Fundamentos de Física - Vol. 4 - Óptica e Física Moderna, 10ª edição

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Sucesso há mais de quatro décadas em todo o mundo, Fundamentos de Física continua cumprindo o desafio de apresentar a Física de maneira clara, unindo a teoria e os exercícios às aplicações práticas do mundo real.

Novidades da 10ª edição:

• Módulos e Objetivos de Aprendizado - Os capítulos vêm agora divididos em módulos conceituais, dedicados a temas básicos, com uma lista de objetivos do aprendizado para que o estudante identifique, de antemão, todos os conceitos e as definições que verá naquele módulo.
• Capítulos Reformulados - Para facilitar o aprendizado, alguns capítulos foram reformulados, como o que aborda a lei de Gauss e o potencial elétrico. Houve também a preocupação de estabelecer uma ligação mais clara e direta com os conceitos-chave apresentados.
• Novos Exemplos, Perguntas e Problemas - 250 novos problemas, 50 perguntas inéditas e 16 novos exemplos foram acrescentados a esta edição. Permanecem como destaques desta 10a edição os materiais suplementares, todos traduzidos e disponíveis no site www.grupogen.com.br/halliday-vol4 (LTC Editora – GEN | Grupo Editorial Nacional), mediante cadastro.

14 capítulos

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33 Ondas Eletromagnéticas

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Ondas Eletromagnéticas

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ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

33.01 Indicar, no espectro eletromagnético, o comprimento de onda relativo (maior ou menor) das ondas de rádio AM, rádio FM, televisão, luz infravermelha, luz visível, luz ultravioleta, raios X e raios gama.

33.02 Descrever a transmissão de ondas eletromagnéticas por um circuito LC e uma antena.

33.03 No caso de um transmissor com um circuito oscilador LC,

conhecer a relação entre a indutância L, a capacitância C e a frequência angular  do circuito e a frequência f e comprimento de onda  da onda emitida.

33.04 Conhecer a velocidade de uma onda eletromagnética no vácuo (e, aproximadamente, no ar).

33.05 Saber que as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio material para se propagar e, portanto, podem se propagar no vácuo.

 

34 Imagens

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Imagens

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IMAGENS E ESPELHOS PLANOS

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

34.01 Conhecer a diferença entre imagens virtuais e imagens reais.

34.02 Explicar como acontecem as miragens nas rodovias.

34.03 Usar um diagrama de raios para representar a reflexão, por um espelho, da luz emitida por uma fonte pontual, indicando a distância do objeto e a distância da imagem.

34.04 Conhecer a relação entre a distância p do objeto e a distância i da imagem, incluindo o sinal algébrico.

34.05 Dar um exemplo de um corredor virtual baseado em espe‑ lhos na forma de triângulos equiláteros.

Ideias‑Chave zz Uma imagem é uma reprodução de um objeto por meio da luz.

Se a imagem pode se formar em uma superfície, é uma imagem real, que pode existir, mesmo na ausência de um observador. Se a imagem requer o sistema visual de um observador, é uma imagem virtual. zz Um espelho plano pode formar uma imagem virtual de uma fonte luminosa (chamada objeto) mudando a direção dos raios de luz provenientes da fonte. A imagem é vista no ponto em que prolon‑

 

35 Interferência

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Interferência

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A LUZ COMO UMA ONDA

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

35.01 Explicar o princípio de Huygens usando um desenho.

35.02 Explicar, usando desenhos simples, a refração da luz em

termos de variação gradual da velocidade de uma frente de onda ao passar pela interface de dois meios fazendo um ângulo com a normal.

35.03 Conhecer a relação entre a velocidade da luz no vácuo, a velocidade da luz em um meio e o índice de refração do meio.

35.04 Conhecer a relação entre uma distância em um meio, a

velocidade da luz no meio e o tempo necessário para que um pulso luminoso percorra essa distância.

35.05 Conhecer a lei de Snell da refração.

35.06 Saber que, quando a luz passa de um meio para outro, a

frequência permanece a mesma, mas o comprimento de onda e a velocidade da luz podem mudar.

 

36 Difração

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Difração

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DIFRAÇÃO POR UMA FENDA

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

36.01 Descrever a difração de ondas luminosas por uma fenda estreita e um obstáculo, e descrever as figuras de interferência resultantes.

36.02 Descrever o experimento que confirmou a existência do ponto claro de Fresnel.

36.05 Conhecer as relações entre a largura de uma fenda ou de

um obstáculo, o comprimento de onda da luz, os ângulos dos mínimos da figura de difração, a distância da tela de observação e a distância entre os mínimos e o centro da figura de difração.

36.06 Desenhar a figura de difração produzida por uma luz mo-

36.03 Usar um desenho para descrever a difração por uma fenda.

nocromática, identificando o máximo central e algumas franjas claras e escuras, como, por exemplo, o primeiro mínimo.

36.04 Usar um desenho para explicar de que forma a divisão de

 

37 Relatividade

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Relatividade

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SIMULTANEIDADE E DILATAÇÃO DO TEMPO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de...

37.01 Conhecer os dois postulados da teoria da relatividade (restrita) e o tipo de referencial a que esses postulados se aplicam.

37.02 Saber que a velocidade da luz é a maior velocidade possível e conhecer seu valor aproximado.

37.03 Explicar de que forma as coordenadas espaçotemporais de um evento podem ser medidas com uma rede tridimensional de relógios e réguas e de que forma isso elimina a necessidade de levar em conta o tempo de trânsito de um sinal até um observador.

37.04 Saber que a relatividade do espaço e do tempo se refere à transferência de medidas de um referencial inercial para outro, mas que a cinemática clássica e a mecânica newtoniana continuam a ser válidas se as medidas forem feitas no mesmo referencial.

 

38 Fótons e Ondas de Matéria

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Fótons e Ondas de Matéria

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FÓTON: O QUANTUM DA LUZ

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

38.01 Explicar a absorção e emissão da luz em termos de níveis de energia quantizados e fótons.

38.02 No caso da absorção e emissão da luz, conhecer as relações

entre a energia, a potência, a intensidade, a taxa de absorção e emissão de fótons, a constante de Planck, a frequência e o com­ primento de onda.

Ideias‑Chave zz Uma onda eletromagnética (como a luz) é quantizada (pode

ter apenas alguns valores de energia), e o menor valor possível de energia é chamado de fóton.

zz No caso de uma luz de frequência f, a energia do fóton é dada por

E 5 hf, em que h é a constante de Planck.

O que É Física?

Uma área importante da física é a teoria da relatividade de Einstein, que nos levou a um mundo bem diferente daquele a que estamos acostumados: o mundo dos objetos que se movem com velocidades próximas da velocidade da luz. Entre outras surpresas, a teoria de Einstein prevê que o intervalo de tempo marcado por um relógio depende da velocidade do relógio em relação ao observador: quanto maior a velocidade do relógio, maior o intervalo. Essa e outras previsões da teoria foram confirmadas por todos os testes experimentais realizados até hoje; além disso, a teoria da relatividade proporcio‑ nou uma visão mais profunda e mais satisfatória da natureza do espaço e do tempo.

 

39 Mais Ondas de Matéria

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Mais Ondas de Matéria

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ENERGIA DE UM ELÉTRON CONFINADO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

39.01 Saber que o confinamento de qualquer onda (incluindo as ondas de matéria) faz com que o comprimento de onda e a energia da onda sejam quantizados.

39.02 Desenhar um poço de potencial unidimensional infinito, mostrando a largura do poço e a energia potencial das pa­redes.

39.03 Conhecer a relação entre o comprimento de onda de de

Broglie  e a energia cinética de um elétron.

39.04 No caso de um elétron confinado em um poço de potencial unidimensional infinito, conhecer a relação entre o comprimento de onda de de Broglie  do elétron, a largura L do poço e o número quântico n.

39.05 No caso de um elétron confinado em um poço de potencial

unidimensional infinito, conhecer a relação entre as ­energias permitidas En, a largura L do poço e o número quântico n.

 

40 Tudo sobre os Átomos

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Tudo sobre os Átomos

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PROPRIEDADES DOS ÁTOMOS

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

40.01 Discutir o padrão que é observado em um gráfico de energias de ionização em função do número atômico Z.

40.02 Saber que os átomos possuem momento angular e magne‑ tismo.

40.03 Explicar o experimento de Einstein‑de Haas.

40.04 Conhecer os cinco números quânticos dos elétrons em um

átomo e os valores permitidos de cada um.

40.05 Determinar o número máximo de elétrons em uma dada camada ou subcamada.

40.06 Saber que os elétrons atômicos possuem um momento

:

: angular orbital L e um momento magnético orbital  orb.

:

40.07 Calcular o módulo do momento angular orbital L e do

momento magnético orbital  orb a partir do número quântico orbital .

:

:

40.08 Conhecer a relação entre o momento angular orbital L e o

 

41 Condução de Eletricidade nos Sólidos

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Condução de Eletricidade nos Sólidos

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PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS METAIS

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

41.01 Conhecer as três propriedades básicas dos sólidos cristalinos

e desenhar a célula unitária de um sólido cristalino.

41.02 Conhecer a diferença entre isolantes, metais e semicondutores.

41.03 Explicar, usando desenhos, a transição dos níveis de energia de um átomo isolado para as bandas de energia dos sólidos.

41.04 Desenhar o diagrama de níveis de energia de um isolante, mostrando as bandas cheias e vazias, e explicar o que impede os elétrons de participar de uma corrente elétrica.

41.05 Desenhar o diagrama de níveis de energia de um metal e explicar por que, ao contrário do que acontece nos isolantes, os elétrons dos metais podem participar de uma corrente elétrica.

41.06 Saber o que é o nível de Fermi, a energia de Fermi e a velo­ cidade de Fermi.

 

42 Física Nuclear

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Física Nuclear

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A DESCOBERTA DO NÚCLEO

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

42.01 Explicar em que consistiu o experimento de Rutherford e o que ele revelou a respeito do átomo.

42.02 Em um experimento de espalhamento como o de Ruther­ ford, conhecer a relação entre a energia cinética da partícula alfa e a distância de máxima aproximação do núcleo alvo.

Ideias‑Chave zz A carga positiva de um átomo está concentrada em uma pe­

quena região central. Esse modelo foi proposto em 1910 por Ernest

Rutherford a partir de experimentos de espalhamento nos quais fez incidir partículas alfa em folhas finas de metais como o ouro e o cobre.

zz A energia total (soma da energia cinética com a energia potencial

elétrica) do sistema partícula alfanúcleo alvo é conservada quando a partícula alfa se aproxima do núcleo.

 

43 Energia Nuclear

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Energia Nuclear

43‑1

FISSÃO NUCLEAR

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

43.01 Saber a diferença entre a geração de calor por meio de

reações químicas e de reações nucleares, embora os dois casos envolvam uma perda de massa.

43.02 Saber o que é o processo de fissão.

43.03 Descrever o processo de fissão de um núcleo de 235U por

um nêutron térmico e explicar o papel do núcleo composto intermediário.

43.04 No caso da absorção de um nêutron térmico, calcular a

variação de massa do sistema e a energia transferida para as oscilações do núcleo composto intermediário.

43.05 Calcular o valor de Q de um processo de fissão a partir das energias de ligação por núcleon antes e depois da fissão.

43.06 Conhecer o modelo de Bohr‑Wheeler da fissão nuclear.

43.07 Explicar por que o núcleo de 238U não pode ser fissionado por nêutrons térmicos.

 

44 Quarks, Léptons e o Big Bang

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Quarks, Léptons e o Big Bang

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PROPRIEDADES GERAIS DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES

Objetivos do Aprendizado

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

44.01 Saber que existem muitas partículas elementares e que

44.05 Conhecer a diferença entre léptons e hádrons e saber quais

44.02 Saber que as mesmas equações usadas para estudar o

44.06 Saber o que são antipartículas e o que é a aniquilação mútua

quase todas são instáveis.

decaimento dos nuclídeos radioativos podem ser aplicadas ao decaimento das partículas elementares instáveis.

44.03 Saber que o spin é o momento angular intrínseco das par‑ tículas elementares.

44.04 Conhecer a diferença entre férmions e bósons e saber qual dos

dois tipos de partículas obedece ao princípio de exclusão de Pauli.

são os dois tipos de hádrons.

de uma partícula e uma antipartícula.

 

Apêndices

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O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)*

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*Adaptado de “The International System of Units (SI)”, Publicação Especial 330 do National Bureau of Standards, edição de 2008. As definições acima foram adotadas pela Conferência

Nacional de Pesos e Medidas, órgão internacional, nas datas indicadas. A candela não é usada neste livro.

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ALGUMAS CONSTANTES FUNDAMENTAIS DA FÍSICA*

*Os valores desta tabela foram selecionados entre os valores recomendados pelo Codata em 2010 (www.physics.nist.gov).

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ALGUNS DADOS ASTRONÔMICOS

 

Respostas dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares

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dos Testes e das Perguntas e Problemas Ímpares

Capítulo 33

T   1. (a) (Use a Fig. 33-5.) Do lado direito do retângulo,

:

E aponta no sentido negativo do eixo y; do lado esquerdo,

:

:

:

E 1 dE é maior e aponta no mesmo sentido; (b) E aponta

: para baixo. Do lado direito, B aponta no sentido negativo do

:

: eixo z; do lado esquerdo, B 1 dB é maior e aponta no mesmo sentido. 2. sentido positivo de x 3. (a) permanece constante;

(b) diminui 4. a, d, b, c (zero) 5. a

P   1. (a) sentido positivo do eixo z; (b) x 3. (a) permanece constante; (b) aumenta; (c) diminui 5. (a) e (b) A 5 1, n 5 4,

 5 308 7. a, b, c 9. B 11. nenhuma

PR   1. 7,49 GHz 3. (a) 515 nm; (b) 610 nm; (c) 555 nm;

(d) 5,41 H 1014 Hz; (e) 1,85 H 10215 s 5. 5,0 H 10221 H

7. 1,2 MW/m2 9. 0,10 MJ 11. (a) 6,7 nT; (b) y; (c) no sentido negativo do eixo y 13. (a) 1,03 kV/m; (b) 3,43 mT W

 

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