10ª Classe - Material Física PDF

Coordenação de física do IMPN 10ª Classe O PROFESOR: António Hugo Francisco Namibe/2020  Coordenação de física do IMPN Instituto Médio Politécnico do Namibe Nº55 “PASCOAL LUVUALU” QUÍMICA -...

Coordenação de física do IMPN 10ª Classe O PROFESOR: António Hugo Francisco Namibe/2020  Coordenação de física do IMPN Instituto Médio Politécnico do Namibe Nº55 “PASCOAL LUVUALU” QUÍMICA -10ª Classe Professor: Hugo  Coordenação de física do IMPN ÍNDICE Unidade #1- Física e Medições........................................................................................ 1 1.1. O que é a Física....................................................................................................... 1 1.1.1. Os Ramos Clássicos da Física........................................................................ 2 1.2. Grandezas físicas.................................................................................................... 3 1.3. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES.................................................. 5 1.4. Notação Cientıfica................................................................................................. 7 UNIDADE #2: Cinemática.................................................................................................... 9 2.1. Relatividade do movimento. Noção de referencial..................................... 9 2.2. Trajetória e deslocamento de um ponto material..................................... 10 2.2.4. MOVIMENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE VARIADO...................... 17 2.3. ESTUDO GRÁFICO DO MU E DO MUV....................................................... 19 2.4. MOVIMENTO CIRCULAR.................................................................................. 22 unidade #3- Dinâmica...................................................................................................... 29 REFERÊNCIAS........................................................................................................................ 41 i  Coordenação de física do IMPN UNIDADE #1- FÍSICA E MEDIÇÕES Estudar física é participar de uma aventura provocante e sensacional. Para os físicos profissionais esta aventura é mais sensacional ainda. Esta é uma das actividades prediletas do intelecto humano e, segundo a opinião dos autores, nada é mais agradável à mente do homem do que desvendar os segredos da natureza e assim melhor conhecer o mundo em que vive. A esta altura, pode parecer desnecessário dizer-lhe o que é a física, quais os factores que a tornam tao interessante e quais os seus métodos, pois você já́ deve estar bastante familiarizado com ela. Entretanto, precisamente por esse motivo, é recomendável analisar e rever os objectivos e métodos dessa ciência antes de prosseguir no seu estudo em nível um pouco mais elevado. É isso o que faremos de forma resumida, neste capitulo. 1.1. O QUE É A FÍSICA A palavra física tem origem no vocábulo grego “physiké” que significa natureza, e por este motivo a física deveria ser uma ciência dedica ao estudo de todos os fenómenos naturais. Efectivamente, até ao começo do seculo dezanove, ela foi entendida neste sentido mais amplo, sendo chamada “ filosofia natural”. Contudo, durante o seculo dezanove e até́ muito recentemente, a física ficou restrita ao estudo de um grupo limitado de fenómenos, designados pelo nome de fenómenos físicos, definidos 1  Coordenação de física do IMPN vagamente como sendo processos nos quais a natureza das substâncias que nele tomam parte não sofre nenhuma alteração. Esta definição um tanto deformada da física tem sido pouco a pouco posta de lado, retornando assim ao conceito original, mais amplo e mais fundamental. Consequentemente, podemos dizer agora que a física é a ciência cujo objectivo é estudar os componentes da matéria e suas interacções mutuas. Através dessas interacções, os cientistas explicam as propriedades da matéria no seu estado natural, assim como outros fenómenos naturais que podemos observar. 1.1.1. OS RAMOS CLÁSSICOS DA FÍSICA O homem, dotado de mente investigadora, sempre tem demonstrado uma grande curiosidade a respeito do mecanismo da natureza. Inicialmente, suas únicas fontes de informação eram os seus sentidos, e, consequentemente, ele classificou os fenómenos por ele observados de acordo com o sentido empregado para percebe-los. A luz foi relacionada com o acto de ver e, como resultado, a óptica foi desenvolvida como ciência mais ou menos independente, relacionada com esse acto. O som foi associado com o sentido da audição e a acústica desenvolvida como ciência correlata. O calor, correlacionado com outro tipo de sensação física, deu origem à termodinâmica, que durante muito tempo constituiu um ramo autónomo da física. O movimento é, seguramente, o mais comum de todos os fenómenos 2  Coordenação de física do IMPN observados diretamente, e a ciência do movimento, a mecânica, foi desenvolvida antes de qualquer outro ramo da física. O movimento dos planetas, causado pelas interacções gravitacionais, assim como a queda livre dos corpos, foram muito bem explicados pelas leis da mecânica; por este motivo, a gravitação foi tradicionalmente incluída como um capítulo da mecânica. Até o seculo dezanove, o eletromagnetismo pelo facto de não estar relacionado com nenhuma experiencia sensorial – apesar de ser responsável pela maioria delas –, não havia surgido como ramo organizado da física. Assim, a física do seculo dezanove surge dividida em algumas ciências ou ramos (chamados clássicos): mecânica, calor, som, óptica, e eletromagnetismo, com pouca, e as vezes nenhuma, conexão entre eles. Entretanto, a mecânica era, na realidade, o princípio unificador de todos eles. A física, até muito recentemente, tem sido ensinada desta maneira, nos últimos anos, um novo ramo, chamado físico moderno, que cobre os desenvolvimentos da física do seculo vinte, foi adicionado aos já́ chamados ramos clássicos. 1.2. GRANDEZAS FÍSICAS Define-se geralmente grandeza como algo que possa aumentar ou diminuir, quer seja uma massa, ou uma dor. 3  Coordenação de física do IMPN Como a massa pode ser medida rigorosamente, o que não acontece com a dor, dizemos que a massa é uma grandeza física. As grandezas físicas que conhecemos até́ hoje são todas quase escalares, isto é, são expressas apenas por um número. Assim, acontece com a massa. Já́ o mesmo não sucede com o peso e com outras grandezas que encontraremos ao longo do nosso programa de Física e a que chamaremos de grandezas vetoriais. Para uma grandeza física vetorial ficar totalmente caracterizada, é necessário saber não apenas a sua intensidade ou modulo mas também a sua direcção e o seu sentido. Geralmente, a grandeza vetorial é indicada por uma letra com uma setinha (por exemplo,𝑣⃗ ) e o modulo ou intensidade, por |𝑣⃗ | ou simplesmente por 𝑣⃗. 1.2.1. MEDIÇÃO Medir, já́ o sabemos, é comparar uma grandeza desconhecida com outra, da mesma espécie, que se tomou para termo de comparação, isto é, para unidade. Assim, quando dizemos que o comprimento de uma barra é de 3 m, estamos a afirmar que o comprimento dessa barra é três vezes maior do que uma unidade de comprimento chamada metro. O exemplo que acabamos de analisar é o da chamada medicada directa. Se quisermos determinar o volume da nossa sala de aula, teremos um problema diferente, pois que não seria comodo andarmos a ver quantas 4  Coordenação de física do IMPN vezes cabia no volume da sala um cubo com, por exemplo, 1 m3 de volume. O que vamos fazer é medir as três dimensões da sala e depois calcular o volume, isto é, procedemos a uma medicada indirecta. Da mesma forma, para determinarmos a velocidade de um móvel, o que fazemos é medir o espaço por ele percorrido e o tempo gasto no percurso: por exemplo, se o espaço foi de 100 m e o tempo de 10 s, a velocidade será́ de 10 m/s. 1.3. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES As unidades de medidas são claramente indispensáveis nas múltiplas áreas da actividade humana e suas definições adquiriram crescente importância e rigor, sobre tudo nas últimas décadas. Paralelamente nos diversos países, tem feito um grande esforço no sentido de estabelecer um sistema de unidades único em todo o mundo. Até 1960 havia em todo o mundo diversos sistemas de unidades, isto é, conjuntos de diferentes de unidades fundamentais que davam origem a inúmeras unidades derivadas. Grandezas como Forca e Velocidade, por exemplo, tinham cerca de uma dezena de unidades diferentes em uso. Por está razão, a 11a conferência geral de pesos e medidas (CGPM) criou o sistema internacional de unidade SI, com objectivo de eliminar essa multiplicidade de padrões e unidades. O SI deveria atribuir em cada grandeza uma só́ unidade, o que foi acordado na 14a CGPM (1971, resolução 3). Nessa conferência foram relacionadas as unidades básicas do SI: metro, 5  Coordenação de física do IMPN quilograma, segundo, ampere, Kelvin, mol e candela, correspondentes as grandezas fundamentais: comprimento, massa, tempo, intensidade da corrente Electrica, temperatura termodinâmica, quantidade de matéria e intensidade luminosa. Da mesma forma, foram estabelecidas os seus símbolos (tabela 1), unidades derivadas (tabela 2) e prefixos (tabela 3). TABELA 1: GRANDEZAS FUNDAMENTAIS DO SI Grandeza Símbolo Unidade Símbolo Comprimento 𝑙, h, 𝑜𝑢 𝑥 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚 Massa 𝑚 𝑞𝑢𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 Kg Tempo 𝑡 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 𝑠 Corrente Electrica 𝑖 𝑜𝑢 𝐼 𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 A Temperatura termodinâmica T 𝑘𝑒𝑙𝑣⃗𝑖𝑛 K Quantidade de matéria 𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 Intensidade luminosa 𝐼𝑣⃗ 𝑐𝑎𝑛𝑑𝑒𝑙𝑎 𝑐𝑑 TABELA 2: GRANDEZAS DERIVADAS Grandeza Símbolo Unidade Derivada Símbolo Á rea A 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑚2 Volume V 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑜 𝑐ú 𝑏𝑖𝑐𝑜 𝑚3 Densidade 𝜌 𝑞𝑢𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐ú 𝑏𝑖𝑐𝑜 𝑘𝑔/𝑚3 𝑚/𝑠 Velocidade 𝑣⃗ 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 Aceleraçã o 𝑎 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 𝑎𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑚/𝑠2 Força F 𝑛𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙 Pressã o 𝑝 𝑝𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 𝑃𝑎 Trabalho, energia W 𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒 𝐽 Potê ncia P 𝑤𝑎𝑡𝑡 𝑊 = 𝐽/𝑠 Carga Electrica 𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏 Q 𝐶=𝐴∙𝑠 1𝑁 𝑇= 𝐴⋅𝑚 Campo magnético H,B 𝑡𝑒𝑠𝑙𝑎 6  Coordenação de física do IMPN TABELA 3: MÚ LTIPLOS E SUBMÚ LTIPLOS Prefixo Símbolo Potência de base correspondente 𝑝𝑖𝑐𝑜 10−12 𝑝 𝑛𝑜𝑛𝑜 𝑛 10−9 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜 𝜇 10−6 𝑚𝑖𝑙𝑖 10−3 𝑚 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖 𝑐 10−2 1.4. NOTAÇÃO CIENTIFICA A medida de uma determinada grandeza física pode resultar em um número que seja extremamente grande ou extremamente pequeno, por exemplos temos: Distância da Terra a Lua: 384.000.000 m. Diâmetro de um átomo de hidrogénio: 0, 0000000001 m. Para manipular tais números, ́ utilizamos a notação cientıfica, fazendo uso das potências de 10. O modulo de qualquer número g pode ser escrito como um produto de uma mantissa a, entre um e dez, por outro, que é uma potência de dez: 𝑔 = 𝑎 × 10𝑛, onde devemos ter 1 ≤ a 0), ou uma parábola de concavidade voltada para baixo, quando a aceleração escalar é negativa (𝑎 0; se 𝑣⃗ = 𝑓(𝑡) é uma função decrescente, tem-se 𝑎