Física na Universidade para as Ciências Físicas e da Vida - Vol. 4

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A Física é uma disciplina normalmente associada aos cursos de graduação da área de Exatas, mas esta obra desmistifica sua aplicação por ser voltada ao público de ciências físicas e da vida. Estudantes e docentes da área da Saúde, como Medicina, Biologia ou Farmácia irão se beneficiar da abordagem diferenciada de Física na Universidade para as Ciências Físicas e da Vida. Em quatro volumes, o livro traz a teoria explicitada por meio de exemplos e demonstrações da fisiologia e do mundo natural, para se chegar à compreensão da física. Temas referentes ao cotidiano, fenômenos naturais e mesmo esportes são utilizados na aplicação dos conceitos físicos.

 

9 capítulos

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23 - Propriedades Ondulatórias da Luz

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23

Propriedades

Ondulatórias da Luz

23-1 Refração

23-2 Reflexão Interna Total

23-3 Dispersão

23-4 Polarização

23-5 Interferência em Filmes Finos

23-6 Difração

23-7 Aberturas Circulares

(Cortesia de David Tauck)

Os animais noturnos enxergam muito melhor do que nós à noite, parcialmente devido a uma estrutura refletiva, chamada tapetum lucidum, que reveste a parte traseira de seus olhos. Em decorrência desse refletor biológico, a luz que não é absorvida pelos fotorreceptores em sua primeira passagem pela retina reflete de volta na mesma direção em que veio. Alguns dos fótons refletidos são detectados pelos fotorreceptores na segunda passagem, melhorando assim a sensibilidade visual em baixos níveis de luminosidade. Outros fótons continuam para fora do olho, levando ao fenômeno do brilho nos olhos.

23-1  Refração

Provavelmente você já viu um diagrama como o da Figura 23-1, no qual a luz entra no olho e é focalizada na retina. Ou você já pode ter experimentado o fenômeno desorientador de tentar alcançar um objeto brilhante em uma piscina e descobrir que ele não está onde você pensava, bem como a parte submersa do pauzinho (de comida japonesa) na imagem à direita na Figura 23-2. Toda vez que uma onda, como a luz, passa através da fronteira entre dois materiais diferentes em um ângulo de incidência que não seja perpendicular a essa fronteira, ela muda de direção. Esta mudança de direção é conhecida como refração. Nesta seção, vamos limitar a nossa discussão à refração da luz visível, mas todas as ondas eletromagnéticas, ondas sonoras, ondas na água e quaisquer outras ondas que possam seguir em mais de uma direção podem se refratar quando atravessam de um meio para outro, dadas as circunstâncias adequadas.

 

24 - Óptica Geométrica

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24

Óptica Geométrica

24-1 Espelhos Planos

24-2 Espelhos Esféricos Côncavos, uma

Análise Qualitativa

24-3 Espelhos Esféricos Côncavos, uma

Análise Quantitativa

24-4 Espelhos Esféricos Convexos, uma

Análise Qualitativa

24-5 Espelhos Esféricos Convexos, uma

Análise Quantitativa

24-6 Lentes, uma Análise Qualitativa

24-7 Lentes, uma Análise Quantitativa

(Syracuse Newspapers /Blume/ The Image Works)

Duas estruturas focalizam as imagens na parte traseira de nossos olhos, permitindo-nos enxergar claramente: a córnea, que compõe a superfície externa do olho, e o cristalino, que fica suspenso dentro do olho atrás da pupila. Os oftalmologistas corrigem alguns problemas de visão, como a miopia, alterando cirurgicamente o formato da córnea. Conforme vamos envelhecendo, porém, muitas pessoas desenvolvem catarata, à medida que o cristalino, normalmente transparente, vai, aos poucos, se tornando turvo. A catarata acaba prejudicando a visão. O único tratamento, apresentado aqui, é remover cirurgicamente o cristalino danificado e substituí-lo por um artificial.

 

25 - Relatividade

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25

Relatividade

25‑1 Relatividade Newtoniana

25‑2 O Experimento de Michelson e Morley

25‑3 Relatividade Restrita, Dilatação do Tempo

25‑4 A Transformação de Lorentz, Contração do

Comprimento

25‑5 Transformação de Lorentz da Velocidade

25‑6 Momento e Energia Relativísticos

25‑7 Relatividade Geral

Com o nosso conhecimento de movimento de projétil (veja o

Capítulo 3), conseguimos imaginar facilmente as trajetórias parabólicas que os pinos seguem quando um malabarista estacionário os joga de uma mão para a outra. Porém, esse malabarista está dirigindo um monociclo; fica mais complicado descrever o movimento dos pinos! Em relação ao malabarista, estamos em repouso; então naturalmente consideramos que as nossas observações da situação devem ser feitas a partir de um sistema de referência estacionário. O malabarista observa o movimento dos pinos a partir de um sistema de referência que se move em relação a nós. No entanto, ele e nós descobrimos que as leis da física não mudam de acordo com o sistema de referência a partir do qual estão sendo observadas! (Eric Draper/

 

26 - Física Moderna e Atômica

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26

Física Moderna e Atômica

26‑1 Radiação de Corpo Negro

26‑2 Efeito Fotoelétrico

26‑3 Espalhamento Compton

26‑4 Natureza Ondulatória das

Partículas

26‑5 Átomos: Espectros

26‑6 Átomos: O Modelo de Bohr

(Frederick Murphy / CDC)

Os elétrons que passam pelos átomos são difratados, como acontece com as ondas sonoras que difratam nas bordas de uma porta aberta. Quando um feixe de elétrons de baixa energia é lançado através de uma fatia delgada de uma amostra em um microscópio eletrônico de transmissão

(MET), o padrão formado pelos elétrons difratados forma uma imagem. Um MET capturou a imagem (falsa cor) desta partícula do vírus influenza, que tem apenas 100 nm de diâmetro. Como os comprimentos de onda dos elétrons de baixa energia são muito menores que os da luz, um MET tem capacidade de resolução muito maior que a de um microscópio óptico (melhor que 0,005 nm em comparação com 0,2 µm nos microscópios ópticos mais poderosos).

 

27 - Física Nuclear

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27

Física Nuclear

(Dr. Leon Kaufman, University of California, San Francisco)

27-1 O Núcleo

27-2 Energia de Ligação

27-3 Fissão

27-4 Fusão

27-5 Radioatividade

Uma imagem de raios X consegue mostrar estruturas duras como os ossos dentro do corpo, mas, para estudar os tecidos moles, como os órgãos internos ou o cérebro humano, a técnica mais comum utiliza a imagem por ressonância magnética ou IRM. A

IRM tira proveito de certas propriedades das partículas que compõem os núcleos atômicos, em particular de sua ação como dipolos magnéticos. Uma imagem como esta é formada pela colocação do corpo em um forte campo magnético para forçar o alinhamento dos “ímãs” nucleares e depois inverter repetidamente o alinhamento pulsando esses

ímãs com energia eletromagnética. A IRM é formada pela detecção das ondas eletromagnéticas que as oscilações criam.

A

s interações químicas, por exemplo, as ligações que unem as moléculas, são governadas fundamentalmente pelo número e pela disposição dos elétrons nos átomos. No entanto, as energias dos elétrons são pequenas em comparação com a energia associada às partículas que compõem os núcleos atômicos. Portanto, o núcleo é uma fonte de energia importante. A emissão da radiação nuclear quando os núcleos sofrem uma transformação de um estado energético para outro pode conter energia suficiente para prejudicar os seres vivos ou para ser usada com finalidade terapêutica.

 

28 - Física de Partículas

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28

Física de Partículas

28‑1 O Modelo‑Padrão: Partículas

28‑2 O Modelo‑Padrão: Forças

28‑3 Matéria, Antimatéria, Matéria

Escura

(CERN/Science Photo Library)

Quando uma partícula de matéria e uma partícula de antimatéria colidem, um grande número de outras partículas subatômicas pode ser criado a partir da energia que as duas partículas transportavam. Aqui, a colisão de um elétron e um elétron de antimatéria (um pósitron) produz dois sprays de partículas no centro de um experimento no CERN, o laboratório europeu de física de partículas. As linhas azuis e roxas mostram o contorno do dispositivo experimental, e as outras linhas mostram os caminhos das partículas.

A

física é a ciência sobre como o universo funciona; essa é a frase de abertura deste livro. Nas últimas mil e duzentas páginas, consideramos muitos fenô‑ menos que surgem das interações entre forças, matéria e energia. No último capítulo, discutimos o núcleo do átomo. Agora, examinamos o interior do núcleo e exploramos seus componentes. Veremos exemplos da percepção de Einstein de que matéria e energia são equivalentes. Pode ser uma surpresa para você que essa discussão das coisas mais minúsculas do universo nos leve ao nosso último e, talvez, mais grandioso tópico: o Big Bang e o início do universo.

 

Apêndices

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APÊNDICE A

Unidades do Sistema Internacional (SI) e

Fatores de Conversão

Unidades Básicas*

Comprimento

O metro (m) é a distância percorrida pela luz, no vácuo, em

1/299.792.458 s.

Tempo

O segundo (s) é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de 133Cs.

Massa

O quilograma (kg) é a massa do corpo-padrão internacional preservado em Sèvres, na França.

Mol

O mol (mol) é a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 kg de carbono 12.

Corrente

O ampere (A) é a corrente constante que, se mantida em dois condutores retos, paralelos, de comprimento infinito, de seção transversal circular desprezível, e posicionados afastados de 1 m um do outro, no vácuo, produz entre os condutores uma força igual a 2  107 N/m de comprimento.

Temperatura

 

Tutorial Matemático

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Tutorial Matemático

T-1

T-2

T-3

T-4

T-5

T-6

T-7

T-8

T-9

T-10

T-11

T-12

Algarismos Significativos

Equações

Proporções Direta e Inversa

Equações Lineares

Equações Quadráticas e Fatoração

Expoentes e Logaritmos

Geometria

Trigonometria

Expansão Binomial

Números Complexos

Cálculo Diferencial

Cálculo Integral

Neste tutorial é realizada uma revisão dos resultados básicos de álgebra, geometria, trigonometria e cálculo. Em muitos casos, os resultados são apenas estabelecidos, sem uma prova formal. A Tabela T-1 lista alguns símbolos matemáticos utilizados no texto.

T-1 Algarismos Significativos

Muitos dos números utilizados em trabalhos científicos são resultantes de medidas; portanto, são determinados com apenas algum grau de incerteza. Essa incerteza deve se refletir na quantidade de dígitos utilizados. Por exemplo, se você possui uma régua de

 

Respostas dos Problemas, Questões Ímpares e Questões do MCAT®

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Respostas dos Problemas e Questões Ímpares

Capítulo 23

1. Christiaan Huygens sugeriu que cada ponto ao longo da frente de uma onda seja tratado como uma grande quanti‑ dade de fontes de ondas minúsculas, separadas, que se movem na velocidade da onda. Isto é importante para se perceber como a luz se move de um meio para outro meio diferente e permite que se preveja a refração que ocorre na lei de Snell.

3. Os raios de luz que chegam do Sol são refratados ao passar pela atmosfera terrestre. Como o comprimento de onda depende do índice de refração, o raio vermelho se deforma menos do que o laranja, do que o amarelo, do que o verde, do que o azul, do que o violeta. Além disso, o raio de luz mais azul é mais disperso do que o raio de luz vermelho ao passar pela atmosfera. Devido a esses efeitos, mais raios ver‑ melhos/laranja podem passar entrando na sombra da Terra fazendo com que a Lua pareça vermelha.

5. A piscina parece mais rasa. Se você seguir um raio de luz que atinge o fundo da piscina e sobe entrando em seus olhos, você perceberá que o raio sai da água a um ângulo, em rela‑

 

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