somente aspectos negativos, mas também positivos, com muitas aplicações mais próximas de nosso cotidiano, como na Medicina, na geração de energia elétrica e na esterilização de lavouras. Diga aos estudantes que, assim como ocorre em qualquer outra área da Ciência, a aplicação da radioatividade deve ser tratada de forma ética e consciente, respeitando as medidas de segurança e seguindo métodos.

Respostas a ) Espera-se que os estudantes respondam que isso é possível pelo incentivo de formas de energia renováveis e por estudos sobre os impactos na área onde será implantado determinado tipo de usina elétrica, dando preferência a usinas que agridam

menos o ambiente e gerem menos danos sociais, como o deslocamento de comunidades. b ) O objetivo dessa questão é fazer os estudantes compartilharem seus conhecimentos com os colegas. Eles podem citar acidentes nucleares como os de Chernobyl (1986), Goiânia (1987) e Fukushima (2011), este o mais recente. c ) Resposta pessoal. Espera-se que eles comentem que essa área estuda fenômenos na escala subatômica e teve origem no conceito da quantização de energia absorvida e/ou emitida pelos átomos, isto é, os átomos só podem absorver e emitir energia em quantidades específicas (discretas).

Capítulo 15 - Energia elétrica e Sociedade - páginas 234 a 243 Objetivos do capítulo • Identificar as principais fontes de energia renováveis e não renováveis utilizadas no Brasil. • Analisar os impactos do aumento no consumo de energia elétrica na sociedade e no meio ambiente. • Compreender o funcionamento de diferentes usinas elétricas. • Avaliar os aspectos positivos e negativos das usinas elétricas.

Páginas 234 a 241 BNCC em contexto A abordagem das páginas 234 e 241 favorece o desenvolvimento da Competência específica 3 da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias e a habilidade EM13CNT310 ao possibilitar aos estudantes que reflitam sobre as tecnologias relacionadas à geração de energia elétrica, além de identificar necessidades locais e regionais em relação à oferta e à demanda desse tipo de energia, buscando avaliar e/ou promover ações que melhorem a qualidade de vida das pessoas. Caso julgue conveniente, utilize a estratégia Debate ao abordar a questão 1. Mais orientações sobre essa estratégia estão nas páginas XI e XII destas Orientações para o professor. Oriente os estudantes a formar duplas e peça-lhes que pesquisem na internet reportagens que auxiliem na resposta e que as anotem no caderno. Incentive-os a pesquisar os impactos ambientais causados pelas diferentes usinas que geram energia elétrica (termelétricas que usam combustíveis fósseis, instalação de barragens para usinas hidrelétricas, resíduos radioativos de usinas nucleares etc.), além de fontes renováveis para a geração de energia elétrica, como energia eólica, solar, biomassa, entre outras. Comente que, segundo os dados de consumo de energia elétrica divulgados pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), contidos na página 234 do Livro do Estudante, esse consumo tem aumentado nos últimos anos. Comente também que essa tendência pode estar relacionada ao crescimento populacional, assim como ao aumento do acesso a aparelhos eletrônicos.

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Integrando o conhecimento A tabela da página 234 favorece um trabalho com o componente curricular de Geografia. Junto ao professor desse componente, sugira aos estudantes que analisem o consumo de energia elétrica informado na tabela considerando as distribuições demográfica e de renda. Promovam uma discussão sobre os principais fatores que influenciam o consumo. Sugira aos estudantes que acessem o site indicado como fonte dos dados da tabela para obter mais informações sobre o consumo de energia elétrica no Brasil. Esse tipo de pesquisa incentiva os estudantes a utilizar ferramentas das culturas juvenis para obter informações sobre temas relevantes em nossa sociedade.

Compartilhe ideias - página 234 Nesse boxe, os estudantes devem analisar o uso de energia elétrica no cotidiano deles e, com isso, refletir se são consumidores conscientes ou não. Eles podem se lembrar de diversas atividades relacionadas ao uso de aparelhos elétricos, como usar o celular ou o computador; preparar alimentos em um liquidificador; iluminar ambientes com lâmpadas; tomar banho aquecido com chuveiro elétrico; passar roupa; armazenar alimentos na geladeira ou aquecê-los no micro-ondas etc. Também podem pensar em atitudes como não deixar lâmpadas ligadas em ambientes desocupados; não demorar muito no banho; desligar os aparelhos elétricos que não estejam sendo utilizados; comprar aparelhos que economizem energia elétrica etc. Ao trabalhar as usinas elétricas na página 235, comente que os longos períodos sem chuva, que colaboram para que o nível nos reservatórios de água diminua, bem como a falta de investimentos por parte do governo para distribuir energia por meio de fontes alternativas, implicam problemas na oferta de energia. Explique que isso já causou períodos de apagão no Brasil nos anos de 2001, 2002 e 2021, o que acarretou grandes prejuízos para a população.

Compartilhe ideias - página 236 Essa atividade contribui para desenvolver o pensamento computacional ao incentivar os estudantes a usar fundamentos da computação para organizar as etapas de obtenção e análise dos dados e a plotagem do gráfico sugerido. É importante, nesse processo, orientá-los para que dividam a atividade em etapas, a fim de facilitar a elaboração de uma solução. Acesse os infográficos disponíveis no site da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) para identificar as principais fontes de energia elétrica no Brasil, auxiliando os estudantes na atividade proposta. Disponível em: https://www.epe.gov.br/pt/abcdenergia/matriz-energetica-e-eletrica. Acesso em: 30 set. 2024. Solicite aos estudantes que organizem os dados de forma que consigam montar um gráfico de setores, conforme mostrado na página. Com base nele, podem verificar se há mais fontes renováveis ou não renováveis na matriz elétrica da região onde vivem. Quando iniciar a página 237, explique aos estudantes que, embora a energia elétrica seja gerada pelas hidrelétricas como uma fonte renovável, implantar esse tipo de usina causa problemas sociais e ambientais. Os sociais se referem diretamente

à população que vive ao redor da área onde será construída a barragem. Já em relação aos impactos ambientais, o acúmulo de água inundará e destruirá grandes áreas de vegetação, além de modificar e/ou prejudicar a biodiversidade da região. Ao citar as usinas termelétricas, comente com os estudantes que o Brasil tem em torno de 319 dessas usinas, que são acionadas em períodos de estiagem como forma de suprir a demanda nos horários de pico. Entretando, elas tornam a conta de luz mais cara e são altamente poluentes, pois a queima de combustíveis fósseis contribui para o aquecimento global e a emissão de poluentes causadores de problemas respiratórios.

Atividade extra Ao finalizar o capítulo, proponha um júri simulado sobre a implantação de uma usina nuclear em sua cidade. Divida os estudantes em grupos: uma equipe com cinco integrantes representa pessoas favoráveis à implantação da usina; outra, também com cinco estudantes, representa os que são contrários à sua instalação; o restante da turma representa os jurados, que ouvem e anotam as principais justificativas dos dois grupos, votam e argumentam no debate. Os grupos podem usar slides, vídeos, cartazes e outros materiais para ilustrar suas alegações. Estipule as regras do debate, como tempo disponível para cada grupo, réplicas e preparo do tema, que podem ser combinadas com o auxílio dos estudantes. Você pode atuar como juiz ou designar algum estudante, indicado por votação.

Acompanhando a aprendizagem Após a exposição dos tipos de usinas elétricas nas páginas 237 a 239, peça aos estudantes que se sentem em pares para responder à atividade 2 da página 242. Solicite o compartilhamento das respostas com a turma, discutindo sobre a importância das fontes de energia renováveis. Ao final do capítulo, solicite aos estudantes um infográfico com os pontos positivos e negativos de cada usina elétrica, que pode ser feito digitalmente ou à mão. Esses infográficos podem ser realizados individualmente ou em duplas e finalizados com uma apresentação para a turma ou à comunidade escolar.

Ligado no tema - páginas 240 e 241 Objetivos • Reconhecer a importância da busca por energias renováveis. • Identificar as iniciativas de energia renovável na matriz energética brasileira. • Conhecer as vantagens e desvantagens das energias renováveis. Orientações Durante a leitura da seção, verifique se os estudantes identificam os impactos ambientais causados, entre outros fatores, pelo uso excessivo de combustíveis fósseis e se reconhecem a necessidade de buscar fontes renováveis de energia. Verifique também o que eles entendem por fontes renováveis de energia; se necessário, promova uma conversa sobre esse assunto antes de prosseguir com a leitura da seção.

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Incentive os estudantes a pesquisar informações complementares ao abordar as questões e a trabalhar em grupos, desenvolvendo a Competência geral 9.

Respostas - Páginas 242 e 243 1. Ambas as afirmativas podem ser consideradas verdadeiras. No caso da afirmativa a, as turbinas e os geradores das usinas elétricas não produzem energia, apenas transformam energia de diferentes fontes em energias mecânica e elétrica. Na afirmativa b, considerando a participação da energia solar no ciclo da água, na movimentação de massa de ar na atmosfera e na fotossíntese das plantas soterradas e, consequentemente, transformadas em petróleo, o Sol atuou como fonte primária da energia da água, do vento e dos combustíveis fósseis. 2. a ) As principais vantagens das usinas hidrelétricas se referem à utilização de fonte renovável de energia, ao fato de não emitirem gases poluentes e ao baixo custo para gerar energia. b ) As usinas hidrelétricas são afetadas pela falta de chuva, o que pode diminuir o nível dos reservatórios, prejudicando assim a geração de energia elétrica. Já as usinas solares fotovoltaicas podem ser afetadas pelo mau tempo ou céu nublado, diminuindo o potencial de gerar energia elétrica, pois dependem da luz solar. 6. O argumento contra a energia nuclear não está de todo equivocado, pois fatores humanos, como erros no manuseio dos equipamentos e catástrofes ambientais espalhando material radioativo nos solos, além de ser alvo em período de guerras, tornam essa energia perigosa. Contudo, ela é sustentável e atende às necessidades da população atual sem comprometimento das gerações futuras e com os devidos cuidados. Além disso, é considerada uma energia limpa e economicamente viável, desde que siga uma série de padronizações, o que ajuda a reduzir os preços de energia elétrica. 10. A queima de biomassa e gás natural libera dióxido de carbono ( CO2) e metano (CH4), ambos gases de efeito estufa e que contribuem para o aquecimento global. Embora o dióxido de carbono liberado seja recapturado por novas plantas, o ciclo pode ser ineficiente e a captura pode não compensar totalmente as emissões. Além do dióxido de carbono, a combustão de biomassa libera outros poluentes, como monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio ( NOx), compostos orgânicos voláteis e material particulado, que não são recapturados. 11. a ) Inicialmente, as placas solares e as torres de energia eólica captam a energia solar e dos ventos, respectivamente, e convertem em energia elétrica. Essa energia é armazenada em baterias, que alimentam o equipamento que faz a hidrólise da água. Esse processo libera hidrogênio, que é armazenado em tanques, que abastecem caminhões, e estes, por sua vez, distribuem o produto.

Capítulo 16 - Transmissão de energia elétrica - páginas 244 a 268 Objetivos do capítulo • Identificar as diferenças entre condutores e isolantes. • Descrever o princípio de conservação de cargas elétricas. • Compreender os três processos de eletrização (atrito, contato e indução). • Calcular a intensidade da força elétrica entre duas cargas pontuais utilizando a fórmula da lei de Coulomb. • Explicar o conceito de campo elétrico e sua relação com as forças exercidas sobre cargas de prova. • Descrever o significado das linhas de campo elétrico e sua indicação de direção e o sentido do campo elétrico. • Definir o conceito de potencial elétrico e como ele se relaciona com a energia potencial de uma carga em um campo elétrico. • Explicar o funcionamento e as aplicações do capacitor elétrico. • Descrever o conceito de corrente elétrica. • Explicar a diferença entre corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA). • Analisar a relação entre corrente, tensão e resistência em um circuito elétrico simples. • Identificar os componentes básicos de um circuito elétrico (resistores, capacitores, fontes de energia etc.). • Explicar a relação entre potência elétrica, corrente e tensão.

Páginas 244 a 254 BNCC em contexto A abordagem das páginas 244 a 254 favorece o desenvolvimento das Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 3 e a habilidade EM13CNT307, pois fornece subsídios que possibilitam aos estudantes analisar propriedades dos materiais a fim de avaliar sua utilização em diferentes aplicações, cotidianas ou tecnológicas, e propor soluções seguras e sustentáveis. Ao iniciar a abordagem da página 244, apresente aos estudantes o conceito de circuito elétrico por meio de um exemplo de circuito elétrico simples, composto de uma pilha com fios conectados a uma lâmpada. Se julgar interessante, monte esse circuito para demonstrar aos estudantes que a pilha é a fonte de energia análoga à usina geradora cuja energia chega até a lâmpada (o usuário) por meio de um circuito (sistema de distribuição). Em relação à supercondutividade, na página 245, se julgar conveniente, mostre à turma vídeos sobre o fenômeno da levitação magnética. O da Universidade de Sherbrooke explica a relação entre a temperatura e o fenômeno da supercondutividade. Disponível em: https://www.youtube.com/ watch?v=LpNHC9o8fEU. Acesso em: 30 set. 2024.

Prática científica - página 247 Objetivos • Identificar os processos de eletrização por atrito, contato e indução. • Analisar a distribuição e a conservação das cargas elétricas.

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Orientações Essa atividade pode ser proposta antes ou depois da apresentação dos processos de eletrização. Antes da apresentação, é uma forma de analisar os conceitos prévios dos estudantes sobre o assunto. Após a explicação, constitui um meio de demonstrar e analisar possíveis dúvidas e equívocos sobre os processos de eletrização e carga elétrica. Comente com os estudantes que eles podem utilizar papel sulfite para substituir o pano de lã e canudos de plástico para bebidas para substituir o bastão de plástico. Ao final da atividade, os materiais podem ser usados em outras atividades práticas, com exceção do papel-alumínio, que deve ser reciclado. Na página 252, comente que as linhas de campo elétrico permitem descobrir a direção e o sentido do vetor campo elétrico, pois este apontará na direção e no sentido que tangencia a linha de campo. O módulo do campo elétrico, por sua vez, é estimado pela proximidade entre as diferentes linhas de campo, sendo maior onde a densidade de linhas é maior, e vice-versa. Ao relacionar o trabalho com a diferença de potencial, explique aos estudantes que trabalho é uma grandeza relacionada com a variação da energia entre dois corpos ou sistemas, sendo determinado também pelo produto entre a força aplicada e o deslocamento causado. Assim, temos: τ AB = F · Δ sAB ⇒ ⇒ τ AB = ΔEAB = EA − E B. Para mover uma carga qao longo de uma linha de força de um campo elétrico entre dois pontos A e B, é necessário que a força elétrica realize trabalho sobre ela, variando assim sua energia potencial elétrica, de forma que: τ FE = EPEA − EPEB. Como a energia potencial elétrica é dada por k · Q · q e o potencial elétrico é dado pela expressão EPE = _ d k · Q V = _ , chegamos à seguinte expressão: τ FE = EPEA − EPEB ⇒ d τ FE ⇒ τ FE = q · ( VA − VB)⇒ τ FE = q · U ∴ U = _ . q

Páginas 257 a 264 Ao abordar o tema Corrente elétrica na página 257, explique que a velocidade dos elétrons (velocidade de deriva) geralmente é da ordem de mm/s(milímetros por segundo).

BNCC em contexto A abordagem das páginas 257 a 260 favorece o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3 e a habilidade EM13CNT308, pois proporciona aos estudantes a capacidade de analisar o funcionamento de equipamentos eletroeletrônicos e de compreender as tecnologias contemporâneas. Ao trabalhar o tema Resistência elétrica na página 259, é possível utilizar um modelo mecânico para a resistência elétrica composto de um plano inclinado com pregos. Esferas são liberadas do alto da rampa e, de acordo com a densidade dos pregos, as esferas se deslocarão com mais ou menos dificuldade, eventualmente ficando presas pelo caminho. Um exemplo do experimento pode ser visto no vídeo indicado a seguir. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v= 9seY1f76D-4. Acesso em: 30 set. 2024.

Automação do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica - página 261 No boxe complementar Automação do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica, da página 261, comente que, graças a esses sistemas automatizados empregados no sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica, é possível isolar problemas que ocorrem na rede e evitar grandes apagões. Essa pode ser uma oportunidade para abordar o projeto de vida dos estudantes, visto que a área de automação necessita de profissionais capacitados para produzir os programas e sistemas de monitoramento e as inteligências artificiais que identificam e corrigem as falhas automaticamente. Portanto, eles devem procurar uma formação profissional na área de programação e computação para desenvolver tais programas. Essa abordagem contribui para trabalhar o tema contemporâneo transversal Trabalho, além de aspectos das culturas juvenis.

Atividade extra Para trabalhar com circuitos, pode ser realizada uma atividade com o uso do simulador on-line Phet, disponível em: https://phet.colorado.edu/pt/simulations/circuit-cons truction-kit-dc-virtual-lab. Acesso em: 30 set. 2024. Antes da atividade, os estudantes devem pesquisar sobre o uso do amperímetro e do voltímetro. No simulador, solicite que construam um circuito simples com pelo menos uma fonte de tensão, um resistor e lâmpadas. Peça-lhes que utilizem o amperímetro para medir a corrente em diferentes partes do circuito e o voltímetro para medir a diferença de potencial em diversos pontos. Após as medições, discuta com os estudantes as variações na corrente e na tensão observadas em diferentes pontos do circuito e a relação entre a configuração do circuito e os valores medidos.

Prática científica - páginas 262 e 263 Objetivos • Investigar as grandezas físicas associadas a um circuito elétrico simples. • Realizar medidas de tensão e de correntes elétricas usando um multímetro. • Identificar os riscos de conectar diversos aparelhos elétricos a uma mesma tomada ao comportamento das grandezas tensão e corrente elétrica. Orientações Se julgar pertinente, explique aos estudantes que os fusíveis são projetados para suportar uma corrente máxima. Se excedido o valor tolerável para a corrente elétrica que passa por ele, o fusível se rompe, interrompendo a passagem da corrente. Comente também que em residências há outros equipamentos de segurança, como os disjuntores, que desligam o circuito elétrico em situações de risco, por exemplo, quando a corrente extrapola os valores permitidos. Para montar o experimento, o ideal é que os LEDs sejam do mesmo modelo, pois algumas especificações técnicas podem variar, como a corrente elétrica necessária para ligá-

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Respostas - Páginas 255 e 256 4. A carga elétrica líquida será positiva, pois a quantidade de prótons restante é maior do que a de elétrons. Ela será 023)· 1,6 · 10−19∴ dada por: Q = n · e = ( 6 · 1024− 4 · 1 5 ∴ Q = 8 ,96 · 1 0 C. 9. Montando um diagrama da situação, temos:

Conexões com... - página 264 A abordagem dessa seção contribui para o desenvolvimento dos temas contemporâneos transversais Ciência e tecnologia, Saúde e Educação alimentar e nutricional. Além disso, permite a integração de conceitos trabalhados pelos componentes curriculares que compõem a área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, contribuindo para o desenvolvimento das Competências gerais 2 e 8 e da Competência específica 3 da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, pois os estudantes são incentivados a utilizar conhecimentos científicos para avaliar situações relacionadas à própria saúde, por exemplo. Comente com os estudantes que a impedância pode ser interpretada como a resistência elétrica total de um circuito e que sua medida depende das resistências elétricas de cada elemento do circuito. No caso do corpo humano, os órgãos internos, os músculos, a gordura, a pele, entre outras partes, têm valores de resistência elétrica diferentes. Enfatize a importância do acompanhamento médico para a manutenção da saúde, pois é perigoso tomar atitudes por conta própria em relação à alimentação em razão do risco de desenvolver distúrbios nutricionais.

Páginas 266 e 267 BNCC em contexto A abordagem das páginas 266 e 267 favorece o desenvolvimento da Competência específica 3 da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias e a habilidade EM13CNT308, pois leva os estudantes a desenvolver a capacidade de analisar o funcionamento de equipamentos eletroeletrônicos e compreender as tecnologias contemporâneas. Além disso, ao trabalhar o tema Cuidados com a energia elétrica, são abordados possíveis danos à saúde causados pelo uso incorreto de energia elétrica e dos aparelhos eletroeletrônicos, visando à segurança, o que colabora para o desenvolvimento das habilidades EM13CNT306 e EM13CNT309.

Cuidados com a energia elétrica página 267 Ao abordar os Cuidados com a energia elétrica da página 267, apresente aos estudantes a entrevista (em áudio) do professor Eduardo Asada, do Departamento de Engenharia Elétrica e Computação da Escola de Engenharia de São Carlos da USP, publicada no Jornal da USP, que trata dos perigos do choque elétrico para o corpo humano, como evitar acidentes fatais com eletricidade e o que acontece quando uma corrente elétrica percorre o corpo humano. Disponível em: https://jornal.usp.br/atualidades/evitar-riscos-desnecessa rios-a-melhor-prevencao-contra-choques-eletricos/. Acesso em: 30 set. 2024.

x q

Sergio Lima/ Arquivo da editora

-los. Também é necessário observar as especificações do LED comprado, como material, potência, tensão, corrente e as relações entre essas grandezas. É importante atentar à leitura da corrente, pois o posicionamento errado da ponta de prova do multímetro pode danificar o equipamento.

1m Representação das posições das cargas.

Para que a carga de prova fique em equilíbrio, as forças exercidas pelas cargas fixas sobre ela devem ser iguais, portanto:

| |

k · QA · | q| k · QB · | q| _ = _ ⇒ FAq = FBq ⇒ x 2 y 2 9 · 10 9· 1 8 · 10 −6· q ____________________ 9 · 10 9· 2 · 1 0 −6· q =    ⇒ ⇒ _____________________ x 2 y 2 _ _ 162 · 1 0 3· q · y 2    ⇒ √ x 2 = √ 9 · y 2 ∴ x = 3 · y ⇒ x 2= ________________ 3 18 · 1 0 · q

Como a distância total mede 1 m, temos que: x + y = 1 ⇒ ⇒ 3 · y + y = 1 ⇒ 4 · y = 1 ∴ y = 0,25 cm e x = 75 cm. 10. Considerando o referencial positivo para a direita e sabendo que E12é o campo elétrico da carga q1 e que E32 é o campo elétrico da carga q3, ambos na posição de q2, temos que o módulo do campo resultante vale: k · q3 k · q1 E12 ⇒ E = _ 2 − _ 2 ⇒ E = E 32 − d d 9 · 10 9· 4 ,0 · 1 0 −6 __________________ 9 · 10 9· 16 · 10 −6    −    ⇒ ⇒ E = ___________________ 2 2 d (2 · d) 36 · 1 0 3 _ 36 · 10 3 − ∴ E = 0 N/C ⇒ E = _ d 2 d 2

12. Sabendo que 4 cm = 4 · 10−2_ m e que a diagonal do quadrado mede d = lado · √ 2 , temos: 9 · 10 9· ( − 9 · 1 0 −6) k · Q1 ⇒ V 1 = ___________________    ⇒ V1 = _ d1 4 · 10 −2 − 81 · 10 3 _ ∴ V 1 ≃ − 2 · 10 6 V ⇒ V1 = 4 · 1 0 −2 k · Q2 9 · 10 9· 15 · 1 0 −6 _ ⇒ _ ⇒ V2 = __________________       V2 = −2 d2 4 · 10 · √ 2

135 · 10 3 ∴ V 2 ≃ 2 ,4 · 10 6 V ⇒V 2 = ___________ 5,6 · 10 −2 Então, o potencial resultante VR vale: VR = V1 + V2 ⇒

⇒V R = − 2 · 10 6+ 2 ,4 · 10 6∴ VR = 4 · 1 0 5 V. Q Q 13. Pela relação da capacitância, temos: C = _ ∴ U = _ . U C Quadruplicando a carga elétrica acumulada pelo capacitor, a diferença de potencial também será quadriplica4 · Q 4 · Q  ∴ U’= 4 · U . da: C’ = _  ⇒ U’= _ U’ C’

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15. 01) Falsa, pois atração e repulsão são explicadas pelo campo elétrico, que é uma propriedade da carga, e a força elétrica nos diz o quanto a carga é atraída ou repelida pela equação F = E · q. 02) Falsa, pois as linhas de campo elétrico saem das cargas positivas e entram nas cargas negativas. 04) Falsa, pois mesmo elas sendo diretamente proporcionais, para uma carga positiva 3Q e uma carga negativa Q, a direção do campo elétrica é contrária à direção da força. τFE FE· d _ = E · d ⇒ 08) Correta. 16) Correta, pois U = _ = q q U ⇒ ∴ E = _ que tem como unidade o volt por metro ( V/m). d

Respostas - Página 265

1. A quantidade de carga pode ser obtida por meio da área (B + b)· h (8 + 2)· 46 · 10−3 do gráfico: Q = área = _ = _______________    ∴ 2 2 ∴ Q = 0,23 C. Aplicando a relação da carga elétrica, temos: Q = n · e ⇒ 0,23 ⇒ ⇒ 0,23 = n · 1,6 · 10 −19⇒ n = _ 1,6 · 10 −19 ⇒ ∴ n = 1 ,44 · 10 18 elétrons. 3. a ) Aplicando a relação da lei de Ohm, temos: U = R · i ⇒ ⇒ 12 = 10 000 · i ∴ i = 1,2 · 10−6 A. b ) Aplicando a relação da primeira lei de Ohm, temos: U = R · i ⇒ 12 = 1 000 · i ∴ i = 0 ,012 A. 5. 01) Verdadeira. Com base na relação da segunda lei de 8 L ∴ R = 3 2 Ω. Ohm: R = ρ · _ = 1,6 · 10 −5· _ A 4 · 10 −6 02) Falsa. Pela primeira lei de Ohm: U = R · i = 32 · 4 ∴ U = 128V. 04 ) Falsa. A resistência é diretamente proporcional ao comprimento; logo, se o comprimento cai pela metade, sua resistência também cai pela metade. 08) Verdadeira. 4 6. Na associação em série: U = Req· i ⇒ 12 = ( R1+ R2)· _⇒ 3 ⇒ R1+ R2= 9. R1 · R2 · 5 ,4 ⇒ Na associação em paralelo: 12 = _ R1 + R2 R1 · R2 ⇒ 12 = _ · 5 ,4 ⇒ R1 · R2 = 20. 9 Temos, então, as seguintes equações: R1 + R2 = 9 ⇒ R1 = 9 − R2     {R1 · R2 = 2 0 ⇒ ( 9 − R2)· R2 = 2 0 ⇒ − R2 2= 20 ⇒ R2 2− 9 R2 + 20 = 9 R2        0 _______________

9 ± √ (   − 9) − 4 · 1 · 20 R2 = ____________________    2 As raízes são R2 = 5ou R2 = 4. 2

Logo, temos: R2 = 5 Ω ⇒ R1 = 4 Ωe R2 = 4 Ω ⇒ R1 = 5 Ω. 7. Nas associações em paralelo, temos que: 1 1 1 _ + _ = 100 Ω. = _ Req 200 200 Na associação em série, temos que: 00 = 200 Ω. Req = 100 + 1

Respostas - Página 268 2. Aplicando a relação da potência elétrica, temos: P = U · i ⇒ 3 500 = 220 · i ⇒ i = 1 5,9 A. 3. Associando primeiro R4com R5, que estão em paralelo, e posteriormente com R3: 1 1 1 1 _ 1 2 _= _ + _ = _ + = _ ⇒ Req1 = 2 ∴ R eq1 = 2 Ω Req1 R4 R5 4 4 4 R eq1 + R3 = 2 + 3 = 5 ∴ Req2 = 5 Ω Req2 = R2 = 1 + 2 = 3 ∴ Req3 = Associando R1 com R2: Req3 = R1 + = 3 Ω. Temos: R eq3

R6 Req2 Representação do circuito elétrico com as resistências equivalentes.

Eduardo Carriça/ Arquivo da editora

Q 14. Pela relação da capacitância, temos: C = _⇒ 20 · 10−6= U Q = _ ∴ Q = 1,2 · 10−3 C. 60

Assim, associando Req3 com Req2, tem-se Req4: 8 1 1 1 1 _ 1 _ _ = _ + _ = _ + = ⇒ Req4 Req3 Req2 3 5 15 15 15 ∴ Req4 = _ Ω. ⇒R eq4 = _ 8 8 Por fim, associando Req4 com R6 em série: 15 _ 16 1 Req = Req4 + R6 = _ + ⇒ R eq = _ ∴ R eq = 2 Ω. 8 8 8 Logo, a potência dissipada pelos resistores é dada por: U 2 10 2 P = 5 0 W. P = _ = _∴ 2 R

4. Consumo de energia: E = P · Δt ⇒ E = 2 000 · 4 · 3 0 ∴ E = 240 kWh Custo: 240 · 0,50 = R$ 120,00. 5. I ) Falsa. Aplicando a relação para a quantidade de calor da calorimetria, temos: ,52 · 1 0 5J , 2 · 103· 60 ∴Q = 2 Q = m · c · ΔΤ = 1 · 4 II ) Falsa. Aplicando a relação da potência elétrica, te5 E 2,52 · 10 ∴ P = 168 W. mos: P = _ = _ 25 · 6 0 Δt III ) Verdadeira. Aplicando a relação da potência elétriU2 1102 168 = _∴ R ≃ 72 Ω. ca, temos: P = _ ⇒ R R U2 2202 6. a ) P = _ ⇒ R = _ ∴ R = 8 Ω. 6 050 R U2 1102 R = 1 512,5 Ω. b ) P = _ ⇒ R = _∴ 8 R U2 1102 c ) P = _ ⇒ 6050 = _∴ R = 2 Ω. R R d ) Aplicando a relação do consumo de energia elétrica, E = 3,025 kWh. temos: E = P · Δ t = 6 050 · 0,5 ∴ 7. Espera-se que os alunos discutam que a ideia da pessoa era de aumentar a potência diminuindo a resistência elétrica do chuveiro ao cortar o resistor pela L _ L 2 _ _ R novo= metade, ou seja, R = ρ · ⇒ Rnovo= ρ · ⇒ A A 1 L 1 _ _ _ Rnovo= · R, com isso a corrente elétrica e a = · ρ · ∴ 2 2 A

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potência aumentariam. No entanto, as peças dos chuveiros elétricos têm especificações para funcionar com uma potência específica, o aumento na corrente elétrica poderia gerar sobreaquecimento no resistor, queimando-o, com a possibilidade de causar um acidente também. 8. a ) Como cada célula produz 150 mV e o animal tem 5 700, a ddp total é dada por: U = 5 700 · 150 · 10−3 ∴ U = 855 V. A potência então é dada por: P = U · i = 855 · 2 ∴   ∴ P = 1 710 W. b ) Convertendo o tempo para horas, temos: 1h 1 Δt = 10 s · _∴ Δt = _ h. 3 600 s 360 Assim, a energia elétrica é dada por: EE = P · Δ t = 1 ∴ EE = 4,75 kWh. = 1 710 · _ 360

Capítulo 17 - Geração de energia elétrica - páginas 269 a 277 Objetivos do capítulo • Definir o conceito de gerador e identificar os tipos e suas propriedades. • Compreender o conceito de força eletromotriz. • Identificar como a variação do fluxo magnético em um condutor faz surgir uma corrente elétrica. • Identificar a aplicação da lei de Faraday nos processos de geração de energia elétrica e nos transformadores. • Compreender como a corrente e a tensão alternada são aplicadas na geração de energia elétrica. • Compreender e analisar o funcionamento dos transformadores. • Diferenciar as potências total, útil e dissipada em um gerador. • Definir o conceito de rendimento de um gerador.

Páginas 269 a 275 BNCC em contexto A abordagem das páginas 266 a 268 trabalha as Competências específicas de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e 3, pois possibilita aos estudantes compreender o aprimoramento de tecnologias para obter energia elétrica, além de permitir discussões em relação à utilização tanto das tecnologias tradicionais quanto das inovadoras relacionadas à busca por fontes alternativas de geração de energia. Também possibilita desenvolver a habilidade EM13CNT107 ao abordar o conhecimento sobre o funcionamento de geradores, motores elétricos e seus componentes, bobinas e transformadores com base na análise dos processos de transformação e condução de energia envolvidos. A manchete apresentada na página 269 contempla as habilidades EM13CNT303 e EM13CNT309, pois promove a leitura e a interpretação de textos de divulgação científica e possibilita debates quanto a questões socioambientais, políticas e econômicas relativas à dependência atual de recursos não renováveis e à necessidade de aplicar novas tecnologias, como as dos diferentes tipos de motores de veículos de transporte. Além de desenvolver os temas contemporâneos transversais Ciência e tecnologia e Educação ambiental.

Na página 269, comente a indução eletromagnética explicando que, ao mover um ímã no interior de uma espira, uma corrente elétrica é induzida nela, fenômeno chamado de indução eletromagnética e que deu início à era da eletricidade. Assim, quando um ímã é empurrado para o interior de uma bobina, provoca-se uma voltagem induzida e as cargas no seu fio são movimentadas.

Atividade extra Ao abordar o tema da página 269, aproveite o momento para perguntar aos estudantes: “O processo para acender as lanternas autorrecarregáveis tem algo em comum com uma usina elétrica?”. Espera-se que eles respondam que sim, pois o processo usado nas lanternas é semelhante ao dos geradores das usinas elétricas, em que o movimento relativo entre um ímã e uma bobina induz uma corrente elétrica no condutor. Oriente-os a anotar as respostas ao questionamento, pois o assunto será retomado na página 271, no estudo sobre os conceitos e o funcionamento dos geradores de energia elétrica. Essa atividade contribui para o desenvolvimento da Competência geral 2, pois possibilita à turma exercitar a curiosidade intelectual e recorrer à abordagem própria das Ciências, incluindo a investigação, a reflexão e a análise crítica, para investigar causas e elaborar hipóteses. Ao tratar dos conceitos de força eletromotriz induzida na página 270, ressalte o que é preciso para que ela ocorra em um sistema: é necessário que ocorra apenas movimento relativo entre a fonte de campo magnético e o condutor. Sua intensidade depende da rapidez desse movimento. Ao abordar a página 271, retome as respostas dos estudantes sobre a geração de energia elétrica e ressalte que nos geradores de energia elétrica a voltagem é induzida, movimentando uma bobina, em vez de um ímã, dentro de um campo magnético estacionário.

Compartilhe ideias - página 272 Peça aos estudantes que iniciem essa atividade conversando a respeito do que sabem sobre a utilização de equipamentos com voltagem diferente daquelas fornecidas pela rede de distribuição de energia elétrica, como os celulares. Em seguida, com base no que conversaram, eles devem pesquisar a função dos transformadores no funcionamento de diversos equipamentos elétricos usados cotidianamente. Ao abordar os conceitos de potência e de rendimento de geradores elétricos na página 272, explique aos estudantes que, na transformação de algum tipo de energia – por exemplo, transformação da energia cinética do vento em energia elétrica –, simultaneamente há produção de energia térmica, o que significa que a potência total da transformação será uma composição da potência útil com a potência dissipada na forma de calor. Comente que o conceito de rendimento de um gerador está relacionado à energia total produzida, ou bruta, da qual é diminuída a energia dissipada pelo próprio gerador, resultando em uma potência líquida que será utilizada.

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A guerra das correntes - página 273 Ao trabalhar o conteúdo do boxe A guerra das correntes, na página 273, aproveite para enfatizar a importância dos conhecimentos historicamente construídos e de sua contribuição para o desenvolvimento das Ciências, contemplando, assim, a Competência geral 1. A abordagem desse tema por meio da análise de um filme aproxima os conhecimentos científicos do universo das culturas juvenis ao levar os estudantes a desenvolver uma postura crítica diante desse tipo de mídia. Se julgar oportuno, comente que a energia elétrica é gerada e transmitida para os consumidores na forma de tensão e corrente elétrica alternada. No Brasil, a frequência da rede de energia elétrica é 60 Hz. Na corrente alternada (CA), em vez de se moverem ao longo do condutor, os elétrons executam um movimento oscilatório em torno de uma posição de equilíbrio enquanto a energia elétrica é transmitida. Em uma rede de 60 Hz, os elétrons alternam seu sentido de movimento cerca de 60 vezes por segundo.

BNCC em contexto A atividade sugerida na seção Prática científica, além de exercitar a curiosidade, a investigação, a reflexão e a análise crítica, contribuindo para o desenvolvimento da Competência geral 2, possibilita aos estudantes praticar a empatia, a troca de ideias e o respeito às opiniões dos colegas, o que contempla a Competência geral 9. Também lhes permite analisar a situação-problema e avaliar a aplicabilidade do conhecimento científico e tecnológico, interpretando modelos explicativos para construir, avaliar e justificar conclusões sob uma perspectiva científica, o que contribui para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT301.

Prática científica - páginas 274 e 275 Objetivos • Construir um gerador elétrico simples. • Analisar o processo de transformação de energia em um gerador elétrico. • Descrever os efeitos observados em um gerador e as variáveis que influenciam seu funcionamento. Orientações Auxilie os estudantes na preparação dos materiais e na montagem do dispositivo, principalmente nas etapas nas quais é necessário furar o papelão, a fim de evitar acidentes. Atue como mediador no processo de montagem, incentivando-os a encontrar soluções para os problemas que surgirem. Após a montagem, peça que identifiquem procedimentos que são semelhantes em montagens de geradores elétricos e procurem montar outro tipo de gerador seguindo os mesmos princípios. Oriente os estudantes a se certificarem de que o elástico esteja bem esticado. Caso a polia patine, incentive-os a identificar e solucionar o problema.

Após a atividade, o papelão deve ser encaminhado para reciclagem. Os outros materiais podem ser reaproveitados em outras atividades.

Respostas - Páginas 276 e 277 5. a ) Com base nas informações do enunciado, tem-se Up= 13 800 V, Us= 127 V e Np= 1 0 000 voltas. Assim, utilizando a relação para transformadores: Up _ Np 13 800 10 000 _ = ⇒ _= _ ⇒ 127 Us Ns Ns 127 · 10 000 ∴ N s ≃ 9 2 voltas. ⇒ Ns = ___________ 13 800 s, tem-se: b ) Sendo P = U · i, em que Pp= P

Up · ip = U s · i s ⇒ 13 800 · ip = 1 27 · is ⇒ _ is _ is 13 800 _ ⇒ = ∴ ≃ 108,7. 127 ip ip 6. a ) Utilizando a relação da potência total, temos: Pt= ε · i = 2 · 0 ,1 = 0,2 ∴ P t= 0,2 W. b ) Aplicando a relação da potência dissipada, temos: 0,2 · 0 ,12= 0 ,002 ∴ Pd= 0,002 W. Pd= r · i2= c ) Aplicando a relação da potência útil, temos: Pt− Pd= 0 ,2 − 0,002 = 0,198 ∴ Pu= 0 ,198 W. Pu= 7. a ) U = ε − r · i = 9 − 3 · 0,6 = 9 − 1 ,8 ∴ U = 7,2 V U 7,2 b ) η = _ ε = _ ∴ η = 0,8 = 80% 9

Capítulo 18 - Reações nucleares - páginas 278 a 289 Objetivos do capítulo • Descrever a fissão e a fusão nuclear, identificando os elementos envolvidos em cada processo. • Avaliar os desafios tecnológicos e de segurança associados ao uso da fissão nuclear em reatores. • Conhecer os riscos de um acidente nuclear. • Identificar a diferença entre dose absorvida e dose equivalente. • Analisar os impactos biológicos de diferentes tipos de radiação. • Reconhecer formas naturais e artificiais de radiação. • Descrever as implicações históricas e as consequências do desenvolvimento da bomba atômica.

Páginas 278 a 287 BNCC em contexto A abordagem das páginas 278 a 287 favorece o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e as habilidades EM13CNT103 e EM13CNT104 ao levar os estudantes a analisar criticamente a utilização da energia nuclear para a geração de energia elétrica, assim como fazer uma avaliação dos riscos e benefícios da radioatividade à saúde. Também permite o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3 e da habilidade EM13CNT306, pois possibilita aos estu-

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dantes que apliquem o que aprenderam para defender a adoção de comportamentos de segurança, com intuito de resguardar a integridade física. Além disso, por meio da análise do funcionamento de equipamentos eletrônicos destinados a quantificar os níveis de radiação, eles podem avaliar os impactos sociais e ambientais das radiações, o que contempla a habilidade EM13CNT308. Ao iniciar o capítulo na página 278, explique aos estudantes que a energia é gerada no núcleo do Sol por meio de uma reação chamada fusão nuclear entre dois núcleos de hidrogênio (H), originando um átomo de hélio ( He) e a liberação de energia na forma de radiação eletromagnética (fótons). Entretanto, entre o início e o fim do processo, ocorrem complexas reações em etapas intermediárias, com produção de deutério, por exemplo. Esse processo intermediário entre hidrogênio e hélio é chamado cadeia próton-próton (ou ciclo próton-próton) e pode ser esquematizado como na imagem a seguir.

Heloísa Pintarelli/ Arquivo da editora

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

próton

próton próton

próton

elétron pósitron

raios gama neutrino

raios gama

deutério próton

hélio - 3

deutério pósitron elétron

próton hélio - 4

raios gama

próton

neutrino raios gama

Representação da cadeia próton-próton. Imagem produzida com base em: OLIVEIRA FILHO, K. S.; SARAIVA, M. F. O. Fusão termo-nuclear. Porto Alegre: UFRGS, 2013. Disponível em: http://astro.if.ufrgs.br/estrelas/node10.htm. Acesso em: 9 ago. 2024.

Atividade extra Se julgar conveniente, ao iniciar a página 281, divida os estudantes em oito grupos. Cada grupo deverá pesquisar e apresentar imagens e informações sobre diferentes temas relacionados às radiações. É possível definir antecipadamente qual tema cada grupo pesquisará por sorteio, por exemplo. Alguns temas possíveis: diferentes tipos de radiação (alfa, beta, gama etc.); efeitos das radiações nos organismos; descarte de rejeitos radioativos; acidentes ocorridos ao longo da história (Chernobyl, Goiânia, Fukushima etc.); e equipamentos de proteção individual (EPIs) para proteção radiológica e sua regulamentação. Utilize a estratégia de metodologia ativa Seminário para que eles apresentem as informações pesquisadas aos colegas. Para isso, confira orientações sobre essa estratégia nas páginas XI e XII destas Orientações para o professor. Ao abordar na página 281 os acidentes nucleares, comente que a energia nuclear é muito útil para fins medicinais ou para gerar energia elétrica, mas que, mesmo nesses casos,

podem ocorrer acidentes, causando a morte de muitas pessoas e afetando o meio ambiente. Explique aos estudantes o acidente no município de Goiânia, que ocorreu por conta de um descarte inadequado de material radioativo. Para mais informações sobre esses acidentes, acesse o artigo a seguir: GOVERNO DO ESTADO DE GOIÁS. Secretaria da Saúde. História do Césio 137 em Goiânia. 21 jan. 2020. Disponível em: https://goias.gov.br/saude/historia-do-cesio -137-em-goiania/. Acesso em: 31 out. 2024. Se julgar interessante, as referências a seguir tratam dos acidentes radioativos de Fukushima, em 2011, e Chernobyl, em 1986. • JAPÃO eleva gravidade de vazamento radioativo em Fukushima; entenda. BBC News Brasil, 21 ago. 2013. Disponível em: https://www.bbc.com/portuguese/ noticias/2013/08/130821_fukushima_entenda_vazamento_ nuclear_mm.shtml. Acesso em: 31 out. 2024. • CHERNOBYL 37 anos depois: sobrevivente conta o que aconteceu após desastre nuclear. National Geographic, 26 abr. 2023. Disponível em: https://www. nationalgeographicbrasil.com/historia/2023/04/chernobyl -37-anos-depois-sobrevivente-conta-o-que-aconteceu -apos-desastre-nuclear. Acesso em: 31 out. 2024.

Medidores de radiação - página 283 No boxe Medidores de radiação da página 283, explique também que a maior parte dos exames médicos é inofensiva, como o raio-X dentário. Outros, como a tomografia computadorizada, expõem o paciente a doses maiores de radiação; entretanto, os profissionais de saúde têm bastante conhecimento sobre esses fatos, e os benefícios de tais exames são relevantes para que o tratamento médico correto seja administrado. Além disso, são realizados com pouca regularidade, assim a somatória da dose de radiação anual permanece inferior ao nível de risco. Tudo isso é bem diferente das situações relatadas dos acidentes nucleares, em que as doses foram extremamente altas. Mais informações sobre as radiações e como elas fazem parte do cotidiano podem ser encontradas no site da Agência Internacional de Energia Atômica (Iaea). Disponível em: https://www.iaea.org/Publications/Factsheets/English/radlife. Acesso em: 31 out. 2024. Ao abordar o modelo padrão de partículas na página 284, comente que prótons, nêutrons e elétrons não são as únicas partículas subatômicas conhecidas. Explique aos estudantes que existem muitas outras partículas (como neutrinos, pósitrons, múons e píons) e que a Física de partículas é o ramo que estuda esses constituintes da matéria.

Integrando o conhecimento Além de ser utilizada de forma pacífica para gerar energia elétrica, a energia nuclear foi historicamente empregada para a construção de bombas nucleares. A abordagem histórica do desenvolvimento dessas bombas, apresentada na página 280, possibilita o trabalho conjunto com os professores da área de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas,

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preferencialmente com o professor do componente curricular de História, pois trata do desenvolvimento desse dispositivo em seu respectivo contexto histórico durante a Segunda Guerra Mundial, até serem lançadas pelos Estados Unidos sobre os municípios japoneses de Hiroshima e Nagasaki, em 1945, e suas consequências para a população local e para o fim do conflito. Além disso, a abordagem contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas 5, que visa combater diversas formas de injustiça e violência por meio de princípios éticos e solidários.

Acompanhando a aprendizagem Ao finalizar o tema das páginas 278 a 280, solicite aos estudantes que se reúnam em duplas para responder às questões 2, 3 e 4 da página 288. Solicite que compartilhem com a turma suas respostas, identificando possíveis dúvidas sobre fissão e fusão nuclear. Ao iniciar a abordagem do boxe complementar sobre medidores de radiação da página 283, pergunte aos estudantes se eles sabem quais são os efeitos que a radiação provoca nos materiais e como isso pode ser empregado para realizar sua detecção. Essa atividade permite fazer um levantamento dos conhecimentos prévios da turma a respeito dos efeitos que a radiação causa ao interagir com materiais e como esses efeitos podem ser aplicados na detecção.

BNCC em contexto A seção Ligado no tema das páginas 286 e 287 favorece o desenvolvimento da Competência geral 5, da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3 e da habilidade EM13CNT302, pois leva os estudantes a utilizar tecnologias digitais para se comunicarem e disseminar informações de forma crítica, reflexiva e ética. Além disso, essa atividade contempla as Competências gerais 7, 9 e 10, bem como a habilidade EM13CNT304, pois os incentiva a formular e a defender uma ideia com posicionamento ético com relação ao cuidado com todos os indivíduos e o planeta.

Ligado no tema - páginas 286 e 287 Solicite aos estudantes que pesquisem na internet depoimentos de sobreviventes da explosão das bombas de Hiroshima e Nagasaki. Um exemplo de depoimento pode ser encontrado no site disponível em: https://brasil.elpais.com/ brasil/2015/08/05/internacional/1438781224_790907.html. Acesso em: 31 out. 2024. Em seguida, peça que leiam esses depoimentos aos colegas e discutam o poder de destruição das bombas nucleares e os malefícios que elas causam aos seres vivos. Esse é um exemplo de como as pesquisas científicas e o contexto social estão intimamente relacionados.

Se julgar interessante, acesse o artigo “Hiroshima: a catástrofe atômica e suas testemunhas”. Disponível em: https:// www.scielo.br/j/ea/a/jSBhHLxr7vqWPhY9sBKjhxs/?format =pdf&lang=pt. Acesso em: 31 out. 2024. Informe a eles que os estudiosos que participaram do Projeto Manhattan tinham formação acadêmica em Física. Comente que um quiloton é equivalente à energia liberada na explosão de mil toneladas de TNT (trinitrotolueno), um tipo de explosivo.

Respostas - Páginas 288 e 289 1,5 J _ E 4. Se 1 Gy = 1 J/kg, temos que: 1,5 Gy = _ = ⇒ E = kg 76 kg = 7 6 · 1,5 ∴ E = 1 14 J.

7. Analisando o número de massa do produto formado pelo estrôncio ( Sr) e pelo xenônio ( Xe) e comparando-o + 235 = com o número de massa inicial, temos: A0= 1 = 2 36e A = 94 + 140 = 234. Assim, o número de nêutrons indicados pelo coeficiente Yda reação deve ser igual a 2. 9. Analisando o número de massa do produto e comparando-o com o número de massa inicial, temos: AX= 1 +  + 235 − 144 − 2 = 90. Analisando o número atômico do produto e comparando-o com o número atômico, temos: ZX = 9 2− 55 = 37. 13. A quantidade de energia por sessão ( es) é dada por: es es 00 · 1 0−2= _ ⇒ e s= 160 ∴ es= 160 J. D = _⇒ 2 m 80 Como são duas sessões por dia, a energia diária é: ed = 20 ∴ ed = 3 20 J. = 2 · e s = 2 · 160 = 3 Em 10 dias, a quantidade de energia ionizante é: eT = 20 · 10 = 3 200 ∴ e T = 3 200 J. = e d · 10 = 3

Capítulo 19 - Física contemporânea - páginas 290 a 312 Objetivos do capítulo • Explicar a proposta de Max Planck sobre a quantização da energia. • Explicar os postulados fundamentais da relatividade restrita. • Descrever os efeitos da dilatação do tempo e da contração do comprimento. • Explicar como a gravidade é descrita na relatividade geral como a curvatura do espaço-tempo. • Identificar a aplicação da Física quântica em dispositivos eletrônicos. • Explicar o conceito de radiação térmica e como a temperatura de um corpo influencia o tipo de radiação emitida. • Discutir o conceito de corpo negro e como ele serve como modelo ideal para entender a emissão e absorção de radiação. • Descrever o efeito fotoelétrico e sua aplicação em dispositivos eletrônicos. • Compreender o princípio da incerteza de Heisenberg (1901-1976) e suas implicações para a medição de propriedades de partículas em escalas atômicas.

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Páginas 290 a 300

solicitado a eles que criem narrativas curtas ou quadrinhos que envolvam viagens no tempo.

BNCC em contexto

Na página 306, comente com os estudantes que o efeito fotoelétrico é utilizado em muitas aplicações práticas, como em sensores de porta automática, em torneiras, lâmpadas com sensor etc. As portas automáticas de lojas, mercados e shoppings, por exemplo, são equipadas com um sensor fotoelétrico, que, ao receber determinada quantidade de luz, emite certa quantidade de fotoelétrons. A mudança na quantidade de luz que o sensor recebe gera energia para as portas se abrirem. Na página 307, é necessário que os estudantes compreen dam que objetos quânticos se comportam às vezes como partículas ou como ondas, característica conhecida como dua lismo onda-partícula. Enfatize que o princípio da incerteza de Heisenberg afirma apenas que não é possível obter simultaneamente informações infinitamente precisas de duas grandezas específicas por vez, que serão chamadas de variáveis conjugadas.

A abordagem das páginas 290 a 300 favorece o desenvolvimento da Competência específica 3 da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, porque leva os estudantes a investigar como os princípios da Física quântica e da relatividade se aplicam em tecnologias como GPS, lasers ou sensores em diferentes dispositivos. Na página 290, ao mencionar “as nuvens” expostas por Lorde Kelvin, comente sobre o contexto histórico da época. A Ciência do século XIX obtivera até então enorme sucesso. O desenvolvimento das máquinas térmicas, a criação de circuitos elétricos, o começo da distribuição de energia elétrica e a capacidade de transmitir ondas eletromagnéticas a grandes distâncias, favoreceram o desenvolvimento da pesquisa científica. Ao trabalhar as páginas 291 e 292, comente que a Física clássica explica as situações cotidianas, mas deve passar por adaptações quando se trata de fenômenos com altas velocidades. Na página 293, os efeitos descritos de dilatação temporal e contração espacial, ainda que possam ser visualizados em menores escalas em equipamentos extremamente precisos, como relógios atômicos, somente seriam perceptíveis em níveis macroscópicos com altos valores do fator de Lorentz, expresso pela letra γ. Ao trabalhar o assunto da página 299 sobre ondas gravitacionais, comente que elas foram detectadas pela primeira vez em 2015. Explique que o método para detectar foi por meio de um feixe de laser, que se propaga em um tubo extremamente longo, onde no fim há um espelho, a fim de que a menor vibração no trajeto do feixe seja alterada, sendo então constatado pelos detectores. Para que não houvesse dúvida de que a perturbação detectada fora causada por uma interferência indesejada, dois desses esquemas de detectores foram instalados em lugares opostos dos Estados Unidos. Constatou-se, então, que houve a mesma vibração em tempos iguais em ambos os detectores.

Conexões com… - página 300 Objetivos • Identificar conceitos físicos em filmes ou séries de ficção. • Analisar uma abordagem fictícia da teoria da relatividade. Orientações O tema abordado nessa seção permite o trabalho integrado com o componente curricular de Arte, pois envolve o gênero ficção científica, que combina conceitos das Ciências com literatura e cinema, por exemplo. Converse com o professor desse componente para que vocês realizem uma aula conjunta, mostrando outros exemplos de filmes ou livros que trabalham a teoria da relatividade. Inicie a aula perguntando aos estudantes o que acham da ideia de viajar no tempo, se isso seria possível e quais consequências poderiam trazer. Peça-lhes que citem outros filmes ou séries que abordam viagens no tempo e que citem semelhanças e diferenças com relação aos conceitos científicos envolvidos na teoria da relatividade. Divida os estudantes em grupos para responderem à questão a. Também pode ser

Acompanhando a aprendizagem Após finalizar a teoria da relatividade restrita, organize os estudantes em duplas para resolver as questões de 1 a 5 da página 301. Peça-lhes que compartilhem suas respostas com os colegas.

Ligado no tema - página 311 Objetivos • Identificar as características que distinguem afirmações científicas fundamentadas de alegações pseudocientíficas. • Discutir as implicações do uso indevido de conceitos quânticos. Orientações Inicie a aula perguntando aos estudantes se eles já ouviram falar em cura quântica, coach quântico ou terapia quântica. Questione se eles entendem os motivos de se usar tais terminologias e se estas são baseadas em conceitos científicos. Divida-os em grupos e solicite-lhes que pesquisem essas práticas ou outros exemplos em que a terminologia quântica é usada incorretamente, verificando quais evidências desmentem essas práticas. Encoraje-os a refletir sobre a importância de uma compreensão precisa da Ciência ao responder ao item a. Ao terminarem de responder às questões a e b, solicite-lhes que compartilhem suas respostas com a turma. É possível também que produzam um panfleto informativo sobre a falta de evidências nas práticas pseudocientíficas.

Respostas - Páginas 301 e 302 1. A teoria da relatividade de Einstein revolucionou a compreensão de espaço e de tempo ao apresentar a ideia de que ambos são relativos, dependendo do movimento do observador. Na Física clássica, espaço e tempo eram considerados absolutos e independentes. Einstein mostrou que o tempo pode passar de maneira diferente para observadores em movimento relativo entre si e que o espaço pode se “curvar” na presença de grandes

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massas, como planetas e estrelas. Isso significou a descoberta de que o Universo não é um palco fixo onde os eventos acontecem, mas um tecido dinâmico que pode ser alterado pela matéria e pela energia. 6. a ) Aplicando a relação da dilatação temporal, temos:

√

___________

(0,7 · c) ∆t0 ∆t = _ _⇒ ∆t0= 1,5 · 1 − _ 2 ≃ 1,065 ∴ c 2 v 1 − _2 c

√

∴ ∆ t0= 1,065 h ou ∆ t0= 64 min. b ) Utilizando a relação para o cálculo do fator γ , temos: 1 1 _ ⇒ γ ≃    1,4. γ = _ _ = ____________ 2 2 v 0,7c 1 − ( _) 1 − _ c ( c )

√

7. a ) Considerando que 4,2 anos-luz é a distância percorrida deslocando-se durante 4,2 anos com a velocidade da luz c, temos que a distância Laté a Próxima Centauri mede L = 4,2 · c, então o tempo Δ t0da via4,2 · c L 0,7 · c = _ ⇒ ⇒ gem é dado por: v = _ Δ t0 Δ t0 ⇒Δ t 0 = 6 ∴ Δ t0 = 6 anos. b ) Aplicando a relação da dilatação temporal, temos: ∆ t 0 6 ___________ ⇒    ∆ t = _ _ = _____________ 2 2 v 0,7 · c 1 − _ 2 1 − _ ( c ) c

√

⇒ Δt ≃ 8,4 ∴ Δt ≃ 8,4 anos. 8. A distância de cada prova é dada por: d = 6 · 70 = 420 km. O tempo de cada prova é: d _ 420 _ = ≃ 1 ,11 ∴ Δ tp = 1,11 h. Δ tp = v 378 O total do tempo de provas é: ∆ t = 1,11 · 217 = 240,87 ∴∆ t = 240,87 h. Agora, podemos calcular a diferença de tempo: _

∆ t0 v 2 ∆ t = _ _ ⇒ ∆ t0 = Δ tp · 1 − _ 2 . c 2 v 1 − _ 2 c A diferença de tempo de vida Δ tv é dada por:

√

v 2 Δ tp − Δ tp · 1 − _ 2 = ∆ tv = c

____________

378 =2 40,87 − 240,87 · 1    − _ ⇒ ( 3 · 10 5) 2

1,9 · 10 −4∴ ∆ tv ≃ 1,9 · 10 −4 s. ⇒ ∆tv ≃

√

9. Aplicando a fórmula da contração do comprimento dada pela teoria da relatividade de Einstein: _

v 2 L v 2 L = L0 · 1 − _ 2 ⇒ _ = 1 − _ 2 ⇒ c ( L0 ) c

√

2 2 2 2 ⇒_ v2 = 1 − _ L ⇒ _ v2 = 1 − ( _ 90 ) ⇒ (L0 ) 150 c c

90 ) ∴ v = 0,8 · c ⇒ v = c · 1 − ( _ 150 2

10. No referencial do trem, temos o comprimento do trem L igual a Le o comprimento do túnel _ γ < L. Sendo assim, a parte da frente do trem chega ao fim do túnel antes que a parte de trás entre no túnel e a bomba exploda. Para o referencial do túnel, temos que o trem tem comprimento L igual a _ γ < Le o túnel tem comprimento igual a L. Sendo assim, a parte de trás do trem entra no túnel antes que a parte da frente do trem saia, desarmando a bomba. 11. a ) O tempo de vida do múon para um referencial na Terra 1 _ _ · ∆ t0⇒ é dado por: ∆t = γ · ∆ t0⇒ ∆t = v2 1 − _ 2 c 1 ____________ · 2,2⇒ ∆t = 26,73 · 2,2 · 1 0−6⇒ ⇒ ∆t = ______________    0,9993 c − _ √ 1   c

√

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8,8 μs. ⇒ ∆t = 5 8,8 · 1 0−6∴ ∆t = 5 b ) Encontrando o deslocamento medido no referencial da Terra: L = v · t ⇒ ⇒ L = 0,9993 · 3 · 10 8· 58,8 · 10 −6⇒ L ≃ 1 7 628 m. O deslocamento no referencial próprio do múon: L0 17 628 1 L = _ γ ⇒ L0 = L · _ _ ⇒ L0 =_ ∴ L 0 ≃ 660 m. 26,73 2 v _ 1 − 2 c 20 · 10−2 200 ∆s _ _ 12. v = ⇒ 0,9 · c = ⇒ ∆t = ___________8 ⇒ ∆t = ∆t ∆t 0,9 · 3 · 10 = 7 ,4 · 1 0−10∴ ∆ t= 0,74 ns 1 ∆t = γ · ∆ t 0 ⇒ ∆t = _ _ · ∆ t0 ⇒ 0,74 · 10 −9= v 2 _ 1− 2 c 1 ___________ · ∆ t0 ⇒ ∆ t0 = 0,74 · 10 −9· 0,43 ∴ ∆ t0 = = _____________    2 0,9 · c ) (_ 1− c 2 = 0,32 ns

√

Respostas - Página 312 3. Aplicando a relação proposta por Wien (1864-1928), temos: 2,898 · 10 −3 λ máx · T =2 ,898 · 10 −3⇒ λ máx = _ ⇒ 6 · 1 0 3 4,83 · 10 −7∴ λ máx = 4,83 · 10 −7 m = ⇒ λ máx = −9 = 4 83 · 1 0 m. 5. A função trabalho de 2 ,6 eVexpressa em joule é dada por: W = 2,6 · 1,6 · 10 −19= 4,16 · 10 −19∴ W = 4,16 · 10 −19 J. A frequência mais baixa deve corresponder ao fóton com energia igual à função trabalho, no qual a energia cinética do elétron será nula: h · f 0 − W ⇒ 0 = h · f 0 − W ⇒ Ecmáx = ,16 · 10 −19= 6,63 · 1 0 −34· f 0 ⇒ ⇒W = h · f0 ⇒ 4 6,3 · 10 14 Hz ⇒ f 0 ≃ 6,3 · 10 14∴ f0 ≃ 6. Aplicando a relação da quantidade de movimento, te = mos: Q = me· v = 9 · 10−31· 4 · 106= 36 · 10−25∴ Q = 36 · 10−25 kg · m/s. Considerando o erro de 10%, a quantidade de movimento será 36 · 10 −25 kg · m/s.

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6,63 · 10 −34 h ∆ x · ∆ Q ≥ _ ⇒ ∆ x ≥ ________________       ⇒ 4 · π 36 · 10 −26· 4 · 3 ,14

1,5 · 10 −10 m ⇒ ∆ x ≃ 1,5 · 10 −10∴ ∆ x ≃

Retome o que estudou - página 312 Respostas 1. Os estudantes podem citar que a demanda crescente por energia elétrica impacta o meio ambiente principalmente pelo uso de fontes não renováveis, como carvão e petróleo, que liberam gases poluentes na atmosfera. Além disso, grandes hidrelétricas podem causar desmatamento e alterar o curso de rios, afetando ecossistemas. Para reduzir esses impactos, é preciso adotar alternativas sustentáveis, como energias solar e eólica, que são renováveis e causam menos danos ao ambiente. Outra medida importante é o uso eficiente de energia, evitando desperdícios. 2. Espera-se que os estudantes mencionem que os transformadores são responsáveis por alterar a tensão da corrente elétrica. Durante a transmissão em longas distâncias, a tensão é elevada para reduzir as perdas de energia na forma de calor nos cabos de transmissão. Quando a energia chega perto das cidades, a tensão é diminuída novamente para níveis seguros, permitindo seu uso em residências e indústrias. Esse processo garante que a energia chegue com eficiência e segurança até os consumidores. 3. Espera-se que os estudantes mencionem que a usina hidrelétrica usa a força da água para gerar energia, sendo renovável e limpa. No entanto, pode causar impactos ambientais significativos, como inundações e perda de hábitats. A usina termelétrica utiliza a queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo ou gás) para gerar energia. É confiável, mas emite muitos gases poluentes e contribui para o aquecimento global. Já a usina eólica usa o vento para mover turbinas e gerar energia. É limpa e renovável, mas depende de condições climáticas favoráveis e pode causar impacto visual e sonoro nas regiões onde está instalada. 4. A fissão nuclear ocorre quando o núcleo de um átomo pesado, como o urânio, divide-se em dois núcleos menores, liberando grande quantidade de energia. Esse processo é usado em usinas nucleares para gerar eletricidade. A fusão nuclear, por outro lado, ocorre quando dois núcleos leves, como o hidrogênio, se unem para formar um núcleo mais pesado, também liberando muita energia. A fusão ocorre naturalmente no Sol, mas ainda não é usada comercialmente na Terra em razão das dificuldades tecnológicas. 5. A dilatação temporal é um fenômeno previsto pela teoria da relatividade de Einstein, que afirma que o tempo passa de maneira diferente para objetos que se movem a velocidades muito altas. Quanto mais rápido algo se move, mais devagar o tempo passa para ele em relação a um observador em repouso. Um exemplo prático é o dos satélites GPS. Eles se movem rapidamente ao redor da Terra, e o tempo passa um pouco mais devagar para eles. Os sistemas de GPS precisam corrigir essa diferença para fornecer a localização correta.

Unidade 5 Movimento

e o ser humano

Objetivos da unidade • Conhecer diferentes tipos de ferramentas e máquinas simples. • Compreender os conceitos de momento de uma força (torque) e equilíbrio de um corpo extenso e relacionar com movimentos realizados no cotidiano pelo corpo humano. • Compreender os conceitos relacionados ao movimento, como deslocamento, velocidade, aceleração, energia, impulso e quantidade de movimento, identificando-os nos movimentos realizados no dia a dia.

Justificativas O conhecimento sobre o funcionamento e a utilidade de ferramentas e máquinas simples desenvolvidas ao longo da evolução dos seres humanos e os movimentos do corpo humano e outros objetos fornece subsídios para os estudantes elaborarem explicações e cálculos a respeito dos movimentos dos objetos na Terra, o que contribui para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT204 e permite o trabalho integrado com o componente curricular de Biologia. Além disso, os conteúdos relacionados à transformação de energia nas atividades físicas e em outros tipos de movimento favorecem o aprimoramento da habilidade EM13CNT101, pois fornecem subsídios para os estudantes analisarem e representarem as transformações e conservações em sistemas que envolvam quantidade de matéria, de energia e de movimento para prever seu comportamento em situações do dia a dia.

Abertura da unidade – páginas 316 e 317 Ao iniciar o trabalho com as páginas de abertura, pergunte aos estudantes se eles conhecem ou já viram alguém que utiliza próteses. Em caso afirmativo, oriente-os a descrever a situação para os colegas. Com esse questionamento, eles compartilham suas vivências. Contudo, se nenhum estudante conhece nem viu alguém com prótese, peça a todos que pesquisem em sites e em reportagens alguns casos, anotando a parte do corpo que a prótese substituiu, o motivo da perda do membro do corpo e a importância que esse equipamento representa na vida do indivíduo que o utiliza. Pergunte a eles se já assistiram aos Jogos Paralímpicos, a fim de descreverem uma das modalidades. Se não tiverem visto, peça-lhes que procurem vídeos disponíveis na internet para conhecerem esses jogos. Com base nisso, oriente-os a conversar a respeito da importância do desenvolvimento de próteses com materiais leves e resistentes para que os atletas possam alcançar suas metas e conquistar medalhas, com bem-estar e qualidade de vida.

Respostas a ) O objetivo dessa questão é fazer os estudantes refletirem sobre os conceitos físicos referentes aos movimentos. Eles podem comentar, por exemplo, que o conhecimento sobre alavancas, forças e torque ajuda no desenvolvimento de peças corretamente articuladas e com materiais adequados, que resistam ao tipo e à intensidade de movimentos inerentes à parte do corpo que a prótese substituirá.

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b ) O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a pensar nos conceitos de equilíbrio. Eles podem citar que os desafios para desenvolver robôs que se movimentam em duas pernas é fazer que eles mantenham o equilíbrio e voltem a essa posição caso seu centro de gravidade seja deslocado, assim como os seres humanos fazem ao andar, correr e se sentarem, por exemplo. c ) O objetivo desta questão é resgatar os conhecimentos prévios dos estudantes em relação aos conceitos de energia e potência. Eles podem citar que, ao correr, o consumo de energia pelo corpo ocorre em um intervalo de tempo menor, provocando mais cansaço.

Capítulo 20 - Ferramentas e máquinas simples - páginas 318 a 334 Objetivos do capítulo • Conhecer a história do desenvolvimento de algumas ferramentas e máquinas simples. • Definir o conceito de ferramentas e máquinas simples. • Compreender que a função das máquinas simples é facilitar a realização de tarefas, reduzindo a força aplicada em alguns casos. • Conhecer diferentes tipos de ferramentas e máquinas simples. • Reconhecer e classificar os processos de ampliação de forças em diferentes ferramentas e máquinas. • Identificar objetos do cotidiano que fazem uso de ferramentas e de máquinas simples. • Conhecer máquinas simples que possibilitam obter vantagem mecânica. • Compreender que as máquinas modernas podem seguir os princípios das máquinas simples.

Páginas 318 a 322 BNCC em contexto A abordagem deste capítulo como um todo contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3, pois possibilita aos estudantes compreender e explorar a aplicação do conhecimento científico nas diversas esferas da vida humana, como no desenvolvimento de ferramentas que facilitaram nossas atividades desde a Antiguidade até os dias atuais, e acompanhar como os avanços científicos e tecnológicos permitiram o aperfeiçoamento das ferramentas e máquinas simples. Além disso, desenvolve o tema contemporâneo transversal Ciência e tecnologia. Também possibilita desenvolver a Competência geral 1, valorizando os conhecimentos historicamente construídos sobre o mundo físico, social e cultural para entender e explicar a realidade e continuar aprendendo. Inicie o trabalho deste capítulo assistindo com os estudantes ao vídeo da Nova Escola, que apresenta alguns tipos de máquinas simples e como elas funcionam. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=G9XFWhlEZLs. Acesso em: 7 out. 2024. Ao tratar do desenvolvimento da roda nas páginas 319 e 320 e das diversas funções em que ela se aplica, peça aos estudantes que opinem sobre a importância das pesquisas científicas e do desenvolvimento de novas tecnologias, bem como seu impacto no cotidiano das pessoas.

Ao abordar o conceito de polia nas páginas 320 e 321, ressalte para os estudantes que ela foi construída com base na roda e está presente em quase todos os sistemas que utilizam cabos e correias. Cite exemplos como varais de roupa, persianas, equipamentos de ginástica, barcos, navios, motores, elevadores e guindastes de construção, entre outros.

Páginas 324 a 327 Atividade extra Se julgar interessante, ao abordar o conceito de alavancas na página 324, proponha para os estudantes uma atividade simples: peça-lhes que relacionem a força aplicada sobre o braço da alavanca e a distância do seu ponto de apoio. Para esta atividade, oriente-os a abrir e fechar a porta da sala de aula empurrando-a próximo da dobradiça. Em seguida, solicite a eles que repitam o processo, de abrir ou fechar a porta, empurrando-a próximo da maçaneta. Permita a todos os estudantes que executem as situações propostas, depois pergunte em quais delas foi mais fácil abrir e fechar a porta. Explique-lhes que é realmente mais difícil fazer isso empurrando próximo da dobradiça. No entanto, é relativamente fácil abri-la ou fechá-la empurrando-a próximo da maçaneta. Verifique se eles perceberam que no primeiro caso foi combinada grande intensidade de força com distância menor em relação ao eixo de rotação (a dobradiça), e que no segundo caso foi associada uma menor intensidade de força com uma distância maior, o que permite verificar que, quanto maior for o braço de potência em relação ao braço de resistência, menor será a força necessária para girar um objeto ou equilibrar uma carga, ou seja, o esforço será menor para realizar a tarefa.

Prática científica - páginas 326 e 327 Objetivos • Investigar o lançamento de objetos utilizando o princípio das alavancas. • Aplicar conceitos relativos às máquinas simples, como braço de alavanca e torque. • Analisar o processo de transformação de energia que ocorre no lançamento de projéteis usando uma catapulta. • Investigar fatores que interferem no funcionamento de uma catapulta. Orientações Auxilie os estudantes na montagem da catapulta. Acompanhe-os passo a passo, orientando-os a amarrar bem os lápis para que a estrutura fique rígida. Se julgar conveniente, una os lápis amarrando-os com barbante em vez de elásticos. Incentive os estudantes a procurar soluções para os problemas que surgirem durante a montagem. Realize a etapa de fixação da tampinha com cola quente. Não permita que manipulem a pistola de cola quente. Oriente os estudantes a escolher um local adequado para utilizar a catapulta construída, evitando lançar objetos na direção dos colegas. Todos os materiais usados nesta atividade, com exceção das bolinhas de papel, podem ser guardados e utilizados em outras atividades.

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Integrando o conhecimento A evolução e a utilização de máquinas simples foram fundamentais para o desenvolvimento das grandes civilizações, como a egípcia. Essa cultura utilizou rampas e alavancas para mover enormes blocos de pedra na construção das pirâmides, o que mostra a importância da Engenharia e da Física aplicadas em suas realizações arquitetônicas. Ao trabalhar os conceitos de plano inclinado, pode ser interessante fazer uma parceria com o professor de História para abordar a utilização dessas ferramentas pela civilização egípcia.

Conexões com… - páginas 332 e 333 A abordagem desta seção favorece o trabalho com os professores dos componentes curriculares de História e Biologia, pois aborda o desenvolvimento de ferramentas ao longo do tempo, relacionando-o com a evolução dos hominíneos. Esse tema possibilita o desenvolvimento da Competência geral 1 e da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2, além do tema contemporâneo transversal Ciência e tecnologia. Objetivos • Compreender como as ferramentas evoluíram. • Entender como a utilização de ferramentas beneficiou a humanidade. Orientações As ferramentas desempenharam um papel relevante na evolução da humanidade, incentivando avanços que transformaram a sociedade em diversos aspectos. Desde as primeiras ferramentas rudimentares, como pedras afiadas usadas para caçar, às tecnologias modernas que revolucionam a comunicação e a Medicina, elas permitiram ao ser humano que superasse limitações naturais e expandisse seu domínio sobre o ambiente. Incentive os estudantes a refletir sobre a interdependência entre inovação e desenvolvimento humano ao longo da história. Nesse contexto, pode-se realizar uma aula integrada com o professor de História para mostrar diversos períodos históricos e o papel fundamental das ferramentas.

Respostas - Página 323 3. a ) Força máxima exercida pela estudante: Fmáx= FP⇒ ⇒ Fmáx= m · g = 15 · 10 ∴ Fmáx= 1 50 N Utilizando a intensidade da força para as talhas FP exponenciais, para 1 polia móvel, temos: FT = _ n = 2 700 = _ ∴ FT = 350 N 2 FP 700 Para 2 polias móveis, temos: FT = _ n = _ ∴ FT = 2 2 2 = 175 N FP 700 Para 3 polias móveis, temos: FT = _ n = _ ∴ FT = 2 2 3 = 87,5 N Assim, o número mínimo de polias para que a estudante consiga levantar o saco de areia com apenas uma mão é 3 polias móveis. b ) A intensidade da força potente ( Fpo)é igual à intensidade da força de tração ( FT)na talha exponencial, FP 700 ou seja: Fpo= FT= _ n = _ ∴ Fpo= 4 3,75 N 2 24

A vantagem mecânica é a razão entre as intensidades das forças resistente e potente, assim teremos: Fres 700 Vmec = _ = _∴ Vmec = 1 6 Fpo 43,75 2 8,87 N. Para um sistema em equilíbrio, a resultante 5. F T≃ das forças é 0, pois o objeto está parado, ou seja, FT = FP 0 = FT + FT − FP ⇒ 2 Para decompor a tração que faz um ângulo de 60 graus, _ √ _ 3 F T · s en θ = FT temos: FTy = 2 _ √ _ 3 5 · 1 0 2 · FT · = m · g ⇒ F T = _ _ ⇒ 2 √ 3 28,87 N ⇒ FT ≃ 28,87 ∴ FT ≃ FP m·g n ⇒ 200 = _ 3 ⇒ m · g = 1 600 ⇒ 6. F T= _ 2 2 1 600 ⇒m = _ ∴ m = 160 kg 10 FPA mA· g 7. F PB= FT⇒ F PB= _ n ⇒ m B· g = _ 2 ⇒ 2 2 24 ⇒m B = _ ∴ m B = 6 kg 4

Respostas - Página 328

2. Fpo· bpo= Fres· bres⇒ Fpo· 0,14 = 200 · 0,04 ∴ Fpo≃ ≃ 5 7,1 N

po= F res· b res⇒ m po· g · bpo= m res· g · bres⇒ 3. F po· b 6 0 · 10 · 1,2 ∴ b po = 0,9 m ⇒8 0 · 1 0 · bpo = 4. Fpo· bpo= Fres· bres⇒ Fpo· 1,5 = 200 · 10 · 0,5 ∴ Fpo≃ ≃ 6 66,7 N 7. Fpo · bpo = Fres · bres ⇒ Fpo · 1,5 = 250 · 0,5 ∴ Fpo = = 8 3,3 N Ele consegue transportar o saco de areia.

Respostas - Página 334

3. Resposta: FT= 10 000 N, FN= 10 000 √ 3 N. Para o carro parado em cima da rampa: FPy − F Px + F T 0 = F N − _

1 F T = m · g · s en θ ⇒ FT = 2 000 · 10 · _ ⇒ F Px = F T ⇒ 2 ⇒ FT = 1 0 000 N · g · cos 30 ⇒ Para a força normal: FN = F Px ⇒ FN = m

_ √ 3 ⇒ F N = 2 000 · 1 0 · _ ∴ FN = 1 0 000 √ 3 N 2 6. Força para elevar a caixa pela rampa: F = FP· sen θ = = 1 20 · 10 · 0,5 = 600 ∴ F = 600 N m · g = 120 · 1 0 = Força para elevá-la na vertical: FP = = 1 200 ∴ FP = 1 200 N 600 F F ∴ _ = 0,5 Portanto, a razão entre as forças vale: _ = _ FP 1 200 FP _

Capítulo 21 - Momento e torque páginas 335 a 343 Objetivos do capítulo • Estudar o conceito de momento de uma força (torque) e compreender sua definição e a aplicação prática.

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• Compreender o equilíbrio de um corpo extenso, explorando as condições para que um corpo esteja em equilíbrio. • Entender os conceitos de centro de massa e de gravidade. • Aplicar o conceito de torque ou momento de uma força em situações do cotidiano.

Páginas 335 a 341 Ao abordar as duas questões iniciais do capítulo e as páginas 335 e 336, explique aos estudantes que, nos movimentos do corpo humano, o ponto fixo dos sistemas de alavancas são as articulações, isto é, o movimento de rotação do corpo extenso (braço, pé, perna etc.) ocorre em torno das articulações. Para definir o momento da força ou torque, use o exemplo de uma gangorra. Pergunte aos estudantes se a massa das crianças interfere no movimento ao brincar na gangorra. É provável que respondam que uma criança com massa maior oferece mais dificuldade para ser erguida pela criança que está na outra ponta. Com base nisso, explique que nesse movimento estão aplicadas as forças potente e resistente da alavanca. Quanto maior a massa da criança a ser erguida, maior será a força resistente. Assim, a outra criança, que aplica a força potente, precisa fazer uma força maior do que a força resistente.

BNCC em contexto A abordagem das páginas 335 e 336 contribui para o desenvolvimento das habilidades EM13CNT101 e EM13CNT204, pois leva os estudantes a elaborar explicações, previsões e cálculos a respeito dos movimentos de objetos e partes do corpo humano, com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais. A análise dos movimentos apresentados nessas páginas também contribui para desenvolver as Competências gerais 1 e 2, pois os incentiva a recorrer a conceitos físicos para compreender a ação conjunta de ossos, músculos e articulações. Apresente o conceito de centro de gravidade e explique por que ficar de braços abertos sobre o slackline mostrado na página 338 ajuda a manter o equilíbrio. Use essa ilustração para explicar que, se o centro de gravidade se localizar fora da sua linha de ação, tem-se o desequilíbrio. Nas páginas 338 e 339, explique para os estudantes que o centro de gravidade depende da aceleração gravitacional local, enquanto o centro de massa depende da distribuição de massa do objeto. Portanto, se a aceleração gravitacional que age sobre o objeto não for uniforme, os pontos de centro de gravidade e centro de massa não vão coincidir. Isso ocorre com corpos muito grandes, nos quais, em partes distintas, a aceleração da gravidade sentida é consideravelmente diferente, o que não ocorre em corpos pequenos.

BNCC em contexto O boxe Compartilhe ideias da página 339 promove o autoconhecimento e autocuidado, contribuindo para desenvolver a Competência geral 8, além de trabalhar o tema contemporâneo transversal Saúde e promover a saúde mental dos estudantes. Além disso, incentiva-os a respeitar as opiniões dos colegas em uma discussão em grupo.

Compartilhe ideias - página 339 Inicie este boxe perguntando aos estudantes em quais situações do cotidiano se aplicam os conceitos de centro de

gravidade e centro de massa. Oriente os estudantes durante a pesquisa, a fim de que as informações sejam adquiridas em sites confiáveis.

Integrando o conhecimento Ao estudar o equilíbrio de corpo extenso e o centro de massa, é possível conectar com a análise do movimento humano, como postura, equilíbrio e biomecânica em esportes e atividades físicas. Os estudantes podem verificar como o centro de massa afeta o equilíbrio de um atleta ou como as forças e os torques são aplicados em movimentos corporais, oportunidade interessante para desenvolver uma aula com o professor do componente curricular de Educação Física. Além disso, a análise de movimentos e da sustentação do corpo permite o trabalho interdisciplinar com o componente curricular de Biologia, que aborda os sistemas esquelético e muscular.

Prática científica - páginas 340 e 341 Objetivos • Realizar movimentos e identificar situações nas quais ocorreram alterações no centro de gravidade, afetando o equilíbrio corporal. • Observar os ajustes que fazemos para manter o equilíbrio corporal ao realizar alguns movimentos. Orientações Ao trabalhar a questão a do Por dentro do contexto, instigue os estudantes a perceber que é possível relacionar os conceitos de força, centro de gravidade, ponto de apoio e torque às condições de equilíbrio de um corpo, mesmo que de forma intuitiva, ao analisar situações do cotidiano. Peça auxílio ao professor do componente curricular de Educação Física para preparar o percurso que os estudantes vão fazer no pátio da escola ou na quadra de esportes, por exemplo. Solicite também a ele que oriente a turma durante os movimentos, identificando as melhores maneiras de manter o equilíbrio corporal, de modo que os estudantes não se machuquem durante a realização da atividade. Eles podem formar duplas, para que um possa filmar enquanto o outro faz o percurso, possibilitando que utilizem os vídeos para identificar quando perderam o equilíbrio ou o que fizeram para corrigir os desequilíbrios corporais que tiveram na atividade.

Acompanhando a aprendizagem Se julgar conveniente, utilize a atividade 8 da página 343 para avaliar o processo de aprendizagem relacionado ao torque de uma força e equilíbrio rotacional. Para isso, analise o resultado da atividade e perceba se há necessidade de retomar as explicações sobre o tema em questão.

Respostas - Páginas 342 e 343 1. a ) 3 N · m; anti-horário. MFp = F p · dFp ⇒ MFp = 2 5 · 0,12 ∴ MFp = 3 N · m b ) 18 N · m; anti-horário. 8 N · m MFres = F res · dFres ⇒ MFres = 60 · 0,3 ∴ MFres = 1

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c ) A força do bíceps, localizada a 4 cmdo cotovelo, deve gerar um torque suficiente para equilibrar os dois torques calculados anteriormente. Ou seja: Mpo = Fpo · dpo ⇒ 3 + 18 = Fpo · 0,04 ∴ Fpo = 525 N 3. a ) M = 30 · 0,75 · 1 ⇒ M = 22,5 N · m _ b ) M = 40 · 0,6 · sen 45° ⇒ M = 12 · √ 2 N · m 4. Sabendo que d = 54 cm = 0,54 m, temos: 70 M = F · d ⇒ 270 = F · 0,54 ⇒ F = _ ∴ F = 5 00 N 0,54 5. Divida as 9 esferas em 3 grupos de 3 esferas. Coloque um grupo por prato da balança, de modo que um grupo fique de fora. Se a balança ficar equilibrada, significa que a esfera de maior massa está no grupo que ficou fora. Se a balança pender para um lado, significa que ali está a esfera de maior massa. Assim, descobrimos em qual dos grupos está a esfera com massa diferente. Em seguida, retire as esferas dos pratos e repita o processo apenas com o grupo que contém a esfera de maior massa, colocando uma esfera em cada prato, de modo que uma delas fique fora da balança. Caso a balança penda para algum lado, aquela é a esfera de maior massa. Caso se equilibre, a esfera que ficou de fora é a de maior massa. 6. Para que não haja rotação da barra, o momento resultante das forças deve ser nulo. MR = M1 + ( − M2)= 0 ⇒ F1 · b1 = F2 · b2 ⇒ 0 N ⇒ 40 · d = F2 · 4 · d ⇒ F2 = 10 ∴ F 2 = 1 → A força F 2 deve ser aplicada no sentido horário. 7. O centro de massa da barra está a 5 mde suas extremidades e a 1 mdo ponto B. Calculando o torque com relação ao ponto A, temos: ∑M = 0 ⇒ mbarra · g · dbarra = mcriança · g · dcriança ⇒ ⇒ 80 · 1 = 25 · d  criança ∴d  criança = 3,2 m 9. Como o sistema está em equilíbrio, calculando o momento total com relação à interseção da corda da esquerda com a barra: ⇒ ( mbarra · 2 + 2 · 1 + 4 · 2 + 6 · 3)· g − TII · 4 = 0 ⇒ ( 4 · 2 + 2 + 8 + 18)· 10 = 4 TII ⇒ T II = 90 N Calculando o momento total com relação à interseção da corda da direita com a barra: (mbarra · 2 + 2 · 3 + 4 · 2 + 6 · 1)· g − TI · 4 = 0 ⇒ ⇒ (4 · 2 + 6 + 8 + 6)· 10 = 4 · TI ⇒ TI = 70 N

Outra maneira de resolver é calcular o valor de TII, como feito anteriormente, e de acordo com condições de equilíbrio translacional calcular o valor da outra tensão. 10. Pode-se ver que os pontos Ae Btêm a mesma ordenada. Logo, estão em uma mesma reta. O mesmo ocorre com os pontos Ce D. Os pontos Ae Ctêm a mesma abcissa, ocorrendo o mesmo com os pontos B e D. Logo, a coordenada da abcissa do centro de massa é o ponto médio entre 1 e 5, ou seja, 3, e a da ordenada o ponto médio entre 1 e 3, ou seja, 2. Assim, a coordenada de seu centro de massa é ( 3, 2). 11. Resposta: 04 + 08 + 16 = 28 01 ) Falso, pois pela definição de torque M = F · d · sen θ dependemos da distância entre a aplicação da força e o ângulo de rotação.

02 ) Falso, torque e trabalho são grandezas diferentes. Torque é um vetor, possui módulo, direção e sentido, e trabalho é energia, uma grandeza escalar, assim o torque só está definido para sistemas que possuem rotação. 04 ) Correto, pois para um corpo fora ou em equilíbrio n Fr= ∑ Fi, o torque resultante é a soma dos torques. i 08 ) Correto, pois torque é a força de giro do sistema, essa força causa o movimento dos pistões implicando na aceleração do veículo. M 16 ) Correto, pois M = F · d · sen θ ⇒ F = _, cond · sen θ forme se distancia do ângulo de rotação, a força necessária para rotacionar a barra diminui.

Capítulo 22 - Estudando os movimentos dos corpos - páginas 344 a 352 Objetivos do capítulo • Reconhecer os diferentes tipos de movimento realizados pelos corpos. • Diferenciar movimento uniforme de movimento retilíneo uniforme. • Diferenciar movimento uniformemente variado de movimento retilíneo uniformemente variado. • Descrever o movimento circular uniforme. • Identificar a posição angular e compreender o conceito de deslocamento angular. • Ser capaz de estabelecer uma relação entre os conceitos de período e de frequência. • Diferenciar velocidade angular de velocidade linear e compreender a relação entre elas.

Páginas 342 a 350 BNCC em contexto A abordagem do capítulo em geral contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3, pois possibilita aos estudantes investigar situações-problema e avaliar a aplicação do conhecimento científico e tecnológico para justificar o uso de equipamentos de proteção em atividades cotidianas, como na prática de esportes, além de avaliar a necessidade de adotar comportamentos de segurança visando à integridade física individual e coletiva, o que permite desenvolver a habilidade EM13CNT306 e o tema contemporâneo transversal Saúde. É possível abordar a habilidade EM13CNT204 ao elaborar explicações, previsões e cálculos a respeito dos movimentos de objetos na Terra com base nas interações gravitacionais, com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais. Explore as imagens das modalidades esportivas na página 344 e questione os estudantes a respeito de suas práticas esportivas, a fim de que exponham para a turma sua experiência com o esporte, seja apenas como lazer e manutenção da saúde, seja acompanhado por um profissional. Aproveite para destacar os tipos de trajetória em cada uma das modalidades

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apresentadas na página e os tipos de movimento em que elas são classificadas: uniforme, uniformemente variado ou circular. É importante que os estudantes construam intuitivamente o conceito de movimento uniforme e percebam que, em situações envolvendo esse tipo de movimento, o valor da velocidade não sofre alterações ao longo de todo o percurso. Questione-os sobre a ocorrência desse tipo de movimento em situações do cotidiano e liste suas respostas na lousa.

Atividade extra Ao iniciar os estudos sobre movimento uniforme e uniformemente variado da página 348, pode-se realizar uma atividade prática e estabelecer uma relação entre o conteúdo estudado e o componente curricular de Educação Física. Com a ajuda do professor desse componente e utilizando cones, cronômetro digital e trena, forme grupos de cinco estudantes, dispostos em fileiras. O objetivo da atividade é fazer cada parte de determinado percurso com a mesma velocidade, verificando se isso é possível. Com essa atividade, será promovida, na prática, uma investigação sobre o comportamento da velocidade nos movimentos. Para isso, demarque o trajeto com os cones e peça-lhes que, individualmente, realizem um percurso de ida e volta caminhando. No final de cada percurso, o estudante responsável pelas anotações deverá registrar o tempo gasto para cada integrante do grupo percorrer as distâncias previamente estipuladas. Oriente-os a fazer o percurso novamente mantendo o tamanho dos passos. Em seguida, calcule novamente a velocidade de cada um. Por fim, promova uma discussão sobre os valores obtidos, perguntando-lhes se foi possível realizar um movimento aproximadamente uniforme em cada parte do percurso. Após a discussão, fale sobre as dificuldades em manter um movimento uniforme percorrendo sempre distâncias iguais no mesmo intervalo de tempo. Se julgar conveniente, ao trabalhar a função horária das posições na página 348, explore o gráfico com os estudantes e diga que para definir tal equação é necessário calcular a área sob a curva. Essa área é numericamente igual ao valor de deslocamento realizado pelo atleta, pois se trata de um gráfico da velocidade em função do tempo (v × t ). Relembre os estudantes de que a área do trapézio é calcu(B + b)· h . Auxilie-os a identificar no grálada por: Atrapézio = _ 2 fico a base maior, a base menor e a altura do trapézio.

Compartilhe ideias - página 348 Pergunte aos estudantes em quais profissões é necessário identificar a velocidade, a aceleração, o deslocamento e a posição dos corpos. Isso auxilia no desenvolvimento da atividade, uma vez que direciona a pesquisa. Comente que as atividades como transportes de pessoas e cargas levam em conta esses conceitos, pois precisam seguir horários definidos e evitar atrasos. Para montar um itinerário de transporte, por exemplo, os profissionais analisam a trajetória, a distância a ser percorrida (ou deslocamento), a velocidade média que o automóvel consegue desenvolver, entre outras variáveis. Assim, é possível determinar o horário de uma entrega ou de desembarque em certa cidade.

Na página 349, ao abordar o movimento circular, mencione que o componente da aceleração que tem a mesma direção da velocidade do móvel é chamado de aceleração tangencial. Nos casos em que o corpo tem apenas aceleração tangencial, ele vai descrever movimentos retilíneos. Já a componente da aceleração orientada perpendicularmente à velocidade do corpo é definida como aceleração centrípeta. Nos casos em que o corpo tem apenas essa aceleração, ele vai descrever movimentos circulares uniformes, e o vetor aceleração centrípeta sempre será orientado para o centro da curvatura descrita.

Acompanhando a aprendizagem Se julgar conveniente, utilize a atividade 14 da página 352 para verificar se os estudantes percebem que, quando um móvel completa uma volta em um movimento circular, sua posição angular não é reajustada para zero, como ocorreria em um movimento retilíneo. Por exemplo, ainda que uma posição de θ = 30° seja equivalente a uma posição de θ = 390°, é mantida a de maior valor a fim de indicar quantas voltas foram executadas desde o começo do movimento.

Respostas - Páginas 351 e 352 1. A primeira metade é desenvolvida com velocidade de 0,5 m/s, portanto o tempo gasto foi: 25 25 Δs vm = _ ⇒ 0,5 = _ ⇒ Δt = _ ∴ Δt = 50 s 0,5 Δt Δt Para o tempo restante, isto é, 62,5 s − 5 0 s = 1 2,5 s, o nadador desenvolve a velocidade de: 25 Δs vm = _ ⇒ v m = _ ∴ v m = 2 m/s 12,5 Δt 2. Aplicando a equação horária da posição para o MRUV, temos: g · t 2 10 · t 2 s = s 0 + v 0 · t + _ ⇒ 1 0 = 0 + 0 · t + _⇒ 2 2 _ 10 ⇒ t = √ 2 ∴ t ≃ 1,41 s ⇒ t 2= _ 5 Para a velocidade, utilizando a equação horária da velocidade, tem-se: v = v0 + g · t ⇒ v = 0 + 1 0 · 1 ,41 ∴ v ≃ 1 4,1 m / s 3. a ) Convertendo a velocidade para m /s e aplicando a relação da aceleração, temos: 216 v = _ ∴ v = 60 m/s 3,6 60 Δv _ = ∴ a = 2,5 m/ s 2 a m = _ Δt 24 a · t ⇒ 0 = 60 − 1 0 · t ∴ t = 6 s b ) v = v 0− a · t ⇒ v = 0,5 · 12 ∴ v = 6 m/s 4. a ) v = v0+ 0,5 · 122 a · t2 b ) s = s0+ v 0· t + _ ⇒ s = 0 + _∴ s = 3 6 m 2 2

7. Sendo 36 km / h = 1 0 m / se utilizando a equação de Torricelli, tem-se: v 2= v 0  2    + 2 · a · Δs ⇒ 0 2= 10 2+ 2 · a · 1 0 ⇒ 100 _ a = − ∴ a = − 5 m / s 2 ⇒ 20 · a = − 100 ⇒ 20 8. a ) No primeiro intervalo de tempo, temos: Δ s 1 = 150 · ( 25 − 10)⇒ Δ s1 = 2 250 cm = 2 2,5 m

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No segundo intervalo de tempo, temos: Δ s2 = 100 · ( 45 − 35)⇒ Δ s1 = 1 000 cm = 10 m Δv 0 − 20 9. a = _ = _ ∴ a = − 3,3 m/ s2 6 Δt 10. a ) Pela função horária dada, pode-se ver que v 0= = 24 m/se a = − 1,2 m/ s2. Assim, temos: v = v 0 + a · t ⇒ v = 2 4 − 1,2 · t ⇒ v = 0 ⇒ ⇒ 24 = 1,2 · t ∴ t = 20 s b ) Pela função horária das posições, temos: a · t 2 _ ⇒ s = s0 + v0 · t + 2 1,2 · 20 2 ⇒ Δs = 0 + 24 · 20 − _ ⇒ 2 ⇒ Δs = 480 − 2 40 ∴ Δs = 240 m

c ) Esboçando o gráfico do movimento do veículo, temos:

v (m/s) 24

t (s)

Ronaldo Lucena/Arquivo da editora

Gráfico de v × t do movimento do veículo

Fonte de pesquisa: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: mecânica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v. 1. p. 37.

No gráfico da velocidade em função do tempo, o deslocamento é numericamente igual à área da região delimitada pelo gráfico. 20 · 2 4 N Δs =    área ⇒ Δs = _= 240 ⇒ Δs = 240 m 2 11. a ) Δ s = v · Δ t = 180 · ( 1,5 · 60)∴ Δs = 16 200 m C = 2 · π · R ⇒ 16 200 = 2 · 3 · R ∴ R = 2 700 m 1802 v2 _ _ b ) ac= = ∴ ac≃ 12 m/ s 2 R 2 700 12. a ) De acordo com a equação horária angular, temos π ω = _ rad/s, portanto a aceleração centrípeta é da8 da por: π 2 ac = ω 2· R = _ · 1,5 ∴ ac ≃ 0,23 m/ s 2 (8) π π π π 9 · π + _· 1 6 ∴ θ = _ rad b ) θ = _ + _· t = _ 4 8 4 8 4 13. a ) O período do movimento é 0 ,5 s. Portanto, a frequên1 1 _ _ f = 2 Hz cia é dada por: f = ⇒ f = ∴ 0,5 T b ) Em uma volta completa, o atleta varre o ângulo de 2 · π Δθ = _∴ ω = 4 · π rad / s 2 · π rad. Logo: ω = _ ⇒ ω 0,5 Δt rad e c ) Considerando que a posição inicial é θ0= π ω = 4 · π rad/s, tem-se: θ = θ 0+ ω · t ⇒ θ = π + 4 · π · t d ) Considerando o raio do giro do martelo como a soma do comprimento do cabo e o braço do atleta, tem-se: v = ω · R ⇒ v = 4 · π · ( 1,2 + 0,75)∴ ∴ v = 7,8 · π m / s

14. Aplicando a relação do deslocamento para as pessoas A e B, temos: Δ sA = 2 · π · R A = 2 · π · 25 ⇒ Δ sA = 157 m · π · R B = 2 · π · 5 0⇒ Δ sA = 314 m Δ sB = 2 Aplicando a relação da velocidade para ambas as pessoas, temos: 2 · π · 5 0 vB = 3 = _ ⇒ Δt ≃ 104,7 s Δt 2 · π · 25 vA = _ ⇒ vA = 1 ,5 m/s 104,7

Capítulo 23 - Energia e impulso páginas 353 a 367 Objetivos do capítulo

• Compreender o conceito de trabalho e determinar o trabalho realizado por uma força. • Conhecer e identificar os tipos de energia presentes em certos fenômenos. • Compreender as características e calcular as energias cinética, potencial elástica e potencial gravitacional de um corpo. • Identificar as transformações de energia em um sistema e compreender a conservação da energia mecânica. • Compreender os conceitos de potência instantânea e potência média, analisando algumas aplicações e efetuando o cálculo do rendimento. • Compreender os conceitos de impulso e quantidade de movimento. • Compreender as leis de conservação da energia e da quantidade de movimento linear. • Classificar as colisões em elástica, parcialmente elástica e inelástica e calcular seu coeficiente de restituição.

Páginas 353 a 365 BNCC em contexto A abordagem das páginas 353 a 365 contribui para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT101 e da Competência geral 2, pois permite analisar e representar, com ou sem o uso de dispositivos e de aplicativos digitais específicos, as transformações e conservações em sistemas que envolvam quantidade de energia e de movimento para realizar previsões sobre seus comportamentos em situações cotidianas. Ao iniciar o capítulo com o exemplo do trenó, caso os estudantes não percebam a importância das forças aplicadas na direção horizontal para empurrá-lo, faça a seguinte pergunta a eles: “Se forças oblíquas em relação à pista fossem aplicadas sobre o trenó, que efeitos elas teriam?”. Eles devem perceber que forças oblíquas têm componentes verticais, que atuariam pressionando o trenó contra a pista ou elevando-o, desse modo, parte da força não atuaria na aceleração do trenó. Mostre a expressão matemática que possibilita calcular o trabalho realizado por uma força (τ = F · Δ s · c os θ). Explique que, quando a força tem a mesma direção e o mesmo sentido do deslocamento, temos cos 0° = 1 e, portanto, o trabalho fica ( τ = F · Δs). Em seguida, discuta os casos em que o ângulo entre a força e o deslocamento mede 90°e 180°. Ao iniciar os estudos sobre energia, use a imagem do atleta do salto com vara da página 355 e destaque os instantes em que se pode caracterizar cada tipo de energia. Explique aos estudantes que a energia química armazenada no corpo dele, antes de iniciar a corrida, será utilizada como fonte de

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energia para todas as transformações de energia posteriores durante a atividade.

Compartilhe ideias - página 356 Esta atividade proporciona uma oportunidade para desenvolver o pensamento computacional dos estudantes. Esse pensamento inclui a decomposição do problema em partes menores e o reconhecimento de padrões, que podem facilitar a construção do infográfico, mostrando o comportamento da energia cinética à medida que a velocidade aumenta. Além disso, ela aborda o tema contemporâneo transversal Educação para o trânsito. Enfatize para os estudantes que a energia cinética depende da massa e da velocidade do corpo em movimento. Assim, os danos causados por um carro pequeno em alta velocidade podem ser equivalentes aos gerados por um veículo de maior massa em baixa velocidade.

Atividade extra Se achar conveniente, para que os estudantes entendam a potência total, a útil e a dissipada, resolva com eles a atividade a seguir. 1. Um guindaste tem um motor que desenvolve uma potência de 7 500 W e ergue verticalmente, a partir do solo e com velocidade constante, uma carga de 600 kgaté uma altura de 20 m. Sabendo que o intervalo de tempo gasto para isso foi 2 minutos: a ) Determine a potência útil e a dissipada pelo guindaste. Resposta Como a carga foi elevada com velocidade constante, o trabalho realizado pela máquina tem valor igual ao trabalho da força peso, portanto: τ = m · g · h ⇒ τ = 600 · 10 · 2 0 ∴ τ = 1 20 000 J τ ⇒ Como 2 min = 120 s, a potência útil vale: Pu = _ Δt 120 000 _ u = ⇒P ∴ Pu = 1 000 W 120 Dessa maneira, a potência dissipada pode ser encontrada por: Pt = P u + P d ⇒ 7 500 = 1 000 + Pd ∴ ∴ Pd = 6 500 W b ) Qual é o rendimento do guindaste? Resposta O rendimento do guindaste é dado por: P  u 1 000 ∴ η = 0,13 ou 13% η =  _  ⇒ η = _ 7 500 P  t Ao abordar a quantidade de movimento na página 359, enfatize o caráter vetorial dessa grandeza, pois é importante para a análise de colisões entre corpos, uma vez que a orientação dos movimentos antes e depois da colisão pode influenciar essa análise. O impulso sofrido por um corpo é um conceito presente no cotidiano dos estudantes pela ideia de“amortecer”um impacto. Leve-os a concluir que a diferença entre colidir com um corpo rígido ou macio consiste no tempo em que esses corpos permanecem interagindo. Esse é o princípio de funcionamento dos airbags. Ao trabalhar as páginas 361 e 362, explique a lei da conservação do momento linear, citando algumas das suas aplicações práticas, como é utilizado o cálculo da velocidade de recuo de uma arma ao disparar um projétil, prever o movimento de foguetes espaciais, no estudo de partículas subatômicas

e em choques entre corpos celestes, entre outros. Comente com os estudantes que a conservação da quantidade de movimento é válida para todos os tipos de colisão, seja quando os corpos permanecem unidos após o impacto (colisão inelástica), seja quando se separam após colidir (colisão elástica). Nas colisões inelásticas, a energia não é conservada.

Conexões com... - páginas 364 e 365 Objetivos • Identificar algumas transformações de energia que ocorrem no corpo humano. • Reconhecer a importância das atividades físicas para a manutenção da saúde do corpo. Orientações Esta seção aborda a prática de atividades físicas sob a perspectiva das transformações de energia no corpo humano, promovendo a interdisciplinaridade entre os componentes curriculares de Física, Biologia e Química. Ao descrever como o organismo utiliza a energia proveniente dos alimentos para realizar processos como contração muscular, manutenção da temperatura corporal e respiração celular, o texto aproxima conceitos abstratos de energia, como calor e trabalho, do cotidiano dos estudantes.

Respostas a ) O levantamento de peso envolve a transformação de energia química, armazenada como ATP nos músculos, em energia cinética durante a contração muscular. À medida que o peso sobe, a energia cinética se converte em energia potencial gravitacional. Durante a descida, essa energia potencial volta a se transformar em energia cinética, controlada pelos músculos, e parte dela é dissipada como calor. b ) À medida que o ciclista ganha altitude, parte da energia cinética, que é associada ao movimento, é convertida em energia potencial gravitacional, que está relacionada à altura que esse ciclista alcança em relação ao solo. Em termos da lei da conservação de energia, o total de energia mecânica (soma da energia cinética e da energia potencial) do sistema ciclista-bicicleta permanece constante, se desconsiderarmos as perdas por atrito e resistência do ar. c ) Os atletas podem aumentar a ingestão de carboidratos nos dias anteriores à prova para maximizar as reservas de energia no corpo. Durante a prova, podem consumir bebidas isotônicas e géis de carboidrato para reabastecer os níveis de glicose. Os treinos que simulam as condições da prova também ajudam a aumentar a eficiência do corpo ao utilizar gordura como fonte de energia. d ) Os músculos armazenam glicogênio, que é uma importante fonte de energia. Durante uma doença grave, especialmente as que envolvem períodos prolongados de inatividade ou que requerem maior demanda metabólica (como infecções severas ou tratamento de câncer), o corpo pode recorrer às reservas de glicogênio nos músculos para obter energia. Os indivíduos com mais massa muscular têm uma reserva energética maior, e isso pode ajudar a prevenir a desnutrição e o desgaste excessivo do corpo durante a recuperação.

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2. Para determinar o aumento, verificamos a razão entre a energia cinética final e a inicial: m · v  2 _____     Ec ______ Ec Ec 30  2 _ Ec 2 v  2 _ =      ⇒ _ = ___   2   ⇒ _ = ____      ∴ = 9 2 Ec0 ______ m · v 0  Ec0 v0  Ec0 10  2 Ec0   2 Portanto, a energia cinética fica nove vezes maior. No caso de uma colisão, essa quantidade de energia a mais pode ser transferida para os passageiros no interior do carro, podendo causar lesões graves ou até a morte. Uma energia cinética menor significa mais segurança para os ocupantes do veículo em caso de acidente. 3. Primeiro, é necessário converter a energia cinética: Ec= 5,0 · 10  3· 1,6 · 10  −19  ∴ Ec= 8 · 10  −16J O trabalho realizado pela força elétrica é igual à diferença entre a energia cinética final e a inicial: τ = Ec − Ec0 = 8,0 · 10  −16  − 0 ∴ τ = 8,0 · 10  −16 J 4. Pela imagem, a deformação causada na mola vale x = 0,1 m, portanto a energia potencial elástica é:

800 · ( 0,1)  k · Δ x  2      ⇒ Epe = __________      ∴ E pe = 4 J Epe = ______ 2 2 5. De Apara B, temos: τAB= FP· Δs · cos 180° ⇒ ⇒ τ AB = m · g · Δs · ( − 1)⇒ 405 J ⇒ τ AB = − 45 · 10 · 0,9 ∴ τ AB = − · g · Δs · 1 ⇒ De Bpara C: τ BC = FP · Δs · cos 0° ⇒ τ BC = m 5 · 10 · 0,3 ∴ τ BC = 135 J ⇒ τ BC = 4 135 ∴ τ AC = De Apara C: τ AC = τ AB + τ BC ⇒ τ AC = − 405 + = − 270 J 6. Sendo 8 400 kJ = 8,4 · 10  6Je 1 dia = 8,64 · 10  4s, temos: 8,4 · 10  6 τ      ∴ P ≃ 97,2 W P = _= ________ ∆ t 8,64 · 10  4 7. Ambos os corredores partem do repouso, logo o trabalho realizado por eles é igual a suas energias cinéticas finais τ = Ec. Cada corredor exerce uma potência igual ao trabalho dividido pelo tempo de prova de cada um: τ P = _. Agora, falta dividir os valores para cada um deles: ∆t 2 m · vE  2  100 _ _____   2      v   ( ) EcE PE τ E _ 9,784 2 E _ = = ______      = __      = ________      = = _ 2 PJ τ J EcJ m · v  2  v  2  100 J J _ _____     ( 9,789 ) 2 2 PE 9,784  _ = ______      ∴ ≃ 0,9987 2 PJ 9,789  2

8. Utilizando a equação do trabalho, determina-se a força: τ = F · ∆ s · cos180° = F · ∆ s · ( − 1)⇒ 30 000 ∴ F = 6 00 N ⇒ − 30 000 = − F · 50 ⇒ F = _ 50 Assim, o impulso pode ser encontrado por: I = F · Δ t = = 600 · 5 ∴ I = 3 000 N · s 9. Encontrando a velocidade do atacante: v  2  = V  20  + 2 · a · Δs ⇒ v  2  = 2 · 0,3 · 30 ⇒

1 8 ∴ v = √ 18 m/s ⇒ v  2  = ⇒ A massa do atacante pode ser obtida por: FP = m · g 700 _ = 70 kg ⇒ m = 10 1 A energia cinética do jogador é dada por: EC = _ m · v  2  = _2 2 1 18 )  ∴ EC = 630 J = _ · 70 · ( √ 2 _

11. Aplicando a relação da conservação da energia mecânim · v  2 Em⇒ E pg0= Ec⇒ m · g · h 0= _____      ⇒ ca, temos: Em0= 2 2 2 · g · h0 ⇒ v     = 2 · 1 0 · 9 ,8 ∴ v = 1 4 m / s ⇒ v    = 2 No instante exato em que a esfera toca o solo, sua velo 4 m / s, tendo, assim, energia cinética e quanticidade é 1 dade de movimento. Q = m · v ⇒ Q = 1 · 1 4∴ Q = 14 kg · m / s 13. a ) Aplicando a conservação da quantidade de movimento, temos: ⇒ Q0A + Q 0B = QA + QB ⇒ Q0 = Q mB · v0B = mA · v A + mB · vB ⇒ ⇒ mA · v 0A +

· ( − 4)+ 2 · m · v B ⇒ ⇒ m · 6 + 2 · m · ( − 4)= m ⇒ · vB ∴ v B = 1 m / s 6 − 8 = − 4 + 2

b ) A colisão é inelástica. O coeficiente de restituição é: 1 − ( − 4) vaf vB− vA 5 e = _ ⇒ e = _ ⇒ e = _ ⇒ e = _ ∴ e = 0,5 vap v0A− v 0B 10 6 − ( − 4) c ) O sistema perde 50 Jde energia cinética. 2 mA · vA  2   mB · vB  2   4 · ( − 4)  2 · 6  2 ________ 0 0 _______ _______ _____ Ec0 =      +      ⇒ E c0 =      +      ⇒ 2 2 2 2 6 + 32 ∴ E c0 = 6 8 J ⇒ Ec0 = 3 mA · v A  2  mB · vB  2  2 · ( − 4)  4 · 1  2 Ec = ______      +  ______    ⇒ Ec = ________      + _____      ⇒ 2 2 2 2 ⇒ Ec = 1 6 + 2 ∴ Ec = 1 8 J 2

1 8 − 6 8 ∴ Δ Ec = Assim: Δ Ec = E c − E c0 ⇒ Δ Ec = = − 50 J 14. a ) Pelo princípio da conservação da quantidade de movimento, temos: Q ⇒ m A · vA0 + mB · vB0 = m A · vA + mB · v B ⇒ Q0 = ⇒ 1,6 · 5 ,5 + 2,4 · 2,5 = 1,6 · vA + 2,4 · 4,9 ⇒ ⇒ 8,8 + 6 = 1 ,6 · vA + 11,76 ⇒ ⇒ 14,8 − 11,76 = 1 ,6 · v A ⇒ ⇒ 3,04 = 1,6 · vA ∴ v A = 1,9 m/s b ) Calculando o coeficiente de restituição, temos: vB− v A 4,9 − 1,9 ∴ e = 1 e = _⇒ e = _ vA0− vB0 5,5 − 2,5 Como e = 1, temos que a colisão é elástica. 15. O jogador aplica uma força na bola, fornecendo-lhe energia cinética, que vai se transformando em energia potencial gravitacional conforme a bola sobe. No ponto mais alto de sua trajetória, a bola tem apenas energia potencial gravitacional e, depois disso, essa energia se converte em energia cinética à medida que a bola cai no chão. A bola atinge o chão e parte da energia cinética é perdida por conta da deformação da bola e do seu som, o que faz a bola subir novamente. A energia inicial da bola é igual à energia cinética fornecida pelo jogador, que é igual à energia potencial gravitacional da bola em seu ponto mais alto. Do mesmo modo, a energia final é igual à energia potencial gravitacional no final do trajeto. Calculando a razão entre as alturas em cada ponto, obHf _ 2,4 = tém-se: ΔE = _ = 0 ,8 Hi 3,0 Sendo assim, a bola perde 20% da sua energia inicial.

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Retome o que estudou - página 367 Respostas 1. Esta questão pretende fazer os estudantes retomar os conteúdos sobre as alavancas. Eles podem citar que, utilizando uma alavanca com um braço resistente menor do que o braço potente, isto é, com o ponto de apoio mais perto do corpo que se quer movimentar, é possível mover cargas fazendo uma força com intensidade menor do que a da força peso do corpo. 2. Espera-se que os estudantes respondam que, ao empurrar a porta mais próximo da dobradiça, o torque diminui. Como o torque é diretamente proporcional à distância, quanto menor for o valor da distância entre o ponto de aplicação da força e o eixo de rotação, menor será o torque gerado, tornando mais difícil mover a porta. 3. Os estudantes podem responder que a velocidade tangencial é constante em módulo, mas a direção dessa velocidade varia constantemente. Por isso, há uma aceleração centrípeta, responsável por mudar a direção da velocidade e manter o objeto em trajetória circular. Essa aceleração aponta sempre para o centro do círculo, mesmo que a velocidade não mude em valor. 4. Espera-se que os estudantes respondam que a energia cinética vai diminuindo à medida que a velocidade diminui, enquanto a energia potencial gravitacional aumenta em razão do aumento da altura. No ponto mais alto da trajetória, a velocidade do objeto é zero, então toda a energia mecânica está na forma de energia potencial gravitacional. 5. O objetivo desta questão é incentivar os estudantes a retomar os conteúdos relacionados às colisões e à conservação da quantidade de movimento. Eles podem citar que, em uma colisão de corpos com massas diferentes, o objeto de maior massa tenderá a uma menor variação de velocidade em comparação ao objeto de menor massa.

Unidade 6 A Física na

relação entre o ser humano e o ambiente Objetivos da unidade

• Conhecer as características de funcionamento de uma máquina a vapor. • Compreender as consequências econômicas e sociais da invenção da máquina a vapor. • Compreender a relação entre as variáveis de estado nas transformações isotérmica, isobárica, isovolumétrica e adiabática. • Compreender a relação entre pressão, temperatura e volume em uma transformação qualquer por meio da equação geral dos gases. • Relacionar a primeira lei da Termodinâmica com os fenômenos meteorológicos. • Compreender a segunda lei da Termodinâmica e o conceito de entropia. • Analisar o funcionamento de máquinas térmicas e seu rendimento. • Conhecer as características das ondas e relacioná-las à audição e à visão humanas. • Conhecer os problemas causados pela poluição sonora à saúde humana. • Conhecer alguns danos causados pelo uso excessivo da

tecnologia à audição e à visão humanas, refletindo sobre alguns cuidados necessários nesse contexto. • Identificar as principais alterações visuais, como miopia, hipermetropia e astigmatismo.

Justificativas A abordagem das páginas desta unidade contribui para o desenvolvimento da Competência geral 1, pois possibilita aos estudantes relacionar teorias científicas com práticas e reflexões sobre a realidade, tal qual a exploração de temas, como Revolução Industrial e história do desenvolvimento tecnológico. Ao conhecer os impactos dessa revolução na sociedade e no meio ambiente, eles desenvolvem a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1. O conhecimento de máquinas térmicas e sua aplicação no cotidiano, assim como de suas limitações, favorece a abordagem da habilidade EM13CNT303. Além disso, durante essa unidade, os estudantes analisarão teorias propostas ao longo do tempo sobre aspectos importantes da evolução do conhecimento científico, contribuindo para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT201. Ao longo da unidade, eles serão incentivados a interpretar textos de divulgação científica, favorecendo a habilidade EM13CNT303. A elaboração de questões, hipóteses e interpretações acerca da situação-problema proposta nessa unidade promove o desenvolvimento da habilidade EM13CNT301.

Abertura da unidade - páginas 372 e 373 BNCC em contexto A abordagem histórica e os impactos de novas tecnologias na sociedade, como as máquinas térmicas, contribuem para o desenvolvimento da Competência geral 1. Ao analisar e refletir sobre seus impactos no meio ambiente, os estudantes desenvolvem a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1, a Competência geral 7 e a habilidade EM13CNT101. Inicie explorando a imagem da locomotiva a vapor, perguntando aos estudantes como acham que ocorre seu funcionamento. Aborde a transformação de calor em trabalho e a importância das máquinas térmicas na Revolução Industrial, destacando como elas transformaram a sociedade e a economia. Leve-os a refletir acerca de como inovações, tal qual a das máquinas térmicas, impactam a vida cotidiana, tanto positiva quanto negativamente, contemplando as questões ambientais.

Respostas a ) Resposta pessoal. Os estudantes podem citar que o desenvolvimento das máquinas térmicas facilitou a realização de tarefas, como retirar água das minas, transportar cargas e pessoas e produzir artefatos industriais, entre outras. Além disso, possibilitou a criação de novos empregos, como operador e especialista em manutenções. Em contrapartida, em diversas áreas ocorreu a substituição da mão de obra humana pelas máquinas, aumentando o desemprego em alguns setores. Como essas máquinas são baseadas na combustão, outra desvantagem refere-se ao aumento da emissão de gases poluentes na atmosfera, resultantes da queima do combustível.

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b ) Para que um motor de combustão interna funcione, são necessários algum combustível e gás oxigênio para ocorrer a explosão. c ) Em uma locomotiva a vapor, o calor proveniente da combustão aquece a água, e o vapor produzido faz as partes da locomotiva se movimentarem. Já em um motor de combustão interna, os próprios gases, provenientes da combustão, movem partes do motor do veículo.

Capítulo 24 - Queima de combustíveis fósseis – páginas 374 a 389 Objetivos do capítulo • Explicar o papel das máquinas a vapor na Primeira Revolução Industrial. • Analisar os impactos sociais, econômicos e ambientais das máquinas a vapor durante a Revolução Industrial. • Identificar os principais eventos e invenções de cada Revolução Industrial. • Identificar os tipos de transformações gasosas em sistemas termodinâmicos.

Páginas 374 a 387 BNCC em contexto A abordagem da página 374 contribui para o desenvolvimento da Competência geral 7, da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e da habilidade EM13CNT104, pois permite avaliar os benefícios e os riscos à saúde, considerando a composição e a reatividade de diferentes materiais e produtos, como também o nível de exposição a eles. Nesse sentido, os estudantes são levados a se posicionarem criticamente e propor soluções individuais e/ou coletivas para seus usos. A habilidade EM13CNT105 também é contemplada, na medida em que ocorre a análise dos ciclos biogeoquímicos e a interpretação dos efeitos de fenômenos naturais e da interferência humana sobre esses ciclos, promovendo ações individuais e/ou coletivas que minimizem consequências nocivas à vida. Além disso, há a oportunidade de trabalhar a Competência geral 2, a Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3 e as habilidades EM13CNT301 e EM13CNT309, elaborando questões e hipóteses para construir, avaliar e justificar conclusões no enfrentamento de situações-problema sob uma perspectiva científica. Assim, é possível analisar questões socioambientais, políticas e econômicas relativas à dependência do mundo atual em relação aos recursos não renováveis, discutindo a necessidade de novas tecnologias energéticas e de materiais. Após lerem o trecho da reportagem no início da pági na 374, proponha aos estudantes uma discussão sobre o uso de combustíveis fósseis e os efeitos climáticos extremos pelos quais diferentes regiões do planeta têm passado, como ondas de calor, secas e inundações. Busque fazer um levantamento dos conhecimentos prévios, aproximando o conteúdo do cotidiano deles.

Retome as informações obtidas no levantamento de conhecimentos prévios e defina o que são combustíveis fósseis e suas aplicações.

Compartilhe ideias - página 375 Peça aos estudantes que formem dois grupos. Diante disso, proponha um debate no qual um deles defenderá os impactos positivos e o outro apontará os impactos negativos da utilização das máquinas a vapor nos contextos social, econômico e ambiental. Se achar conveniente, peça aos estudantes que produzam um documentário com informações e dados sobre o assunto, levando-os a refletir sobre essa relação e dependência atual da sociedade. Aproveite também para abordar questões como o desenvolvimento sustentável por meio de medidas como a reciclagem de materiais, o reúso da água, o reflorestamento, o tratamento de esgotos etc. Essa estratégia permite trabalhar as Competências gerais 4, 5 e 9, além de fazer parte das culturas juvenis.

Conexões com... - páginas 376 e 377 Objetivos • Compreender as principais tecnologias que foram propulsoras das diferentes revoluções industriais. • Refletir sobre as principais consequências positivas e negativas para a sociedade de cada tipo de Revolução Industrial. • Reconhecer a importância dos conhecimentos científicos para o desenvolvimento tecnológico. Orientações Durante a leitura do texto da seção, ao abordar cada tipo de Revolução Industrial, peça aos estudantes que comparem alguns aspectos de cada um, refletindo não só a respeito de questões técnicas, mas também sobre as influências positivas e negativas com relação à sociedade, à economia e aos impactos ambientais. Incentive-os também a comentar como as tecnologias digitais estão presentes e influenciam o cotidiano e a levantar hipóteses acerca de como poderá ser a próxima Revolução Industrial. Ao final da seção, verifique se os estudantes perceberam que os conhecimentos científicos estão em constante construção e que as tecnologias que temos atualmente muitas vezes são baseadas em estudos científicos construídos ao longo de séculos.

BNCC em contexto A abordagem das páginas 378 a 384 contribui para o desenvolvimento da Competência geral 1, da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e da habilidade EM13CNT101, pois permite analisar e representar as transformações e conservações em sistemas que envolvam quantidade de matéria, de energia e de movimento para realizar previsões sobre seus comportamentos em situações cotidianas e em processos produtivos. Na página 378, é importante destacar que os exemplos trabalhados ocorrem em recipientes nos quais a quantidade de gás é constante, tratando-se de um sistema fechado, isto é, no qual o número de mol é constante. Comente que, caso qualquer quantidade de gás seja acrescida ou perdida, o estado do gás sofrerá alteração. Ao iniciar a abordagem sobre as transformações gasosas, questione os estudantes a respeito das relações entre as

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variáveis de estado. Algumas perguntas possíveis são: “Se um gás é aquecido ou resfriado, ele sempre apresentará variação no seu volume?”; “A expansão ou compressão de um gás pode provocar alteração em sua pressão e sua temperatura?”. Dê oportunidade a todos para expor suas ideias e seus argumentos, a fim de verificar o conhecimento prévio deles.

Acompanhando a aprendizagem Após abordar o conteúdo da página 378, organize os estudantes em duplas para responder às questões propostas na página. Solicite-lhes que compartilhem entre si suas conclusões, verificando a compreensão deles, e se restam dúvidas. Verifique também se conseguem estabelecer as relações entre os conceitos científicos e as situações apresentadas.

Atividade extra Se julgar interessante, proponha uma atividade no laboratório de informática utilizando um simulador, a fim de que os estudantes visualizem as relações entre as variáveis de estado para cada tipo de transformação gasosa. Para isso, acesse o site do projeto PhET, da Universidade do Colorado, nos Estados Unidos. Nele, é possível estudar diferentes transformações gasosas. Disponível em: https://phet. colorado.edu/pt_BR/simulation/gas-properties. Acesso em: 3 out. 2024. Para a demonstração das respectivas transformações, selecione para manter constante a pressão, a temperatura ou o volume. É possível também ajustar as dimensões da caixa que representa o sistema fechado e a intensidade do aquecedor abaixo dela. Peça aos estudantes que descrevam no caderno o comportamento das variáveis de estado em cada tipo de transformação simulada. Essa atividade proporciona o desenvolvimento das Competências gerais 2 e 5, pois possibilita exercitar a curiosidade intelectual, a investigação, a reflexão e a análise crítica para a resolução de problemas por meio do uso de tecnologia digital. A habilidade EM13CNT301 também é contemplada, tendo em vista a elaboração de hipóteses, previsões e interpretações de modelos explicativos.

Prática científica - páginas 386 e 387 Objetivos • Investigar a influência da variação da temperatura em relação ao volume e à pressão de um gás. • Identificar a relação entre as variáveis de estado termodinâmico de uma massa gasosa. • Verificar a transformação de energia térmica em energia mecânica, com o deslocamento do êmbolo da seringa. Orientações Nas etapas A e B, é essencial que as seringas estejam vedadas. Se considerar mais adequado, substitua o uso da cola por massa de modelar. Caso haja vazamento na vedação da seringa, pergunte aos estudantes como devem proceder para resolver o problema. Se eles forem manusear a cola instantânea e a água aquecida, é importante que usem luvas de proteção e que sejam supervisionados por um adulto. Aproveite para desenvolver o pensamento computacional, incentivando-os a encontrar maneiras de criar um aparato que investigue a relação entre as variáveis termodinâmicas ao colocar uma massa gasosa em contato com diferentes temperaturas. É importante, nesse processo, orientar os es-

tudantes a dividir o problema em etapas, a fim de facilitar a elaboração de uma solução. Se os dados obtidos não corresponderem aos de uma transformação isobárica, pergunte o que teria influenciado os resultados. Algumas possibilidades são o atrito do êmbolo com a seringa e o ar que não teria sido um gás ideal. Após a realização da atividade, a água dos recipientes pode ser descartada na pia. O restante dos materiais pode ser guardado para ser usado em outras atividades.

Respostas - Páginas 388 e 389 2. Convertendo a temperatura de Celsius para Kelvin: T0 = TC + 273 = 25 + 273 = 298 ∴ T0 = 298 K De acordo com o gráfico, temos que V0 = 2 Le V = 8 L. Utilizando a equação geral dos gases ideais para uma V0 V 8 2 ⇒ transformação isobárica, tem-se: _ = _ ⇒ _ = _ 298 T T0 T 2 384 ⇒ T = _= 1 192 ∴ T = 1 192 K 2 3. Utilizando a equação para uma transformação isotérmica, tem-se: p0· V0= p · V ⇒ 2 · 10 = p · 30 ⇒ ,67 ∴ p ≃ 0 ,67 atm ⇒ p ≃ 0 Transformando a unidade de medida atm para pascal, com base em relação 1 atm = 1 0 5 Pa, temos: 5 4 p = 0,67 · 1 0 ∴ p = 6,7 · 10 Pa 4. Transformando a unidade de medida Celsius para Kelvin, tem-se: T0 = TC + 273 = 1 4 + 2 73 = 287 ∴ T0 = 287 K T = TC + 273 = 5 7 + 2 73 = 330 ∴ T = 330 K Utilizando a equação para uma transformação isovolup0 p p0 p _⇒ _= _ ⇒ métrica, tem-se: _ = T0 T 287 330 330 · p 0 ⇒ p = _ ∴ p ≃ 1,15 · p0 287

10 · 105= 1 06 Pa; 8. Conforme o gráfico, há os valores p0= 5 3 2 m . p = 4 · 10 Pae V0= Utilizando a equação para uma transformação isotérmica, tem-se: p0 · V0 = p · V ⇒ 1 0 6· 2 = 4 · 1 0 5· V ⇒ ⇒V = 5 ∴ V = 5 m 3 9. Como o recipiente tem o êmbolo fixo, o volume permanece constante, portanto a transformação é isovolumétrica. Transformando a unidade de medida de temperatura Celsius para Kelvin, tem-se: T0= TC+ 273 ⇒ ⇒ T0= 23 + 273 = 296 ∴ T0= 2 96 K Utilizando a equação para uma transformação isovolumétrica, tem-se: 1 _ p0 p p0 3 · p0 _ _ _ _ ⇒ = ⇒ = T0 T 296 T 296 · p0 _ 296 · p0 1 296 3 _ · _ = _ ∴ T ≃ 98,7 K ⇒ T = _⇒ T = p0 p0 3 3 10. Transformando a unidade de medida de temperatura Celsius para Kelvin, tem-se: 273 = 1 0 + 2 73 = 283 ∴ T0 = 283 K T0 = TC + T = TC + 273 = 6 5 + 2 73 = 338 ∴ T = 338 K

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Utilizando a equação geral dos gases ideais para uma V0 V transformação isobárica, tem-se: _= _⇒ T0 T 15 _ 338 · 15 V _ _ = ⇒ V = ⇒ ⇒ 283 338 283 5 070 ⇒ V = _ ≃ 17,9 ∴ V ≃ 17,9 cm 3 283 11. Transformando a unidade de medida de temperatura Celsius para Kelvin: TC + 273 = 27 + 2 73 = 300 ∴ T0 = 300 K T0 = T = TC + 273 = − 50 + 273 = 223 ∴ T = 223 K Utilizando a equação geral dos gases ideais, tem-se: p0 · V0 p · V 1 · 10 0,25 · V _ = _ ⇒ _ = _ ⇒ 300 223 T0 T 223 · 10 ⇒ V = _ ≃ 29,7 ∴ V ≃ 29,7 L 300 · 0,25 12. Transformando a unidade de medida de temperatura Celsius para Kelvin, tem-se: TC + 273 = 30 + 2 73 = 303 ∴ T0 = 303 K T0 = T = TC + 273 = 180 + 273 = 453 ∴ T = 4 53 K Utilizando a equação geral dos gases ideais, tem-se: p0 · V0 p · V 2 · 2 p · 6 4 · 453 _ ⇒ _ = _⇒ p = _≃ 1 ∴ p ≃ 1 atm _= 303 453 6 · 303 T0 T Sendo 1 atm = 10 5 Pa, a nova pressão do gás é aproximadamente, 10 5 Pa. 13. Utilizando a equação dos gases ideais, temos: V = 215,04 L P · V = N · R · T ⇒ 1 · V = 8,8 · 0,082 · ( 25 + 273)∴ 14. Utilizando a equação geral dos gases ideais, tem-se: p0 · V0 p · V 2 · 2 1,5 · 4 _ = _⇒ _ = _⇒ 293 T0 T T 293 · 6 _ ⇒ T = = 439,5 ∴ T = 439,5 K 4 Transformando a temperatura de Kelvin para Celsius, tem 273 = 439,5 − 273 = 1 66,5 ∴ T = 1 66,5 °C -se: T = TK − 15. Espera-se que os estudantes respondam que, ao colocar a lata de alumínio na água fria, o gás que estava aquecido tem sua temperatura diminuída. Isso provoca a diminuição da pressão e do volume do gás no interior da lata. Assim, uma quantidade de água é puxada para dentro da lata e, por conta da diferença de pressão interna e externa, ela acaba sendo amassada. 16. Utilizando a equação geral dos gases ideais, temos: p0 · V0 p · V 3 · 6 p · 4 7 200 _ = _ ⇒ _ = _⇒ p = _∴ p = 6 atm 300 400 1 200 T0 T

Capítulo 25 - Termodinâmica – páginas 390 a 405 Objetivos do capítulo • Examinar o comportamento do trabalho realizado sobre o gás nas transformações gasosas. • Descrever a energia interna de um gás e sua relação com a temperatura. • Comparar os graus de liberdade de gases monoatômicos e diatômicos. • Identificar as formas de energia que compõem a energia interna de um gás. • Compreender a primeira lei da Termodinâmica e suas variáveis.

• Descrever a segunda lei da Termodinâmica. • Examinar o conceito de entropia e explicar sua relação com a irreversibilidade de processos naturais. • Descrever as etapas do Ciclo de Carnot. • Explicar por que o Ciclo de Carnot representa o ciclo de máxima eficiência teórica de uma máquina térmica. • Calcular e interpretar o rendimento de uma máquina térmica. • Analisar as limitações impostas pela segunda lei da Termodinâmica ao rendimento máximo de máquinas térmicas.

Páginas 390 a 393 BNCC em contexto A questão sugerida na página 390 incentiva os estudantes a recorrer aos conhecimentos científicos para explicar uma situação do cotidiano, contribuindo para desenvolver a Competência geral 1. A análise de gráficos presentes nas páginas 391 e 392 leva os estudantes a ler e interpretar informações por meio de recursos visuais, contribuindo para desenvolver a Competência geral 4. Na página 393, ao trabalhar a relação da energia interna do gás ideal monoatômico, explique que o gás está diretamente relacionado às formas com que seus constituintes podem se mover, ou seja, aos graus de liberdade apresentados pelos constituintes dele. Cada possível movimento contribui com uma energia cinética média descrita 1 por _· n · R · T . Em um gás monoatômico, as partículas terão 2 energia cinética atribuída às três direções de translação, portanto sua energia interna será: 3 · n · R · T 1 · n · R · T)= _ U = 3 · ( _ 2 2 Quando o gás não é monoatômico, passa a ter maior número de graus de liberdade, uma vez que se torna capaz de rotacionar, vibrar, entre outras possibilidades.

Páginas 395 a 403 BNCC em contexto A abordagem das páginas 395 e 396 contribui para o desenvolvimento da habilidade EM13CNT102, pois permite avaliar intervenções de sistemas térmicos que visem à sustentabilidade, considerando sua composição e os efeitos das variáveis termodinâmicas sobre seu funcionamento. A questão da página 395 permite aos estudantes relacionar situações do cotidiano ao conhecimento científico, contribuindo para desenvolver a Competência geral 1. A interpretação de recursos visuais (gráficos) para analisar as transformações isobárica, isotérmica e isovolumétrica contribui para desenvolver a Competência geral 4. Na página 395, explore a primeira lei da Termodinâmica e a expressão matemática que a representa, relacionando-a ao princípio da conservação de energia. Comente que, além de Joule, o médico alemão Julius Robert Von Mayer (18141878) influenciou o conceito de calor referente à energia e à sua conservação. Em uma de suas expedições a serviço da Marinha, Mayer percebeu que o sangue de pacientes inseri-

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dos no clima tropical era mais escuro do que o sangue dos pacientes no clima gelado da Europa. Assim, ele concluiu que para manter a temperatura em um clima tropical, a absorção de oxigênio (O2) era menor, e que a energia mecânica dos músculos provinha da energia química dos alimentos, sendo conectados à energia mecânica e à energia térmica. Essas informações levam os estudantes a compreender o conhecimento científico como uma construção humana e coletiva, contribuindo para desenvolver a Competência geral 1. Além da lei geral dos gases usada para descrever uma transformação adiabática, na página 396 também é possível trabalhar com as variáveis de estado (pressão, volume e temperatura) por meio da lei de Poisson. O físico e matemático francês Siméon-Denis Poisson (1781-1840) desenvolveu uma relação entre a pressão e o volume do gás durante a ocorrência de uma transformação adiabática dada por: γ γ γ 0 = p · V ⇒ p · V = constante. p0 · V O expoente γ é chamado de expoente de Poisson e é daCp do por γ = _, em que cp é o calor específico de aquecimento CV do gás à pressão constante e cV é o calor específico de aquecimento do gás em volume constante. A lei de Poisson também pode ser escrita em função da temperatura. Utilizando a equação dos gases ideais de Clapeyron γ−1 n · R · T), obtém-se a seguinte relação: Ti · Vi = (p · V = γ−1 = T f · V f = constante.

BNCC em contexto O tema abordado no boxe da página 397 permite aos estudantes relacionar o conhecimento científico na busca de soluções para situações do cotidiano, contemplando a Competência geral 1. Além disso, esse tema possibilita conhecer características do trabalho de profissionais da meteo rologia, incentivando-os a refletir sobre projetos de vida e contribuindo para desenvolver a Competência geral 6. Esse boxe também favorece o trabalho com o tema contemporâneo transversal Educação ambiental ao relacionar a primeira lei da Termodinâmica à inversão térmica.

Primeira lei da Termodinâmica e fenômenos meteorológicos - página 397 Inicie a abordagem do boxe solicitando aos estudantes que citem a importância dos serviços meteorológicos para nosso cotidiano e para diversos setores da economia e promova uma conversa sobre as principais atuações de um meteorologista e as principais características desse tipo de trabalho. Aproveite essa conversa para incentivá-los a expressar seus projetos de vida relacionados à escolha da profissão, reflexão que faz parte das culturas juvenis.

BNCC em contexto A questão sugerida na página 398 incentiva os estudantes a refletir sobre uma situação com base nos conhecimentos científicos que adquiriram até o momento, contribuindo para desenvolver a Competência geral 1. O trabalho com o conceito de entropia abordado na página 399 está relacionado à habilidade EM13CNT102. A abordagem do boxe Compartilhe ideias da página 400 incentiva os estudantes a trabalhar em grupo e respei-

tar as opiniões dos colegas, contribuindo para desenvolver a Competência geral 9. Além disso, esse boxe instiga a argumentação com base em informações históricas provenientes de fontes confiáveis, contribuindo para desenvolver as Competências gerais 1 e 7, e a representação de informações por meio de um recurso visual (linha do tempo), contemplando a Competência geral 4. A interpretação de informações científicas provenientes de recursos visuais (gráficos) ao longo dessas páginas favorece a Competência geral 4. É importante enfatizar a diferença entre uma máquina térmica de combustão externa (máquina a vapor) e os motores de combustão interna, como os de automóveis, aviões e motocicletas. Nos motores de combustão externa, a combustão ocorre separadamente do recipiente em que há trabalho. No caso de uma máquina a vapor, a combustão aquece a água de uma caldeira, a qual se pressuriza e empurra um êmbolo. Nesse caso, o combustível fica em um recipiente distinto do vapor que realiza trabalho. Já nos motores de combustão interna, o combustível é queimado no mesmo compartimento em que ocorre o trabalho, uma vez que é a própria expansão do gás queimado que empurra o êmbolo. Na página 403, é importante comentar que os fluidos refrigerantes, como os CFCs, utilizados nos refrigeradores, prejudicam a camada de ozônio (O3). Explique que, embora os HCFCs e os HFCs sejam menos prejudiciais, o primeiro também agride a camada de ozônio, e o segundo influencia o efeito estufa. Essa abordagem está relacionada ao tema contemporâneo transversal Educação ambiental.

Acompanhando a aprendizagem Ao finalizar o conteúdo das páginas 395 e 396, solicite aos estudantes que formem duplas e respondam às questões 2 e 3 da página 404, utilizando a estratégia de metodologia ativa Jogo pedagógico descrita nas páginas XI e XII destas Orientações para o professor. Essa abordagem auxilia na verificação da aprendizagem sobre transformações gasosas e primeira lei da Termodinâmica.

Atividade extra Solicite aos estudantes que montem um painel informativo explicando o funcionamento de uma usina termelétrica e de diferentes máquinas térmicas. Eles devem incluir as etapas de conversão de energia, explicando os conceitos de trabalho, calor e eficiência. O painel pode ser digital ou físico, utilizando gráficos, imagens e diagramas. Incentive a síntese de informações e a comunicação visual de conceitos complexos de maneira clara e didática.

Respostas - Página 394 2. Uma vez que o trabalho termodinâmico é numericamente igual à região delimitada no diagrama p × V , seu valor pode ser obtido dividindo essa região em duas partes, com formas equivalentes a um triângulo e um retângulo. Portanto, o cálculo da área será: 2 · ( 6 · 1 0 ) b · h _ τ 1 = A triângulo = _ = ∴ τ 1 = 6 · 1 0 5 J 2 2 τ 2 = Aretângulo = b · h = 2 · ( 3 · 10 5)∴ τ 2 = 6 · 10 5 J 5

O trabalho total será a soma dos dois: τ 1 + τ 2 = 6 · 1 0 5+ 6 · 10 5∴ τ total = 12 · 10 5 J τ total =

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3. a ) No trecho A B, ocorre uma transformação isovolumétrica cujo trabalho é nulo. Assim, só há realização de trabalho no trecho BC. Pela área do gráfico, temos: τABC= A retângulo= b · h = 1 · ( 6 · 105)∴ τABC= 6 · 105 J

b ) No trecho D C, ocorre uma transformação isovolumétrica cujo trabalho é nulo. Assim, só há realização de trabalho no trecho AD. Pela área do gráfico, temos: τADC= Aretângulo= b · h = 1 · ( 3 · 105)∴ τ 2= 3 · 105 J c ) No trecho AC, ocorre uma expansão com aumento de pressão; o trabalho realizado pelo gás é numericamente igual à área do trapézio, abaixo da linha do gráfico: (b + B)· h 9 · 10 5 τ AC = Atrapézio = _ = _∴ τ AC = 4,5 · 10 5J 2 2 4. A temperatura no ponto Aé dada por: PA · VA = n · R · TA ⇒ 3 · 8,2 = 1 · 0,082 · TA ⇒ T A = 300 K A transformação A → Bé isovolumétrica. Logo: PB _ PB PA _ 3 _ _ ⇒ = ⇒ PB = 5 atm = TA TB 300 500 Portanto, o trabalho realizado pelo gás é dado por: τ = 5 · ( 16,4 − 8,2)atm · L = 41 atm · L = 4 153,3 J 6. Convertendo as temperaturas para a escala kelvin, temos: T0 = 20 + 273 ∴ T0 = 293 K T = 60 + 273 ∴ T = 333 K Portanto, as energias internas inicial e final são dadas por: 3 3 · n · R · T0 ⇒ U0 = _ · 4 · 8,3 · 2 93 ⇒ U0 = _ 2 2 29 182,8 ∴ U 0 = 14 591,4 J ⇒ U0 = _ 2 3 3 · 4 · 8,3 · 333 ⇒ U = _ · n · R · T0 ⇒ U = _ 2 2 33 166,8 _ ∴ U = 16 583,4 J ⇒ U = 2 A variação da energia interna (ΔU) do gás vale: ΔU = 1 6 583,4 − 14 591,4 ∴ ΔU = 1 992 J ΔU = U − U 0 ⇒

Respostas - Páginas 404 e 405 3. a ) Pela primeira lei da Termodinâmica, considerando o trabalho recebido como negativo, temos: Q = τ + ΔU ⇒ 400 = − 80 + ΔU ∴ ΔU = 4 80 J b ) Transformando a unidade de medida de Celsius para kelvin, teremos: T0= T C+ 273 = 20 + 273 ∴ T0= 293 K Utilizando a relação da primeira lei da Termodinâmica e da variação da energia interna, temos: Q = τ + ΔU ⇒ 400 = 120 + ΔU ∴ ΔU = 280 J Usando a equação para a energia interna de um 3 gás ideal monoatômico: ΔU = _· n · R · ΔT ⇒ 2 80 = 2 3_ = · 4 · 8 ,3 · Δ T ⇒ Δ T ≃ 5 ,6 ⇒ T − T0 ≃ 5 ,6 ⇒ 2 ⇒ T − 2 93 ≃ 5,6 ⇒ T ≃ 2 98,6 ∴ T ≃ 2 98,6 K ≃ 25,6 °C c ) Determinando a variação de volume do recipiente, transformando a unidade de medida centímetro cúbico em metro cúbico e a unidade atmpara pascal, e utilizando o cálculo para a transformação isobárica, temos: ΔV = A · Δh = 2 00 · 5 = 1 000 ∴ Δ V= 1 000 cm 3 1 6 −3 10 − 1 000 ∴ ΔV = 10 m 3 _= ΔV 1 _= 10 5− p ∴ p = 3 · 10 5 Pa 3 00 ∴ τ = 300 J τ = p · ΔV = (3 · 10 5)· 10 −3= 3

d ) Como o êmbolo não se move, não há variação de volume, portanto o trabalho é nulo. Utilizando a relação da primeira lei da Termodinâmica e da variação de energia interna, temos: Q = τ + ΔU ⇒ 4 00 = =0 + ΔU ⇒ Δ U= 400 ∴ Δ U= 400 J 3 3 · R · ΔT ⇒ 4 00 = _ · 4 · 8 ,3 · ΔT ⇒ ΔU = _ · n 2 2 ⇒ ΔT ≃ 8 ⇒ T − T0 ≃ 8 ⇒ ⇒ T − 2 93 ≃ 8 ∴ T ≃ 3 01 K ≃ 28 °C 4. Ao compreender a entropia como a desordem do sistema, percebe-se que parte do calor cedido pela fonte quente necessariamente será degradado para a fonte fria, assim como transformado em outros tipos de energia, impossibilitando que 100% desse calor gere trabalho. Essas outras energias podem ser compreendidas como a vibração da máquina, a produção de som, a irradiação térmica, entre outras. Máquinas térmicas na prática, como automóveis, transformam parte da energia proveniente da combustão em calor que aquece o motor, em energia sonora etc. Essas transformações impedem que as máquinas térmicas obtenham um rendimento de 100%. 6. Para o cálculo do rendimento, levamos em conta as temperaT2 273 1 − _ ≃ 0,27 ∴ η ≃ 0,27 turas das fontes: η = 1 − _ = 373 T1 τ τ O trabalho realizado é dado por: η = _ ⇒ 0,27 = _ ∴ 200 Q1 ∴ τ = 324 J 7. b ) De acordo com a segunda lei da Termodinâmica, o rendimento máximo possível de uma máquina térmica que funciona por meio de ciclos finitos é igual ao rendimento do Ciclo de Carnot. Para as duas máquinas, o rendimento de Carnot é dado por: TF 300 − _ = 1 − _ ηCarnot = 1 600 TQ O rendimento proposto para cada máquina é dado por: τ 1 600 = _ ≃ 86% η 1 = _ Q1 700 τ 2 300 _ = _ = 37,5% η 2 = Q2 800 Logo, apenas a máquina 2 tem rendimento menor do que o de Carnot. 800 τ ∴ η = 0 ,4 = 40% 8. a ) η = _ = _ Q1 2 000 Q2⇒ Q 1= τ + Q2⇒ b ) τ = Q1− ⇒ 2 000 = 800 + Q2 ∴ Q2 = 1 200 J c ) Transformando a unidade de medida Celsius para kelvin: T C + 273 = 4 80 + 273 = 7 53 ∴ T1 = 753 K T1 = T2 = TC + 273 = 3 0+ 2 73 = 303 ∴ T2 = 303 K Utilizando o rendimento de Carnot, temos: T2 303 η = 1 − _⇒ η = 1 − _ ⇒ η = 1 − 0 ,4 ∴ η = 0,6 = 60% 753 T1 T τ F 9. O rendimento é dado por: η = _ = 1 − _ ⇒ TQ QQ

TF TF TF 480 = 1 − _ ⇒ 0,4 = 1 − _ ⇒ _ = 0,6. Entre as ⇒_ 1200 TQ TQ TQ alternativas, a única que apresenta o mesmo valor para a razão entre as temperaturas da fonte fria e quente é a b.

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10. Refrigeradores não violam a segunda lei da Termodinâmica porque eles não transferem calor espontaneamente do corpo mais frio para o corpo mais quente. Em vez disso, eles usam trabalho (energia externa) para realizar essa transferência de calor. No caso de um refrigerador, um compressor trabalha para bombear um fluido refrigerante em um ciclo, absorvendo calor do interior frio e liberando-o no ambiente externo mais quente. O trabalho realizado pelo compressor é a chave que permite a transferência de calor, mantendo a segunda lei da Termodinâmica intacta. 11. I ) O rendimento dela é dado por: 125 τ η = _ = _ ∴ η = 5% QQ 2 500 II ) E = 2 500 J − 125 J = 2 375 J TF 300 1 − _= 1 − _ = 0,625 III ) ηCarnot= 800 TQ τ Carnot = 2 500 · 0 ,625 = 1 562,5 J 12. Seja T1 a temperatura no ponto A. A temperatura no V1 _ 2 V1 ⇒ TB= 2 · T1 ponto Bé dada por: _ = T1 TB A variação de energia interna na transformação de A para Bé: R · T1 Δ U AB = n · R · ΔΤ = R · ( 2 · T1 − T1) ∴ Δ UAB = Pela primeira lei da Termodinâmica, temos: AB + τ AB = R · T1 + 3 · P1 · ( 2 · V1 − V1)⇒ QAB = Δ U · T1 + 3 · P1 · V1 = R · T 1 + 3 · R T1 ∴ ⇒ QAB = R ∴ QAB = 4 · R · T 1 O trabalho em um ciclo é dado por:

· P1 · V 1 ∴ τ ABCD = 2 · R · T1 τABCD = ( 3 · P1 − P1)· ( 2 · V1 − V1)= 2 Logo, o rendimento é dado por: τ ABCD _ 2 · R · T1 = = 50% η = _ 4 · R · T1 QAB

Capítulo 26 - Sons e audição humana – páginas 406 a 427 Objetivos do capítulo • Compreender as características de uma onda. • Estudar a velocidade de propagação de uma onda sonora. • Distinguir as características do som. • Explorar os fenômenos sonoros, como reflexão, refração, difração, interferência e ressonância. • Explicar o efeito Doppler sonoro. • Analisar instrumentos sonoros, suas características e suas diferenças. • Compreender a formação de ondas estacionárias em cordas e tubos. • Reconhecer a importância da acústica na audição humana.

Páginas 406 a 417 Ao iniciar o estudo do capítulo, explique aos estudantes que, assim como a luz, o som é uma onda. Apresente-lhes o conceito de onda sonora e ressalte que as características das ondas definem se um som é intenso ou suave, grave ou agudo. Explique os limites auditivos do ser humano para perceber os sons e os significados dos termos ultrassom e infrassom.

Destaque que a percepção dos sons varia entre os seres vivos. Por exemplo, cachorros podem escutar frequências de até 50 kHz, morcegos detectam até 100 kHze golfinhos, até cerca de 150 kHz.

BNCC em contexto O trabalho com as páginas 406 e 407 contribui para desenvolver a habilidade EM13CNT306, relacionada à Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 3, ao incentivar os estudantes a avaliar riscos de permanecer em locais com ruídos intensos por determinado tempo. Essa abordagem também contempla a Competência geral 8. Ao iniciar o assunto da página 406, pergunte aos estudantes se eles utilizam fones de ouvido e por quanto tempo os usam por dia, resgatando os conhecimentos prévios acerca das consequências do uso inadequado de fones de ouvido. Em seguida, leia a manchete apresentada na página e promova uma conversa sobre os problemas causados à audição por uso excessivo de fones de ouvido, como perda de audição e problemas de equilíbrio e com o senso de localização. Continue lendo com eles a tabela “Limites de tolerância para ruído contínuo ou intermitente” da página 407 para que avaliem a própria postura quanto ao uso de fones de ouvido.

Compartilhe ideias - página 407 Para realizar essa atividade, os estudantes podem utilizar uma mola slink ou uma espiral de encadernação e um pedaço de fita de tecido. Eles devem esticar a mola horizontalmente no chão e prender a fita em qualquer uma de suas partes. Depois, devem segurar a outra extremidade da mola e provocar oscilações nela. Demostre que há transporte de energia, mas sem transporte de matéria. Ao trabalhar a intensidade sonora na página 413, explique que os danos fisiológicos ao sistema auditivo causados pelo som dependem da intensidade dele, do tempo de exposição a ele e de sua frequência. Retome a tabela da página 407 e aproveite para trabalhar novamente o tema contemporâneo transversal Saúde, destacando que, às vezes, ao utilizarem fones de ouvido em lugares com muito ruído, algumas pessoas costumam usar o aparelho em um volume muito alto para encobrir esse ruído, o que pode causar danos irreversíveis ao sistema auditivo. Ao abordar o fenômeno da interferência na página 416, utilize a ilustração para mostrar como ocorre o fenômeno da interferência de ondas. Explique aos estudantes que, quando ondas que estão se propagando pelo mesmo meio se cruzam, elas podem sofrer interferência construtiva ou destrutiva.

Páginas 420 a 425 Integrando o conhecimento Ao abordar o assunto Instrumentos sonoros, nas páginas 420 e 421, convide o professor do componente curricular de Arte para que ele apresente as principais características e os tipos de sons dos instrumentos citados na página. Complemente a explicação dele com as informações científicas relacionadas ao componente curricular de Física.

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Conexões com... - página 424 Objetivos • Identificar os efeitos dos ruídos sobre a saúde auditiva. • Entender os riscos da perda auditiva provocada por exposição a ruídos intensos por tempo prolongado. • Incentivar a conscientização sobre a saúde auditiva. Orientações Auxilie os estudantes a refletir sobre como as características físicas das ondas sonoras estão ligadas ao risco de danos auditivos, destacando como a intensidade do som pode afetar o sistema auditivo e provocar consequências de curto e longo prazo. Pode-se abordar o tema de maneira interdisciplinar com Biologia, enfatizando a estrutura e o funcionamento das partes do sistema auditivo, explicando como cada uma dessas estruturas participa na captação e transmissão das ondas sonoras. Após a leitura do texto, promova um debate sobre outras profissões de risco e as condições de trabalho em ambientes com alta exposição a ruídos, sugerindo discussões voltadas à segurança do trabalho e à legislação relacionada à proteção auditiva. Além de responder às questões, sugere-se uma atividade prática em que os estudantes investiguem os níveis sonoros em diferentes situações, locais e aparelhos (como o emitido por fones de ouvido) utilizando aplicativos de medição de intensidade sonora. Os resultados podem ser analisados em conjunto com a tabela apresentada na página 407, incentivando a conscientização da necessidade de preservar a saúde auditiva e buscar soluções para a redução do ruído nos mais variados ambientes e situações, contribuindo para desenvolver a habilidade EM13CNT301. Essa abordagem também favorece a habilidade EM13CNT207 ao identificar, analisar e discutir vulnerabilidades vinculadas às vivências e aos desafios contemporâneos.

Prática científica - página 425 Objetivos • Investigar a propagação de ondas sonoras em meios sólidos. • Associar objetos que vibram com a produção do som. • Relacionar a detecção de ondas sonoras pela vibração de meios sólidos com o sentido da audição humana, em razão da vibração da membrana timpânica. Orientações Durante a execução da proposta de investigação elaborada pelos estudantes, sugerimos a você que continue atuando como orientador, incentivando-os a encontrar soluções para os problemas que surgirem. No entanto, execute as etapas que sejam mais arriscadas, como manipular objetos cortantes. Assegure-se de que eles cubram o recipiente de vidro ou plástico com o filme de PVC de maneira uniforme e tensionada, para garantir que a vibração da membrana seja perceptível. Reforce que o som se manifesta por meio dessas vibrações, e que as mudanças nos padrões formados na areia refletem as diferentes frequências e intensidades das ondas sonoras. Se julgar adequado, sugira a um dos integrantes do grupo que fique responsável por registrar todas as etapas e os resultados por meio de fotografias, que podem ser feitas com uma câmera fotográfica digital ou um smartphone. Ao final da atividade, o filme de PVC e os elásticos devem ser descartados em coletores para reciclagem. A areia poderá ser descartada no solo e o restante dos materiais reaproveitados em outras atividades práticas.

Respostas 1. Espera-se que os estudantes respondam que, ao usar as fontes sonoras próximo à montagem do experimento, o material depositado sobre o filme de PVC (que representa a membrana) passou a vibrar na mesma frequência da onda sonora emitida. 2. Espera-se que os estudantes respondam que as vibrações do material podem ser maiores ou menores, dependendo da frequência da onda emitida e da sua intensidade. 3. Espera-se que os estudantes respondam que sim. Quanto maior for a frequência de vibração do material, mais agudo será o som; quanto menor for a frequência de vibração, mais grave será o som; quanto maior for a intensidade da fonte, mais energia mecânica de vibração será transmitida para o material por meio das ondas sonoras, então ele se movimentará mais rápido etc. 4. Espera-se que os estudantes respondam que, da mesma forma que o filme de PVC usado para representar a membrana no experimento passou a vibrar de acordo com a frequência de onda emitida pelas fontes, a membrana timpânica, localizada na orelha média, ao captar as ondas sonoras, passa a vibrar em razão das variações de pressão exercidas nela, transferindo essa energia mecânica ao restante do sistema auditivo.

Respostas - Páginas 418 e 419

E 4. Como A = 4 cm2 = 4 · 1 0−4m2, temos: I = _ ⇒ A · Δt 0,3 ∴ I = 375 W / m 2 ⇒ I = _ 4 · 10 −4· 2 5. Como o período em que as ondas passam pelo barco é igual a 2 s, sua frequência é dada pela relação: 1 1 f = _ = _= 0,5 ∴ f = 0 ,5 Hz T 2 Como o comprimento de onda é a distância entre duas cristas ou vales consecutivos, o comprimento de onda nesse caso é igual a 4 m. 10−2 I 1 0 · log _ −12 ⇒ β = 1 00 dB 8. I ) Correta. β = 10log _= I0 10 P II ) Correta. I = _ ⇒ P = I · A = 10−2· ( 4π · 202)⇒ A

⇒ P ≃ 5 0,3 W III ) Incorreta.

10 −2· ( 4π · 20 2) P _____________ I = _ =    ⇒ I = 0,25 W/ m 2 A 4π · 4 2 0,25 I β = 1 0log _= 10 · log _ −12 ⇒ β ≃ 1 14 dB I0 10 IV ) Correta. A altura qualifica os sons em graves ou agudos. vs± vo vs+ 0 ⇒ f ap= f · _ = 12. Na aproximação: fap= f · _ vs− vf vs± vf 340 ⇒ f ap ≃ 313,8 Hz =3 00 · _ 340 − 15 vs + 0 340 = 300 · _ ⇒ No afastamento: faf = f · _ vs + vf 340 + 1 5

287,3 Hz ⇒ f af ≃

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13. Aplicando a relação do efeito Doppler, temos: vs ± vo ( 340 + 2 )  ⇒ f’= 80 ·  __________   ⇒ f′’ = 8 8,2 Hz f’= f · _ vs ± vf 340 − 30

Respostas - Páginas 426 e 427 340 v 5. f1= _ = _ = 42,5 ∴ f1= 42,5 Hz 2 · L 2 · 4

340 v 6. f1= _ = _ = 70,8 ∴ f1= 70,8 Hz 4 · L 4 · 1,2 v v faberto⇒ _ = _ ⇒ Laberto= 7. ffechado= 2 L aberto 4 Lfechado =2 Lfechado ⇒ 1,2 = 2 Lfechado ∴ Lfechado = 0,6 m

5= 8. a ) Como são 5 oitavas acima, temos: f = f0· 2 = 32,7 · 32 ⇒ f = 1 046,4 Hz 340 v 9. f1= _ = _ = 133,3 ∴ f 1= 113,3 Hz 2 · L 2 · 1,5 3 · v 3v 13. f3= _ ⇒ 150 = _⇒ v = 1 00 m/s 2 · 1 2 · L 1 · v 1 · v 14. Temos: fA= _ e fB= _ 4 · L 2 · L

Assim, a razão entre as frequências é dada por: v _ fB fA _ 4 · L _ 1 _ = = ∴ fA = _ v 2 2 fB _ 2 · L

Capítulo 27 - Luz e visão humana – páginas 428 a 435 Objetivos do capítulo • Compreender o impacto de novas tecnologias, como as telas, nos olhos dos seres humanos. • Entender o funcionamento do olho humano. • Identificar os efeitos da luz solar nos olhos. • Reconhecer os principais tipos de alteração da visão. • Conscientizar-se sobre a importância dos cuidados com a visão.

Páginas 428 a 433 BNCC em contexto A abordagem das páginas 428 e 429 contribui para o desenvolvimento da Competência específica de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 1 e das habilidades EM13CNT103, EM13CNT104 e EM13CNT306, pois permite avaliar os riscos envolvidos em atividades cotidianas, utilizando o conhecimento sobre as radiações e suas origens, aplicando conhecimentos das Ciências da Natureza para justificar o uso de equipamentos e recursos, bem como comportamentos de segurança, visando à integridade física, individual e coletiva, e à socioambiental, podendo fazer uso de dispositivos e aplicativos digitais que viabilizem a estruturação de simulações de tais riscos.

Compartilhe ideias - página 429 Para debater a questão do uso excessivo de dispositivos eletrônicos, na atividade sugerida no boxe Compartilhe ideias da página 429, use a estratégia Think-pair-share. Mais comentários sobre essa estratégia nas páginas XI e XII destas

Orientações para o professor. Para isso, peça aos estudantes que façam uma autoavaliação do tempo que permanecem em frente a aparelhos eletrônicos. Em seguida, solicite-lhes que comparem o tempo que estimaram e debatam se o consideram excessivo ou não. Organize a turma formando um círculo e determine o tempo de uso dos aparelhos de maior frequência. Conversem a respeito de como reduzir esse tempo.

Integrando o conhecimento A abordagem da página 430 estabelece uma relação com o componente curricular de Biologia. Incentive o professor desse componente a apresentar as estruturas que formam o olho humano de maneira complementar as informações que constam na página, explicando como ocorre a formação das imagens na retina e como essas informações são interpretadas no encéfalo. Paralelamente, explique aos estudantes o que acontece com a luz ao atingir cada estrutura do olho. Também é possível realizar uma interação com o professor de Geografia para explorar como a incidência e a intensidade da luz solar variam em diferentes regiões do planeta, as causas dessa variação e sua influência na saúde ocular das populações e as adaptações humanas ao ambiente. Por exemplo, ao abordar os efeitos da luz solar nos olhos e a necessidade de proteção ocular, pode-se abordar de que maneira fatores geográficos, como latitude e altitude, afetam a exposição à radiação ultravioleta. Populações que vivem em determinadas regiões estão mais expostas à radiação UV solar, ficando mais sujeitas ao desenvolvimento de doenças oculares.

Acompanhando a aprendizagem Ao abordar o tópico sobre luz solar da página 430, faça uma avaliação diagnóstica dos estudantes voltada aos efeitos da radiação ultravioleta no nosso organismo. Para isso, apresente a eles as seguintes questões. • O que é radiação ultravioleta? • Como ocorre sua interação com a matéria? • Quais riscos à saúde a exposição à radiação ultravioleta oferece?

Atividade extra Apesar de as informações acerca dos efeitos dos raios ultravioletas na pele serem muito difundidas, poucas pessoas têm conhecimento sobre os efeitos na visão. Pergunte aos estudantes como podemos proteger nossos olhos dos efeitos dos raios ultravioletas provenientes da luz solar. Verifique se eles percebem a necessidade do uso de óculos com lentes escuras. Explique-lhes que, como ocorre com os protetores solares, as lentes escuras devem absorver ou refletir a radiação ultravioleta, evitando que ela chegue aos nossos olhos. Explique também o conceito de lentes polarizadas, que permitem a passagem de luz ao mesmo tempo que bloqueiam as radiações prejudiciais. Peça aos estudantes que observem as imagens com o teste de Ishihara para o diagnóstico do daltonismo, na página 432. Explique que essa alteração, diferentemente das estudadas até o momento, não se relaciona à formação de imagens

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na retina, e sim ao funcionamento de células especializadas na identificação das cores, chamadas cones. Apresente os diferentes tipos de daltonismo (protanopia, deuteranopia e tritanopia) e ressalte que não há cura, embora o problema possa ser amenizado com o uso de lentes equipadas com filtros de cor capazes de aumentar o contraste. Confira mais informações sobre esse assunto no site da Sociedade Brasileira de Oftalmologia. Disponível em: https://www.sboportal.org.br/. Acesso em: 9 out. 2024.

Retome o que estudou - página 435 Respostas 1. O objetivo desta questão é levar os estudantes a discutir sobre os conteúdos trabalhados nos capítulos 24 e 25, explicando que nas expansões o gás realiza trabalho e nas compressões o meio externo realiza trabalho sobre o gás. Além disso, espera-se que comentem que, nas transformações em que a temperatura aumenta, a energia interna também aumenta; se a temperatura diminui, a energia interna também diminui. Caso eles tenham dificuldade em realizar a atividade, retome os conteúdos trabalhados nesses capítulos. 2. O objetivo desta questão é levá-los a concluir, com base no que estudaram durante a unidade, que não é possível nem viável a construção de uma máquina com rendimento 1 00%. Eles podem argumentar que seria necessária uma máquina térmica sem qualquer dissipação de energia e que a fonte

fria deveria estar à temperatura zero absoluto, que não pode ser alcançada. Dessa forma, gastaríamos muito mais energia para produzir uma fonte fria com temperatura próxima do zero absoluto do que a que poderíamos utilizar em uma máquina térmica com rendimento menor do que 100%. 3. Nesta atividade, os estudantes devem discutir os assuntos trabalhados no capítulo 26, descrevendo as propriedades e os fenômenos referentes às ondas sonoras. Aproveite a oportunidade para avaliar o conhecimento deles, retomando partes do conteúdo, se necessário. Eles podem citar que as ondas sonoras são: mecânicas, longitudinais; caracterizadas por sua altura (frequência), timbre e intensidade (amplitude); podem sofrer refração, reflexão, difração, interferência e efeito Doppler. Verifique o que eles compreenderam de cada uma dessas características, incentivando-os a retomar o capítulo 26, quando necessário, a fim de confrontar suas argumentações com os conteúdos estudados. 4. Nesta atividade, os estudantes devem argumentar acerca dos conteúdos trabalhados no capítulo 27. Caso tenham dificuldades, incentive-os a conversar entre si a respeito dos efeitos da radiação na visão. Eles podem citar que devemos descansar os olhos ao usar equipamentos eletrônicos por tempo prolongado; regular a quantidade de horas de uso diário; piscar mais, ao utilizar uma tela, para umedecer os olhos; usar óculos escuros com filtro UV; não olhar diretamente para o Sol ou outra fonte de luz de grande intensidade.

Resoluções seção Mais questões Confira a seguir as resoluções das atividades da seção Mais questões que envolvem cálculos.

Páginas 84 a 87

13. Para o intervalo de tempo medido em zeptossegundos:

3. Dados: v = 2 cm / ano; d = 5 000 km = 500 000 000 cm. Δs _ ⇒ Aplicando a definição de velocidade média: v m= Δt 500 000 000 Δ s ____________ ⇒ Δt = _ = ∴ Δ t = 250 000 000 anos. vm 2 Δs 300 4. A velocidade média do veículo foi: vm= _ = _ ∴ Δt 2,5 ∴ v m= 120 km / h. O motorista receberá uma multa. T2A T2B _ 162 1282 3 ⇒ 3 = _ ⇒ 7. 08) Correta. _ 3 = _ RA RB R R3B 3 3 2 RB RB 128 2 _ _ _

⇒ ( ) = ( ) ⇒ ( ) = 8 ⇒ 16 R R _ RB 3 _ √ ⇒ = 64∴ RB= 4 · R R _ _ _ 1 2h 2 · 1 2 _ _ 12. h = g · t ⇒ t = = _ → t = √ 0,2 s. Velocidag 2 10 3 S de inicial: s = v0· t ⇒ v0= _ ⇒ v0= _ _ . Aplicando a t √ 0,2

√

equação de Torricelli para o lançamento vertical:

| |

3 ⇒ 0 = _ _ − 20 · h ⇒ v2= v0  2    − 2 · g · h √ 0,2 45 9 ⇒ 20 · h = _ ⇒ h = _ ⇒ h = 2,25 m 0,2 20

7,2 · 1 0−11 7,2 · 10−11 Δs ⇒ Δt = _ ⇒ c = _ ⇒ 3 · 108= _ Δt Δt 3 · 1 08

7,2 t= _ · 1 ⇒Δ 0 −19= 2 40 · 10 −21s ∴ 3 ∴ Δt = 240 zeptossegundos.

14. De acordo com a segunda lei de Newton, temos: FR= M · g − m · g ⇒ ( M + m)· a = M− m )· g ∴ a = _ g = ( M − m M+ m

16. Da situação em que o balão desce com aceleração A, podemos obter a força de elevação do balão: F = FR⇒ M · g − F = M · a ⇒ F = M · ( g − a) FP− Para que o balão suba com aceleração A, a massa ma ser eliminada é igual a: F − FP= FR⇒ M · ( g − a)− ( M − m)· g = ( M − m)· a ⇒ ⇒M · g − M · a − M · g + m · g = M · a − m · a ⇒ 2 · M · a ⇒m · (g + a ) = 2 · M · a ∴ m = _ g+ a

G · ME· MP ____________________ 6 · 1 0−11· 1 031· 5 · 1 025 _ 30 · 1045 17. F = _ =       = ∴ 2 36 · 1024 d2 (6 · 1 012) ∴ F = 8,3 · 1 020 N

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18. Comparando os parâmetros do planeta desconheT2P T2T 3 ⇒ R P= RT⇒ cido com a Terra, temos que: _ 3 = _ _ _ RP RT

√

3 T T p P ⇒ TP< TT⇒ _ < 1 ∴ RP< R T. ⇒ _ ( TT) ( TT) 3

Ou seja, o planeta deve ter o raio médio de órbita menor do que o da Terra. Entre as opções apresentadas, o planeta que satisfaz a condição dada é Vênus.

Páginas 147 a 149 3. A força magnética é dada por: F = B · q · v · s en θ ⇒ ⇒ F = 10 · 10−3· 1,6 · 1 0−19· 5 · 104· 0,6 ∴ −17

F = 4,8 · 10 N ∴ 10. Aplicando a lei de Snell-Descartes, tem-se: n1· s enθ1= n2· sen θ2⇒ n1· sen 90° = n2· s en θC⇒ ⇒ n1· ( 1)= 18 · ( 0,8)∴ n1= 1,44 Sendo n3 o índice de refração do novo líquido e θC o novo ângulo crítico, aplicando novamente a lei de Snell-Descartes: n3 n3· sen90°= n2· sen θC∴ sen θC= _ 18 Como na lei de Snell-Descartes estão envolvidos somente os ângulos do primeiro quadrante, ao aumentarmos o índice de refração, aumentam-se o valor do seno do ângulo e também o valor do ângulo, de modo que o 56°). ângulo crítico será maior do que 56° ( θC> R _ 2 1 11. sen θ = _ = _. Aplicando a lei de Snell, chegamos a: R 2 1 nobjsen θ = nArsen37° ⇒ nobj· _= 1 · 0,6 ∴ n obj= 1 ,2 2 12. A menor altura xdo espelho é de: 40 x _ = _ ∴ x = 82,5 cm 165 80

Páginas 228 a 231

3 · 1 08 v 2. 08) v = λ · f ⇒ f = _ ⇒ f = _ ∴ f = 4 · 1 014Hz λ 750 · 10−9 X− 2 0 _ 100 − 0 _ X − 20 _ 100 = ⇒ = ⇒ 8. _ 80 − 20 40 − 0 60 40 100 ⇒ X − 20 = _· 6 ⇒ X − 20 = 150 ⇒ X = 1 70 ° X 4 12. A energia liberada na queima de 2 ,5 gde castanha-de70 000 _ -caju é: Q = 2,5 · ∴ Q = 17 500 cal. 10 A energia aproveitada para aquecer 350 gde água é: 50 Q’ = _ · 1 7 500 ∴ Q’ = 8 750 cal 100 Logo, a temperatura final da água foi de: 5 ° C Q’ = m · c · Δ T⇒ 8 750 = 350 · 1 · ( Tf− 20)  ∴ T f= 4

13. III ) Correta. Q0,2= QAB+ QBC= ( m · c · Δ T)+ ( m · Lf)= 2 500 cal = 500 · 0,5 · 10 + 5 00 · 80 ⇒ Q0,2= 4 IV ) Incorreta. É a soma do calor de aquecimento da água com o calor de vaporização. Isto é: Q2,4= QCD+ QDE= ( m · c · Δ T)+ ( m · Lv)= = 500 · 1 · 100 + 500 · 540 ∴ Q2,4= 3 20 000 cal

14. Utilizando a relação reduzida entre as escalas Celsius (° C) e Fahrenheit (° F), tem-se: TC _ TF− 3 2 _ TF− 32 _ 43 _ = ⇒ = ⇒ 5 5 9 9

⇒ T F= 9 · 8,6 + 3 2 ∴ T F= 109,4 ° F 16. Da definição de pressão, sendo ela causada pela força normal que equivale à própria força peso, tem-se: m · g m · g _____________ 600 · 1 0−3· 10 ⇒ A = _ =    ⇒ P = _ A P 2 · 104 ⇒ A = 3 000 · 10−3· 1 0−4∴ A = 3 · 10−4m2 B= patm− ρ · g · h A− ρ · g · hB⇒ 17. p A− p

p = 103· 1 0 · ( 1,2 − 0,4)∴ Δp = 8 000 Pa ⇒Δ 18. O módulo do peso total é: mcad+ mplat)· g = P = ( mpessoa+

= ( 65 + 15 + 20)· 10 ∴ P = 1 000 N Utilizando o princípio de Pascal, tem-se: Fmotor _ Fmotor _ 1 000 P _ ⇒ _ = = ∴ F = 200 N Atub Apistão Atub 5 · Atub motor

Páginas 313 a 315 1. 01) Incorreta. Sendo associadas em série, a resistência equivalente é 1 600 Ω. Com a ddp total de 12 V, tem-se: U 12 U = R · i ⇒ i = _= _ ∴ i = 7,5 mA R 1 600 Portanto, nenhuma lâmpada acenderá. 1 1 1 1 1 _ _ + _ + _ + _ ⇒ Req= 100 Ω 04) = Req 400 400 400 400 U U = R · i ⇒ i = _ = 1 20 mA R 1 1 1 _ 2 _ + _= = 200 Ω, agora para resistores em 08) _ = Req R R 400 série: Req= 200 + 400 + 4 00 = 1 000 Ω 12 i = 12 mA U = R · i ⇒ i = _∴ 1000 Na associação em paralelo, a corrente se divide igualmente e em cada lâmpada passa-se uma corrente de 6 mA, portanto elas não acendem. 16) A resistência equivalente dessa associação será de 12 400 Ω, e a corrente elétrica: i = _ ∴ i = 30 mA. Co400 mo a corrente se divide igualmente em cada ramo do circuito, a corrente nas lâmpadas será de 1 5 mAcada, portanto todas acendem. Q 6 · 10−4 2. C = _ ⇒ 1,2 · 10−4= _ ⇒ U U 6 · 10−4 ∴ U = 5 V ⇒U = _ 1,2 · 10−4

E 3. F B= F E⇒ q · v · B = E · q ⇒ v = _ B R · i ⇒ 10 = 2i ∴ i = 5 A ⇒ U AB= ℇ − r · i ⇒ 4. U AB=

⇒ 10 = 12 − 5 · r ∴ r = 400 mΩ

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5. Na primeira situação, temos: 2

k · 2 · Q · 6 · Q 12 · k · Q _____________ = _ ; para as esferas em conF1= 2 d d2 2 · Q + 6 · Q tato: Q’ = ___________ = 4 · Q; isso implica: 2 4 · k · Q2 k · 4 · Q · 4 · Q _ F2= _____________ = ; consequentemente: 2 d2 (2 · d)

F1= 3 · F2. ε . Para o rendimento: 6. ε = ( 30 + R)· i ⇒ i = _ 30 + R ε R · _ Putil _ 30 + R R · i2 _ R · i _ _ = = ε ⇒ 0 ,75 = ⇒ R = 90 Ω η = ε Ptotal ε · i 1 7. P = R · i2⇒ R = ___________ ∴ R = 100 Ω −3 2 ( 100 · 10 )

Para potência dissipada: Pd= R · i2= 4 · 1 02∴ P d= = 400 W. Logo: Pu= Pt− Pd∴ P u= 800 W. VB)⇒ 10−5= 10−6(VA− V B)∴ 9. IV ) τAB= q · ( VA−

√

Δ t2 10 10 _ = _ _ ⇒ Δ t1= ___________    _ _ ∴ 10. Δ t 1= 2 2 25 v _ 12c 1 − ( _ ) 1 − ( _ ) 169 c 13c

26 s ∴ Δ t 1=

√

sen ( α) m · _ sen ( α) cos ( β) R sen ( α) m _ _ = − ⇒ _= _· 1 − _ ⇒ r cos β ( μ · V μ · V ) cos ( β) ( )

− mA· g = ( mA+ mB+ mC)· a ⇒ 4. m C· g

120 · i ∴ i = 10 A 8. Pt= ε · i ⇒ 1 200 =

√

sen ( α) sen ( α) m · g · _ m · g · _ cos ( β) cos ( β) R = ____________    − ____________    ⇒ _= m · g r μ · V · g

−1 μV R sen ( α) _ ) ⇒_ = _· (1 − r cos(β) m

U = R · i = 100 · 50 · 10−3∴ U = 5 V

∴ VA− VB= 10 V

Para o bloco na água, a resultante é dada pelo: T’ + E = m · g ⇒ T’ + E = m · g ⇒ T’ = m · g − μ · V · g; para equilíbrio da roldana, temos que: sen ( α) m · g · _ cos ( β) R _ T R T · r = T’ · R ⇒ _ = ⇒ _ = ______________      = r T’ r m · g − μ · V · g

√

1 12 t = ___________ _ = 11. Δ t = _ _ · Δ t’ ⇒ Δ 2 v 0,82c2 1 − _ 2 1− _ 2 c c 12 12 = _ _ = _ ∴ Δt = 2 0 meses. Portanto, Fabinho, que 0,6 √ 0,36 tinha 10 anos e 4 meses, terá 12 anos. 3 · 1 08 c = 15. Para a frequência dos fótons: f = _ = _ λ 21 · 10−6 1 = · 1014 Hz. A energia de um fóton: E = h · f = _ 7 1 14 −34 _ −20 = 7 · 10 · · 10 = 10 J. O número de fótons per7 τ cebido pelo detector: P = _⇒ 0,2 · 10−3· 1 = n · E ⇒ t −3 0,2 · 1 0 ∴ P = 2 · 1016 fótons. ⇒ n = _ 10−20

Páginas 368 a 371 1. II ) Falsa. Para M − n, temos que: FR= m · a ⇒ (M − _ m) a = · g ⇒M · g − m · g = ( M + m)· a ⇒ (M + m) → → → → 2= m · v + m · ( − v)∴ ∑ Q = 0 2. ∑ Q = Q 1+ Q 3. Para o bloco da rampa, dada a decomposição das forças, teremos a tração em x e o peso em x: sen ( α) T · cos (β)= m · g · sen ( α)⇒ T = m · g · _ cos(β)

50 − 20 = 3 m/s2. Aplicando no corpo C, temos ⇒a = _ 10 5 · 1 0− 5 · 3 − k · x = mC· a ⇒ x = ___________ ∴ que: mC· g 3,5 · 103 ∴ x = 1 cm. m · v0  2  k · x 2 _____ k · x 2 =      ⇒ v0  2    = _ ⇒ m · a = m · g · sen ( α)⇒ 5. _ m 2 2

⇒a = g · sen ( α). Para a velocidade: v2= v0  2    − 2 · a · d ⇒ 2 2 k · x k · x ⇒0 = _ − 2 · g · d · s en ( α) ⇒ d = _____________   . m 2m · g · sen( α) d P 1 τ N= _ · 700 · 2 · sen 60 ∴ 6. τ N= τP⇒ τN= _ · _⇒ 4 2 2 ∴ τN= 3 50 · s en 60

= m · ω 2· R ⇒ μ · g = ( 2 · π · f ) · R ⇒ 8. F at= Fcp⇒ μ · m · g 2

0,18 · 10 ∴ R = 0 ,20 m ⇒ R = ___________ 2 30 4 · 3 2· ( _) 60 m · v2 _ 12. E c= E pg⇒ = m · g · h ⇒ v 2= 2 · g · h ⇒ 2

0 · 2 ,45 = 7 m/s ⇒ v = √ 2 · 1 _

v 0)⇒ v = 2 m/s. Para encontrar a 13. I = Δ Q⇒ I = m · ( v − k · x 2 _ m · v2 amplitude: Eel= E c⇒ _ = ⇒ 2 2 _ m _ 1 m. ⇒ x = v · _ = k 2

√

18 · |− 3 − 15| 14. I = |ΔQ|⇒ F · Δt = |m · v − m · v0|⇒ F = ____________ ∴ 9 · 10−3 F ∴ F = 36 · 103N. A pressão, então, será: P = _⇒ A 3 36 · 1 0 ⇒P = _ ∴ P = 3,6 · 1 010 Pa. 1 · 1 0−6

Páginas 436 a 438 pA· V A pB· VB 1. I ) Verdadeira, pois: _ = _⇒ TA TB T T B A ⇒_ = _ ⇒ TA= TB. 40 · 1 20 · 2

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pC· VC pB· VB TC TB IV ) Verdadeira, pois: _ = _ ⇒ _ = _ ⇒ 80 20 TC TB ⇒ TC= 4 · TB.

p1+ d · g · h ⇒ p2= 1 05+ 103· 10 · 2 ,5 = 2. p2= = 1 ,25 · 105 Pa. Para a razão do volume: p1· V 1 p2· V2 V2 p1 V2 105 = _ ⇒ _ = _ = 0,8. _= _⇒ _ p T T V1 V1 1,25 · 105 2 p0· V0 4 · p0 p0· V0 2 · V0 p · V _ 3. _ = ⇒ _= _⇒ V = _∴ 4 T T0 2 · T0 T0 _ V0 = ∴ V 2 p0· V0 p · V V0 V 0,02 0,06 5. _ = _⇒ _ = _⇒ _= _ ⇒ T0 T T0 T 27 + 273 T −5 0,06 1 6,666 · 10 ⇒_ = 6,666 · 10−5⇒ _ = _⇒ 0,06 T T 1 1 −3 _ _ = 900K ⇒ = 1,111 · 10 ⇒ T = T 1,111 · 10−3

TC TK− 273 = _ Para a temperatura em Celsius: _ ⇒ 100 100 ⇒ TC= 9 00 − 2 73 = 627 ° C.

8. Q = τ + Δ Ue Q’= τ ’ + Δ U, temos que: ΔU = Q − p · A · Δ xe ΔU = 2 · Q − 2 · p’· A · Δx. Para k · Δ x p = _. Como a variação de energia interna é a A k · Δ x 4 · k · Δ x mesma: Q − _· A · Δx = 2 · Q − _· A · Δx ⇒ A A · Q − 4 · k · Δ x2⇒ 3 · k · Δx2= 2 · Q ∴ ⇒Q − k · Δx2= 2 2 · Q ∴ k = _2 . 3 · Δx T2 1 200 τ _ = 0 ,75 · 1 − _ ⇒ _ = 9. η = 0 ,75 · ηC⇒ ( T1) 4 000 Q1 T2 T2 = 0 ,75 · ( 1− _ ⇒ 0,4 = 1 − _ ⇒ 27 + 2 73 ) 400 T2 0,6 ∴ T 2= 2 40 K ⇒_ = 400

Para complementar o conteúdo Para ler Professores reflexivos em uma escola reflexiva, de Isabel Alarcão. São Paulo: Cortez, 2018. Esse livro aborda a teoria crítica da educação e seus princípios, ressaltando a importância do pensamento crítico, da formação continuada e do trabalho coletivo na prática docente com base em exemplos concretos. O ensino das ciências como compromisso científico e social: os caminhos que percorremos, de António Francisco Cachapuz, Anna Maria Pessoa de Carvalho e Daniel Gil-Pérez (org.). São Paulo: Cortez, 2012. Escrito em primeira pessoa, esse livro compartilha experiências de professores e pesquisadores relacionadas ao ensino e aprendizagem em Ciências. Pode ser uma boa ferramenta para conhecer e reconhecer práticas pedagógicas que contribuem para a educação científica. Ensino de ciências com brinquedos científicos, de Paulo Henrique Dias Menezes e outros. São Paulo: Livraria da Física, 2016. Esse livro apresenta experimentos com materiais acessíveis e de baixo custo que podem ser reproduzidos por professores e estudantes em sala de aula, contribuindo para a melhoria do ensino de Ciências. Ensino de ciências por investigação: condições para implementação em sala de aula, de Anna Maria Pessoa de Carvalho (org.). São Paulo: Cengage Learning, 2014. Nesse livro, são apresentadas discussões atuais sobre o ensino de Ciências com base na prática investigativa. Ao longo da obra, há estratégias com dados relacionados a situações de ensino e aprendizagem, auxiliando o professor não somente a ampliar seu repertório de práticas pedagógicas, mas também a compreender contextos favoráveis para desenvolvê-las. Pedagogia da autonomia: saberes necessários à prática educativa, de Paulo Freire. 74. ed. Rio de Janeiro: Paz e Terra, 2019. Último livro de Paulo Freire publicado em vida, essa obra ressalta a importância de um olhar humano e transformador para a educação. O livro enfatiza valores como a liberdade, a convivência e a ética como parte das práticas pedagógicas e destaca que a abertura ao conhecimento e às trocas entre diferentes realidades e seres tem um papel transformador na vida de educadores e educandos.

Educação em ciências e matemáticas: debates contemporâneos sobre ensino e formação de professores, de Terezinha Valim Oliver Gonçalves, Francisco Cristiano da Macêdo e Fábio Lustosa Souza (org.). Porto Alegre: Penso, 2015. Na obra, são apresentados resultados de pesquisas sobre práticas docentes, em especial a formação de professores de Ciências e Matemática, com o propósito de discutir os desafios da formação desses profissionais e a maneira de trabalhar com o ensino nos tempos atuais. Ensino de física: experiências, pesquisas e reflexões, de Alexandre Leite dos Santos Silva e outros. (org.). Teresina: EDUFPI, 2019. Disponível em: https://ufpi.br/arquivos_download/arquivos/LIVRO_ENSINO_DE_FÍSICA_EBOOK20190909103253.pdf. Acesso em: 31 out. 2024. Esse livro apresenta diversos textos que trabalham pesquisas e experiências relacionadas ao ensino de Física, de modo a propiciar melhores condições para o processo de ensino-aprendizagem. Esclarecendo deficiências: aspectos teóricos e práticos para contribuição com uma sociedade inclusiva, de Márcia Honora e Mary L. Frizanco. São Paulo: Ciranda, 2019. Esse livro traz informações a respeito das deficiências, bem como sugestões pedagógicas para profissionais de ensino e demais pessoas engajadas em busca de uma sociedade mais inclusiva. Cibercultura, de Pierre Lévy. São Paulo: Editora 34, 2010. Explica de forma clara para os especialistas do assunto e aos não especialistas o que é cibercultura e quais são as implicações em diferentes campos, como no trabalho, na política, nos direitos e, sobretudo, na educação. Física contextualizada: uma viagem pelo Pantanal, de Umbelina Giacometti Piubéli. Campo Grande: Editora UFMS, 2011. Esse livro traz uma curadoria de atividades sistematizadas envolvendo conteúdos de Física, que podem contribuir significativamente para o trabalho dos professores em sala de aula e a formação dos estudantes. Educação, mídia e meio ambiente, de Regis de Morais. Campinas: Alínea, 2004. Esse livro apresenta a ecologia como pauta central para reflexões educacionais que incluem as mídias como veículos de informações que se comportam de maneira positiva e negativa.

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Breves respostas para grandes questões, de Stephen Hawking. Rio de Janeiro: Intrínseca, 2024.

Com uma linguagem acessível, esse livro apresenta as ideias do físico britânico Stephen Hawking sobre diversas questões e temas fundamentais para a sociedade contemporânea.

Teorias de aprendizagem, de Marco Antonio Moreira. São Paulo: LTC, 2022. Essa obra é uma ferramenta versátil voltada a estudantes e docentes de cursos de licenciatura, apresentando um importante referencial sobre ensino e aprendizagem.

Saberes pedagógicos e atividade docente, de Selma Garrido Pimenta (org.). São Paulo: Cortez, 2018.

Os temas reunidos nesse livro são frutos de pesquisas na área da Pedagogia, fundamentando os professores na compreensão de contextos históricos, sociais e organizacionais em que se baseiam para a prática docente.

Ensino de física: novos olhares, de Sergio Scarano Junior e Divanizia do Nascimento Souza (org.). São Cristóvão: Editora UFS, 2018. Esse livro apresenta trabalhos colaborativos desenvolvidos na Universidade Federal de Sergipe em relação ao ensino de Física na Educação Básica.

Sequências de ensino de física orientadas pela pesquisa: experiências do PIBID e pró-mestre-UFMG, de Orlando Aguiar Jr. (org.). Belo Horizonte: Fapemig, 2018. Disponível em: https://livrosabertos. fae.ufmg.br/wp-content/uploads/2022/03/Sequencias_de_Ensino _de_Fisica_AGUIAR_2018.pdf. Acesso em: 31 out. 2024. Aborda sequências de ensino de Física, aplicadas no Ensino Médio da rede pública de Minas Gerais, por professores participantes do PIBID e do pró-mestre da UFMG. Esses temas podem servir de inspiração e auxiliar no trabalho docente.

Aula de física do planejamento à avaliação, de Gabriel Dias de Carvalho Júnior. São Paulo: Livraria da Física, 2011.

Esse livro traz discussões para que o professor supere a fragmentação do conhecimento a ser ensinado e apresente a construção histórica das teorias científicas, por meio de situações-problema e outras estratégias.

Desenvolvimento sustentável: das origens à Agenda 2030, de José Carlos Barbieri. São Paulo: Vozes, 2020.

Reflexões sobre o papel do professor de física a partir da pedagogia histórico-crítica, de Andriel Souza Montágua, Alex Antunes Mendes e Maykon Gonçalves Müller. Revista do Professor de Física, Brasília, v. 7, n. 2, p. 137-157, 2023. Estudo que procura entender o papel do professor de Física na sociedade e a relação entre a aprendizagem e a formação social do estudante.

Uso de simulações: um estudo sobre potencialidades e desafios apresentados pelas pesquisas da área de ensino de física, de Danay Manzo Jaime e André Ary Leonel. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 46, 2024. Esse artigo apresenta uma análise de artigos sobre o uso de simulações computacionais no ensino de Física, avaliando as potencialidades e os desafios na utilização dessas ferramentas em sala de aula.

Pequenos projetos de física no ensino não formal, de Camila Lima dos Reis. Textos de Apoio ao Professor de Física, Porto Alegre, v. 25, n. 6, 2014. Esse artigo expõe alguns projetos e resultados desenvolvidos em espaços de ensino não formais, como ONGs e projetos sociais que observam, entre outros elementos, o rendimento escolar de pessoas vulneráveis socialmente. Assim, os conceitos de Física são conectados ao cotidiano dos estudantes.

Misticismo quântico em tempos de pós-verdades: uma análise crítica de discursos presentes em um caso exemplar no Facebook, de Bruna Karl e Isabel Martins. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 41, n. 2, p. 293-317, ago. 2024. Nesse artigo, são discutidas as implicações do uso de conceitos da Física quântica para a resolução de problemas cotidianos financeiros, profissionais e até de saúde, enfatizando a importância da abordagem curricular desses conceitos para combater as aplicações incorretas e as fake news.

Para acessar Simufísica. Disponível em: https://simufisica.com/. Acesso em: 31 out. 2024. Site com simulações de diversos fenômenos físicos e experimentos.

Nesta obra, são apresentados os 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável da Agenda 2030 da ONU e suas 169 metas, que envolvem desafios globais em áreas sociais e ambientais. A análise do autor aborda formas de contemplar esses objetivos no panorama brasileiro.

e-Física. Disponível em: https://efisica2.if.usp.br/home/. Acesso em: 31 out. 2024.

Ensino de ciências e matemática, educação indígena, metodologias de ensino e avaliação da aprendizagem, de Antônio Nunes de Oliveira, Marcos Cirineu Aguiar Siqueira e Diego José Araújo Bandeira (org.). São Paulo: Livraria da Física, 2022.

Para assistir

Nesse livro, os autores incentivam a reflexão sobre os desafios presentes no ensino de Ciências e Matemática, além de apresentar estudos relacionados a diversos contextos escolares, como educação indígena, formação de professores, metodologias de ensino e avaliação.

Ensino de ciências por investigação: propostas teórico-práticas a partir de diferentes aportes teóricos, de Ettore Paredes Antunes e Gustavo Bizarria Gibin (org.). São Paulo: Livraria da Física, 2021.

Nesse livro, são apresentadas propostas de atividades investigativas para as disciplinas de Física, Química e Biologia, seguindo diferentes referenciais teóricos, de modo que os professores podem adaptar essas propostas de acordo com seus objetivos pedagógicos.

Física do dia a dia 3: mais 105 perguntas e respostas sobre física fora da sala de aula, de Regina Pinto de Carvalho. São Paulo: Autêntica, 2021.

Com uma linguagem simples e resumida, esse livro apresenta dúvidas e respostas de diversos fenômenos e situações do cotidiano que se relacionam a Física, Química, Biologia e outras áreas do conhecimento.

Para explicar o mundo: a descoberta da ciência moderna, de Steven Weinberg. São Paulo: Companhia das Letras, 2015.

Esse livro proporciona ao leitor uma viagem ao longo da história da ciência, levando-o a refletir sobre como esta se desenvolveu e suas relações com os fenômenos naturais e a sociedade.

Site do instituto de Física da USP, contém materiais para diferentes níveis de ensino, desde o introdutório até o nível superior.

Sirius: Canal USP. Disponível em: https://www.youtube.com/playlist? list=PLAudUnJeNg4vorctHtLqrS-8_7IuikLHR. Acesso em: 31 out. 2024. Playlist com vídeos sobre o acelerador de partículas Sirius, abordando aplicações da luz síncrotron em diferentes áreas.

Estrelas além do tempo. Direção de Theodore Melfi. Estados Unidos, 2016 (129 min). O filme aborda o trabalho das cientistas negras Katherine Johnson, Dorothy Vaughan e Mary Jackson, que trabalharam para a Nasa como “computadores humanos”, realizando os cálculos para o lançamento de foguetes na corrida espacial da década de 1960.

Dark. Direção de Baran bo Odar. Alemanha: Wiedemann & Berg Television, 2017. Essa série de ficção científica combina diversos conceitos da Física em sua narrativa, como viagem no tempo, buracos de minhoca e teoria da relatividade.

Oppenheimer. Direção de Christopher Nolan. Estados Unidos: Warner Bros, 2023 (180 min). Filme sobre Julius Robert Oppenheimer, físico teórico da Universidade da Califórnia e diretor do Laboratório de Los Alamos durante o Projeto Manhattan, que tinha o objetivo de projetar e construir as primeiras bombas atômicas dos Estados Unidos.

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06/11/2024 17:41:44

Referências bibliográficas comentadas Apresentamos aqui as principais referências que nortearam a produção desta Coleção, bem como as que foram citadas nesse texto. Por consequência, essas referências podem também fomentar o processo de ensino e de aprendizagem, ampliando e complementando o que foi proposto na obra. ABRAMOVAY, Miriam et al. Reflexões sobre convivências e violências nas escolas. Brasília: Flacso, 2021. Disponível em: https://flacso. org.br/files/2021/11/RCVE.pdf. Acesso em: 30 out. 2024. Guia que apresenta orientações aos educadores sobre os principais temas da contemporaneidade, relacionados à violência e à convivência escolar, de maneira reflexiva e prática.

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (Aneel). Atlas de energia elétrica do Brasil. 3. ed. Brasília, 2008. Disponível em: https://biblioteca.aneel.gov.br/Busca/Download?codigoArquivo =179324&tipoMidia=0. Acesso em: 30 out. 2024. Esse atlas traz uma ampla informação sobre o setor elétrico brasileiro, apresentando dados e informações gerais das diversas regiões e setores de atividades do Brasil.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Versão final. Brasília: MEC, 2018a. Disponível em: https://www.gov. br/mec/pt-br/escola-em-tempo-integral/BNCC_EI_EF_110518_versaofinal.pdf. Acesso em: 4 nov. 2024.

A BNCC é o documento que norteia os currículos de sistemas e redes de ensino das Unidades Federativas e as propostas pedagógicas das escolas públicas e privadas, estabelecendo os principais conhecimentos, competências e habilidades que os estudantes devem desenvolver em cada etapa da Educação Básica.

BRASIL. Ministério da Educação. Conselho Nacional de Educação. Câmara de Educação Básica. Resolução nº 3, de 21 de novembro de 2018b. Disponível em: https://www.in.gov.br/materia/-/asset_publisher/Kujrw0TZC2Mb/content/id/51281622. Acesso em: 30 out. 2024.

Essa resolução atualiza as Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio publicadas em 2012. Nela, estão dispostas as mudanças necessárias para a implementação do Novo Ensino Médio.

ASSIS, Simone G. et al. Impactos da violência na escola: um diálogo com professores. 2. ed. Rio de Janeiro: Editora Fiocruz, 2023.

BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Básica. Temas contemporâneos transversais na BNCC: contexto histórico e pressupostos pedagógicos. Brasília: MEC, 2019.

BACICH, Lilian; MORAN, José (org.). Metodologias ativas para uma educação inovadora: uma abordagem teórico-prática. Porto Alegre: Penso, 2018. (Série Desafios da Educação).

CAMARGO, Fausto; DAROS, Thuinie. A sala de aula inovadora: estratégias pedagógicas para fomentar o aprendizado ativo. Porto Alegre: Penso, 2018.

Partindo da abordagem dos direitos humanos e do complexo caráter da violência na sociedade, esse livro traz como tema os impactos da violência na escola e o papel do professor diante dessas situações.

Esse livro apresenta práticas pedagógicas baseadas em metodologias ativas que valorizam o protagonismo dos estudantes.

BACICH, Lilian; TANZI NETO, Adolfo; TREVISANI, Fernando de M. (org.). Ensino híbrido: personalização e tecnologia na educação. Porto Alegre: Penso, 2015.

Esse livro reúne artigos elaborados por professores, apresentando conceitos, reflexões, experiências e possibilidades de implementação do ensino híbrido nas escolas.

BAEYER, Hans C. von. A física e o nosso mundo: como entender fenômenos e mistérios através da natureza. Tradução: Luiz Euclydes Trindade Frazão Filho. Rio de janeiro: Campus, 2004. O objetivo desse livro é aproximar a Física das origens das Ciências Humanas por meio de explicações sobre fenômenos comuns da natureza.

BERKELEY CENTER FOR TEACHING & LEARNING. Active Learning. Disponível em: https://teaching.berkeley.edu/teaching-guides/ running-your-course/active-learning. Acesso em: 21 out. 2024. Página elaborada pelo Centro de Ensino e Aprendizagem da Universidade da Califórnia, em Berkeley, nos Estados Unidos, que apresenta definições, organização e exemplos de diversas estratégias associadas às metodologias ativas.

BRACKMANN, Christian P. Desenvolvimento do pensamento computacional através de atividades desplugadas na educação básica. 2017. Tese (Doutorado em Informática na Educação) Universidade Federal do Rio Grandedo Sul, Porto Alegre. Disponível em: https:// lume.ufrgs.br/handle/10183/172208. Acesso em: 21 out. 2024.

Nessa tese de doutorado, o autor apresenta um estudo sobre o desenvolvimento do pensamento computacional na Educação Básica usando atividades desplugadas, ou seja, sem computadores ou dispositivos eletrônicos.

BRASIL. Secretaria de Educação Básica. Formação de professores do ensino médio, etapa I — caderno II: o jovem como sujeito do ensino médio. Curitiba: UFPR/Setor de Educação, 2013.

Nessa obra, voltada à formação de professores, são discutidos diversos temas relacionados ao Ensino Médio. Em um primeiro momento, discute-se o conceito de juventude com o objetivo de propor mudanças nas maneiras de perceber essa faixa etária. Os textos buscam valorizar o papel do jovem como sujeito de sua história. Em seguida, destacam temas como juventude e tecnologia, questão do mercado de trabalho e projeto de vida e o papel da escola na formação dos jovens.

Documento que apresenta o histórico dos temas contemporâneos transversais em seis grandes áreas e a importância desses temas para os currículos da Educação Básica.

Esse livro é organizado em duas partes: a primeira apresenta reflexões dos autores sobre possibilidades de inovação em sala de aula; já a segunda aborda mais de 40 estratégias que contribuem para aplicação dessas metodologias.

CAMARGO, Leandro da Silva et al. O pensamento computacional como ferramenta de suporte ao desenvolvimento de diferentes aprendizagens. Revista Brasileira de Informática na Educação, v. 31, p. 289–306,2023. Disponível em: https://journals-sol. sbc.org.br/index.php/rbie/article/view/2856. Acesso em: 30 out. 2024. Nesse artigo, são trabalhadas as bases para a aplicação do pensamento computacional, reconhecendo que essa ferramenta ajuda os estudantes a desenvolver a criatividade e o pensamento lógico.

CARVALHO, Anna M. P. de et al. (org.). Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. São Paulo: Cengage Learning, 2004.

O livro traz abordagens diversificadas para o ensino de Ciências, incentivando os estudantes a construir um conhecimento científico para auxiliá-los na compreensão do mundo.

CARVALHO, Anna M. P. et al. Ensino de física. São Paulo: Cengage Learning, 2010. (Coleção Ideias em Ação).

Esse livro traz considerações aos professores para apresentar aos estudantes a Física como uma área de conhecimento em constante construção e cujos conhecimentos fazem parte do dia a dia.

CENTRO DE INOVAÇÃO PARA A EDUCAÇÃO BRASILEIRA (CIEB). Currículo de Referência em Tecnologia e Computação. Disponível em: https://curriculo.cieb.net.br. Acesso em: 21 out. 2024.

Nesse site, é apresentado um currículo de referência organizado em três eixos, sendo um deles o pensamento computacional. Cada eixo é subdividido em conceitos, por meio dos quais diferentes habilidades são trabalhadas.

CODEA, André. Metodologias ativas de aprendizagem: a neurodidática e o chão da escola. Rio de Janeiro: Wak Editora, 2024.

O livro apresenta diversos exemplos de metodologias ativas e estratégias para auxiliar no processo de ensino-aprendizagem e no trabalho docente.

COHEN, K. M. et al. International Chronostratigraphic Chart. International Commission on Stratigraphy. Disponível em: https://stratigraphy.org/ICSchart/ChronostratChart2023-09.pdf. Acesso em: 30 out. 2024.

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O site apresenta as subdivisões do tempo geológico.

COLL, César; MAURI, Teresa; ONRUBIA, Javier. A incorporação das tecnologias da informação e da comunicação na educação: do projeto técnico-pedagógico às práticas de uso. In: COLL, César; MONEREO, Carles (org.). Psicologia da educação virtual: aprender e ensinar com as tecnologias da informação e da comunicação. Porto Alegre: Artmed, 2010. p. 66-93.

Esse texto traz uma abordagem dos impactos das tecnologias da informação e da comunicação nos processos de ensino e aprendizagem.

DAYRELL, Juarez (org.). Por uma pedagogia das juventudes: experiências educativas do Observatório da Juventude da UFMG. Belo Horizonte: Mazza Edições, 2016.

Juarez Dayrell é um pesquisador que investiga a questão da juventude e da educação, analisando em seus textos a importância das culturas juvenis na construção de um cenário educativo mais democrático e significativo. Nessa obra, ele traz algumas experiências vivenciadas no projeto Observatório da Juventude, da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), que trabalha desde 2003 com a questão da formação de professores e discussões envolvendo a juventude.

DE BONA, Aline S. (org). (Des)Pluga: o pensamento computacional atrelado a atividades investigativas e a uma metodologia inovadora. São Paulo: Pragmatha, 2021. Essa obra traz uma coletânea de artigos vinculados a um projeto de pesquisa desenvolvido no Instituto Federal do Rio Grande do Sul (IFRS) focado no desenvolvimento de atividades lúdicas e inovadoras em diversos contextos e disciplinas da Educação Básica.

DELL’ISOLA, Regina L. P. Inferência na leitura. Glossário Ceale. Disponível em: https://www.ceale.fae.ufmg.br/glossarioceale/verbetes/ inferencia-na-leitura. Acesso em: 31 jul. 2024.

O artigo traz uma abordagem sobre a inferência na leitura para a interpretação e associação de informações explícitas de textos aos conhecimentos prévios do leitor.

FABRIS, Elí H. Cinema e educação: um caminho metodológico. Educação & Realidade, v. 33, n. 1, p. 117-133, jan./jun. 2008. Disponível em: https://seer.ufrgs.br/index.php/educacaoerealidade/ issue/view/638/387. Acesso em: 29 jul. 2024. Esse material apresenta a análise de experiência de uma educadora sobre a utilização de textos fílmicos como método de ensino.

FANTINATI, Regiane E.; ROSA, Selma dos S. Pensamento computacional: habilidades, estratégias e desafios na educação básica. Informática na Educação, Porto Alegre, v. 24, n. 1, p. 129-141, jan/abr. 2021. Nesse artigo, as autoras buscam entender as habilidades desenvolvidas, os desafios e as potencialidades do pensamento computacional na Educação Básica.

FAZENDA, Ivani C. A. Integração e interdisciplinaridade no ensino brasileiro: efetividade ou ideologia. 6. ed. São Paulo: Loyola, 2011.

O livro traz estudos para pesquisadores da área educacional. Nele, é apresentada a importância da transformação da educação com o foco na integração e na interdisciplinaridade no processo de ensino-aprendizagem.

FERNANDES, Isabel M. B.; PIRES, Delmina M.; DELGADO-IGLESIAS, Jaime. Perspectiva Ciência, Tecnologia, Sociedade, Ambiente (CTSA) nos manuais escolares portugueses de Ciências Naturais do 6º ano de escolaridade. Ciência e Educação, Bauru, v. 24, n. 4, p. 875890 out./dez. 2018. Disponível em: https://www.scielo.br/pdf/ciedu/ v24n4/1516-7313-ciedu-24-04-0875.pdf. Acesso em: 30 out. 2024.

Nesse trabalho, é feita uma análise qualitativa dos manuais escolares de Ciências Naturais a fim de se constatar se estes relacionam ou não conteúdos científicos a tecnologia, sociedade e ambiente.

FILATRO, Andrea; CAVALCANTI, Carolina C. Metodologias inov-ativas na educação presencial, a distância e corporativa. São Paulo: SaraivaUni, 2023.

Esse livro apresenta aplicações práticas e estratégias de trabalho com diversas metodologias que apresentam elementos de inovação nas práticas de ensino-aprendizagem, chamadas pelas autoras de metodologias “inov-ativas”.

FORTES, Isabel; MACEDO, Mônica M. K. Automutilação na adolescência – rasuras na experiência de alteridade. Psicogente, v. 20, n. 38, p. 353-367, jul./dez. 2017. Disponível em: http://revistas. unisimon.edu.co/index.php/psicogente/article/view/2556. Acesso em: 21 out. 2024.

Artigo de reflexão teórica que aborda aspectos do comportamento de automutilação, analisando o tema com base em algumas narrativas em blogs de adolescentes.

GOHN, Maria da G. Educação não formal, participação da sociedade civil e estruturas colegiadas nas escolas. Ensaio, Rio de Janeiro, v. 14, n. 50, p. 27-38/mar. 2006.

Esse trabalho apresenta um estudo sobre a educação não formal e sua relevância no processo educativo, destacando seu campo e seus atributos, bem como diferenciando-a da educação formal e da educação informal.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. Tradução: Ronaldo Sérgio de Biasi. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. v. 2.

Esse livro apresenta teoria e exercícios relacionados à gravitação, ondas e termodinâmica, enfatizando as aplicações práticas da Física no mundo real.

HAYNES, William M. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97. ed. Boca Raton: CRC Press LLC, 2017.

O manual é uma das referências científicas mais acessadas e respeitadas das comunidades científica, técnica e médica, com dados e recomendações internacionais de várias áreas.

HEWITT, Paul G. Física conceitual. 13. ed. Porto Alegre: Bookman 2023.

Esse livro tem um texto bem-humorado e com muitas ilustrações, visando construir um sólido conhecimento conceitual dos princípios da Física.

HOFFMANN, Jussara M. L. Avaliar para promover: as setas do caminho. 15. ed. Porto Alegre: Mediação, 2014.

Essa obra faz uma abordagem sobre os princípios avaliativos mediadores na efetiva promoção da aprendizagem. Nela, são apresentados temas como mediação, elaboração de testes, ações de intervenção, entre outros aspectos de enorme relevância para o ensino.

HORVATH, Jorge E. O ABCD da astronomia e astrofísica. São Paulo: Livraria da Física, 2008.

O livro oferece uma visão breve de praticamente todas as áreas da Astronomia, com ênfase em Astrofísica Estelar, Cosmologia e Astrobiologia. Contém atividades que ajudam a experimentar os fenômenos básicos e temas como a constituição da Terra.

INSTITUTO DE PESQUISA ECONÔMICA APLICADA (Ipea). História – Usina Hidrelétrica de Itaipu. Desafios do Desenvolvimento, Brasília, ano 7, ed. 60, 28 maio 2010. Disponível em: http://desafios.ipea.gov.br/index.php?option=com_content&view=article&id=2328:catid=28&Itemid=23%20. Acesso em: 21 out. 2024. Reportagem sobre a Usina Hidrelétrica de Itaipu na revista de informações e debates do Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada.

INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Energy Statistics Data Browser. Disponível em: https://www.iea.org/data-and-statistics/ data-tools/energy-statistics-data-browser?country=BRA&fuel=Oil& indicator=OilProductsConsBySector. Acesso em: 4 nov. 2024.

O site mostra dados sobre a importação e a exportação de petróleo no Brasil.

KLEIN, Julie. T. Ensino interdisciplinar: didática e teoria. In: FAZENDA, Ivani C. A. (org.). Didática e interdisciplinaridade. 17. ed. Campinas: Papirus, 2012. p. 109-132. Esse material traz um trabalho de pesquisa voltado para as práticas e a teoria do conhecimento interdisciplinar.

O artigo apresenta um panorama sobre a educação em Astronomia e a formação de docentes. Além disso, é apresentado um breve ensaio da importância das instituições e de iniciativas brasileiras para o ensino da Astronomia.

LANGHI, Rodolfo; RODRIGUES, Fábio M. (org.) Interfaces da educação em astronomia: currículo, formação de professores e divulgação científica. Volume 1 – relatos reflexivos sobre a história da astronomia no ensino. São Paulo: Livraria da Física, 2021.

Obra que tem o objetivo de divulgar entre pesquisadores da área do Ensino de Ciências e docentes de diversos níveis de ensino as atividades de pesquisa de membros do Observatório Didático de Astronomia da Unesp.

XCV

07/11/2024 16:01:54

MILLER JUNIOR, G. Tyler. Ciência ambiental. São Paulo: Cengage Learning, 2008.

Esse livro apresenta um estudo interdisciplinar sobre o funcionamento da natureza, nossa interação com ela e como podemos viver de maneira sustentável, tudo por meio de estudos de caso, além de recursos visuais, resumo no início de cada capítulo, questões de raciocínio crítico e glossário.

MORAN, José. Metodologias ativas para uma aprendizagem mais profunda. In: BACICH, Lilian; MORAN, José (org.). Metodologias ativas para uma educação inovadora: uma abordagem teórico-prática. Porto Alegre: Penso, 2018. p. 4.

RONAN, Colin A. História ilustrada da ciência. Rio de Janeiro: Zahar, 2002. v. 4. O livro traz o desenvolvimento da Ciência e do pensamento científico no mundo desde os tempos primitivos e apresentando as principais civilizações científicas e o papel da Ciência e da tecnologia na sociedade.

SCAVACINI, Karen et al. Saúde mental de adolescentes e jovens. São Paulo: Instituto Vita Alere, 2021. Disponível em: https://www. unicef.org/brazil/media/16126/file/saude-mental-de-adolescentes -e-jovens.pdf. Acesso em: 30 out. 2024.

Esse artigo apresenta práticas pedagógicas baseadas em metodologias ativas que valorizam o protagonismo dos estudantes.

Livro que apresenta informações sobre os fatores de risco e proteção relacionados à saúde mental de adolescentes e jovens.

MYERS, Richard. L. The basics of Physics. Westport: Greenwood, 2006.

SGANZERLA, Giovana C. Risco de suicídio em adolescentes: estratégias de prevenção primária no contexto escolar. Psicologia Escolar e Educacional, São Paulo, v. 25, 2021.

Nesse artigo, os estudantes são apresentados à ciência da Física e suas aplicações na vida cotidiana, abordando desde seu desenvolvimento na Antiguidade até chegar aos dias atuais. A obra contém um capítulo especial, com instruções para experimentos, além de glossário, tabela de conversão e uma lista com alguns vencedores do Prêmio Nobel de Física.

NASCIMENTO, Viviane B. do. A natureza do conhecimento científico e o ensino de ciências. In: CARVALHO, Anna Maria Pessoa de (org.). Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004. p. 35-58. O artigo traz o resultado de uma ação de pesquisa realizada em escolas públicas com o uso de diferentes metodologias para o ensino de Ciências.

NUNES, Reginaldo de O.; OLIVEIRA, Iuri da C. Etnociência na escola: possibilidades de diálogos ao ensino e pesquisa em ciências. Cachoeirinha: Fi, 2024.

Esse livro aborda a conexão entre a Ciência e o conhecimento dos povos tradicionais, contribuindo para o desenvolvimento do conhecimento na pesquisa e na educação.

NUSSENZVEIG, Herch M. Curso de física básica: eletromagnetismo. São Paulo: Blucher, 1997. v. 3. NUSSENZVEIG, Herch M. Curso de física básica: ótica/ relatividade/ física quântica. São Paulo: Blucher, 1998. v. 4.

Esses livros compõem um curso de Física apresentando uma discussão detalhada dos conceitos e princípios básicos da área e problemas que abordam vários temas, todos com respostas. Eles também auxiliam no desenvolvimento da intuição e da capacidade de raciocínio dos estudantes.

OKUNO, Emico; YOSHIMURA, Elisabeth. Física das radiações. São Paulo: Oficina de Textos, 2010.

Esse livro aborda, no geral, tanto a parte física das radiações como as aplicações desta e seus efeitos biológicos.

OLIVEIRA FILHO, Kepler de S.; SARAIVA, Maria de F. O. Astronomia & astrofísica. 4. ed. São Paulo: Livraria da Física, 2017.

O livro fornece uma visão ampla da Astronomia e da Astrofísica modernas, em linguagem acessível e prática, auxiliando na compreensão do Universo como um todo, por meio do uso das leis da Física.

PEREIRA, Katia H. Como usar artes visuais na sala de aula. São Paulo: Contexto, 2007.

Com um roteiro dinâmico, esse livro apresenta diversos exemplos práticos do uso de artes visuais no ensino, bem como sugestões de atividades que auxiliam professores de qualquer área a criar projetos e a desenvolver o trabalho com artes visuais.

REIS, Angelina F. M. V. dos; BARRETO, Maria A. M. Uma experiência com Think Pair Share no ensino fundamental I. Práxis, Volta Redonda, v. 9, n. 17, jun. 2017. p. 55-67.

Artigo com definições e organização da estratégia Think-pair-share por meio da aplicação dessa abordagem em uma turma de 5º ano do Ensino Fundamental.

REIS, Juliana B. dos; JESUS, Rodrigo E. de. Culturas juvenis e tecnologias. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2014. Esse trabalho faz um estudo de aspectos que caracterizam a cultura juvenil no processo de construção de identidade de jovens e adolescentes.

ROCHA, Ricael S.; CARDOSO, Iara M. D.; MOURA, Monithelli A. E. de. O uso da gallery walk como metodologia ativa em sala de aula: uma análise sistemática no processo de ensino-aprendizagem. Revista Sítio Novo, Palmas, v. 4, n. 1, jan./mar. 2020. p. 162-170. Esse artigo apresenta possibilidades de aplicação da estratégia Gallery walk por meio da análise documental de publicações de sete experiências vivenciadas em salas de aula na cidade de Uberaba, Minas Gerais.

Esse artigo apresenta um estudo sobre as representações sociais da ideação suicida e estratégias para prevenção nas escolas.

SHEN, Danxi. Quick write. Harvard University. Disponível em: https:// ablconnect.harvard.edu/quick-write. Acesso em: 30 out. 2024. Texto que faz um breve resumo da estratégia Quick write, publicado na página da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos.

SILVA, Gilmar H. da; DE OLIVEIRA, Francisco K. Pensamento computacional e STEAM numa perspectiva interdisciplinar com a matemática e informática: uma revisão sistemática de literatura. Revista Semiárido De Visu, v. 10, n. 3, p. 210-223, 2022. Nesse texto, por meio de uma revisão sistemática da literatura, os autores identificam práticas e experiências de pensamento computacional relacionadas às Ciências, com uma perspectiva interdisciplinar com foco na Matemática e na Informática.

SILVA, Maria C.; MENDES, Breno; NICOLINI, Cristiano. A aula-oficina e suas possibilidades: vinte anos depois, 1999-2019. In: ALVES, Luís A. M.; GAGO, Marília; LAGARTO, Mariana. Vinte anos das Jornadas Internacionais de Educação Histórica. Porto: CITCEM, 2021. p. 101-113. Esse artigo apresenta a análise de propostas de aula-oficina, destacando a relevância desse método de ensino para o processo de aprendizagem e propondo a releitura dessa metodologia.

SILVA, Munique V. Olhando para o céu: uma proposta para uma educação libertadora. 2007. Monografia (Licenciatura em Física) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. Disponível em: https://pantheon.ufrj.br/bitstream/11422/8233/1/MVSilva.pdf. Acesso em: 21 out. 2024. O trabalho reflete sobre o tema “Universo, Terra e vida” e enfatiza a importância desses assuntos na escolarização.

TAJRA, Sanmya (org.). Metodologias ativas e as tecnologias educacionais: conceitos e práticas. Rio de Janeiro: Alta Books, 2021. Esse livro apresenta conceitos, princípios e estratégias para a aplicação das metodologias ativas.

TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica. Tradução: Paulo Machado Mors. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1-3. Essa coleção aborda soluções de problemas tendo como base análises e verificação de resultados, possibilitando uma melhor compreensão conceitual, além de quadros que discutem as aplicações atuais da Física.

VILLANI, Carlos E. P.; NASCIMENTO, Silvania S. do. A argumentação e o ensino de ciências: uma atividade experimental no laboratório didático de física do ensino médio. Investigações em Ensino de Ciências, v. 8, n. 3, p. 187-209, 2003. Disponível em: https://ienci.if.ufrgs.br/index.php/ienci/article/view/539/334. Acesso em: 2 ago. 2024. Nesse artigo, são analisadas as influências de dados empíricos na aprendizagem de alunos do Ensino Médio.

VIOLÊNCIA escolar e bullying relatório sobre a situação mundial. Brasília: Unesco, 2019. Relatório que fornece dados atualizados sobre violência escolar e bullying, destacando natureza, abrangência e impactos, assim como iniciativas que buscam enfrentar esses problemas.

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