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Robert Resnick – professor emérito de Física do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), que o incluiu no seu Hall of Fame em 2003. Concluiu o bacharelado e recebeu o título de Ph.D. em Física pela Johns Hopkins University. Recebeu a medalha Oersted – o mais alto prêmio concedido pela American Association of Physics Teachers (AAPT), da qual também foi presidente. Assim como David Halliday, é coautor de FUNDAMENTOS DE FÍSICA, entre outros títulos na área.

Sucesso há décadas e obra de referência na área, FUNDAMENTOS DE FÍSICA – VOLUMES 1 A 4 apresenta um estudo introdutório completo e abrangente. Com especial destaque, esta nona edição traz uma oferta maior de materiais suplementares didáticos, disponíveis online, mediante cadastro no site da LTC Editora. Essa novidade vai permitir aos docentes de cursos de graduação em engenharia e demais áreas de Ciências Exatas o uso de recursos atuais e diferenciados em suas aulas e apresentações. Os estudantes também contam com materiais específicos oferecidos mediante cadastro. Os autores buscaram aprimorar o texto e a pedagogia aplicada à obra, por meio do grande apelo visual proporcionado por ilustrações coloridas e outros recursos didáticos como boxes, tabelas e seções especiais, que facilitam e organizam os assuntos abordados. Da mesma forma, os conteúdos teóricos foram mais bem vinculados ao cotidiano prático e real, com a apresentação de exemplos, problemas e ensaios ligados a diversas áreas – o que retira da disciplina o aspecto meramente científico e a eleva ao caráter essencial para a compreensão e o desenvolvimento do mundo que nos cerca.

A CAPA A imagem de capa foi criada pelo físico e artista gráfico Eric J. Heller. Partindo de um arranjo simples de camadas azuis, verdes e brancas, Heller aplicou deslocamentos verticais e horizontais para elaborar uma imagem que lembra, de perto, as misturas turbulentas causadas pelas ondas do mar. As ondas – sejam elas sonoras, luminosas, da matéria, de terremotos, de rádio ou originárias do movimento marinho – são uma presença constante na natureza. Na verdade, nossa própria existência depende da física das ondas, sem a qual não poderíamos receber energia do Sol. Tal discussão tem início no Capítulo 16, no qual estudamos as ondas que se propagam nas cordas e que servem de base para muitos instrumentos musicais. Sem a física das ondas nas cordas, não teríamos música clássica ou mesmo o rock and roll.

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ISBN 978-85-216-1906-2

HALLIDAY | RESNICK | WALKER

Jearl Walker – professor de Física da Cleveland State University. Concluiu o bacharelado em Física no Massachusetts Institute of Technology (MIT) e recebeu o título de Ph.D. pela University of Maryland. Escreveu inúmeros artigos, durante 13 anos, para a revista Scientific American, traduzida para cerca de nove idiomas ao redor do mundo. Grande divulgador da Física, Walker chegou a ter um programa próprio na televisão, o Kinetic Karnival, exibido durante anos nos Estados Unidos e que lhe rendeu um Emmy – famoso prêmio em reconhecimento aos destaques do setor. A partir de 1990, Walker assumiu as atualizações da obra FUNDAMENTOS DE FÍSICA, dos coautores David Halliday e Robert Resnick, tendo publicado cinco edições que conquistaram mais de um milhão de exemplares vendidos. É também autor do livro O CIRCO VOADOR DA FÍSICA, traduzido para mais de dez idiomas e publicado no Brasil pela LTC Editora.

4 FUNDAMENTOS DE FÍSICA

David Halliday (1916-2010) – professor emérito de Física na University of Pittsburgh. Recebeu o título de Ph.D. pela mesma instituição, onde também atuou como pesquisador e administrador. Entre os diversos livros publicados e traduzidos em cerca de 20 línguas, destaca-se a coautoria em FUNDAMENTOS DE FÍSICA, obra em quatro volumes, publicada pela LTC Editora | GEN – Grupo Editorial Nacional. Em 2002, a American Physical Society (APS) premiou esse trabalho como o mais brilhante texto introdutório de física do século XX.

ÓPTICA E FÍSICA MODERNA

Há décadas FUNDAMENTOS DE FÍSICA é reconhecido como o texto basilar para o estudo dessa ciência. Seu conteúdo está didaticamente organizado em quatro volumes, distribuídos da seguinte forma: Mecânica (volume 1); Gravitação, ondas e termodinâmica (volume 2); Eletromagnetismo (volume 3) e Óptica e física moderna (volume 4). Nesta nona edição, o grande diferencial encontra-se no material suplementar online disponível para docentes cadastrados no site da LTC Editora, composto por animações, simulações, slides com ilustrações e tabelas, testes interativos e de leitura, manual de soluções, estudos de caso, simulados, ensaios – recursos que certamente irão facilitar o preparo de aulas e apresentações. Os estudantes cadastrados também contam com simulações, ensaios e solução de problemas online. O sucesso da obra deve-se à assertiva concepção dos autores de unir teoria e exercícios às aplicações práticas do mundo real, que permitem ao estudante utilizar o conhecimento adquirido no seu cotidiano e revelam, não apenas a beleza da ciência, como o seu valor para a compreensão do mundo. Outros destaques são a pedagogia e a didática aplicadas, que incluem ilustrações detalhadas, recursos gráficos para facilitar a memorização, exemplos resolvidos, revisões e resumos por capítulo, centenas de exercícios, além de apêndices com fórmulas matemáticas, sistemas de unidades de medidas e fatores de conversão, tabela periódica e características de elementos físicos. Este formato foi concebido a partir das inúmeras sugestões e colaborações de professores e estudantes quanto às carências e ao refino do texto e dos assuntos abordados. O leitor atento poderá constatar que muitos exemplos e problemas pertencentes ao livro O CIRCO VOADOR DA FÍSICA (LTC, 2008) foram adicionados aos quatro volumes desta obra. O objetivo dos autores foi agregar ao texto o caráter mais prazeroso da leitura e aumentar o escopo de aplicação da teoria a situações reais. Nesse contexto, FUNDAMENTOS DE FÍSICA – VOLUMES 1 A 4 traz a experiência didática mais avançada para as diversas engenharias e demais cursos de graduação que utilizem essa disciplina em suas grades curriculares.

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VO LU M E

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EDIÇÃO

FUNDAMENTOS DE FÍSICA Óptica e Física Moderna

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O GEN | Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária, que publicam nas áreas científica, técnica e profissional. Essas empresas, respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras que têm sido decisivas na formação acadêmica e no aperfeiçoamento de várias gerações de profissionais e de estudantes de Administração, Direito, Enfermagem, Engenharia, Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Educação Física e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito. Nossa missão é prover o melhor conteúdo científico e distribuí-lo de maneira flexível e conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livreiros, funcionários, colaboradores e acionistas. Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade, sem comprometer o crescimento contínuo e a rentabilidade do grupo.

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HALLIDAY & RESNICK

EDIÇÃO

FUNDAMENTOS DE FÍSICA Óptica e Física Moderna

Jearl Walker Cleveland State University

Tradução e Revisão Técnica Ronaldo Sérgio de Biasi, Ph.D. Professor Titular do Instituto Militar de Engenharia – IME

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Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, do tradutor, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail ltc@grupogen.com.br. HALLIDAY & RESNICK: FUNDAMENTALS OF PHYSICS, VOLUME TWO, NINTH EDITION Copyright © 2011, 2008, 2005, 2003 John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license. Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2012 by LTC __ Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ __ CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com.br www.ltceditora.com.br Projeto de Capa: M77 Design Imagem de Capa: ©Eric Heller/Photo Researchers, Inc. Used with permission of John Wiley & Sons, Inc. Reproduzida com permissão da John Wiley & Sons, Inc. Editoração Eletrônica: CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ H691f v.4 Halliday, David, 1916-2010 Fundamentos de física, volume 4 : óptica e física moderna / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker ; tradução e revisão técnica Ronaldo Sérgio de Biasi. - Rio de Janeiro : LTC, 2012. il. ; 28 cm Tradução de: Fundamentals of physics, 9th ed. Apêndice Inclui índice ISBN 978-85-216-1906-2 1. Óptica. 2. Física. I. Resnick, Robert, 1923-. II. Walker, Jearl, 1945-. III. Título. 12-2455.

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CDD: 530 CDU: 53

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S UCMAÁPR I O ÍT U LGOE R A L

Volume 1

1 Medição 2 Movimento Retilíneo 3 Vetores 4 Movimento em Duas e Três Dimensões 5 Força e Movimento — I 6 Força e Movimento — II 7 Energia Cinética e Trabalho 8 Energia Potencial e Conservação da Energia 9 Centro de Massa e Momento Linear 10 Rotação 11 Rolamento, Torque e Momento Angular

Volume 2

12 Equilíbrio e Elasticidade 13 Gravitação 14 Fluidos 15 Oscilações 16 Ondas — I 17 Ondas — II 18 Temperatura, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica

19 A Teoria Cinética dos Gases 20 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica

Volume 3

21 Cargas Elétricas 22 Campos Elétricos 23 Lei de Gauss 24 Potencial Elétrico 25 Capacitância 26 Corrente e Resistência 27 Circuitos 28 Campos Magnéticos 29 Campos Magnéticos Produzidos por Correntes

30 Indução e Indutância 31 Oscilações Eletromagnéticas e Corrente Alternada

32 Equações de Maxwell; Magnetismo da Matéria Volume 4

33 Ondas Eletromagnéticas 34 Imagens 35 Interferência 36 Difração 37 Relatividade 38 Fótons e Ondas de Matéria 39 Mais Ondas de Matéria 40 Tudo sobre os Átomos 41 Condução de Eletricidade nos Sólidos 42 Física Nuclear 43 Energia Nuclear 44 Quarks, Léptons e o Big Bang

Apêndices | Respostas dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares | Índice

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S U MÁR I O

36 DIFRAÇÃO

Volume 4

33 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

106

36-1 36-2 36-3 36-4

REVISÃO E RESUMO 25 PERGUNTAS 26 PROBLEMAS 28

O que É Física? 106 Difração e a Teoria Ondulatória da Luz 106 Difração por uma Fenda: Posições dos Mínimos 107 Determinação da Intensidade da Luz Difratada por uma Fenda – Método Qualitativo 111 36-5 Determinação da Intensidade da Luz Difratada por uma Fenda – Método Quantitativo 113 36-6 Difração por uma Abertura Circular 115 36-7 Difração por Duas Fendas 119 36-8 Redes de Difração 122 36-9 Redes de Difração: Dispersão e Resolução 125 36-10 Difração de Raios X 128 REVISÃO E RESUMO 130 PERGUNTAS 131 PROBLEMAS 132

34 IMAGENS

37 RELATIVIDADE

1

33-1 O que É Física? 1 33-2 O Arco-íris de Maxwell 1 33-3 Descrição Qualitativa de uma Onda Eletromagnética 2 33-4 Descrição Matemática de uma Onda Eletromagnética 5 33-5 Transporte de Energia e o Vetor de Poynting 8 33-6 Pressão da Radiação 11 33-7 Polarização 12 33-8 Reflexão e Refração 16 33-9 Reflexão Interna Total 23 33-10 Polarização por Reflexão 24 37

34-1 34-2 34-3 34-4 34-5 34-6 34-7 34-8 34-9

O que É Física? 37 Dois Tipos de Imagens 37 Espelhos Planos 38 Espelhos Esféricos 41 Imagens Produzidas por Espelhos Esféricos 42 Refração em Interfaces Esféricas 46 Lentes Delgadas 48 Instrumentos Óticos 55 Três Demonstrações 58 REVISÃO E RESUMO 61 PERGUNTAS 62 PROBLEMAS 63

35 INTERFERÊNCIA 35-1 35-2 35-3 35-4 35-5 35-6 35-7 35-8

72

O que É Física? 72 A Luz como uma Onda 72 Difração 77 O Experimento de Young 78 Coerência 82 Intensidade das Franjas de Interferência 83 Interferência em Filmes Finos 87 O Interferômetro de Michelson 94 REVISÃO E RESUMO 95 PERGUNTAS 96 PROBLEMAS 97

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140

37-1 O que É Física? 140 37-2 Os Postulados da Relatividade 140 37-3 Registrando um Evento 142 37-4 A Relatividade da Simultaneidade 143 37-5 A Relatividade do Tempo 145 37-6 A Relatividade das Distâncias 150 37-7 A Transformação de Lorentz 153 37-8 Algumas Consequências das Equações de Lorentz 37-9 A Relatividade das Velocidades 158 37-10 O Efeito Doppler para a Luz 159 37-11 Uma Nova Interpretação do Momento 161 37-12 Uma Nova Interpretação da Energia 162

155

REVISÃO E RESUMO 167 PERGUNTAS 168 PROBLEMAS 170

38 FÓTONS E ONDAS DE MATÉRIA 38-1 38-2 38-3 38-4 38-5 38-6

178

O que É Física? 206 O Fóton, o Quantum da Luz 178 O Efeito Fotelétrico 180 Os Fótons Possuem Momento 183 A Luz como uma Onda de Probabilidade 186 Elétrons e Ondas de Matéria 189

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SUMÁRIO

38-7 A Equação de Schrödinger 192 38-8 O Princípio de Indeterminação de Heisenberg 38-9 O Efeito Túnel 196

41-10 O Diodo Emissor de Luz (LED) 41-11 O Transistor 288

194

206

39-1 39-2 39-3 39-4 39-5 39-6 39-7 39-8 39-9

O que É Física? 206 Ondas em Cordas e Ondas de Matéria 206 Energia de um Elétron Confinado 207 Funções de Onda de um Elétron Aprisionado 211 Um Elétron em um Poço Finito 215 Outras Armadilhas para Elétrons 217 Armadilhas Eletrônicas Bidimensionais e Tridimensionais 219 O Modelo de Bohr do Átomo de Hidrogênio 221 A Equação de Schrödinger e o Átomo de Hidrogênio 223 REVISÃO E RESUMO 231 PERGUNTAS 232 PROBLEMAS 233

40 TUDO SOBRE OS ÁTOMOS 40-1 O que É Física? 238 40-2 Algumas Propriedades dos Átomos 238 40-3 O Spin do Elétron 240 40-4 Momento Angular e Momento Magnético 241 40-5 O Experimento de Stern–Gerlach 244 40-6 Ressonância Magnética 246 40-7 O Princípio de Exclusão de Pauli 248 40-8 Armadilhas Retangulares com Mais de um Elétron 40-9 Construção da Tabela Periódica 252 40-10 Os Espectros de Raios X dos Elementos 253 40-11 O Laser 257 40-12 Como Funcionam os Lasers 258

238

248

REVISÃO E RESUMO 262 PERGUNTAS 263 PROBLEMAS 263

41 CONDUÇÃO DE ELETRICIDADE NOS SÓLIDOS 269 41-1 41-2 41-3 41-4 41-5 41-6 41-7 41-8 41-9

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O que É Física? 269 Propriedades Elétricas dos Sólidos 269 Níveis de Energia em um Sólido Cristalino 270 Isolantes 271 Metais 272 Semicondutores 278 Semicondutores Dopados 280 A Junção p-n 283 O Diodo Retificador 285

286

REVISÃO E RESUMO 289 PERGUNTAS 290 PROBLEMAS 291

REVISÃO E RESUMO 199 PERGUNTAS 200 PROBLEMAS 201

39 MAIS ONDAS DE MATÉRIA

vii

42 FÍSICA NUCLEAR

295

42-1 42-2 42-3 42-4 42-5 42-6 42-7 42-8 42-9

O que É Física? 295 A Descoberta do Núcleo 295 Propriedades dos Núcleos 298 Decaimento Radioativo 304 Decaimento Alfa 308 Decaimento Beta 310 Datação Radioativa 313 Medida da Dose de Radiação 315 Modelos Nucleares 316 REVISÃO E RESUMO 319 PERGUNTAS 320 PROBLEMAS 321

43 ENERGIA NUCLEAR

327

43-1 43-2 43-3 43-4 43-5 43-6 43-7 43-8

O que É Física? 327 Fissão do Urânio: O Processo Básico 328 Um Modelo para a Fissão Nuclear 330 O Reator Nuclear 333 Um Reator Nuclear Natural 338 Fusão Termonuclear: O Processo Básico 339 A Fusão Termonuclear no Sol e em Outras Estrelas 341 A Fusão Nuclear Controlada 343 REVISÃO E RESUMO 346 PERGUNTAS 346 PROBLEMAS 347

44 QUARKS, LÉPTONS E O BIG BANG 44-1 O que É Física? 351 44-2 Partículas, Partículas e Mais Partículas 351 44-3 Interlúdio 355 44-4 Os Léptons 359 44-5 Os Hádrons 361 44-6 Mais uma Lei de Conservação 363 44-7 O Caminho Óctuplo 364 44-8 O Modelo dos Quarks 365 44-9 As Interações Básicas e as Partículas Mensageiras 44-10 Uma Pausa para Refletir 370 44-11 O Universo em Expansão 371 44-12 A Radiação Cósmica de Fundo 372 44-13 A Matéria Escura 373 44-14 O Big Bang 374 44-15 Conclusão 376

351

368

REVISÃO E RESUMO 377 PERGUNTAS 378 PROBLEMAS 378

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viii

SUMÁRIO

APÊNDICES A B C D E F G

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O Sistema Internacional de Unidades (SI) 383 Algumas Constantes Fundamentais da Física 385 Alguns Dados Astronômicos 386 Fatores de Conversão 387 Fórmulas Matemáticas 391 Propriedades dos Elementos 394 Tabela Periódica dos Elementos 397

RESPOSTAS

dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares 398

ÍNDICE 402

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P R E FÁC I O

POR QUE ESCREVI ESTE LIVRO Diversão com um grande desafio. É assim que venho encarando a física desde o dia em que Sharon, uma das alunas do curso que eu ministrava enquanto doutorando, me perguntou de repente: – O que isto tem a ver com a minha vida? Respondi prontamente: – Sharon, isto é física! Tem tudo a ver com a sua vida! A moça me pediu um exemplo. Dei tratos à bola, mas não consegui encontrar nenhum. Nessa noite criei O Circo Voador da Física (LTC, 2008) para Sharon, mas também para mim, porque percebi que compartilhava com ela a mesma angústia. Tinha passado seis anos estudando em dezenas de livros de física escritos segundo elaboradas estratégias pedagógicas e com a melhor das intenções, mas faltava alguma coisa. A física é o assunto mais interessante que existe porque descreve o modo como o mundo funciona, mas não havia nos livros qualquer ligação com a realidade cotidiana. Faltava diversão. Procurei incluir muita física do mundo real neste livro, ligando-o à nova edição de O Circo Voador da Física. Boa parte dos assuntos vem das minhas aulas, nas quais posso julgar, pelas expressões e comentários dos alunos, os assuntos e apresentações que funcionam. As observações que registrei a respeito de meus sucessos e fracassos ajudaram a estabelecer as bases para este livro. Minha mensagem aqui é a mesma que passei a todos os estudantes que encontrei desde o dia em que a Sharon fez aquele comentário: – Sim, você pode usar os conceitos básicos da física para chegar a conclusões válidas a respeito do mundo real, e é nesse entendimento que está a diversão. Estabeleci muitos objetivos ao escrever este livro, mas o principal foi proporcionar aos professores um instrumento através do qual possam ensinar aos alunos como estudar assuntos científicos, identificar conceitos fundamentais, pensar a respeito de questões científicas e resolver problemas quantitativos. Este processo não é fácil, nem para estudantes, nem para professores. Na verdade, o curso associado a este livro pode ser um dos mais difíceis do currículo acadêmico. Entretanto, pode ser também um dos mais recompensadores, pois revela os mecanismos fundamentais do mundo, responsáveis por todas as aplicações científicas e de engenharia. Muitos usuários da oitava edição (professores e estu� dantes) enviaram comentários e sugestões para aperfeiçoar o livro. Esses melhoramentos foram incorporados à exposição e aos problemas desta edição. A Editora John Wiley & � Sons e eu encaramos este livro como um projeto permanente e gostaríamos de contar com uma participação crescente dos leitores. Sinta-se à vontade para enviar sugestões, correções e comentários positivos ou negativos para John Wiley & Sons (http:wiley.com/college/halliday) ou Jearl Walker (endereço postal: Physics Department, Cleveland State University, Cleveland, OH 44115 USA; endereço de e-mail: physics@wiley. com; blog: http://www.flyingcircusofphysics.com/Blog.aspx. Talvez não seja possível responder a todas as sugestões, mas lemos e consideramos cada uma delas. ��� � � ����������

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ILUSTRAÇÕES • Muitas ilustrações deste livro foram modificadas de modo a ressaltar as ideias principais relacionadas à física. • Pelo menos uma figura em cada capítulo foi ampliada para que sua mensagem fosse apresentada em etapas.

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FERRAMENTAS DE APRENDIZADO

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PREFÁCIO

CIRCO VOADOR DA FÍSICA • Tópicos de O Circo Voador da Física foram introduzidos de várias formas: em textos de abertura dos capítulos, em exemplos e em problemas. Isso foi feito com dois objetivos: (1) tornar o assunto mais interessante e divertido; (2) mostrar ao estudante que o mundo que nos cerca pode ser examinado e compreendido usando os princípios fundamentais da física. • Os assuntos que também são discutidos em O Circuito Voador da Física estão indicados pelo desenho de um biplano. A bibliografia do Circo Voador (mais de 11.000 referências a revistas científicas e de engenharia) pode ser encontrada no site http://www.flyingcircusofphysics.com. Os EXEMPLOS foram escolhidos para mostrar que os problemas de física devem ser resolvidos usando o raciocínio, em vez de simplesmente introduzir números em uma equação sem nenhuma preocupação com o significado. As IDEIAS-CHAVE dos exemplos mostram ao estudante quais são os conceitos básicos necessários para resolver um problema. O que queremos dizer com essas ideias-chave é o seguinte: “Vamos começar a solução usando este conceito básico, um método que nos prepara para resolver muitos outros problemas. Não começamos sacando do bolso uma equação para uma simples substituição de números, um método que não nos prepara para nada.” O QUE É FÍSICA? O corpo de cada capítulo agora começa com esta pergunta e com a resposta relacionada ao assunto examinado. (Um bombeiro hidráulico uma vez me perguntou: “Em que você trabalha?” Respondi: “Sou professor de física.” O bombeiro pensou por alguns instantes e depois me perguntou: “O que é física?” Embora a profissão dele dependesse inteiramente dessa ciência, ele não sabia nem mesmo o que ela significava. Muitos estudantes de física básica não sabem definir essa ciência, mas supõem que isso é irrelevante para a carreira que escolheram.) SÍMBOLOS O quadro representado abaixo é repetido no início de cada lista de problemas e mostra os símbolos usados neste livro. O número de pontos indica o grau de dificuldade do problema Informações adicionais disponíveis em O Circo Voador da Física de Jearl Walker, LTC, Rio de Janeiro, 2008.

AG R AD E C I M E NTO S Muitas pessoas contribuíram para este livro. J. Richard Christman, da Academia da Guarda Costeira dos Estados Unidos, mais uma vez criou muitos suplementos valiosos; suas sugestões para este livro foram inestimáveis. Sen-Ben Liao do Lawrence Livermore National Laboratory, James Whitenton da Southern Polytechnic State University e Jerry Shi, do Pasadena City College, foram responsáveis pela tarefa hercúlea de resolver todos os problemas do livro. Na John Wiley, a produção do livro foi acompanhada por Stuart Johnson e Geraldine Osnato, os editores que super1

visionaram todo o projeto, do início ao fim, e por Tom Kulesa, que coordenou a preparação do site deste livro na Internet.1 Agradecemos a Elizabeth Swain, a editora de produção, por juntar as peças durante esse complexo processo. Agradecemos também a Maddy Lesure pelos projetos gráficos de capa e miolo; a Lee Goldstein, pela editoração de texto, e a Lilian Brady, que se encarregou da revisão de provas. Hilary Newman foi brilhante na pesquisa de fotografias inusitadas e interessantes. Tanto a editora, John Wiley & Sons, Inc., como Jearl Walker gostariam de agradecer às

seguintes pessoas pelos comentários e ideias a respeito da oitava edição: Jonathan Abramson, Portland State University; Omar Adawi, Parkland College; Edward Adelson, The Ohio State University; Steven R. Baker, Naval Postgraduate School; George Caplan, Wellesley College; Richard Kass, The Ohio State University; M. R. Khoshbine-Khoshnazar, Research Institution for Curriculum Development & Educational Innovations (Teerã); Stuart Loucks, American River College; Laurence Lurio, Northern Illinois University; Ponn Maheswaranathan, Winthrop Universi-

Colaborou para a edição original em inglês. (N.E.)

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PREFÁCIO

ty; Joe McCullough, Cabrillo College; Don N. Page, University of Alberta; Elie Riachi, Fort Scott Community College; Andrew G. Rinzler, University of Florida; Dubravka Rupnik, Louisiana State University; Robert Schabinger, Rutgers University; Ruth Schwartz, Milwaukee School of Engineering; Nora Thornber, Raritan Valley Community College; Frank Wang, LaGuardia Community College; Graham W. Wilson, University of Kansas; Roland Winkler, Northern Illinois University; Ulrich Zurcher, Cleveland State University. Finalmente, nossos revisores externos realizaram um trabalho excepcional e expressamos a cada um deles nossos agradecimentos. Maris A. Abolins, Michigan State University Edward Adelson, Ohio State University Nural Akchurin, Texas Tech Yildirim Aktas, University of North Carolina- Charlotte Barbara Andereck, Ohio Wesleyan University Tetyana Antimirova, Ryerson University Mark Arnett, Kirkwood Community College Arun Bansil, Northeastern University Richard Barber, Santa Clara University Neil Basecu, Westchester Community College Anand Batra, Howard University Richard Bone, Florida International University Michael E. Browne, University of Idaho Timothy J. Burns, Leeward Community College Joseph Buschi, Manhattan College Philip A. Casabella, Rensselaer Polytechnic Institute Randall Caton, Christopher Newport College Roger Clapp, University of South Florida W. R. Conkie, Queen’s University

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Renate Crawford, University of Massachusetts-Dartmouth Mike Crivello, San Diego State University Robert N. Davie, Jr., St. Petersburg Junior College Cheryl K. Dellai, Glendale Community College Eric R. Dietz, California State University at Chico N. John DiNardo, Drexel University Eugene Dunnam, University of Florida Robert Endorf, University of Cincinnati F. Paul Esposito, University of Cincinnati Jerry Finkelstein, San Jose State University Robert H. Good, California State University-Hayward Michael Gorman, University of Houston Benjamin Grinstein, University of California, San Diego John B. Gruber, San Jose State University Ann Hanks, American River College Randy Harris, University of California-Davis Samuel Harris, Purdue University Harold B. Hart, Western Illinois University Rebecca Hartzler, Seattle Central Community College John Hubisz, North Carolina State University Joey Huston, Michigan State University David Ingram, Ohio University Shawn Jackson, University of Tulsa Hector Jimenez, University of Puerto Rico Sudhakar B. Joshi, York University Leonard M. Kahn, University of Rhode Island Sudipa Kirtley, Rose-Hulman Institute Leonard Kleinman, University of Texas at Austin Craig Kletzing, University of Iowa

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Peter F. Koehler, University of Pittsburgh Arthur Z. Kovacs, Rochester Institute of Technology Kenneth Krane, Oregon State University Priscilla Laws, Dickinson College Edbertho Leal, Polytechnic University of Puerto Rico Vern Lindberg, Rochester Institute of Technology Peter Loly, University of Manitoba James MacLaren, Tulane University Andreas Mandelis, University of Toronto Robert R. Marchini, Memphis State University Andrea Markelz, University at Buffalo, SUNY Paul Marquard, Caspar College David Marx, Illinois State University Dan Mazilu, Washington and Lee University James H. McGuire, Tulane University David M. McKinstry, Eastern Washington University Jordon Morelli, Queen’s University Eugene Mosca, United States Naval Academy Eric R. Murray, Georgia Institute of Technology, School of Physics James Napolitano, Rensselaer Polytechnic Institute Blaine Norum, University of Virginia Michael O’Shea, Kansas State University Patrick Papin, San Diego State University Kiumars Parvin, San Jose State University Robert Pelcovits, Brown University Oren P. Quist, South Dakota State University Joe Redish, University of Maryland Timothy M. Ritter, University of North Carolina at Pembroke Dan Styer, Oberlin College Frank Wang, LaGuardia Community College

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Material Suplementar Este livro conta com os seguintes materiais suplementares disponíveis para docentes: n Simulações n Soluções dos Problemas (Manual) n Ilustrações da obra em formato de apresentação n Testes em PowerPoint n Ensaios de Jearl Walker n Aulas em PowerPoint n Manuais das Calculadoras Gráficas TI-86 & TI-89 n Testes Conceituais n Testes em Múltipla Escolha n Respostas dos problemas n Respostas das perguntas

E os seguintes materiais suplementares de livre acesso: n Simulações n Ensaios de Jearl Walker n Manuais das Calculadoras Gráficas TI-86 & TI-89 n Seleção de Problemas Solucionados

O acesso ao material suplementar é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em: http://gen-io.grupogen.com.br

GEN-IO (GEN | Informação Online) é o repositório de material suplementar e de serviços relacionados com livros publicados pelo GEN | Grupo Editorial Nacional, o maior conglomerado brasileiro de editoras do ramo científico-técnico-profissional, composto por Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária.

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Robert Resnick – professor emérito de Física do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), que o incluiu no seu Hall of Fame em 2003. Concluiu o bacharelado e recebeu o título de Ph.D. em Física pela Johns Hopkins University. Recebeu a medalha Oersted – o mais alto prêmio concedido pela American Association of Physics Teachers (AAPT), da qual também foi presidente. Assim como David Halliday, é coautor de FUNDAMENTOS DE FÍSICA, entre outros títulos na área.

Sucesso há décadas e obra de referência na área, FUNDAMENTOS DE FÍSICA – VOLUMES 1 A 4 apresenta um estudo introdutório completo e abrangente. Com especial destaque, esta nona edição traz uma oferta maior de materiais suplementares didáticos, disponíveis online, mediante cadastro no site da LTC Editora. Essa novidade vai permitir aos docentes de cursos de graduação em engenharia e demais áreas de Ciências Exatas o uso de recursos atuais e diferenciados em suas aulas e apresentações. Os estudantes também contam com materiais específicos oferecidos mediante cadastro. Os autores buscaram aprimorar o texto e a pedagogia aplicada à obra, por meio do grande apelo visual proporcionado por ilustrações coloridas e outros recursos didáticos como boxes, tabelas e seções especiais, que facilitam e organizam os assuntos abordados. Da mesma forma, os conteúdos teóricos foram mais bem vinculados ao cotidiano prático e real, com a apresentação de exemplos, problemas e ensaios ligados a diversas áreas – o que retira da disciplina o aspecto meramente científico e a eleva ao caráter essencial para a compreensão e o desenvolvimento do mundo que nos cerca.

A CAPA A imagem de capa foi criada pelo físico e artista gráfico Eric J. Heller. Partindo de um arranjo simples de camadas azuis, verdes e brancas, Heller aplicou deslocamentos verticais e horizontais para elaborar uma imagem que lembra, de perto, as misturas turbulentas causadas pelas ondas do mar. As ondas – sejam elas sonoras, luminosas, da matéria, de terremotos, de rádio ou originárias do movimento marinho – são uma presença constante na natureza. Na verdade, nossa própria existência depende da física das ondas, sem a qual não poderíamos receber energia do Sol. Tal discussão tem início no Capítulo 16, no qual estudamos as ondas que se propagam nas cordas e que servem de base para muitos instrumentos musicais. Sem a física das ondas nas cordas, não teríamos música clássica ou mesmo o rock and roll.

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ISBN 978-85-216-1906-2

HALLIDAY | RESNICK | WALKER

Jearl Walker – professor de Física da Cleveland State University. Concluiu o bacharelado em Física no Massachusetts Institute of Technology (MIT) e recebeu o título de Ph.D. pela University of Maryland. Escreveu inúmeros artigos, durante 13 anos, para a revista Scientific American, traduzida para cerca de nove idiomas ao redor do mundo. Grande divulgador da Física, Walker chegou a ter um programa próprio na televisão, o Kinetic Karnival, exibido durante anos nos Estados Unidos e que lhe rendeu um Emmy – famoso prêmio em reconhecimento aos destaques do setor. A partir de 1990, Walker assumiu as atualizações da obra FUNDAMENTOS DE FÍSICA, dos coautores David Halliday e Robert Resnick, tendo publicado cinco edições que conquistaram mais de um milhão de exemplares vendidos. É também autor do livro O CIRCO VOADOR DA FÍSICA, traduzido para mais de dez idiomas e publicado no Brasil pela LTC Editora.

4 FUNDAMENTOS DE FÍSICA

David Halliday (1916-2010) – professor emérito de Física na University of Pittsburgh. Recebeu o título de Ph.D. pela mesma instituição, onde também atuou como pesquisador e administrador. Entre os diversos livros publicados e traduzidos em cerca de 20 línguas, destaca-se a coautoria em FUNDAMENTOS DE FÍSICA, obra em quatro volumes, publicada pela LTC Editora | GEN – Grupo Editorial Nacional. Em 2002, a American Physical Society (APS) premiou esse trabalho como o mais brilhante texto introdutório de física do século XX.

ÓPTICA E FÍSICA MODERNA

Há décadas FUNDAMENTOS DE FÍSICA é reconhecido como o texto basilar para o estudo dessa ciência. Seu conteúdo está didaticamente organizado em quatro volumes, distribuídos da seguinte forma: Mecânica (volume 1); Gravitação, ondas e termodinâmica (volume 2); Eletromagnetismo (volume 3) e Óptica e física moderna (volume 4). Nesta nona edição, o grande diferencial encontra-se no material suplementar online disponível para docentes cadastrados no site da LTC Editora, composto por animações, simulações, slides com ilustrações e tabelas, testes interativos e de leitura, manual de soluções, estudos de caso, simulados, ensaios – recursos que certamente irão facilitar o preparo de aulas e apresentações. Os estudantes cadastrados também contam com simulações, ensaios e solução de problemas online. O sucesso da obra deve-se à assertiva concepção dos autores de unir teoria e exercícios às aplicações práticas do mundo real, que permitem ao estudante utilizar o conhecimento adquirido no seu cotidiano e revelam, não apenas a beleza da ciência, como o seu valor para a compreensão do mundo. Outros destaques são a pedagogia e a didática aplicadas, que incluem ilustrações detalhadas, recursos gráficos para facilitar a memorização, exemplos resolvidos, revisões e resumos por capítulo, centenas de exercícios, além de apêndices com fórmulas matemáticas, sistemas de unidades de medidas e fatores de conversão, tabela periódica e características de elementos físicos. Este formato foi concebido a partir das inúmeras sugestões e colaborações de professores e estudantes quanto às carências e ao refino do texto e dos assuntos abordados. O leitor atento poderá constatar que muitos exemplos e problemas pertencentes ao livro O CIRCO VOADOR DA FÍSICA (LTC, 2008) foram adicionados aos quatro volumes desta obra. O objetivo dos autores foi agregar ao texto o caráter mais prazeroso da leitura e aumentar o escopo de aplicação da teoria a situações reais. Nesse contexto, FUNDAMENTOS DE FÍSICA – VOLUMES 1 A 4 traz a experiência didática mais avançada para as diversas engenharias e demais cursos de graduação que utilizem essa disciplina em suas grades curriculares.

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Capa-Halliday V4.indd 1

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Fundamentos de Física Vol. 4 - Óptica e Física Moderna (amostra)