FSICA COMPREENDENDO A FSICA Alberto Gaspar 3 ano
FÍSICA
COMPREENDENDO A FÍSICA Alberto Gaspar – 3º ano ensino médio
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA Einstein Museum, Historisches Museum Bern/Arquivo da editora CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE Albert Einstein: • nasceu em Ulm, na Alemanha, no dia 14 de março de 1879, e logo mudou-se para Munique, onde passou a infância. Seu interesse pela Física começou precocemente, aos 4 ou 5 anos, quando se encantou com uma bússola dada por seu pai. Na adolescência, preocupava-se com a estrutura e organização do Universo. Segundo alguns de seus relatos, grande parte de seus trabalhos originou-se de questões surgidas nessa época. Albert Einstein em Princeton, Estados Unidos, 1940. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE Einstein e a teoria da relavitidade • A teoria da relatividade restrita originou-se da solução dada por Einstein a um dos impasses teórico-experimentais, surgidos na Física no final do século XIX, relacionado ao Eletromagnetismo: era o significado da constante c das equações de Maxwell, identificada como a velocidade da luz no vácuo. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA Paulo Manzi/Arquivo da editora CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE A relatividade e o movimento ondulatório • O valor da velocidade do som, como o da velocidade de qualquer onda mecânica, depende do referencial, da mesma forma que o módulo da velocidade de corpos materiais. Se nesse local a velocidade do som no ar é de 300 m/s em relação ao solo, em relação a um referencial fixado no avião ela será 200 m/s. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre Representação, sem escala e em cores fantasia, de um avião, a uma velocidade v, liberando pacotes e tocando uma sirene.
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE O enigma do éter • No final do século XIX era inconcebível admitir que uma onda, qualquer que fosse sua natureza, pudesse propagar-se no vazio absoluto. • Por isso, as ondas eletromagnéticas, como qualquer propagação ondulatória, deveria ter um meio material para se propagarem. Esse meio material seria o mesmo onde seria fixado o referencial absoluto que resolvia o problema da incoerência de interpretação dos fenômenos eletromagnéticos em referenciais diferentes. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE Os postulados da teoria da relatividade restrita 1° postulado: • as leis da Física são as mesmas para todos os observadores em quaisquer sistemas de referenciais inerciais. 2° postulado: • a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para todos os observadores, qualquer que seja seu movimento ou movimento da fonte. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE A impossibilidade da simultaneidade • Em Física, o tempo só tem significado se puder ser medido, e para ser medido é preciso um sinal para disparar o cronômetro no início de um evento e outro para travá-lo ao final. E esses sinais se propagam com velocidade da luz, não são instantâneos - aliás, as supernovas há alguns séculos dão ao ser humano esse alerta: quando nós a observamos, contemplamos algo que ocorreu há milhões de anos. A dilatação do tempo: • é uma consequência direta do princípio da constância da velocidade da luz e da Cinemática elementar. Se as distâncias percorridas por um ponto material dependem do referencial considerado e a velocidade da luz não, alguma consequência em relação à medida do tempo essa disparidade deve ocasionar. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE Energia relativística • Uma onda eletromagnética exerce força sobre o anteparo em que incide, por causa da pressão de radiação. Do mesmo modo que a água é o meio pelo qual as ondas do mar exercem força sobre as rochas de uma encosta, a Física clássica atribuída ao éter a força exercida pelas ondas eletromagnéticas (por meio da pressão de radiação), contra o corpo em que elas incidiam. No entanto, a existência do éter tornou essa força inexplicável. Einstein resolveu esse problema demonstrando que a energia tem massa (ou inércia) e a exprimiu matematicamente. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 12 – RELATIVIDADE Teoria da relatividade geral Inércia e gravitação: • a existência de uma relação entre inércia e gravitação foi percebida pelos físicos desde que ficou evidente a equivalência entre os conceitos de massa inercial e massa gravitacional. O princípio da equivalência; • Segundo Einstein, a partir do princípio da equivalência, foi possível encontrar uma interpretação satisfatória: conforme a circunstância, a mesma qualidade do corpo se manifesta ora como inércia, ora como gravidade (peso). As consequências desse princípio - e da teoria da relatividade geral dele originada – são inúmeras. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 13 – ORIGENS DA FÍSICA QU NTICA Descargas em tubos com gases rarefeito e espectroscopia • Descargas elétricas em tubos de vidro com gases rarefeitos, que se originavam do cátodo, terminal metálico do interior de um tubo ligado externamente ao polo negativo de uma fonte de tensão. • Espectroscopia: fenômeno da dispersão da luz branca em um prisma, descoberto por Newton, ela foi aperfeiçoada ao longo do século XX, já havia um instrumento específico para pesquisas nessa área, o espectroscópio. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 13 – ORIGENS DA FÍSICA QU NTICA Raios catódico, raios beta e elétrons; Radiação térmica: Banco de imagens/Arquivo da editora • para os estudos da radiação térmica é preciso um corpo negro emissor de radiação térmica; Representação de um modelo simples de corpo negro. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 13 – ORIGENS DA FÍSICA QU NTICA As hipótese de Wien e Rayleigh – Jeans • Em 1896, o físico alemão Wilhelm Wien (1864 – 1928) formulou uma hipótese simples e muito bem fundamentada para a Física da época, que levou à primeira função teórica da radiação do corpo negro que alguma concordância com os resultados experimentais. A radiação do corpo negro seria proveniente da oscilação das moléculas nele contidas; as diferentes frequências da radiação se originariam das diferentes frequências desses osciladores moleculares. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 13 – ORIGENS DA FÍSICA QU NTICA O quantum de ação: • a energia, ou melhor, a ação, só existe na natureza em valores discretos, múltiplos de h. O raio X e a radioatividade: • duas das raras descobertas acidentais da Física. Por isso tem data de descobrimento. A primeira ocorreu em 8 de novembro de 1895; a segunda, alguns meses depois, em 26 de fevereiro de 1896. Na noite da descoberta dos raios X, o físico alemão Wilhelm Roentgen (1845 – 1923) pretendia estudar a luminescência que aparecia em alguns materiais colocados do lado de fora das paredes frontais dos tubos de raios catódicos. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 13 – ORIGENS DA FÍSICA QU NTICA O átomo de Rutherford: • a fundamentação teórica desse modelo era relativamente simples: a distribuição das "passas" negativa seria simétrica em uma massa positiva uniforme, o que garantiria a neutralidade elétrica do átomo e evitava os espaços vazios sempre difícil de justificar teoricamente. O espectro do átomo de hidrogênio: FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 13 – ORIGENS DA FÍSICA QU NTICA O átomo de Bohr • Assim como a radiação térmica, só pode se propagar em pacotes mínimos de energia, os elétrons também deveriam ter órbitas com valores discretos de energia e só poderia transitar entre elas aos saltos. E quando não houvesse mais altos possíveis para decair, o elétron estaria no seu menor nível de energia, no qual poderia permanecer por tempo infinito, pois não haveria na natureza energia no valor possível para essa queda. Por isso as raias dos espectros são isoladas e descontínuas. Bohr concluiu que esses números estariam associados a órbitas possíveis ou "permitidas" pela natureza, que seriam estáveis. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 14 – A NOVA FÍSICA As ondas de matéria: • magnetismo próprio ou intrínseco do elétron. Pauli e o princípio da exclusão: • em um mesmo átomo, não podem existir dois elétrons com o mesmo conjunto de números quânticos. Difração de raios X (onda eletromagnética). FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre Universität Hamburg/Arquivo da editora Dr. H. J. Millege, Departament of Geology, University College. London. O Spin do elétron: Difração de elétrons (partícula).
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 14 – A NOVA FÍSICA A mecânica ondulatória Formato Comunicação/Arquivo da editora • a Física moderna afirma que a incerteza é inevitável. Não se trata de limitação de instrumento de medida, do processo ou do experimentador. Mesmo que todos – instrumentos, processo e experimentador – sejam perfeitos, a incerteza sempre existe, pois resulta do próprio ato de medir. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre Fonte: GAMOW, G. ; CLEVELAND, J. Física. Madri: Aguilar, 1974. O princípio da incerteza: Representação, sem escala, de três modos de vibração de uma corda vibrante. Representação, sem escala, das “ondas estacionárias” correspondentes às três primeiras órbitas do elétron de um átomo de hidrogênio.
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 14 – A NOVA FÍSICA O neutrino e a conservação da energia Neutrino: • partícula neutra e muito menor que o um nêutron. Um novo tipo de partícula: • mésons FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 14 – A NOVA FÍSICA A Física de partículas • Com a descoberta do píon em 1947, completava-se um novo e harmonioso conjunto de catorze partículas elementares já identificadas teórica ou experimentalmente, resumido na tabela: FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
UNIDADE 4 – FÍSICA MODERNA CAPÍTULO 14 – A NOVA FÍSICA A busca da ordem no caos: • Mapear os eventos permite identificar as partículas elementares envolvidas e o que elas têm em comum. A descoberta do quarks; Hádrons e quarks; Léptons; Bósons e as quatro interações fundamentais; O Modelo Padrão e o Bóson de Higgs. FÍSICA – CONTEXTO E APLICAÇÕES | Volume 1 – 1º Bimestre
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