- compreender que todas as grandezas físicas consistem de uma magnitude numérica e uma unidade
- fazer estimativas razoáveis de grandezas físicas incluídas no programa
Dicas
A-Level Physics (9702) vai da medição e movimento até a física quântica. O maior salto em relação ao IGCSE é a álgebra: você deve rearranjar e combinar equações, não apenas memorizá-las.
Ano AS: mecânica, ondas, eletricidade e início da física de partículas. Ano A2: movimento circular, campos gravitacionais, elétricos e magnéticos, oscilações, termodinâmica e física nuclear.
Leia um tópico e depois faça questões sobre ele imediatamente. A Física não fica na memória só de leitura. Quando uma resposta está errada, pergunte a si mesmo: foi a física ou a álgebra? Os dois exigem correções diferentes.
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1
Quantidades físicas e unidades
Assistir aula1.1
Grandezas físicas
Programa
Fonte: Programa Cambridge International
Uma grandeza física 物理量 tem duas partes: um número (sua magnitude 大小) e uma unidade 单位. O número sozinho não diz nada. Você também deve dizer o que é medido e em qual unidade.
Exemplo: "o comprimento é 1.5" não está completo. "O comprimento é 1.5 m" é uma grandeza física.
Fazendo estimativas
Você deve ser capaz de estimar 估算 o tamanho das grandezas físicas neste programa. A Prova 1 geralmente abre com uma questão assim. Aprenda esses valores aproximados:
- massa 质量 de um ser humano adulto: $\sim 70\ \text{kg}$; de um carro: $\sim 1000\ \text{kg}$; de uma maçã: $\sim 0.1\ \text{kg}$
- peso 重力 de um ser humano adulto: $\sim 700\ \text{N}$; de uma maçã: $\sim 1\ \text{N}$
- altura de um ser humano adulto: $\sim 1.7\ \text{m}$; altura de uma sala: $\sim 3\ \text{m}$
- velocidade de caminhada: $\sim 1.5\ \text{m s}^{-1}$; um carro em uma rodovia rápida: $\sim 30\ \text{m s}^{-1}$
- velocidade do som no ar: $\sim 340\ \text{m s}^{-1}$; velocidade da luz no vácuo 真空: $3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$
- aceleração 加速度 de queda livre 自由落体: $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$
- densidade 密度 da água: $1000\ \text{kg m}^{-3}$; do ar: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$; do aço: $\sim 8000\ \text{kg m}^{-3}$
- pressão atmosférica 大气压强: $\sim 1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$
- temperatura ambiente: $\sim 20\ ^{\circ}\text{C} \approx 293\ \text{K}$
- potência de uma chaleira: $\sim 2\ \text{kW}$; de uma pessoa subindo escadas: $\sim 300\ \text{W}$
- comprimento de onda da luz visível: $\sim 5 \times 10^{-7}\ \text{m}$; diâmetro de um átomo: $\sim 10^{-10}\ \text{m}$; de um núcleo: $\sim 10^{-15}\ \text{m}$
Uma boa estimativa tem a ordem de grandeza 数量级 (a potência de dez correta). Para um ser humano, 70 kg é um bom palpite; 7 kg não é.
Para estimar uma quantidade que não está na lista, construa-a a partir das que estão. A energia cinética de um carro em movimento é $\tfrac{1}{2}mv^{2} \approx \tfrac{1}{2} \times 1000 \times 30^{2} \approx 5 \times 10^{5}\ \text{J}$. A pressão sob uma pessoa em pé é $700\ \text{N} / 0.02\ \text{m}^{2} \approx 4 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. Sempre verifique se a potência de dez parece sensata antes de prosseguir.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin physical quantity/ˈfɪzɪkl ˈkwɒntɪti/ 物理量 wù lǐ liàng magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大小 dà xiǎo unit/ˈjuːnɪt/ 单位 dān wèi length/leŋθ/ 长度 cháng dù estimate/ˈestɪmət/ 估算 gū suàn mass/mæs/ 质量 zhì liàng 1.2
Unidades SI 国际单位制
Programa
- recordar as seguintes grandezas fundamentais SI e suas unidades: massa (kg), comprimento (m), tempo (s), corrente elétrica (A), temperatura (K)
- expressar unidades derivadas como produtos ou quocientes das unidades fundamentais SI e usar as unidades derivadas para as quantidades listadas neste programa conforme apropriado
- usar unidades fundamentais SI para verificar a homogeneidade de equações físicas
- recordar e usar os seguintes prefixos e seus símbolos para indicar submúltiplos ou múltiplos decimais tanto de unidades fundamentais quanto derivadas: pico (p), nano (n), micro (\mu), mili (m), centi (c), deci (d), quilo (k), mega (M), giga (G), tera (T)
Fonte: Programa Cambridge International
Unidades base
O sistema SI possui sete quantidades básicas 基本量; cinco delas são usadas neste tópico. Você deve conhecer essas cinco e suas unidades:
- massa — quilograma, $\text{kg}$
- comprimento 长度 — metro, $\text{m}$
- tempo — segundo, $\text{s}$
- corrente elétrica 电流 — ampere 安培, $\text{A}$
- temperatura 温度 — kelvin 开尔文, $\text{K}$
Toda outra unidade neste programa é derivada dessas cinco.
Unidades derivadas
Uma unidade derivada 导出单位 é feita multiplicando ou dividindo unidades base. Você deve ser capaz de escrever qualquer quantidade deste programa em unidades base.
Construa uma unidade derivada a partir da equação que a define:
- velocidade 速率 = distância / tempo, então sua unidade é $\text{m s}^{-1}$
- aceleração = variação de velocidade vetorial 速度 / tempo, então sua unidade é $\text{m s}^{-2}$
- força 力 = massa × aceleração, então sua unidade é $\text{kg m s}^{-2}$. O newton 牛顿 é $1\ \text{N} = 1\ \text{kg m s}^{-2}$.
- trabalho 功 e energia 能量 = força × distância, então a unidade é $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-2}$. O joule 焦耳 é $1\ \text{J} = 1\ \text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-2}$.
- potência 功率 = energia / tempo, portanto a unidade é $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$. O watt 瓦特 é $1\ \text{W} = 1\ \text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$.
- pressão 压强 e tensão mecânica 应力 = força / área, então a unidade é $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$. O pascal 帕斯卡 é $1\ \text{Pa} = 1\ \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$.
Quando uma questão pede as unidades SI base de uma quantidade, substitua cada unidade nomeada por suas unidades base e simplifique. Exemplo: as unidades SI base do watt são $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$.
Verificando se as unidades correspondem
Uma equação é homogênea 量dimensionalmente quando ambos os lados têm as mesmas unidades base. Em termos simples: as unidades em ambos os lados correspondem.
Escreva cada lado em unidades base e compare. Pegue a equação $v^{2} = u^{2} + 2as$:
- lado esquerdo: $(\text{m s}^{-1})^{2} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
- lado direito, primeiro termo: $(\text{m s}^{-1})^{2} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
- lado direito, segundo termo: $\text{m s}^{-2} \cdot \text{m} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
Ambos os lados resultam em $\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, então as unidades correspondem.
Cuidado: unidades correspondentes não provam que toda a equação está correta. Ela ainda pode ter um número errado ou um fator 2 ausente. Mas se as unidades não correspondem, a equação está errada com certeza.
Exemplo resolvido. A força de arrasto em uma bola caindo é dada por $F = kv^{2}$, onde $v$ é a velocidade. Encontre as unidades SI base da constante $k$.
Reorganize: $k = F / v^{2}$. Em unidades base, $F$ é $\text{kg m s}^{-2}$ e $v^{2}$ é $\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, portanto
$$k:\ \frac{\text{kg m s}^{-2}}{\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}} = \text{kg m}^{-1}.$$Uma questão de múltipla escolha frequentemente pergunta "qual equação poderia estar correta?". Verifique as unidades base de cada opção; apenas uma equação homogênea pode estar correta. Um número puro (como 2, $\pi$ ou $\tfrac{1}{2}$) não tem unidade, então nunca altera a verificação.
Prefixos
Um prefixo 词头 é uma letra colocada à frente de uma unidade para torná-la maior ou menor em potências de dez. Você deve conhecer estes:

Os prefixos SI sobem em passos de mil, de pico a giga Prefixo Símbolo Fator tera T $10^{12}$ giga G $10^{9}$ mega M $10^{6}$ kilo k $10^{3}$ deci d $10^{-1}$ centi c $10^{-2}$ milli m $10^{-3}$ micro $\mu$ $10^{-6}$ nano n $10^{-9}$ pico p $10^{-12}$ Para converter uma unidade com prefixo em unidades base, substitua o prefixo pelo seu fator e simplifique. Exemplo: converta $0.25\ \text{kN mm}^{-2}$ em $\text{N m}^{-2}$:
$$0.25\ \text{kN mm}^{-2} = 0.25 \times \frac{10^{3}\ \text{N}}{(10^{-3}\ \text{m})^{2}} = 0.25 \times \frac{10^{3}}{10^{-6}}\ \text{N m}^{-2} = 2.5 \times 10^{8}\ \text{N m}^{-2}.$$Tenha cuidado especial com unidades elevadas ao quadrado como $\text{mm}^{2}$: você deve elevar também o fator ao quadrado.
ExplorarBase ou derivada?
Apenas sete grandezas são grandezas fundamentais. Tudo o resto é construído a partir delas, e sua unidade pode ser escrita em unidades fundamentais.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin ampere/ˈæmpeə/ 安培 ān péi kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén derived unit/dɪˈraɪvd ˈjuːnɪt/ 导出单位 dǎo chū dān wèi velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù newton/ˈnjuːtn/ 牛顿 niú dùn work/wɜːk/ 功 gōng joule/dʒuːl/ 焦耳 jiāo ěr watt/wɒt/ 瓦特 wǎ tè stress/stres/ 应力 yīng lì pascal/ˈpæskl/ 帕斯卡 pà sī kǎ homogeneous/ˌhɒməˈdʒiːniəs/ 量纲一致 liàng gāng yí zhì prefix/ˈpriːfɪks/ 词头 cí tóu 1.3
Erros e incertezas
Programa
- compreender e explicar os efeitos de erros sistemáticos (incluindo erros de zero) e erros aleatórios em medições
- compreender a distinção entre precisão e exatidão
- avaliar a incerteza em uma quantidade derivada por adição simples de incertezas absolutas ou percentuais
Fonte: Programa Cambridge International

Um paquímetro mede comprimento com precisão e pequena incerteza. Toda medida 测量 possui alguma incerteza 不确定度 — nunca temos certeza total do valor. Um bom experimentador sabe de onde vem a incerteza, faz uma estimativa justa dela e a propaga até a resposta final.

As partes principais de um paquímetro micrométrico real, que mede com precisão de 0.01 mm 
Lendo um micrômetro: some a leitura da escala principal à leitura do tambor 
Lendo um micrômetro real: leia os mm e meio-mm na manga, depois some a escala do tambor 
O paquímetro mede com precisão de 0.1 mm — a escala deslizante fornece o dígito adicional 
Lendo um paquímetro: milímetros inteiros da escala principal, mais os décimos da linha vernier que alinha-se Erros sistemáticos e aleatórios
Um erro sistemático 系统误差 altera todas as leituras pela mesma quantidade, na mesma direção. Você não pode encontrá-lo repetindo a medição. Causas comuns:
- um erro de zero 零点误差 (a escala não lê zero quando o valor verdadeiro é zero)
- um erro de calibração 校准 (a própria escala está errada)
- paralaxe 视差 (seu olho está sempre de um lado da escala)

Um amperímetro com erro de zero: o ponteiro lê abaixo de zero antes de qualquer corrente fluir 
Erro de paralaxe: diferentes ângulos de visão dão leituras de escala diferentes Um erro sistemático piora a precisão 准确度, mas não altera a exatidão 精密度.
Um erro aleatório 随机误差 faz as leituras oscilar acima e abaixo do valor verdadeiro, sem padrão. Causas incluem quão cuidadosamente você lê a escala, condições variáveis e o menor passo que o instrumento 仪器 pode mostrar. Se repetir a medição muitas vezes e tirar a média 平均值 (o average), erros aleatórios se cancelam parcialmente.
Um erro aleatório piora a exatidão. Mas com repetições suficientes, a média ainda pode ser precisa.
Em um gráfico, os dois erros parecem diferentes. Um erro sistemático move todos os pontos pela mesma quantidade, então a reta de melhor ajuste mantém sua inclinação, mas já não passa pela origem: o intercepto 截距 muda. Erros aleatórios dispersam os pontos acima e abaixo da reta; uma reta de melhor ajuste desenhada pelo meio da dispersão ainda dá uma inclinação confiável.

Um erro sistemático desloca toda a linha, então o intercepto muda; erros aleatórios dispersam os pontos em torno da linha Erro Como reduzi-lo sistemático verifique erro de zero e subtraia-o; calibre o instrumento contra um padrão conhecido; leia a escala diretamente da frente aleatório repita a leitura e tire a média; use um instrumento com divisões menores; meça várias oscilações em vez de uma Precisão e exatidão
Precisão é o quão próximas as leituras repetidas são entre si. Leituras precisas estão agrupadas muito juntas.
Exatidão é o quão próximo uma leitura (ou a média de várias leituras) está do valor verdadeiro.

Precisão: quão estreita é a distribuição em torno do valor verdadeiro T Um conjunto de leituras pode ser:
- preciso e exato — juntos e perto do valor verdadeiro
- preciso mas não exato — juntos, mas longe do valor verdadeiro (um erro sistemático)
- exato mas não preciso — espalhados, mas a média é próxima do valor verdadeiro
- nem — espalhados e longe do valor verdadeiro

Exatidão: se o pico da distribuição está centralizado no valor verdadeiro T Quando uma questão fornece uma tabela de leituras repetidas, observe a dispersão (precisão) e a média (exatidão) separadamente.
Estimando a incerteza em uma leitura
Antes de combinar as incertezas, você precisa definir uma incerteza razoável para cada leitura bruta:
- Uma única leitura em uma escala analógica: metade da menor divisão 分度 (uma régua métrica lê até $1\ \text{mm}$, então uma leitura é $\pm 0.5\ \text{mm}$). Um comprimento exige duas leituras, uma em cada extremidade, portanto sua incerteza é $\pm 1\ \text{mm}$.
- Um medidor digital: $\pm 1$ no último dígito mostrado (um cronômetro mostrando $2.47\ \text{s}$ tem $\pm 0.01\ \text{s}$).
- Uma medição cronometrada manualmente: sua tempo de reação 反应时间 importa mais que o visor. Permita cerca de $\pm 0.1$ a $0.2\ \text{s}$, e meça várias oscilações em vez de uma, para que a mesma incerteza seja compartilhada entre todas elas.
- Leituras repetidas: a incerteza é metade da amplitude 极差的一半. Três tempos de $2.42$, $2.48$ e $2.45\ \text{s}$ têm uma média de $2.45\ \text{s}$ e uma amplitude de $0.06\ \text{s}$, logo a incerteza é $t = (2.45 \pm 0.03)\ \text{s}$.
Seja honesto. Se a borda de uma sombra é difícil de ver, a incerteza em sua posição é de vários milímetros, independentemente de quão fina seja a escala. Os examinadores não aceitam "a menor divisão" como a incerteza de uma leitura difícil.
Incerteza em uma quantidade derivada
Uma medição geralmente é escrita como $x \pm \Delta x$. Aqui $\Delta x$ é a incerteza absoluta 绝对不确定度. A incerteza percentual 百分比不确定度 é
$$\text{percentage uncertainty in } x = \frac{\Delta x}{|x|} \times 100\%.$$Uma quantidade derivada 导出量 é aquela calculada a partir de valores medidos. Sua incerteza é encontrada por regras simples:
- Somar ou subtrair — some as incertezas absolutas. Se $y = a + b$ ou $y = a - b$, então $\Delta y = \Delta a + \Delta b$.
- Multiplicar ou dividir — some as incertezas percentuais. Se $y = \dfrac{a \cdot b}{c}$, então
$$\frac{\Delta y}{|y|} = \frac{\Delta a}{|a|} + \frac{\Delta b}{|b|} + \frac{\Delta c}{|c|}.$$
- Potências — multiplique a incerteza percentual pela potência. Se $y = a^{n}$, então $\dfrac{\Delta y}{|y|} = |n| \cdot \dfrac{\Delta a}{|a|}$.
Exemplo resolvido. O diâmetro 直径 de uma bola é medido como $d = (5.26 \pm 0.02)\ \text{cm}$. O volume 体积 de uma esfera é $V = \tfrac{4}{3}\pi r^{3} = \tfrac{4}{3}\pi (d/2)^{3}$, logo $V \propto d^{3}$ ($V$ depende de $d$ ao cubo).
A incerteza percentual em $d$ é
$$\frac{0.02}{5.26} \times 100\% \approx 0.38\%.$$Como $V \propto d^{3}$, a incerteza percentual em $V$ é três vezes essa, cerca de $1.14\%$. O volume é $\tfrac{4}{3}\pi(2.63)^{3} \approx 76.2\ \text{cm}^{3}$. Portanto, a incerteza absoluta é $0.0114 \times 76.2 \approx 0.87\ \text{cm}^{3}$. A resposta final é $V = (76.2 \pm 0.9)\ \text{cm}^{3}$.
Dois valores concordam? Questões práticas frequentemente pedem se dois valores calculados de uma constante apoiam uma relação sugerida. Não diga apenas "eles são próximos". Calcule a diferença percentual 百分比差异 entre eles,
$$\text{percentage difference} = \frac{|k_{1} - k_{2}|}{\text{mean of } k_{1} \text{ and } k_{2}} \times 100\%,$$e compare com a incerteza percentual em $k$ (ou com o critério dado pela questão, frequentemente 10%). Se a diferença for menor, os dois valores concordam dentro da incerteza e a relação é apoiada. Se for maior, eles não concordam.
Algarismos significativos
Ao escrever uma quantidade calculada, dê a ela o mesmo número de algarismos significativos 有效数字 que a medida menos precisa que você usou — geralmente dois ou três neste programa. Muitos algarismos significativos fazem a resposta parecer mais exata do que realmente é. Poucos perdem informações úteis.
Provas práticas pedem que você justifique o número escolhido. Nomeie as leituras brutas: "$a$ foi dado com 2 algarismos significativos porque $L$ e $t$ foram medidos cada um com 2 algarismos significativos." A frase "por causa dos dados brutos" sozinha não garante a nota. Em uma tabela de resultados, avalie cada linha pela leitura bruta menos precisa naquela linha; não force todas as linhas a terem o mesmo número de algarismos.
Incertezas em gráficos
O Paper 5 pede para propagar incertezas através de um gráfico:
- Plote cada ponto com uma barra de erro 误差棒 cujo comprimento mostra a incerteza absoluta naquele valor.
- Desenhe a reta de melhor ajuste 最佳拟合直线 pelos pontos, depois a pior reta aceitável 最差可接受直线: a reta mais íngreme (ou mais rasa) que ainda passa por todas as barras de erro.
- A incerteza na inclinação é a diferença entre as duas inclinações, $\Delta m = |m_{\text{best}} - m_{\text{worst}}|$. A incerteza no intercepto é encontrada da mesma forma.
- Ao plotar um logaritmo, a incerteza absoluta em $\ln x$ é $\Delta x / x$ (e em $\lg x$ é $0.434\,\Delta x / x$). Calcule para os maiores e menores valores de $x$ separadamente.

A pior reta aceitável ainda passa por todas as barras de erro; a incerteza na inclinação é a diferença entre as duas inclinações Uma incerteza percentual na inclinação então flui para qualquer quantidade calculada a partir dela, usando as regras acima.
ExplorarSistemático ou aleatório?
Um erro sistemático desvia todas as leituras da mesma maneira e persiste na repetição; um erro aleatório dispersa as leituras e diminui quando você faz a média.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin force/fɔːs/ 力 lì uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ 不确定度 bù què dìng dù measurement/ˈmeʒəmənt/ 测量 cè liáng random error/ˈrændəm ˈerə/ 随机误差 suí jī wù chā systematic error/ˌsɪstəˈmætɪk ˈerə/ 系统误差 xì tǒng wù chā zero error/ˈzɪərəʊ ˈerə/ 零点误差 líng diǎn wù chā calibration/ˌkælɪˈbreɪʃn/ 校准 jiào zhǔn parallax/ˈpærəlæks/ 视差 shì chā accuracy/ˈækjʊrəsi/ 准确度 zhǔn què dù precision/prɪˈsɪʒn/ 精密度 jīng mì dù instrument/ˈɪnstrəmənt/ 仪器 yí qì mean/miːn/ 平均值 píng jūn zhí line of best fit/laɪn ɒv best fɪt/ 最佳拟合直线 zuì jiā nǐ hé zhí xiàn intercept/ˌɪntəˈsept/ 截距 jié jù division/dɪˈvɪʒn/ 分度 fēn dù reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ 反应时间 fǎn yìng shí jiān half the range/hɑːf ðə reɪndʒ/ 极差的一半 jí chā de yí bàn derived quantity/dɪˈraɪvd ˈkwɒntɪti/ 导出量 dǎo chū liàng absolute uncertainty/ˈæbsəluːt ʌnˈsɜːtənti/ 绝对不确定度 jué duì bù què dìng dù percentage uncertainty/pəˈsentɪdʒ ʌnˈsɜːtənti/ 百分比不确定度 bǎi fēn bǐ bù què dìng dù volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī percentage difference/pəˈsentɪdʒ ˈdɪfrəns/ 百分比差异 bǎi fēn bǐ chā yì significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ 有效数字 yǒu xiào shù zì same number of significant figures/seɪm ˈnʌmbə ɒv sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ 有效数字 yǒu xiào shù zì error bar/ˈerə bɑː/ 误差棒 wù chā bàng worst acceptable line/wɜːst əkˈseptəbl laɪn/ 最差可接受直线 zuì chà kě jiē shòu zhí xiàn 1.4
Escalares e vetores
Programa
- compreender a diferença entre grandezas escalar e vetorial e dar exemplos de grandezas escalares e vetoriais incluídas no programa
- somar e subtrair vetores coplanares
- representar um vetor como duas componentes perpendiculares
Fonte: Programa Cambridge International
*Resolução de uma força em componentes
Um escalar 标量 tem apenas magnitude. Um vetor 矢量 tem magnitude e direção.
Exemplos do programa:
- escalares: massa, tempo, temperatura, energia, trabalho, potência, distância, velocidade escalar, pressão, densidade, carga elétrica 电荷
- vetores: deslocamento 位移, velocidade, aceleração, força (incluindo peso), momento linear 动量
Teste rápido: se faz sentido perguntar "em qual direção?", a quantidade é um vetor. Você não pode perguntar "em qual direção está a temperatura?", logo temperatura é escalar. Você pode perguntar "em qual direção está a velocidade?", logo velocidade é vetor.
Somando e subtraindo vetores
Um vetor é desenhado como uma seta: a direção da seta dá a direção da quantidade, e o comprimento da seta (desenhado em escala) dá a magnitude.
*Vetores representados como setas desenhadas em escalaPara somar dois vetores coplanares 共面 (vetores no mesmo plano), desenhe-os ponta a cauda. O vetor resultante 合矢量 vai da cauda da primeira seta à ponta da segunda.
Para encontrar $\vec{X} - \vec{Y}$, adicione o reverso de $\vec{Y}$: $\vec{X} + (-\vec{Y})$. O reverso de $\vec{Y}$ tem o mesmo tamanho que $\vec{Y}$, mas aponta na direção oposta.
*Somando e subtraindo vetores paralelosSe os dois vetores estiverem em ângulo reto (90°), o tamanho do resultante é
$$|\vec{R}| = \sqrt{X^{2} + Y^{2}},$$e sua direção vem de $\tan\theta = Y / X$.
Exemplo resolvido. Um nadador navega para norte a $1.2\ \text{m s}^{-1}$ através de um rio que flui para este a $0.5\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a magnitude e a direção da velocidade resultante.
As duas velocidades são perpendiculares, logo
$$|\vec{R}| = \sqrt{1.2^{2} + 0.5^{2}} = \sqrt{1.69} = 1.3\ \text{m s}^{-1},$$em um ângulo $\tan\theta = 0.5/1.2$, dando $\theta \approx 23°$ leste do norte.
*Dois vetores perpendiculares somam-se a um resultante de tamanho $\sqrt{X^2+Y^2}$ em um ângulo $\theta$Se dois vetores têm o mesmo tamanho $F$ com um ângulo $2\alpha$ entre eles, a resultante tem tamanho $2F\cos\alpha$ e está ao longo da linha que divide o ângulo ao meio.
Exemplo resolvido. Duas forças de $6.0\ \text{N}$ atuam sobre um objeto com $60°$ entre elas. Encontre o resultante.
Aqui $2\alpha = 60°$, logo $\alpha = 30°$ e $R = 2 \times 6.0 \times \cos 30° = 10.4\ \text{N}$, ao longo da linha entre as duas forças. A resolução dá a mesma resposta: cada força tem um componente $6.0\cos 30°$ ao longo dessa linha, e seus componentes perpendiculares a ela se cancelam.
Para dois vetores em qualquer outro ângulo, faça um desenho em escala 按比例作图 do triângulo de vetores e meça o resultante, ou resolva ambos os vetores em componentes perpendiculares, some os componentes e recombine com $\sqrt{X^{2} + Y^{2}}$.
Exemplo resolvido. Uma bola movendo-se para leste a $5.0\ \text{m s}^{-1}$ é atingida de modo a mover-se para norte a $5.0\ \text{m s}^{-1}$. Encontre sua mudança de velocidade.
Uma mudança de velocidade é uma subtração vetorial: $\Delta\vec{v} = \vec{v}_{\text{final}} - \vec{v}_{\text{initial}}$. Desenhe $5.0\ \text{m s}^{-1}$ norte, então adicione o inverso da velocidade inicial, $5.0\ \text{m s}^{-1}$ oeste. As duas são perpendiculares, logo $|\Delta\vec{v}| = \sqrt{5.0^{2} + 5.0^{2}} = 7.1\ \text{m s}^{-1}$, apontando noroeste. A velocidade escalar não mudou, mas a velocidade vetorial sim. É por isso que uma força deve ter agido sobre a bola (tópico 3).
Dividindo um vetor em partes perpendiculares
Qualquer vetor pode ser dividido em duas componentes perpendiculares 垂直 (em ângulo reto). Geralmente são horizontal 水平 e vertical 竖直, ou ao longo e transversalmente a uma superfície. Para um vetor $\vec{v}$ em um ângulo $\theta$ em relação à horizontal:
$$v_{\text{H}} = v\cos\theta, \qquad v_{\text{V}} = v\sin\theta.$$
*Resolvendo um vetor em componentes horizontal e verticalEscolha as direções que tornarem o problema mais fácil. Em uma rampa (um plano inclinado 斜面), divida o peso em uma parte ao longo da rampa e uma parte perpendicular a ela:
$$W_{\parallel} = W\sin\theta, \qquad W_{\perp} = W\cos\theta,$$onde $\theta$ é o ângulo da rampa em relação à horizontal.

Em uma inclinação, o peso se divide em $W\sin\theta$ para baixo na encosta e $W\cos\theta$ para dentro da encosta; o ângulo entre $W$ e a perpendicular é o ângulo da inclinação $\theta$ Você decompõe um vetor em componentes sempre que precisar saber quanto dele atua em uma determinada direção. Por exemplo: a parte de uma força que age ao longo de uma inclinação, ou as partes horizontal e vertical da velocidade de uma bola após ser lançada.
ExplorarSomando dois vetores
resultante = a + b
Vetores se somam ponta a cauda. O resultante vai do início da primeira seta até a ponta da segunda, e seu comprimento é encontrado por um desenho em escala ou por Pitágoras, nunca somando as duas magnitudes.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin weight/weɪt/ 重力 zhòng lì speed/spiːd/ 速率 sù lǜ vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù free fall/friː fɔːl/ 自由落体 zì yóu luò tǐ density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/ 大气压强 dà qì yā qiáng pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ diameter/daɪˈæmɪtə/ 直径 zhí jìng order of magnitude/ˈɔːdə ɒv ˈmæɡnɪtjuːd/ 数量级 shù liàng jí energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng SI units/ˌes ˈaɪ ˈjuːnɪts/ 国际单位制 guó jì dān wèi zhì base quantity/beɪs ˈkwɒntɪti/ 基本量 jī běn liàng current/ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú vertical/ˈvɜːtɪkl/ 竖直 shù zhí scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng component/kəmˈpəʊnənt/ 分量 fèn liàng electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng coplanar/ˌkəʊˈpleɪnə/ 共面 gòng miàn resultant/rɪˈzʌltənt/ 合矢量 hé shǐ liàng perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ 垂直 chuí zhí scale drawing/skeɪl ˈdrɔːɪŋ/ 按比例作图 àn bǐ lì zuò tú horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ 水平 shuǐ píng inclined plane/ɪnˈklaɪnd pleɪn/ 斜面 xié miàn 1.4
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição grandeza física uma magnitude numérica acompanhada de uma unidade equação homogênea uma equação na qual todos os termos possuem as mesmas unidades fundamentais erro sistemático um erro que desloca todas as leituras na mesma direção pela mesma quantidade; não é reduzido por repetição erro aleatório um erro que espalha as leituras acima e abaixo do valor verdadeiro; é reduzido por repetição e média erro de zero a leitura que um instrumento mostra quando o valor verdadeiro é zero precisão quão próximas as leituras repetidas estão umas das outras exatidão quão próxima uma leitura, ou a média de várias leituras, está do valor verdadeiro incerteza absoluta a faixa dentro da qual o valor verdadeiro é esperado para estar, nas unidades da grandeza incerteza percentual a incerteza absoluta dividida pelo valor, multiplicada por 100% escalar uma grandeza com magnitude apenas vetorial uma grandeza com magnitude e direção 1.4
Dicas de prova
- Dê a cada resposta uma unidade, e verifique a homogeneidade — ambos os lados de uma equação devem ter as mesmas unidades fundamentais.
- Distinga erro aleatório (reduzido por repetição e média) de erro sistemático (um erro de zero ou calibração que repetições não removem).
- Combine as incertezas: some as incertezas absolutas ao somar/subtrair, some as incertezas percentuais ao multiplicar/dividir (e multiplique o % por qualquer potência).
- Distinga precisão (pequena dispersão) de exatidão (próximo do valor verdadeiro).
- Resolva um vetor em componentes perpendiculares ($F\cos\theta$, $F\sin\theta$); some vetores ponta-a-cauda ou por componentes.
Erros comuns
- Substituindo 5 cm por 5, ou 20 g por 20. Converta o prefixo primeiro: 0.05 m, 0.020 kg.
- Dar a incerteza percentual em $T^{2}$ como sendo a mesma que em $T$. Elevar ao quadrado dobra-a; raiz quadrada a divide pela metade.
- Tratar a incerteza percentual e a incerteza absoluta como o mesmo número.
- Citar "a menor divisão" como a incerteza de uma leitura difícil de obter.
- Oferecer duas respostas para uma definição. Comprometa-se com uma.
-
2
Cinemática
Assistir aula2.1
Definições principais
Programa
- definir e usar distância, deslocamento, rapidez, velocidade e aceleração
- usar métodos gráficos para representar distância, deslocamento, rapidez, velocidade e aceleração
- determinar o deslocamento a partir da área sob um gráfico velocidade-tempo
- determinar a velocidade usando a inclinação de um gráfico deslocamento-tempo
- determinar a aceleração usando a inclinação de um gráfico velocidade-tempo
- derivar, a partir das definições de velocidade e aceleração, equações que representam o movimento uniformemente acelerado em linha reta
- resolver problemas usando equações que representam o movimento uniformemente acelerado em linha reta, incluindo o movimento de corpos caindo em um campo gravitacional uniforme sem resistência do ar
- descrever um experimento para determinar a aceleração da queda livre usando um objeto em queda
- descrever e explicar o movimento devido a uma velocidade uniforme em uma direção e uma aceleração uniforme em uma direção perpendicular
Fonte: Programa Cambridge International
Caimento livre vs lançado: caindo juntos 
Um velocímetro mostra a velocidade: a distância percorrida por unidade de tempo. Essas cinco grandezas aparecem em quase toda questão de cinemática 运动学. Aprenda as palavras exatas — o examinador dá pontos por redação precisa.
- distância 距离 — o comprimento total do trajeto percorrido. Uma escalar 标量.
- deslocamento 位移 — a distância em linha reta do início ao fim, com uma direção. Uma vetorial 矢量.
- velocidade 速率 — a taxa de variação da distância com o tempo. Um escalar.
- velocidade vetorial 速度 — a taxa de variação do deslocamento com o tempo. Um vetorial.
- aceleração 加速度 — a taxa de variação da velocidade com o tempo. Um vetorial.
A unidade de velocidade e velocidade vetorial é $\text{m s}^{-1}$; a unidade de aceleração é $\text{m s}^{-2}$.
Mais duas expressões usadas pelo examinador: aceleração uniforme 匀加速 significa aceleração constante (uma linha reta em um gráfico velocidade-tempo), e a aceleração da queda livre 自由落体加速度 $g$ é a aceleração de um objeto caindo livremente em um campo gravitacional uniforme 匀强重力场 quando a resistência do ar é negligenciável 可忽略的 (pequena o suficiente para ser ignorada).
Um erro comum: desaceleração 减速度 significa apenas aceleração na direção oposta à velocidade. Não é uma grandeza separada.
As velocidades às vezes são dadas em $\text{km h}^{-1}$. Converta antes de calcular: $85\ \text{km h}^{-1} = 85 \times 1000 / 3600 = 23.6\ \text{m s}^{-1}$.

Uma câmera de velocidade mede a velocidade média sobre uma distância conhecida — deslocamento sobre o tempo, transformado em uma multa ExplorarO gráfico velocidade-tempo
v = u + at
Em um gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração e a área sob a curva é a distância percorrida.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin projectile/prəˈdʒektaɪl/ 抛体 pāo tǐ speed/spiːd/ 速率 sù lǜ distance/ˈdɪstəns/ 距离 jù lí kinematics/ˌkɪnɪˈmætɪks/ 运动学 yùn dòng xué scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng 2.1
Gráficos de movimento
Muitos pontos vêm de ler ou desenhar gráficos de movimento, os métodos gráficos 图像法 que o programa denomina. Dois gráficos importam.
Gráfico de deslocamento-tempo
A inclinação 斜率 (declive) de um gráfico de deslocamento-tempo em um ponto fornece a velocidade naquele momento.
- linha plana → o objeto está parado.
- linha reta inclinada → velocidade constante (inclinação = velocidade).
- linha curva → velocidade variável. Desenhe uma tangente 切线 no ponto e encontre sua inclinação.

Gráfico de deslocamento–tempo de um carro em uma pista de testes Gráfico de velocidade-tempo
A inclinação de um gráfico velocidade-tempo fornece a aceleração naquele momento.
A área entre a linha e o eixo do tempo fornece o deslocamento nesse intervalo de tempo.
- linha plana → velocidade constante (aceleração zero).
- linha reta inclinada → aceleração uniforme (aceleração constante).
- linha curva → aceleração variável.
- área acima do eixo do tempo é deslocamento positivo; área abaixo é negativa (o objeto se moveu para trás).

Gráfico de velocidade-tempo — a inclinação dá a aceleração, a área dá o deslocamento 
Gráfico de aceleração–tempo derivado do mesmo movimento Para encontrar o deslocamento, divida a área em triângulos e retângulos, ou conte os quadradinhos. A área de um triângulo é $\tfrac{1}{2} \times \text{base} \times \text{height}$; a área de um retângulo é $\text{base} \times \text{height}$.
Exemplo resolvido. O gráfico mostra a velocidade de um elevador. Encontre a aceleração em cada etapa e a distância total percorrida.

Gráfico de velocidade-tempo de um elevador: a inclinação dá cada aceleração, a área sombreada dá a distância - Etapa A: inclinação $= \dfrac{3.0 - 0}{4.0} = 0.75\ \text{m s}^{-2}$.
- Etapa B: a linha é plana, então a aceleração é zero.
- Etapa C: inclinação $= \dfrac{0 - 3.0}{2.0} = -1.5\ \text{m s}^{-2}$ (uma desaceleração de $1.5\ \text{m s}^{-2}$).
- Distância: triângulo A $= \tfrac{1}{2} \times 4.0 \times 3.0 = 6.0\ \text{m}$, retângulo B $= 6.0 \times 3.0 = 18\ \text{m}$, triângulo C $= \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 3.0 = 3.0\ \text{m}$; total $27\ \text{m}$.
Quando o gráfico é uma curva, a área ainda é o deslocamento: conte os quadradinhos sob a curva (meio quadrado ou mais conta como um) e multiplique pelo valor de um quadrado.
ExplorarLendo um gráfico velocidade–tempo
Altere a velocidade inicial u e a aceleração a. O gradiente da linha é a aceleração; a área sob ela é o deslocamento.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù uniform acceleration/ˈjuːnɪfɔːm əkˌseləˈreɪʃn/ 匀加速 yún jiā sù acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ 自由落体加速度 zì yóu luò tǐ jiā sù dù tangent/ˈtændʒənt/ 切线 qiè xiàn trapezium/trəˈpiːzɪəm/ 梯形 tī xíng 2.1
As quatro equações SUVAT
Para movimento em linha reta com aceleração uniforme, usamos cinco símbolos: velocidade inicial $u$, velocidade final $v$, aceleração $a$, deslocamento $s$ e tempo $t$. Quatro equações os ligam:
$$v = u + at$$$$s = ut + \tfrac{1}{2} a t^{2}$$$$s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$$$$v^{2} = u^{2} + 2as$$Cada equação usa quatro dos cinco símbolos. Para escolher a correta: escreva o que você sabe e o que quer encontrar, depois escolha a equação com exatamente esses quatro.
Exemplo resolvido. Um carro acelera uniformemente de $8\ \text{m s}^{-1}$ para $20\ \text{m s}^{-1}$ sobre uma distância de $56\ \text{m}$. Encontre sua aceleração.
Sabemos $u$, $v$ e $s$ e queremos $a$, então use $v^{2} = u^{2} + 2as$:
$$20^{2} = 8^{2} + 2a(56) \quad\Rightarrow\quad 336 = 112\,a \quad\Rightarrow\quad a = 3.0\ \text{m s}^{-2}.$$De onde vêm as equações SUVAT
Você deve conseguir derivar essas equações a partir das definições de velocidade e aceleração. Pense no gráfico de velocidade-tempo do movimento: uma linha reta de $u$ em $t = 0$ até $v$ no tempo $t$.
- $v = u + at$: a aceleração é a inclinação, $a = (v - u)/t$, então $v = u + at$.
- $s = \tfrac{1}{2}(u + v) t$: o deslocamento é a área sob a linha, um trapézio 梯形 com lados paralelos $u$ e $v$ e largura $t$, logo $s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$.
- $s = ut + \tfrac{1}{2}at^{2}$: substitua $v = u + at$ na área: $s = \tfrac{1}{2}(u + u + at)t = ut + \tfrac{1}{2}at^{2}$.
- $v^{2} = u^{2} + 2as$: da primeira equação $t = (v - u)/a$; substitua isso em $s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$ para obter $2as = (v + u)(v - u) = v^{2} - u^{2}$.
Uma questão de "derivar" quer exatamente esses passos, cada um começando com uma definição ou uma equação já estabelecida, sem números.

Gráfico de deslocamento–tempo para aceleração uniforme — a inclinação em qualquer ponto é igual à velocidade instantânea Se uma pergunta pede "qual equação pode ser encontrada usando apenas a inclinação de um gráfico de velocidade-tempo?", a resposta é $v = u + at$ (a inclinação é a aceleração).
Questões do tipo "Mostre que". Quando a questão fornece a resposta ("mostre que a altura é 3.2 km"), as pontuações são para o método. Apresente a equação, substitua cada valor por sua unidade e forneça o resultado com uma casa decimal significativa a mais do que o valor citado ($3.24\ \text{km}$, que arredonda para $3.2\ \text{km}$). Alcançar o valor citado não prova nada por si só.
Escolhendo uma direção positiva
Escolha uma direção positiva no início e mantenha-a. Tudo apontando na direção oposta recebe sinal negativo. Para uma bola lançada reto para cima, se "cima" for positivo: $u$ é positivo, $a = -g$ (gravidade 重力 puxa para baixo), e no ponto mais alto o deslocamento é positivo mas a velocidade é zero.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin parabola/pəˈræbələ/ 抛物线 pāo wù xiàn gravity/ˈɡrævɪti/ 重力 zhòng lì symmetric/sɪˈmetrɪk/ 对称 duì chèn terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ 收尾速度 shōu wěi sù dù 2.1
Queda livre sob gravidade
Quando a resistência do ar 空气阻力 pode ser ignorada, um objeto em queda livre 自由落ite tem uma aceleração constante $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ para baixo. Isso é o mesmo para toda massa.
Para uma bola solta do repouso e caindo uma distância $h$:
$$h = \tfrac{1}{2}gt^{2}, \qquad v = gt, \qquad v^{2} = 2gh.$$Para uma bola lançada reto para cima com velocidade $u$:
- altura máxima: coloque $v = 0$ em $v^{2} = u^{2} - 2gh$, resultando em $h = u^{2}/(2g)$.
- tempo para atingir o topo: coloque $v = 0$ em $v = u - gt$, resultando em $t = u/g$.
- tempo total para voltar à altura inicial: $2u/g$ (o movimento é simétrico 对称).
Exemplo resolvido. Uma bola é lançada verticalmente para cima a $20\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a altura máxima atingida (considere $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
No ponto mais alto $v = 0$, logo de $h = u^{2}/(2g)$:
$$h = \frac{20^{2}}{2 \times 9.81} = \frac{400}{19.62} \approx 20.4\ \text{m}.$$Quando a resistência do ar não é desprezível
As equações acima assumem que a única força atuante é o peso. Com a resistência do ar, a força resultante sobre um objeto em queda é menor que seu peso, então a aceleração é menor que $g$; e como a resistência do ar aumenta com a velocidade, a aceleração continua diminuindo à medida que o objeto ganha velocidade. Em um gráfico de velocidade-tempo, a linha se curva, sua inclinação tendendo a zero à medida que o objeto se aproxima da velocidade terminal 收尾速度 (tópico 3). Para um projétil, a resistência do ar reduz o alcance e diminui a altura máxima, e a trajetória deixa de ser uma parábola simétrica 抛物线: o objeto desce mais abruptamente do que subiu. Uma questão do tipo "descreva e explique" pede primeiro a força, depois seu efeito na aceleração e, por fim, o efeito no movimento.
Experimento para encontrar $g$
Um método comum: soltar um objeto do repouso, medir a distância $h$ que ele cai e o tempo $t$ que leva. Então
$$g = \frac{2h}{t^{2}}.$$Repita para várias alturas e plote $h$ contra $t^{2}$. A inclinação da melhor reta é $g/2$, logo $g$ é duas vezes a inclição. Repetir reduz o erro aleatório 随机误差. Um cronômetro eletrônico — usando portas de luz 光电门, ou um interruptor acionado pela bola — elimina erros de tempo de reação 反应时间.

Montagem experimental para medir a aceleração da queda livre Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin free fall/friː fɔːl/ 自由落体 zì yóu luò tǐ uniform gravitational field/ˈjuːnɪfɔːm ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ 匀强重力场 yún qiáng zhòng lì chǎng air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空气阻力 kōng qì zǔ lì negligible/ˈneɡlɪdʒəbl/ 可忽略的 kě hū lüè de deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 减速度 jiǎn sù dù graphical methods/ˈɡræfɪkl ˈmeθədz/ 图像法 tú xiàng fǎ 2.1
Movimento em duas direções

Jatos d'água de um aspersor traçam trajetórias parabólicas — um exemplo real de movimento de projéteis Quando um objeto se move com velocidade constante em uma direção (digamos horizontal 水平) e ganha velocidade em uma direção perpendicular a ela (digamos vertical 竖直, sob gravidade), os dois movimentos não afetam um ao outro. Analise cada direção separadamente, usando sua própria equação SUVAT.
Lançamento horizontal
Um objeto lançado horizontalmente com velocidade $u_{\text{H}}$ a partir de uma altura $h$, ignorando a resistência do ar:
- horizontal: velocidade constante $u_{\text{H}}$. Após o tempo $t$, a distância horizontal é $x = u_{\text{H}} t$.
- vertical: parte do repouso e ganha velocidade para baixo a $g$. Após o tempo $t$, caiu $y = \tfrac{1}{2} g t^{2}$ e possui velocidade vertical $v_{\text{V}} = g t$.
O tempo para atingir o solo depende apenas da altura $h$, não de $u_{\text{H}}$. Resolva $h = \tfrac{1}{2} g t^{2}$ para $t$; então o alcance horizontal 射程 é $u_{\text{H}} t$.
Exemplo resolvido. Uma bola é lançada horizontalmente a $15\ \text{m s}^{-1}$ do topo de um penhasco de altura $20\ \text{m}$. Encontre o tempo para pousar e a distância do ponto de impacto em relação à base (considere $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
O movimento vertical fornece o tempo: de $h = \tfrac{1}{2}g t^{2}$,
$$t = \sqrt{\frac{2h}{g}} = \sqrt{\frac{2 \times 20}{9.81}} \approx 2.0\ \text{s}.$$O movimento horizontal então fornece o alcance: $x = u_{\text{H}} t = 15 \times 2.0 \approx 30\ \text{m}.$
O gráfico de velocidade horizontal é uma linha plana em $u_{\text{H}}$. O gráfico de velocidade vertical é uma linha reta partindo da origem com inclinação $g$.
Comparando dois objetos. Se o objeto A é deixado cair e o objeto B é lançado horizontalmente da mesma altura no mesmo instante, ambos atingem o solo ao mesmo tempo: seus movimentos verticais são idênticos. Se, em vez disso, B for lançado com componente ascendente, levará mais tempo, pois deve primeiro subir e retornar à altura inicial antes de cair a mesma distância. Sua velocidade ao aterrissar ainda é encontrada pela energia: a energia cinética ganha é igual à energia potencial perdida, independentemente da direção do lançamento, logo uma bola lançada em qualquer ângulo com a mesma velocidade a partir da mesma altura aterrissa com a mesma velocidade (tópico 5).
Projétil em ângulo
Um projétil 抛体 lançado com velocidade $u$ em um ângulo $\theta$ acima da horizontal:

Projétil lançado em ângulo $\theta$ — movimentos horizontal e vertical são independentes - componente horizontal 分量 da velocidade inicial: $u_{\text{H}} = u \cos\theta$ (permanece constante durante o voo).
- componente vertical da velocidade inicial: $u_{\text{V}} = u \sin\theta$ (diminui, torna-se zero no topo e depois cresce para baixo).
No ponto mais alto, $v_{\text{V}} = 0$, mas $v_{\text{H}}$ ainda é $u\cos\theta$. O tempo até o topo é $t_{\text{up}} = u\sin\theta / g$; o tempo total de voo (voltando à altura inicial) é $2t_{\text{up}}$.
Esboçando os gráficos de velocidade. Os examinadores frequentemente pedem para esboçar $v_{\text{H}}$ e $v_{\text{V}}$ contra o tempo nos mesmos eixos, considerando a direção para cima como positiva. A componente horizontal é uma linha plana em $u\cos\theta$ durante todo o voo. A componente vertical é uma linha reta de inclinação $-g$: começa em $+u\sin\theta$, cruza zero no topo do voo e atinge $-u\sin\theta$ ao aterrissar na altura inicial. Rotule cada linha, marque os tempos onde as linhas começam e terminam, e posicione o cruzamento exatamente em $t_{\text{up}}$.

Esboços de gráfico de velocidade-tempo para um projétil: a componente horizontal permanece constante; a componente vertical decresce em linha reta através de zero no topo Exemplo resolvido. Uma bola sai do solo a $18\ \text{m s}^{-1}$ em $60°$ em relação à horizontal. Mostre que ela atinge a altura máxima em $t = 1.6\ \text{s}$.
$u_{\text{V}} = 18 \sin 60° = 15.6\ \text{m s}^{-1}$. No topo $v_{\text{V}} = 0$, logo de $v = u + at$ com $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$: $t = 15.6 / 9.81 = 1.59\ \text{s} \approx 1.6\ \text{s}$.

Alcance $R$ de um projétil lançado e aterrissando no nível do solo Bola quicando
Quando uma bola quica, seu gráfico de velocidade-tempo é um conjunto de linhas retas inclinadas (aceleração constante $g$) com uma mudança brusca em cada quiche (a velocidade inverte a direção e diminui se alguma energia 能量 for perdida). Some os tempos e as distâncias entre os quiches.

Uma bola quicando: todas as linhas inclinadas têm inclinação $g$; a velocidade inverte o sinal e diminui em cada quiche Leia esse gráfico com atenção: a inclinação de todas as linhas inclinadas é a mesma $g$; a bola está no ponto mais alto sempre que a linha cruza o eixo do tempo; e a altura de cada quiche vem da área do triângulo acima (ou abaixo) do eixo para aquele voo.
ExplorarLance um projétil
Dispare a bola, depois altere o ângulo e a velocidade. O movimento horizontal é constante enquanto a gravidade a puxa para baixo — juntos traçam uma parábola. Encontre o ângulo para o maior alcance, e tente a Lua.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin gradient/ˈɡreɪdɪənt/ 斜率 xié lǜ range/reɪndʒ/ 射程 shè chéng random error/ˈrændəm ˈerə/ 随机误差 suí jī wù chā light gate/laɪt ɡeɪt/ 光电门 guāng diàn mén reaction-time/rɪˈækʃn taɪm/ 反应时间 fǎn yìng shí jiān horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ 水平 shuǐ píng vertical/ˈvɜːtɪkl/ 竖直 shù zhí component/kəmˈpəʊnənt/ 分量 fèn liàng energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng 2.1
Dois objetos se encontrando
Quando dois objetos se movem ao longo da mesma linha de maneiras diferentes, escreva uma equação de deslocamento para cada um. Use o mesmo tempo inicial e a mesma direção positiva. Depois, iguale os dois deslocamentos (ou iguale a diferença deles a uma lacuna dada).
Para um trem de cargas com velocidade constante $u_{\text{G}}$ e um trem expresso partindo do repouso com aceleração $a$, ambos passando pelo mesmo ponto em $t = 0$:
$$s_{\text{G}} = u_{\text{G}} t, \qquad s_{\text{E}} = \tfrac{1}{2} a t^{2}.$$Eles estão nivelados novamente quando $s_{\text{G}} = s_{\text{E}}$, resultando em $t = 2 u_{\text{G}} / a$.

Encontro onde os gráficos de deslocamento-tempo se cruzam (mesmo s no mesmo t) 2.1
Dicas para resolver problemas
- Desenhe um diagrama e marque a direção positiva.
- Liste os símbolos SUVAT com seus valores conhecidos e desconhecidos, incluindo sinais.
- Escolha a equação SUVAT que contenha exatamente os quatro símbolos que você tem, além do que deseja encontrar.
- Para movimento de projéteis, separe em problemas SUVAT horizontais e verticais, ligados apenas pelo tempo $t$.
- Sempre verifique as unidades da sua resposta e se o tamanho faz sentido.
2.1
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição distância o comprimento total do caminho percorrido (escalar) deslocamento a distância percorrida em uma direção especificada, do início ao fim (vetorial) velocidade escalar a taxa de variação da distância com o tempo velocidade vetorial a taxa de variação do deslocamento com o tempo aceleração a taxa de variação da velocidade com o tempo aceleração uniforme aceleração constante em magnitude e direção aceleração da queda livre a aceleração de um objeto caindo livremente sob ação exclusiva da gravidade, com resistência do ar desprezível 2.1
Dicas de prova
- Use as equações SUVAT apenas para aceleração constante; liste $s, u, v, a, t$ e escolha a equação que falta seu desconhecido.
- Escolha uma direção como positiva e mantenha os sinais consistentes (geralmente $g = -9.81\ \text{m s}^{-2}$).
- Em um gráfico de velocidade-tempo, inclinação $=$ representa aceleração e área $=$ representa deslocamento.
- Para projéteis, trate os movimentos horizontal (velocidade constante) e vertical ($a = g$) separadamente, ligados pelo mesmo tempo.
Erros comuns
- Dizer que a bola mais pesada atinge o solo primeiro ou mais rápido, sem resistência do ar. Ambas caem com a mesma aceleração e aterrissam com a mesma velocidade.
- Calcular a inclição de um gráfico $v$–$t$ quando a questão pede a área, ou a área quando pede a inclição. Inclinação é aceleração; área é deslocamento.
- Desenhar uma curva em um gráfico $v$–$t$ para um corpo sob aceleração constante. Aceleração constante é uma linha reta; apenas o sinal de $v$ muda em um quiche.
- Usar $g = +9.81$ para uma bola lançada para cima com "para cima" como positivo. Uma vez que para cima é positivo, $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$ vale para todo o voo, inclusive na descida.
- Usar uma equação SUVAT quando a aceleração está mudando (resistência do ar, gráfico curvo). Nesse caso, apenas os métodos gráficos funcionam.
-
3
Dinâmica
Assistir aula3.1
Massa, momento e força
Programa
- compreender que a massa é a propriedade de um objeto que resiste à mudança de movimento
- recordar $F = ma$ e resolver problemas usando-a, compreendendo que aceleração e força resultante estão sempre na mesma direção
- definir e usar momento linear como o produto de massa e velocidade
- definir e usar força como taxa de variação do momento
- enunciar e aplicar cada uma das leis de Newton do movimento
- descrever e usar o conceito de peso como o efeito de um campo gravitacional sobre uma massa e recordar que o peso de um objeto é igual ao produto de sua massa e a aceleração da queda livre
Fonte: Programa Cambridge International
Massa
Massa 质量 indica quão difícil é alterar o movimento de um objeto. Quanto maior a massa, maior a força 力 necessária para lhe dar uma certa aceleração 加速度. A massa mede-se em quilogramas ($\text{kg}$) e é uma grandeza escalar 标量.
Momento
Momento linear 动量 é o produto da massa pela velocidade:
$$p = mv.$$O momento é um vetor 矢量 — ele aponta na mesma direção da velocidade 速度. Sua unidade é $\text{kg m s}^{-1}$, que é a mesma de $\text{N s}$.
Força como taxa de variação do momento
A segunda lei de Newton, em sua forma geral: a força resultante 合力 sobre um objeto é igual à taxa de variação de seu momento.

Impulso é a área sob um gráfico força-tempo, igual à mudança no momento $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}.$$Quando a massa é constante, isso se torna $F = ma$, porque $\Delta p = m\,\Delta v$ e $\Delta v / \Delta t = a$. Questões do Cambridge geralmente pedem para usar $F = \Delta p / \Delta t$ diretamente para uma colisão 碰撞 ou um impulso 冲量: a força média é igual à mudança no momento dividida pelo tempo de contato.
Uma bola bate em uma parede com momento $p_{1}$ e quica de volta com momento $p_{2}$ na direção oposta. A mudança no momento é $\Delta p = p_{2} - p_{1}$ (dê cada direção o sinal correto). A força média é $\Delta p / \Delta t$, onde $\Delta t$ é o tempo de contato.
Exemplo resolvido. Uma bola de $0.20\ \text{kg}$ hits a wall at $8.0\ \text{m s}^{-1}$ and bounces straight back at $6.0\ \text{m s}^{-1}$. O contato dura $0.050\ \text{s}$. Encontre a força média sobre a bola.
Considere a direção de rebote como positiva, então $u = -8.0\ \text{m s}^{-1}$ e $v = +6.0\ \text{m s}^{-1}$:
$$\Delta p = m(v - u) = 0.20 \times \big(6.0 - (-8.0)\big) = 2.8\ \text{kg m s}^{-1},$$$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = \frac{2.8}{0.050} = 56\ \text{N}.$$Quando você conhece o momento mas não a velocidade, a mudança na energia cinética 动能 é
$$\Delta E_{\text{k}} = \frac{p_{2}^{2} - p_{1}^{2}}{2m}.$$Isso vem de $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} m v^{2} = p^{2} / (2m)$.
Gráficos de momento-tempo
Porque $F = \Delta p / \Delta t$, a inclinação 梯度 de um gráfico de momento-tempo é a força resultante, assim como a inclinação de um gráfico velocidade-tempo é a aceleração. Uma linha reta significa uma força resultante constante; uma linha horizontal significa força resultante zero; uma linha descendente significa uma força atuando contra o movimento.

A inclinação de um gráfico de momento-tempo é a força resultante: 500 N enquanto acelera, zero enquanto o momento é constante, negativa enquanto freia Exemplo resolvido. O gráfico mostra o momento de uma motocicleta. Encontre a força resultante sobre ela durante os primeiros $10\ \text{s}$.
Inclinação $= \Delta p / \Delta t = 5000 / 10 = 500\ \text{N}$. Entre $10\ \text{s}$ e $16\ \text{s}$ o momento é constante, então a força resultante é zero: a força motriz apenas equilibra as forças resistentes. De $16\ \text{s}$ a $20\ \text{s}$ o momento cai em $2000\ \text{kg m s}^{-1}$, então a força resultante é $-500\ \text{N}$, agindo para trás.
Se uma questão disser que a velocidade está mudando enquanto a força resultante permanece constante, essa força não pode ser resistência do ar: arrasto depende da velocidade, então mudaria conforme a velocidade muda, e o arrasto sempre atua contra o movimento.
ExplorarDiagrama de corpo livre (F = ma)
A resultante das forças, dividida pela massa, dá a aceleração.
ExplorarSegunda lei de Newton
F = ma (resultante)
A força resultante determina a aceleração; forças equilibradas ⇒ nenhuma aceleração.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin mass/mæs/ 质量 zhì liàng scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng linear momentum/ˈlɪnɪə məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng impulse/ˈɪmpʌls/ 冲量 chōng liàng 3.1
As três leis do movimento de Newton

Um foguete empurra gás para baixo; pela terceira lei de Newton, o gás empurra o foguete para cima. Primeira lei
Um objeto permanece em repouso, ou continua se movendo com velocidade constante em linha reta, a menos que uma força externa resultante 外力 atue sobre ele. Em resumo: força resultante zero significa aceleração zero.
Segunda lei
A força resultante sobre um objeto é igual à sua taxa de variação de momento, e age na mesma direção dessa mudança. Em unidades SI,
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = ma \quad\text{(for constant mass)}.$$Aceleração e força resultante sempre apontam na mesma direção.

Diagrama de corpo livre mostrando todas as forças em um bloco sendo puxado em um ângulo 
Peso e força de contato normal em um livro apoiado em uma mesa Terceira lei
Quando o corpo A empurra o corpo B, o corpo B empurra de volta no corpo A com uma força igual e oposta. As duas forças:
- atuam em objetos diferentes,
- são do mesmo tipo (ambas gravitacionais, ambas de contato, ambas eletrostáticas 静电, etc.),
- têm o mesmo tamanho e direção oposta.
Uma armadilha comum: o peso 重力 de um bloco sobre uma mesa e a força de contato normal 支持力 da mesa não formam um par de terceira lei (elas atuam no mesmo objeto e são tipos diferentes). O parceiro de terceira lei do peso do bloco é a tração que o bloco exerce na Terra. O parceiro de terceira lei da força de contato da mesa é a pressão que o bloco exerce sobre a mesa.
Para nomear um parceiro de terceira lei, troque os dois corpos na frase. "A roda traseira de uma bicicleta empurra para trás na estrada" combina com "a estrada empurra para frente na roda traseira", e esse empurrão para frente é o que move a bicicleta. "A Terra puxa a Lua" combina com "a Lua puxa a Terra", com o mesmo tamanho de força.
Para um foguete: a empuxo 推力 no foguete e a força nos gases são um par de terceira lei (o motor empurra o gás para baixo, o gás empurra o motor para cima). Peso e resistência do ar não fazem parte deste par.

Par de terceira lei de Newton: R no livro (para cima) e R′ na mesa (para baixo) Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin force/fɔːs/ 力 lì acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù thrust/θrʌst/ 推力 tuī lì external force/ekˈstɜːnl fɔːs/ 外力 wài lì friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì weight/weɪt/ 重力 zhòng lì normal contact force/ˈnɔːml ˈkɒntækt fɔːs/ 支持力 zhī chí lì electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电 jìng diàn gravitational field/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ 重力场 zhòng lì chǎng 3.1
Peso
Peso é a força sobre um objeto devido a um campo gravitacional 重力场. Perto da superfície da Terra,
$$W = mg,$$onde $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ é a aceleração da queda livre. Peso é um vetor que aponta para o centro da Terra. Não o confunda com massa: a massa é a mesma em qualquer lugar, mas o peso muda conforme o local.
Na Lua $g$ é cerca de $1.6\ \text{m s}^{-2}$, então a massa de um astronauta não muda, mas seu peso é cerca de um sexto do valor na Terra. Quando uma questão de múltipla escolha pede qual afirmação descreve o peso, a resposta é aquela que diz "a força sobre o objeto devido a um campo gravitacional", não "massa vezes aceleração" nem "a força resultante".
3.2
Movimento não uniforme: atrito, arrasto e velocidade terminal
Programa
- mostrar uma compreensão qualitativa de forças de atrito e forças viscosas/drag incluindo resistência do ar (nenhum tratamento dos coeficientes de atrito e viscosidade é necessário, e um modelo simples de força de drag aumentando conforme a velocidade aumenta é suficiente)
- descrever e explicar qualitativamente o movimento de objetos em um campo gravitacional uniforme com resistência do ar
- compreender que objetos movendo-se contra uma força resistiva podem atingir uma velocidade terminal (constante)
Fonte: Programa Cambridge International
Forças de atrito e arrasto
Uma força de atrito 摩擦力 entre duas superfícies sólidas atua ao longo da superfície e se opõe ao deslizamento. Uma força viscosa 黏性或 arrasto 阻力 é a força resistente de um fluido 流体 (líquido ou gás) sobre um objeto que se move através dele; resistência do ar é o caso para o ar. Você não precisa usar nenhum coeficiente 系数 de atrito ou viscosidade.
Um modelo simples: o arrasto aumenta à medida que a velocidade aumenta. Na velocidade zero, o arrasto é zero. O arrasto também cresce com a área transversal 横截面积 do objeto e com a densidade do fluido; um paraquedas funciona tornando a área, e consequentemente o arrasto, muito maior. Essas forças de atrito e arrasto são todas forças resistentes: elas atuam contra a direção do movimento e transferem energia cinética para energia térmica.

Diagrama de corpo livre de um livro sendo puxado sobre uma mesa Um objeto caindo através do ar
Para um objeto solto do repouso e caindo através do ar:
- No início, apenas o peso atua, então o objeto acelera para baixo com $g$.
- À medida que a velocidade aumenta, o arrasto ascendente aumenta. A força resultante diminui, então a aceleração diminui.
- Por fim, o arrasto iguala-se ao peso. A força resultante é zero, a aceleração é zero, e a velocidade permanece constante — a velocidade terminal 收尾速度.
Em um gráfico velocidade-tempo, a linha começa reta com inclinação $g$, depois curva e se aplaina na velocidade terminal. Essa forma (início rápido, depois aceleração diminuída, depois velocidade constante) é como "queda com resistência do ar" difere de "queda livre em vácuo" em um campo gravitacional uniforme 匀强重力场. Em um gráfico aceleração-tempo, a aceleração começa em $g$ e diminui, curvando-se até zero.
Duas esferas do mesmo tamanho, mas densidades diferentes, têm velocidades terminais diferentes: a esfera mais densa tem maior peso, então precisa de maior arrasto para equilibrá-lo, e o arrasto só alcança esse valor em velocidade maior. É também por isso que um paraquedas muda tudo: quando abre, o arrasto subitamente excede o peso, a força resultante é para cima, e o pára-quedista desacelera (a aceleração é para cima enquanto a velocidade ainda é para baixo) até que o arrasto caia novamente para igualar o peso em uma nova velocidade terminal muito menor.

Gráfico velocidade-tempo de um pára-quedista: a aceleração cai de $g$ para zero na primeira velocidade terminal; abrir o paraquedas faz o arrasto exceder o peso, então a velocidade cai para uma nova velocidade terminal menor 
Gráfico velocidade-tempo para um objeto caindo através do ar 
Forças em um objeto caindo em um fluido Queda através de um líquido: três forças
Uma bola caindo através de um líquido tem três forças atuando sobre ela: seu peso para baixo, a empuxo 浮力 para cima, e o arrasto viscoso para cima. O empuxo vem da pressão hidrostática 流体静压强: a pressão em um líquido aumenta com a profundidade, então o líquido empurra mais forte na parte inferior da bola do que na superior, e a resultante desses empurrões é para cima. Seu valor é igual ao peso do líquido deslocado pela bola, $U = \rho_{\text{liquid}} V g$ (tópico 4). O arrasto cresce com a velocidade. Quando o peso $=$ o empuxo $+$ o arrasto, a força resultante é zero e a bola cai à sua velocidade terminal. Uma questão "desenhe setas rotuladas" pede exatamente essas três, com o empuxo e o arrasto ambos para cima e o peso para baixo.
Exemplo resolvido. Uma bola de aço de raio $2.0\ \text{mm}$ e peso $2.56 \times 10^{-3}\ \text{N}$ cai através de óleo de densidade $850\ \text{kg m}^{-3}$. O arrasto viscoso sobre ela é $F = 6\pi \eta r v$, onde $\eta$ é a viscosidade 黏度 do óleo e $v$ a velocidade. (a) Encontre as unidades fundamentais do SI de $\eta$. (b) Mostre que o empuxo sobre a bola é $2.8 \times 10^{-4}\ \text{N}$. (c) Considerando $\eta = 0.20$ em unidades do SI, encontre a velocidade terminal.
(a) $\eta = F / (6\pi r v)$, então suas unidades são $\text{N} / (\text{m} \cdot \text{m s}^{-1}) = \text{kg m s}^{-2} / (\text{m}^{2}\ \text{s}^{-1}) = \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-1}$.
(b) $V = \tfrac{4}{3}\pi r^{3} = \tfrac{4}{3}\pi (2.0 \times 10^{-3})^{3} = 3.35 \times 10^{-8}\ \text{m}^{3}$, então $U = 850 \times 3.35 \times 10^{-8} \times 9.81 = 2.79 \times 10^{-4}\ \text{N} \approx 2.8 \times 10^{-4}\ \text{N}$.
(c) Na velocidade terminal, o arrasto $= W - U = 2.56 \times 10^{-3} - 2.8 \times 10^{-4} = 2.28 \times 10^{-3}\ \text{N}$. Então $v = F / (6\pi \eta r) = 2.28 \times 10^{-3} / (6\pi \times 0.20 \times 2.0 \times 10^{-3}) = 0.30\ \text{m s}^{-1}$.

Por que a postura de espreguiçadeira? Abrir-se dá a maior área possível, logo o maior arrasto. Quanto maior o arrasto, mais cedo ele equilibra o peso — e menor é a velocidade terminal estável em que eles caem Energia durante uma queda à velocidade terminal
Na velocidade terminal, um paraquedista 跳伞者 tem energia cinética constante. Mas a energia potencial gravitacional 重力势能 continua caindo conforme desce. Para onde ela vai? Quase toda se transforma em energia térmica 热能 do ar ao redor. Ela não se torna energia cinética do paraquedista — essa permanece constante.
Ciclista ou carro em velocidade constante
Um veículo em velocidade constante numa estrada plana tem força resultante nula. A força motriz 驱动力 é igual e oposta à força resistente total (atrito, resistência do ar e resistência à rolagem). Em velocidades maiores, o arrasto é maior, então a força motriz também deve ser maior — e assim a potência 功率 deve ser maior.
Em uma inclinação, o peso tem uma componente ao longo da estrada. Subindo em velocidade constante, a força motriz deve equilibrar a força resistente e a parte do peso que puxa para baixo da encosta, $W\sin\theta$; descendo, essa mesma componente auxilia o movimento.

Um carro subindo uma rampa em velocidade constante: ao longo da rampa, a força motriz equilibra a força resistente mais a componente do peso $W\sin\theta$ Exemplo resolvido. Um carro de massa $1500\ \text{kg}$ sobe uma estrada inclinada $12°$ em relação à horizontal a uma velocidade constante $30\ \text{m s}^{-1}$. A força resistente total é $1600\ \text{N}$. Encontre a força motriz e a potência útil de saída do motor.
Velocidade constante significa força resultante nula ao longo da rampa: $D = 1600 + 1500 \times 9.81 \times \sin 12° = 1600 + 3060 = 4660\ \text{N} \approx 4700\ \text{N}$. Potência é força vezes velocidade (tópico 5): $P = Dv = 4660 \times 30 = 1.4 \times 10^{5}\ \text{W}$.
ExplorarParar um carro
O atrito é o que freia um carro. Defina uma velocidade e freie — o carro continua a se mover enquanto o motorista reage, então o atrito o desacelera. Dobre a velocidade e observe a distância de frenagem quadruplicar.
ExplorarAlcançar a velocidade terminal
Pule e observe a seta de resistência do ar crescer até equilibrar o peso — então a velocidade é constante. Abra o paraquedas e o arrasto muito maior faz o mergulhador cair para uma velocidade terminal lenta e segura.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 合力 hé lì terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ 收尾速度 shōu wěi sù dù viscous/ˈvɪskəs/ 黏性 nián xìng fluid/ˈfluːɪd/ 流体 liú tǐ coefficient/ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 系数 xì shù viscosity/vɪˈskɒsɪti/ 黏度 nián dù cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能 rè néng uniform gravitational field/ˈjuːnɪfɔːm ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ 匀强重力场 yún qiáng zhòng lì chǎng upthrust/ˈʌpθrʌst/ 浮力 fú lì hydrostatic pressure/ˌhaɪdrəˈstætɪk ˈpreʃə/ 流体静压强 liú tǐ jìng yā qiáng parachutist/ˈpærətʃuːtɪst/ 跳伞者 tiào sǎn zhě gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力势能 zhòng lì shì néng power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ 3.3
Conservação do momento linear
Programa
- enunciar o princípio de conservação do momento
- aplicar o princípio de conservação do momento para resolver problemas simples, incluindo interações elásticas e inelásticas entre objetos em uma e duas dimensões (conhecimento do conceito de coeficiente de restituição não é necessário)
- recordar que, para uma colisão elástica, a energia cinética total é conservada e a velocidade relativa de aproximação é igual à velocidade relativa de separação
- compreender que, embora o momento de um sistema seja sempre conservado em interações entre objetos, alguma mudança na energia cinética possa ocorrer
Fonte: Programa Cambridge International
Conservação do momento em uma colisão 
Em um choque, uma grande força atua por um tempo muito curto para alterar o momento. O princípio
Para um sistema sem força externa resultante, o momento total permanece constante. Isso é conservação do momento 动量守恒. Formulado para as duas marcas que o examinador atribui: o momento total de um sistema de objetos permanece constante desde que nenhuma força externa resultante atue sobre o sistema. Ambas as partes são necessárias: apenas "o momento total é constante" vale uma marca.
Sempre se aplica quando não há força externa resultante — em colisões, explosões 爆炸, e recuo 反冲. Em duas dimensões, o momento é conservado ao longo de cada direção independentemente.
Exemplo resolvido. Um carrinho de $2.0\ \text{kg}$ e um carrinho de $3.0\ \text{kg}$ são segurados contra uma mola comprimida, depois liberados do repouso. O carrinho de $2.0\ \text{kg}$ voa para longe a $6.0\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a velocidade do outro carrinho.
O momento total permanece zero (começou em repouso), então
$$0 = (2.0)(6.0) + (3.0)(-v) \quad\Rightarrow\quad v = \frac{12}{3.0} = 4.0\ \text{m s}^{-1}$$na direção oposta.

A terceira lei de Newton em um sistema isolado de duas partículas: forças iguais e opostas Colisões elásticas e inelásticas
Em todas as colisões, o momento é conservado (se não houver força externa resultante).
Uma colisão elástica 弹性碰撞 é aquela em que a energia cinética total também é conservada. Um teste rápido: em uma colisão elástica, a velocidade relativa 相对速率 de aproximação é igual à velocidade relativa de separação.
Em uma colisão inelástica 非弹性碰撞, o momento é conservado mas a energia cinética diminui — parte se transforma em energia térmica, sonora ou de deformação 形变. Se os dois objetos ficarem presos juntos, a colisão é perfeitamente inelástica.
Resolvendo problemas de colisão (uma dimensão)

Colisão frontal: velocidades antes e depois Para dois objetos com massas $m_{1}, m_{2}$ e velocidades iniciais $u_{1}, u_{2}$ que batem frontalmente 正面, escreva
$$m_{1} u_{1} + m_{2} u_{2} = m_{1} v_{1} + m_{2} v_{2}.$$Use velocidades com sinal (positivas em uma direção escolhida). Se a colisão for elástica, adicione a equação de velocidade relativa
$$u_{1} - u_{2} = -(v_{1} - v_{2}),$$ou, a mesma coisa, $\tfrac{1}{2} m_{1} u_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} u_{2}^{2} = \tfrac{1}{2} m_{1} v_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} v_{2}^{2}$. Isso fornece duas equações para duas incógnitas.
Exemplo resolvido. Um carro de $1500\ \text{kg}$ movendo-se a $12\ \text{m s}^{-1}$ bate em um carro parado de $1000\ \text{kg}$ e eles travam juntos. Encontre a velocidade comum pouco após a colisão.
O momento é conservado (os carros ficam presos, então $v_{1} = v_{2} = v$):
$$1500 \times 12 + 1000 \times 0 = (1500 + 1000)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{18\,000}{2500} = 7.2\ \text{m s}^{-1}.$$As perguntas frequentemente prosseguem perguntando qual fração da energia cinética é transferida para outras formas. Antes: $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} \times 1500 \times 12^{2} = 1.08 \times 10^{5}\ \text{J}$. Depois: $\tfrac{1}{2} \times 2500 \times 7.2^{2} = 6.48 \times 10^{4}\ \text{J}$. Então $4.3 \times 10^{4}\ \text{J}$, que corresponde a $40\%$ da energia cinética original, torna-se energia térmica, som e deformação dos carros. O momento é conservado; a energia cinética não é.
Exemplo resolvido. Um núcleo estacionário de massa $222\,u$ decai emitindo uma partícula alfa α粒子 de massa $4\,u$ a $1.6 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a velocidade do núcleo restante.
Antes do decaimento, o momento total é zero, então depois os dois momentos são iguais e opostos: $218\,u \times v = 4\,u \times 1.6 \times 10^{7}$, dando $v = 2.9 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$ na direção oposta à partícula alfa. A unidade $u$ cancela, então seu valor nunca é necessário. Em um decaimento, o momento, a carga (número de prótons), o número nucleônico e a energia-massa total são todos conservados (tópico 11).
Um resultado útil para uma colisão elástica frontal de massa $m$ com uma massa estacionária $M$:
$$v_{m} = \frac{m - M}{m + M} u, \qquad v_{M} = \frac{2m}{m + M} u.$$Colisões em duas dimensões
Se os objetos se movem em duas dimensões, decomponha as velocidades em componentes 分量 perpendiculares 垂直 e aplique a conservação do momento ao longo de cada direção independentemente. Para uma colisão onde os objetos batem em um ângulo, escolha um eixo ao longo do movimento do primeiro objeto e outro transversal a ele. O momento total é conservado ao longo de cada eixo.
Exemplo resolvido. Sobre uma superfície sem atrito, a bola A tem momento $4.0\ \text{N s}$ devido leste e a bola B tem momento $3.0\ \text{N s}$ devido norte. Elas colidem e ficam presas juntas. Encontre o momento do objeto combinado.
O momento é conservado ao longo de cada eixo: $4.0\ \text{N s}$ leste e $3.0\ \text{N s}$ norte após a colisão, exatamente como antes. O momento total é a soma vetorial, $\sqrt{4.0^{2} + 3.0^{2}} = 5.0\ \text{N s}$ a $\tan^{-1}(3.0 / 4.0) = 37°$ ao norte do leste; o objeto combinado move-se nessa direção a $5.0\ \text{N s}$ dividido pela massa total. Um diagrama de múltipla escolha com duas setas de momento está pedindo exatamente isso: some as setas ponta com cauda.

Uma colisão rasante resolvida ao longo de dois eixos perpendiculares Foguete / expelindo massa
Um foguete expulsa gás a velocidade $u$ (relativa a si mesmo) a uma taxa de fluxo de massa 质量流率 $\dot m$ (kg por segundo). Ele sente uma tração
$$F = \dot m \cdot u,$$que vem de $F = \Delta p / \Delta t$. O momento dado ao gás a cada segundo é igual à tração no foguete (terceira lei de Newton: o foguete empurra o gás numa direção, o gás empurra o foguete na outra direção). Um motor que expulsa $90\ \text{kg}$ de gás por segundo a $190\ \text{m s}^{-1}$ produz uma tração de $90 \times 190 = 1.7 \times 10^{4}\ \text{N}$.
Exemplo resolvido. Um foguete de peso $W$ deixa o solo com uma aceleração inicial $a$. Que tração seu motor produz?
Considere para cima como positivo. A força resultante é tração menos peso, então $T - W = ma$. Com $m = W / g$, $T = W + Wa / g = W(1 + a / g)$. Um foguete de peso $2.0 \times 10^{6}\ \text{N}$ acelerando a $4.0\ \text{m s}^{-2}$ precisa de uma tração de $2.0 \times 10^{6} \times (1 + 4.0 / 9.81) = 2.8 \times 10^{6}\ \text{N}$. A tração deve exceder o peso antes que o foguete se mova.
ExplorarUma colisão
Defina as massas e velocidades, então colida-as. O momento total é conservado — o total antes é igual ao total depois.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin collision/kəˈlɪʒn/ 碰撞 pèng zhuàng kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng driving force/ˈdraɪvɪŋ fɔːs/ 驱动力 qū dòng lì drag/dræɡ/ 阻力 zǔ lì component/kəmˈpəʊnənt/ 分量 fèn liàng perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ 垂直 chuí zhí conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ 动量守恒 dòng liàng shǒu héng explosion/ekˈspləʊʒn/ 爆炸 bào zhà recoil/rɪˈkɔɪl/ 反冲 fǎn chōng inelastic collision/ɪnɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 非弹性碰撞 fēi tán xìng pèng zhuàng elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 弹性碰撞 tán xìng pèng zhuàng relative speed/ˈrelətɪv spiːd/ 相对速率 xiāng duì sù lǜ deformation/ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ 形变 xíng biàn head-on/hed ɒn/ 正面 zhèng miàn stationary/ˈsteɪʃənəri/ 静止 jìng zhǐ alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ α粒子 α lì zi mass-flow rate/mæs fləʊ reɪt/ 质量流率 zhì liàng liú lǜ 3.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição massa a propriedade de um objeto que resiste a uma mudança em seu movimento momento linear o produto da massa de um objeto e sua velocidade força a taxa de variação do momento primeira lei de Newton um objeto permanece em repouso ou se move a velocidade constante a menos que seja submetido a uma força resultante segunda lei de Newton a força resultante sobre um objeto é proporcional à taxa de variação de seu momento, e age na direção da mudança terceira lei de Newton quando dois corpos interagem, a força sobre um é igual em magnitude e oposta em direção à força sobre o outro peso a força sobre um objeto devido a um campo gravitacional; igual ao produto de sua massa e da aceleração da queda livre princípio de conservação do momento o momento total de um sistema de objetos permanece constante desde que nenhuma força externa resultante atue sobre o sistema colisão elástica uma colisão em que a energia cinética total é conservada (e a velocidade relativa de aproximação é igual à velocidade relativa de separação) colisão inelástica uma colisão em que o momento é conservado mas alguma energia cinética é transferida para outras formas velocidade terminal a velocidade constante alcançada quando a força resistiva sobre um objeto em movimento iguala a força motriz, de modo que a força resultante é zero 3.3
Dicas de prova
- A segunda lei de Newton é $F = \Delta p / \Delta t$ (taxa de variação do momento); $F = ma$ é o caso especial para massa constante.
- Identifique corretamente os pares da terceira lei: o mesmo tipo de força, atuando em dois corpos diferentes — não as forças equilibradas sobre um único corpo.
- O momento linear é conservado em toda colisão; a energia cinética é conservada apenas em uma colisão elástica.
- Para a velocidade terminal, explique que o arrasto aumenta com a velocidade até que o arrasto $=$ o peso, tornando a aceleração zero.
Erros comuns
- Escrever "as forças estão equilibradas" ou "as forças se cancelam". Diga "a força resultante sobre o objeto é zero".
- Somar ambas as velocidades em uma colisão frontal porque o momento é "total". Escolha uma direção positiva, atribua sinal negativo à velocidade oposta e depois some.
- Calcular a energia cinética a partir de um componente da velocidade. A energia cinética usa a velocidade total de cada corpo.
- Chamar o peso e a força normal de contato em um objeto de um par da terceira lei. Um par atua em dois objetos diferentes e é de um único tipo de força.
- Enunciar a conservação do momento sem a condição. Ela só vale quando nenhuma força externa resultante age sobre o sistema.
-
4
Forças, densidade e pressão
Assistir aula4.1
Efeitos rotativos das forças
Programa
- compreender que o peso de um objeto pode ser considerado atuando em um único ponto conhecido como seu centro de gravidade
- definir e aplicar o momento de uma força
- compreender que um par de forças é um par de forças que atua para produzir rotação apenas
- definir e aplicar o torque de um par de forças
Fonte: Programa Cambridge International
O princípio dos momentos Centro de gravidade
O peso 重力 de um grande objeto pode ser tratado como atuando em um único ponto, chamado centro de gravidade 重心 (o mesmo que o centro de massa 质心 em um campo gravitacional uniforme). Para formas regulares e uniformes — retângulo, esfera, barra uniforme — o centro de gravidade está no meio.
Ao desenhar um diagrama de corpo livre 受力图, coloque sempre a seta do peso no centro de gravidade.
Para uma forma irregular, encontre o centro de gravidade experimentalmente. Pendure o objeto livremente por um pino: em equilíbrio, ele se estabiliza com seu centro de gravidade verticalmente abaixo do pino, pois apenas assim o peso não tem momento em relação ao pino. Um fio de prumo 铅垂线 pendurado pelo mesmo pino marca essa vertical. Pendure o objeto em um segundo ponto e desenhe a segunda linha; o centro de gravidade é onde as duas linhas se cruzam. O mesmo fato responde à pergunta do exame "explique por que a chapa pendura assim": seu centro de gravidade está diretamente abaixo do suporte, então a linha de ação do peso passa pelo pivô e não há torque resultante.

Encontrando um centro de gravidade: pendurado livremente, um objeto se estabiliza com seu centro de gravidade verticalmente abaixo do pino, de modo que dois fios de prumo suspensos por dois pinos se cruzam nele Para uma barra não-uniforme 非均匀, o centro de gravidade não está no meio. Encontre-o equilibrando a barra sobre um pivô ou tirando momentos: se o peso da barra $W$ equilibra um peso conhecido, a distância de seu centro de gravidade até o pivô é aquela que torna os momentos dos dois lados iguais.
Momento de uma força
O momento 力矩 de uma força em relação a um ponto é
$$M = F \cdot d,$$onde $F$ é o módulo da força 力 e $d$ é a distância perpendicular 垂直距离 do ponto à linha de ação 作用线 da força. Unidade: $\text{N m}$.
Se a força atua em um ângulo $\theta$ em relação a um braço de alavanca 力臂 de comprimento $r$ a partir do pivô 支点, então $d = r\sin\theta$, logo $M = F r\sin\theta$. Apenas a parte da força perpendicular 垂直 ao braço de alavanca o faz girar.
Exemplo resolvido. Uma força de $50\ \text{N}$ é aplicada na extremidade de uma chave de boca $0.40\ \text{m}$ de comprimento, em $30°$ em relação à chave. Encontre o momento da força em relação à porca.
$$M = F r\sin\theta = 50 \times 0.40 \times \sin 30° = 50 \times 0.40 \times 0.50 = 10\ \text{N m}.$$
O momento depende da distância perpendicular $d$ do pivô até a linha de ação da força Um momento pode ser horário 顺时针 ou anti-horário 逆时针 em relação ao ponto escolhido.
Binário e torque
Um binário 力偶 é um par de forças que são:
- iguais em magnitude,
- opostas em direção,
- cujas linhas de ação estão separadas por uma distância perpendicular.
Um binário faz o corpo girar apenas — sua força resultante é zero, portanto não causa aceleração retilínea.
O torque 力偶矩 de um binário é o efeito rotativo que ele produz:
$$\tau = F \cdot d,$$onde $F$ é o módulo de uma das forças e $d$ é a distância perpendicular entre as duas linhas de ação. Unidade: $\text{N m}$. O torque é o mesmo em qualquer ponto — uma propriedade especial dos binários.

Um par de forças: duas forças iguais e opostas, separadas por distância, produzindo um torque Uma armadilha comum em múltipla escolha: duas forças iguais na mesma direção não formam um binário (elas têm uma força resultante e causam translação 平动). Um binário precisa de igual magnitude e direção oposta.
Observe a distância na fórmula. Para um par de duas forças $F$ atuando a uma distância $d$ de um pivô central, em lados opostos, a distância perpendicular entre as duas linhas de ação é $2d$, portanto o torque é $F \times 2d = 2Fd$. Tomando momentos em relação ao pivô, obtém-se a mesma resposta, $Fd + Fd$. A definição que vale dois pontos exige ambas as partes: o produto de uma das forças e a distância perpendicular entre as linhas de ação das forças.
ExplorarEquilibrar a gangorra
Coloque um peso em cada lado e deslize-o para dentro ou para fora. Um pequeno peso longe do pivô pode equilibrar um grande peso perto — a viga está nivelada quando força × distância corresponde em ambos os lados.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin force/fɔːs/ 力 lì moment/ˈməʊmənt/ 力矩 lì jǔ centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ 重心 zhòng xīn weight/weɪt/ 重力 zhòng lì centre of mass/ˈsentə ɒv mæs/ 质心 zhì xīn free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ 受力图 shòu lì tú vertical/ˈvɜːtɪkl/ 竖直 shù zhí line of action/laɪn ɒv ˈækʃn/ 作用线 zuò yòng xiàn pivot/ˈpɪvət/ 支点 zhī diǎn torque/tɔːk/ 力偶矩 lì ǒu jǔ non-uniform/nɒn ˈjuːnɪfɔːm/ 非均匀 fēi jūn yún perpendicular distance/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə ˈdɪstəns/ 垂直距离 chuí zhí jù lí perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ 垂直 chuí zhí lever arm/ˈliːvə ɑːm/ 力臂 lì bì horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ 水平 shuǐ píng couple/ˈkʌpl/ 力偶 lì ǒu resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 合力 hé lì translation/trænˈsleɪʃn/ 平动 píng dòng angular acceleration/ˈæŋɡjʊlə əkˌseləˈreɪʃn/ 角加速度 jiǎo jiā sù dù tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì 4.2
Equilíbrio de forças
Programa
- enunciar e aplicar o princípio dos momentos
- compreender que, quando não há força resultante e não há torque resultante, um sistema está em equilíbrio
- usar um triângulo vetorial para representar forças coplanares em equilíbrio
Fonte: Programa Cambridge International
Condições para o equilíbrio
Um corpo está em equilíbrio 平衡 quando:
- a força resultante 合力 é zero (sem aceleração retilínea), E
- o momento resultante em relação a qualquer ponto é zero (sem aceleração angular 角加速度).
Ambas devem ser satisfeitas. Um corpo sem força resultante ainda pode estar girando; um corpo sem momento resultante ainda pode estar se movendo em linha reta.
O caso clássico de múltipla escolha: quatro forças, dois pares iguais apontando em direções opostas mas não ao longo da mesma linha. A força resultante é zero, então o centro de massa não acelera, mas os pares formam binários com um torque resultante, fazendo com que o objeto gire cada vez mais rápido enquanto seu centro de massa se move a velocidade constante. Apenas quando ambas as condições são satisfeitas o corpo está em equilíbrio.
Princípio dos momentos
Para um corpo que não gira, o momento horário total em relação a qualquer ponto é igual ao momento anti-horário total em relação ao mesmo ponto. Este é o princípio dos momentos 力矩原理.
Para resolver um problema de balanceamento:
- Escolha um pivô — geralmente onde uma força desconhecida atua, para que essa força desapareça (sua distância é zero).
- Liste todas as forças e suas distâncias perpendiculares ao pivô.
- Iguale $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
- Use $\sum F = 0$ se precisar de uma segunda equação.
Uma régua equilibrada sobre um pivô com massas em cada lado é resolvida dessa forma. Para uma barra pesada e uniforme, lembre-se de incluir seu peso atuando em seu centro de gravidade. Enunciado para as notas: para um corpo em equilíbrio, a soma dos momentos horários em relação a qualquer ponto é igual à soma dos momentos anti-horários em relação ao mesmo ponto.
Exemplo resolvido. Uma viga uniforme de comprimento $4.0\ \text{m}$ está articulada em seu centro. Um peso de $40\ \text{N}$ pende a $1.5\ \text{m}$ do pivô de um lado. A que distância do pivô, do outro lado, um peso de $30\ \text{N}$ deve pendurar para equilibrar a viga?
O próprio peso da viga atua no centro (o pivô), portanto não tem momento. Igualando momentos horários $=$ momentos anti-horários:
$$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$
Pesos em uma régua equilibrada sobre um ponto de apoio — usado para testar o princípio dos momentos 
Um guindaste torre é um problema de momentos: o momento do contrapeso em relação à torre equilibra o momento da carga Exemplo resolvido. Uma barra uniforme de comprimento $L$ e peso $W = 28\ \text{N}$ está articulado em uma parede em uma extremidade e mantido horizontal por um cabo na outra extremidade. O cabo forma um ângulo $40°$ com a barra. Encontre a tração $T$ no cabo.

Uma barra articulada sustentada por um cabo: tirar momentos em relação à articulação elimina a força desconhecida da articulação Tire momentos em relação à articulação, para que a força desconhecida da articulação desapareça. O peso atua no centro, a uma distância $L/2$ da articulação: seu momento é $W \times L/2$, horário. A tração atua na extremidade, mas não perpendicularmente à barra, então seu momento é $T\sin 40° \times L$, anti-horário (apenas o componente de $T$ perpendicular à barra o faz girar). Iguale-os:
$$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$O comprimento $L$ se cancela, que é a razão pela qual a questão não precisa fornecê-lo. Se uma carga pendura da barra também, adicione seu momento no lado horário. Esta é a estrutura de quase todas as questões de momentos: escolha o pivô onde a força desconhecida atua, use o componente perpendicular de qualquer força inclinada e deixe os comprimentos desconhecidos se cancelarem.
Exemplo resolvido. Uma viga uniforme de peso $200\ \text{N}$ e comprimento $9.0\ \text{m}$ repousa sobre dois apoios, X a $1.0\ \text{m}$ da extremidade esquerda e Y a $6.5\ \text{m}$. Uma pessoa de peso $700\ \text{N}$ fica em pé a $1.7\ \text{m}$ de Y, além dele. Encontre a força de cada apoio.

Uma viga sobre dois apoios: momentos em relação a um apoio dão a força do outro apoio; a soma das forças dá então a primeira Duas forças desconhecidas, $R_{\text{X}}$ e $R_{\text{Y}}$, então tome momentos em relação a X para eliminar $R_{\text{X}}$. O peso da viga atua no seu centro, $3.5\ \text{m}$ de X; Y está $5.5\ \text{m}$ de X; a pessoa está $7.2\ \text{m}$ de X:
$$R_{\text{Y}} \times 5.5 = 200 \times 3.5 + 700 \times 7.2 \quad\Rightarrow\quad R_{\text{Y}} = \frac{700 + 5040}{5.5} = 1040\ \text{N}.$$Então a força resultante é zero: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, então $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. Uma resposta negativa significa que a viga se soltaria de X: com a pessoa tão longe além de Y, X deve segurar a viga para baixo, não para cima. As questões frequentemente perguntam onde uma pessoa pode ficar antes que a vira a viga; essa é a posição na qual $R_{\text{X}}$ se torna zero.
Triângulo vetorial
Três forças no mesmo plano que estão em equilíbrio podem ser desenhadas como um triângulo vetorial fechado 矢量三角形 — desenhados ponta a cauda, as três setas retornam ao ponto inicial. Este é um método de desenho em vez de decompor em componentes 分量.

Três forças em equilíbrio formam um triângulo vetorial fechado Use a lei dos senos 正弦定理 ou a lei dos cossenos 余弦定理 no triângulo para encontrar tamanhos ou direções desconhecidos, ou desenhe o triângulo em escala em papel quadriculado.
Você também pode decompor cada força em componentes horizontais 水平 e verticais 竖直 e igualar $\sum F_{x} = 0$ e $\sum F_{y} = 0$.
Para obter os pontos ao desenhar o triângulo: desenhe primeiro o peso (vertical, em escala), depois adicione as outras duas forças ponta a cauda em suas direções reais, de modo que a terceira seta feche o triângulo; rotule todos os lados com sua força e marque os ângulos. Para um bloco apoiado em uma inclinação, as três forças são o peso (vertical), a força de contato normal (perpendicular à inclinação) e o atrito (ao longo da inclinação), então o triângulo é retângulo com o peso como hipotenusa. Para um quadro pendurado por uma corda sobre um alfinete, as duas tensões iguais formam um triângulo isósceles com o peso. O teste de qualquer resposta é que o triângulo feche; se não fechar, o objeto não está em equilíbrio.
Exemplo resolvido. Uma polia de peso desprezível é sustentada por uma mola. Um único cabo passa sob a polia, e cada lado do cabo forma $30°$ com a vertical. A tensão no cabo é $T = 60\ \text{N}$. Encontre a força da mola e a extensão da mola, dado que sua constante elástica é $2000\ \text{N m}^{-1}$.

Uma polia sustentada por uma mola: as duas tensões no mesmo cabo são iguais, e a força da mola equilibra seus componentes verticais Por ser um cabo contínuo, a tensão é a mesma em ambos os lados. As duas tensões puxam para baixo e para fora; seus componentes horizontais se cancelam e seus componentes verticais somam-se, então a mola deve puxar para cima com $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$. Da lei de Hooke (tópico 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. Se o ângulo em relação à vertical aumenta, $\cos\theta$ diminui, então a força da mola e a extensão diminuem: o cabo está puxando mais lateralmente e menos para cima.
ExplorarForças em equilíbrio
Quando as forças estão equilibradas, a resultante é zero — os vetores formam um loop fechado. Arraste as setas para mantê-las se cancelando.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ 力矩原理 lì jǔ yuán lǐ equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng plumb line/plʌm laɪn/ 铅垂线 qiān chuí xiàn clockwise/ˈklɒkwaɪz/ 顺时针 shùn shí zhēn anticlockwise/ˌæntɪˈklɒkwaɪz/ 逆时针 nì shí zhēn component/kəmˈpəʊnənt/ 分量 fèn liàng vector triangle/ˈvektə ˈtraɪæŋɡl/ 矢量三角形 shǐ liàng sān jiǎo xíng closed vector triangle/kləʊzd ˈvektə ˈtraɪæŋɡl/ 矢量三角形 shǐ liàng sān jiǎo xíng sine rule/saɪn ruːl/ 正弦定理 zhèng xián dìng lǐ cosine rule/ˈkəʊsaɪn ruːl/ 余弦定理 yú xián dìng lǐ 4.3
Densidade
Programa
- definir e usar densidade
- definir e usar pressão
- derivar, das definições de pressão e densidade, a equação para pressão hidrostática $\Delta p = \rho g \Delta h$
- usar a equação $\Delta p = \rho g \Delta h$
- compreender que a empuxo atuando em um objeto em um fluido deve-se a uma diferença de pressão hidrostática
- calcular o empuxo atuando em um objeto em um fluido usando a equação $F = \rho g V$ (princípio de Arquimedes)
Fonte: Programa Cambridge International

Um iceberg flutua com a maior parte de seu volume oculto: o gelo é ligeiramente menos denso que a água. Densidade 密度 é a massa por unidade de volume:
$$\rho = \frac{m}{V}.$$Unidade: $\text{kg m}^{-3}$ (ou $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). Densidade é uma escalar 标量.
Algumas densidades úteis para saber:
- água: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
- ar em condições ambientes: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
- ferro / aço: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$
Medir densidade é uma questão prática disfarçada. Para um paralelepípedo, meça a massa em uma balança e os três comprimentos laterais com uma régua ou paquímetro, então $\rho = m / (xyz)$. Como a densidade é um produto e quociente, a incerteza percentual em $\rho$ é a soma das incertezas percentuais em $m$, $x$, $y$ e $z$ (tópico 1). Um erro de zero na balança, ou uma régua cuja extremidade está desgastada, é um erro sistemático; repetir as leituras não o remove, mas subtrair a leitura de zero sim.
Exemplo resolvido. Um bloco tem massa $(120 \pm 1)\ \text{g}$ e lados $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ e $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. Encontre sua densidade e a incerteza percentual.
$\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. As incertezas percentuais são $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ e $5.0\%$, então a densidade tem incerteza de $12\%$, cerca de $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. O lado mais curto contribui mais, que é por que uma pergunta pede qual medição melhorar primeiro.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù floating/ˈfləʊtɪŋ/ 漂浮 piāo fú scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng 4.3
Pressão
Pressão 压强 é a força por unidade de área, onde a força atua perpendicularmente à superfície:
$$p = \frac{F}{A}.$$Unidade: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. Pressão é uma escalar.
A força é a que pressiona perpendicularmente à superfície, e a área é a área de contato. Um tronco de árvore de peso $9.0\ \text{kN}$ em pé sobre um poste de diâmetro $0.28\ \text{m}$ pressiona com $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; o mesmo peso sobre um poste mais largo resulta em menor pressão. Converta diâmetros em raios, e centímetros em metros, antes de elevar ao quadrado.

Um barômetro aneroide de precisão mede a pressão atmosférica Pressão hidrostática
Considere uma coluna de fluido 流体 com densidade $\rho$, área transversal 横截面积 $A$ e altura $\Delta h$. Seu peso é
$$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$Esse peso pressiona para baixo sobre a área $A$ na base, então a pressão extra na base comparada com o topo é
$$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$Esta é a equação da pressão hidrostática 流体静压强. Ela depende apenas da densidade do fluido e da profundidade 深度 — a forma do recipiente não importa.
Exemplo resolvido. Encontre a pressão extra devido à água na base de uma piscina de profundidade $2.5\ \text{m}$. (Densidade da água $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
$$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$
Uma coluna de líquido de área $A$: seu peso determina a pressão adicional na profundidade abaixo Para um submarino na profundidade $h$ abaixo da superfície, a pressão da água é $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. Para a pressão total, some a pressão atmosférica 大气压强 na superfície (cerca de $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$).
Empuxo e princípio de Arquimedes
Quando um objeto está submerso 浸没 em um fluido, a pressão na parte inferior do objeto é maior que a pressão na parte superior (por $\rho g \Delta h$, onde $\Delta h$ é a altura do objeto). Essa diferença gera uma força líquida para cima chamada empuxo 浮力.

O empuxo surge porque a pressão na parte inferior do objeto é maior que na parte superior Para um objeto de volume $V$ (o volume de fluido deslocado 排开), o empuxo é
$$F_{\text{upthrust}} = \rho_{\text{fluid}}\, g\, V.$$Este é o princípio de Arquimedes 阿基米德原理: o empuxo sobre um corpo em um fluido é igual ao peso do fluido que ele empurrou para fora.
Exemplo resolvido. Um bloco metálico de volume $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ está totalmente submerso em água. Encontre o empuxo sobre ele. (Densidade da água $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
$$F_{\text{upthrust}} = \rho_{\text{fluid}}\, g\, V = 1000 \times 9.81 \times 2.0 \times 10^{-3} \approx 20\ \text{N}.$$Para um objeto totalmente submerso, $V$ é seu volume total. Para um objeto flutuante 漂浮, $V$ é apenas o volume abaixo da superfície — o objeto flutua quando o empuxo na parte abaixo da superfície é igual ao seu peso.
Se um objeto flutua ou não depende das densidades: para um objeto totalmente submerso, a razão entre empuxo e peso é $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, então ele flutua se for menos denso que o fluido e afunda se for mais denso. Reduzir pela metade a densidade do objeto dobra essa razão; alterar seu volume ou a profundidade não muda nada.
Exemplo resolvido. Um cilindro de massa $11\ \text{kg}$ e diâmetro $0.78\ \text{m}$ flutua verticalmente na água de densidade $990\ \text{kg m}^{-3}$. Encontre a profundidade $y$ de sua base abaixo da superfície.
Flutuar significa empuxo $=$ peso. O volume submerso é a área da base vezes a profundidade, $A y$, com $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:
$$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$Cada newton extra de carga no cilindro precisa de uma profundidade extra de $1 / (\rho g A)$, então a profundidade aumenta em linha reta com o peso adicionado, independentemente de onde no cilindro ele seja colocado.

Um objeto flutuante afunda até que o empuxo na parte submersa seja igual ao seu peso Equilíbrio de forças com empuxo
Um bloco segurado debaixo d'água por uma corda amarrada ao fundo do recipiente está em equilíbrio sob três forças verticais: peso (para baixo), tensão 张力 (para baixo), empuxo (para cima). Iguale $F_{\text{upthrust}} = W + T$ para encontrar a tensão.
Um bloco submerso pendurado em um dinamômetro 弹簧测力计 mostra menos que seu peso no ar, devido ao empuxo: leitura $= W - F_{\text{upthrust}}$.
Exemplo resolvido. Um cilindro de peso $25.0\ \text{N}$ pendura-se em um dinamômetro totalmente submerso em água, e o instrumento lê $10.0\ \text{N}$. Encontre o volume do cilindro.
O empuxo é o $15.0\ \text{N}$ faltante, e empuxo $= \rho g V$, logo $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. O mesmo método encontra a densidade do cilindro: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$.
O empuxo depende da densidade do fluido e do volume deslocado, não do material do objeto ou da profundidade (para um fluido incompressível 不可压缩). Em um planeta com $g$ menor, o empuxo é menor na mesma proporção do peso, então um objeto flutuante ainda flutua com a mesma fração abaixo da superfície.
ExplorarPressão com profundidade
p = ρg·h
A pressão é proporcional à profundidade — o gradiente é ρg.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/ 大气压强 dà qì yā qiáng hydrostatic pressure/ˌhaɪdrəˈstætɪk ˈpreʃə/ 流体静压强 liú tǐ jìng yā qiáng fluid/ˈfluːɪd/ 流体 liú tǐ cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī depth/depθ/ 深度 shēn dù upthrust/ˈʌpθrʌst/ 浮力 fú lì Archimedes' principle/ˌɑːkɪˈmiːdiːz ˈprɪnsɪpl/ 阿基米德原理 ā jī mǐ dé yuán lǐ submerged/səbˈmɜːdʒd/ 浸没 jìn mò displaced/dɪˈspleɪst/ 排开 pái kāi newton meter/ˈnjuːtn ˈmiːtə/ 弹簧测力计 tán huáng cè lì jì incompressible/ˌɪnkəmˈpresəbl/ 不可压缩 bù kě yā suō 4.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição centro de gravidade o ponto no qual todo o peso de um objeto pode ser considerado atuando momento de uma força o produto da força e a distância perpendicular do ponto à linha de ação da força binário um par de forças iguais e opostas cujas linhas de ação não coincidem, que produz apenas rotação torque de um par o produto de uma das forças e a distância perpendicular entre as linhas de ação das forças princípio dos momentos para um corpo em equilíbrio, a soma dos momentos horário em relação a qualquer ponto é igual à soma dos momentos anti-horário em relação a esse ponto equilíbrio o estado de um corpo sobre o qual a força resultante e o torque resultante são ambos zero densidade massa por unidade de volume pressão força por unidade de área, onde a força atua perpendicularmente à superfície empuxo a força ascendente sobre um corpo em um fluido causada pela pressão ser maior em sua superfície inferior do que em sua superfície superior Princípio de Arquimedes a força de empuxo sobre um corpo em um fluido é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo 4.3
Dicas de prova
- Calcule os momentos em relação a uma articulação escolhida; para o equilíbrio, o momento total horário $=$ o momento total anti-horário e a força resultante é zero.
- Um corpo em equilíbrio sob três forças forma um triângulo fechado de forças.
- Pressão do fluido $= \rho g h$; empuxo $=$ peso do fluido deslocado (Arquimedes).
- Diferencie massa, peso e densidade, e forneça a unidade base de cada um.
Erros comuns
- Resolva com $\cos\theta$ quando a geometria exigir $\sin\theta$. Desenhe o triângulo e verifique de que lado do ângulo está o cateto adjacente antes de escolher.
- Substituir o peso do objeto onde a questão trata do empuxo sobre ele. O empuxo é o peso do fluido deslocado, $\rho_{\text{fluid}} V g$.
- Esquecer o peso de uma viga uniforme. Ele atua no centro e tem um momento em relação a qualquer articulação que não esteja no centro.
- Usar a distância ao longo da barra para uma força inclinada. O momento precisa da distância perpendicular ou da componente perpendicular da força.
- Calcular o torque de um bin como $Fd$ com $d$ medido a partir da articulação. A distância é entre as duas linhas de ação, então um bin simétrico dá $2Fd$.
-
5
Trabalho, energia e potência
Assistir aula5.1
Trabalho, energia e potência
Programa
- compreender o conceito de trabalho, e recordar e usar $\text{work done} = \text{force} \times \text{displacement in the direction of the force}$
- recordar e aplicar o princípio de conservação de energia
- recordar e compreender que a eficiência de um sistema é a razão entre a energia útil de saída do sistema e a energia total de entrada
- usar o conceito de eficiência para resolver problemas
- definir potência como trabalho realizado por unidade de tempo
- resolver problemas usando $P = W/t$
- derivar $P = Fv$ e usá-la para resolver problemas
Fonte: Programa Cambridge International

As turbinas eólicas transferem a energia cinética do vento para energia elétrica. Trabalho realizado por uma força
Trabalho 功 é realizado quando uma força desloca seu ponto de aplicação ao longo da linha de ação da força. Para a definição de uma marca, escreva: trabalho realizado é o produto da força pela distância percorrida na direção da força. O trabalho realizado por uma força constante $F$ que causa um deslocamento 位移 $s$ é
$$W = F \cdot s \cdot \cos\theta,$$onde $\theta$ é o ângulo entre a força e o deslocamento. Apenas a componente 分量 da força ao longo do deslocamento realiza trabalho.

Apenas a componente da força ao longo do deslocamento ($F\cos\theta$) realiza trabalho Exemplo resolvido. Uma criança puxa um trenó $5.0\ \text{m}$ sobre a neve com uma corda, usando uma força de $20\ \text{N}$ a $60°$ em relação ao chão. Encontre o trabalho realizado pela corda.
$$W = Fs\cos\theta = 20 \times 5.0 \times \cos 60° = 20 \times 5.0 \times 0.50 = 50\ \text{J}.$$Unidade: $\text{J} = \text{N m}$. Trabalho é uma grandeza escalar 标量.
Casos especiais:
- força na mesma direção do movimento ($\theta = 0$): $W = Fs$, trabalho positivo, energia 能量 fornecida ao objeto.
- força em ângulo reto em relação ao movimento ($\theta = 90°$): $W = 0$. A força de contato normal 支持力 sobre um carro em uma estrada plana não realiza trabalho.
- força oposta ao movimento ($\theta = 180°$): $W = -Fs$, trabalho negativo, energia removida do objeto (por exemplo atrito 摩擦力).

Trabalho positivo ($W = +Fs$): força ao longo do movimento (superior). Trabalho negativo ($W = -Fs$): força oposta ao movimento, ex.: atrito (inferior) Para um objeto subindo uma rampa com ângulo $\alpha$ em relação à horizontal 水平, o trabalho realizado contra a gravidade ao subir uma altura $h$ é $mgh$, enquanto o trabalho realizado por um empurrão horizontal sobre o comprimento da rampa $L$ usa $\cos\alpha$.
Dois testes de múltipla escolha da definição: nenhum trabalho é realizado sobre um objeto que desliza com velocidade constante sobre uma superfície sem atrito (nenhuma força ao longo do movimento), ou sobre um que é simplesmente segurado parado (nenhuma distância percorrida); trabalho é realizado quando uma força o levanta. E quando uma caixa é empurrada com velocidade constante sobre um piso áspero, o trabalho realizado pelo empurrão é $F \times d$ para a distância total, independentemente de o trajeto ser dividido em etapas.
Exemplo resolvido. Um bloco de massa $4.9\ \text{kg}$ é empurrado com velocidade constante por uma rampa áspera de comprimento $8.0\ \text{m}$ que sobe $1.5\ \text{m}$, por uma força de $12\ \text{N}$ atuando ao longo da rampa. Encontre o trabalho realizado contra o atrito.

Uma caixa empurrada para cima numa rampa áspera com velocidade constante: o trabalho realizado pelo empurrão paga o ganho em EPGrav, que depende apenas da elevação vertical $h$, e para o trabalho contra o atrito ao longo de todo o comprimento $L$ Velocidade constante significa nenhuma mudança na energia cinética, então o trabalho realizado pelo empurrão é compartilhado entre o ganho em energia potencial gravitacional e o trabalho realizado contra o atrito. Trabalho pelo empurrão: $12 \times 8.0 = 96\ \text{J}$. Ganho em EPGrav, usando a elevação vertical: $4.9 \times 9.81 \times 1.5 = 72\ \text{J}$. Então o trabalho realizado contra o atrito é $96 - 72 = 24\ \text{J}$, e a força de atrito é $24 / 8.0 = 3.0\ \text{N}$. Usar o comprimento da rampa em $mgh$ é o erro mais comum nesta questão.
Conservação de energia
Energia nunca é criada nem destruída — ela apenas muda de uma forma para outra, ou se move de um objeto para outro. Em um sistema isolado 封闭系统, a energia total permanece constante. Isso é conservação de energia 能量守恒, formulado para as marcas como: a energia não pode ser criada nem destruída; ela só pode ser transferida de uma forma para outra (portanto a energia total de um sistema isolado é constante).
Ao escrever uma equação de energia, liste todas as formas nas quais a energia começa e termina. Formas comuns neste programa: cinética, potencial gravitacional, energia potencial elástica 弹性势能, elétrica 电能, térmica, sonora, energia química 化学能.
Uma bola rolando por uma ramp 斜坡 sem atrito 无摩擦 transforma energia potencial gravitacional 重力势能 em energia cinética 动能: $mgh = \tfrac{1}{2} m v^{2}$, então $v = \sqrt{2gh}$. Com atrito, parte dessa energia se torna energia térmica 热能 da rampa e do ar.

Em uma rampa sem atrito, a EPGrav se transforma em EC enquanto a energia total permanece constante Exemplo resolvido. Uma bola é solta do repouso no topo de uma rampa lisa $1.2\ \text{m}$ de altura. Encontre sua velocidade na base (considere $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
Toda a energia potencial gravitacional se torna energia cinética, então $v = \sqrt{2gh}$ (a massa se cancela):
$$v = \sqrt{2 \times 9.81 \times 1.2} \approx 4.9\ \text{m s}^{-1}.$$A mesma ideia lê um gráfico. Para uma bola caindo de altura $H$ com resistência do ar desprezível, a EPGrav cai em linha reta com a altura ($mgh$), a EC sobe em linha reta ($mg(H - h)$), e as duas somam a constante $mgH$ em toda altura.

Uma bola caindo: EPGrav e EC ambas mudam em linha reta com a altura, e a soma é constante A cadeia de energia pode passar por uma mola. Um bloco que atinge uma mola com energia cinética $110\ \text{J}$ enquanto desliza um pouco cuesta abaixo, de modo que sua EPGrav diminui adicionalmente em $20\ \text{J}$ antes que a mola o pare, armazena $110 + 20 = 130\ \text{J}$ de energia potencial elástica na maior compressão, se nada for perdido para o atrito. O gráfico de força versus compressão da mola então fornece a compressão: a energia armazenada é a área sob a linha, $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$ para uma mola que obedece à lei de Hooke (tópico 6), então uma força máxima de $2600\ \text{N}$ significa $x_{0} = 2 \times 130 / 2600 = 0.10\ \text{m}$. Naquele instante, a força resultante sobre o bloco é a força da mola menos a componente do peso para baixo da rampa, e sua aceleração segue de $F = ma$ (tópico 3).

A energia armazenada em uma mola é a área sob seu gráfico de força versus compressão: $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$, que é igual a $\tfrac{1}{2} k x_{0}^{2}$ Eficiência
A eficiência 效率 de um sistema é
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%.$$A mesma ideia com potência:
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%.$$Eficiência é sempre menor que 100% em um sistema real, porque alguma energia de entrada se torna formas "inúteis" — geralmente energia térmica. Se uma energia total $E$ é fornecida e uma quantidade $Q$ é desperdiçada, a saída útil é $E - Q$ e a eficiência é $(E - Q) / E$; um motor classificado com entrada de $1.7\ \text{kW}$ e eficiência $53\%$ entrega $0.53 \times 1.7 = 0.90\ \text{kW}$ de saída útil.

Eficiência: apenas parte da energia de entrada sai como saída útil; o resto é desperdiçado, geralmente como calor Para um motor elétrico levantando uma carga com eficiência $\eta$ a tensão 电压 $V$ e corrente 电流 $I$, a potência de saída útil é $\eta V I$. A partir disso você pode encontrar uma força, uma velocidade de elevação ou uma tensão 张力.
Exemplo resolvido. Um motor elétrico levanta uma carga de $50\ \text{kg}$ a uma velocidade constante de $0.40\ \text{m s}^{-1}$ enquanto consome $250\ \text{W}$ de potência elétrica. Encontre sua eficiência (considere $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
A potência de saída útil é $P = mgv = 50 \times 9.81 \times 0.40 = 196\ \text{W}$, então
$$\text{efficiency} = \frac{196}{250} \times 100\% \approx 78\%.$$Exemplo resolvido. Um motor levanta um bloco com uma força de $240\ \text{N}$ por uma distância vertical de $12\ \text{m}$ em $60\ \text{s}$. A potência de entrada para o motor é $900\ \text{W}$. Encontre a potência de saída útil e a eficiência.
Trabalho realizado no bloco: $W = Fd = 240 \times 12 = 2880\ \text{J}$. Potência de saída útil: $P = W / t = 2880 / 60 = 48\ \text{W}$. Eficiência: $48 / 900 \times 100\% = 5.3\%$. A maior parte da entrada vai para energia térmica no motor e em seu cabo. Invertendo, um motor de elevador com saída útil de $20\ \text{kW}$ levantando $1500\ \text{kg}$ por $20\ \text{m}$ consome $t = mgh / P = 1500 \times 9.81 \times 20 / 20\,000 = 15\ \text{s}$.
ExplorarFluxo de energia & eficiência
A energia de entrada divide-se em trabalho útil e energia dissipada; eficiência = útil ÷ entrada, e útil + dissipada sempre iguala a entrada.
ExplorarTrabalho, energia e potência
PE + CE = constante
Trabalho transfere energia; ao cair, PE torna-se KE com o total fixo.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin work/wɜːk/ 功 gōng energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng electrical/ɪˈlektrɪkl/ 电能 diàn néng electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ 电能 diàn néng displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí component/kəmˈpəʊnənt/ 分量 fèn liàng horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ 水平 shuǐ píng scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng normal contact force/ˈnɔːml ˈkɒntækt fɔːs/ 支持力 zhī chí lì friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù frictionless/ˈfrɪkʃənləs/ 无摩擦 wú mó cā ramp/ræmp/ 斜坡 xié pō thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能 rè néng spring/sprɪŋ/ 弹簧 tán huáng compression/kəmˈpreʃn/ 压缩 yā suō efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 效率 xiào lǜ voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ 电压 diàn yā current/ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì drag/dræɡ/ 阻力 zǔ lì momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 劲度系数 jìn dù xì shù projectile/prəˈdʒektaɪl/ 抛体 pāo tǐ bungee jumper/ˈbʌndʒiː ˈdʒʌmpə/ 蹦极者 bèng jí zhě 5.1
Potência
Potência 功率 é a taxa de realização de trabalho, ou a taxa de transferência de energia:

Mesmo trabalho realizado em menos tempo significa mais potência $$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{\Delta t}.$$Unidade: $\text{W} = \text{J s}^{-1}$. Potência é uma grandeza escalar.
Potência, força e velocidade
Para um objeto movendo-se com velocidade 速度 $v$ com uma força $F$ ao longo da direção do movimento, em um curto intervalo de tempo $\Delta t$ o deslocamento é $v\,\Delta t$ e o trabalho realizado é $F v\,\Delta t$. Dividindo por $\Delta t$:
$$P = F v.$$Este é um dos resultados mais úteis da mecânica. Uma resposta de "dedução $P = Fv$" precisa exatamente dessas três linhas: $P = W / t$, $W = Fs$ para uma força ao longo do movimento, e $s / t = v$; então use-o para resolver problemas em que um veículo ou carga se move a velocidade constante.
Exemplo resolvido. Um carro viaja a uma velocidade constante de $25\ \text{m s}^{-1}$ contra uma força resistiva total de $600\ \text{N}$. Encontre a potência de saída do seu motor.
A velocidade constante a força motriz é igual à força resistiva, portanto
$$P = Fv = 600 \times 25 = 15\,000\ \text{W} = 15\ \text{kW}.$$- Para um carro com velocidade constante $v$ em uma estrada plana, a potência do motor deve equilibrar a força resistiva total: $P = F_{\text{resist}} \cdot v$. Se o arrasto 阻力 aumenta com $v^{2}$, dobrar a velocidade aproximadamente quadruplica a potência necessária.
- Para levantar um peso 重力 $mg$ verticalmente a velocidade constante $v$, a potência útil de saída é $P = mg \cdot v$.
- Para uma aeronave pairando a altura fixa, a força de sustentação é igual ao peso, e uma grande potência é necessária porque o ar deve ser empurrado para baixo o tempo todo.
- Uma guindaste elevando $600\ \text{kg}$ a uma velocidade constante de $12\ \text{m}$ por minuto levanta a $v = 0.20\ \text{m s}^{-1}$, então sua potência útil de saída é $mgv = 600 \times 9.81 \times 0.20 = 1.2\ \text{kW}$. Converta a velocidade para $\text{m s}^{-1}$ primeiro.
- Um veleiro empurrado por uma força de vento constante a velocidade constante também deve sentir uma força resistiva igual da água: velocidade constante significa força resultante zero, então a potência do vento $Fv$ está toda sendo usada no trabalho contra a água.

Uma estação hidrelétrica tem capacidade em megawatts: a energia da água armazenada, dividida pelo tempo necessário para liberá-la 5.2
Energia potencial gravitacional
Programa
- derivar, usando $W = Fs$, a fórmula $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ para mudanças na energia potencial gravitacional em um campo gravitacional uniforme
- lembre-se e use a fórmula $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ para mudanças de energia potencial gravitacional em um campo gravitacional uniforme
- derive, usando as equations of motion, a fórmula para energia cinética $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
- recordar e usar $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
Fonte: Programa Cambridge International
Troca de energia em um pêndulo Em um campo gravitacional uniforme (perto da superfície de um planeta), a variação na energia potencial gravitacional de massa 质量 $m$ subindo ou descendo uma altura $\Delta h$ é
$$\Delta E_{\text{P}} = m g \Delta h.$$De onde vem
O trabalho feito contra a gravidade para elevar uma massa $m$ lentamente (sem mudança na energia cinética) através de uma altura $\Delta h$ é igual à energia potencial gravitacional ganho:
- a força gravitacional sobre a massa é $mg$ para baixo,
- a força necessária para levantá-la lentamente é $mg$ para cima,
- o trabalho feito por essa força é $W = F \cdot s = mg \cdot \Delta h$,
- esse trabalho torna-se $\Delta E_{\text{P}}$.
Então $\Delta E_{\text{P}} = mg \Delta h$. Para usá-lo você precisa de $m$ e $\Delta h$ (e $g$). Você não precisa de velocidade ou tempo. A dedução de duas marcas quer as mesmas quatro linhas, com a condição declarada: o bloco é elevado a velocidade constante, então a força de levantamento é igual ao peso $mg$, e o trabalho feito por essa força sobre a distância vertical $\Delta h$ é $mg\Delta h$, que é o ganho na energia potencial gravitacional. Um objeto $100\ \text{g}$ caindo $10\ \text{m}$ perde $0.100 \times 9.81 \times 10 = 9.8\ \text{J}$, cerca de $10\ \text{J}$; a massa deve estar em quilogramas.

A energia potencial gravitacional depende apenas da altura subida, não do caminho percorrido 
Um trem de montanha-russa puxado para cima da colina: o trabalho feito contra a gravidade é armazenado como energia potencial gravitacional Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin mass/mæs/ 质量 zhì liàng weight/weɪt/ 重力 zhòng lì gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力势能 zhòng lì shì néng conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ 封闭系统 fēng bì xì tǒng elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 弹性势能 tán xìng shì néng chemical energy/ˈkemɪkl ˈenədʒi/ 化学能 huà xué néng 5.2
Energia cinética
A energia cinética de um objeto de massa $m$ movendo-se a velocidade $v$ é
$$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$De onde vem
Aplique uma força resultante $F$ a uma massa $m$ que começa em repouso. Ela acelera uniformemente de $0$ para $v$ ao longo de um deslocamento $s$. De $v^{2} = u^{2} + 2as$ com $u = 0$,
$$s = \frac{v^{2}}{2a}.$$O trabalho feito na massa é
$$W = F \cdot s = m a \cdot \frac{v^{2}}{2a} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$Todo esse trabalho torna-se energia cinética, então $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$. No exame, declare as suposições conforme avança: o objeto parte do repouso, a força é constante, então a aceleração é uniforme, e $F = ma$ é a segunda lei de Newton.
Porque $E_{\text{K}} \propto v^{2}$, quadruplicar a velocidade multiplica a energia cinética por dezesseis: um objeto com $1500\ \text{J}$ a $10\ \text{m s}^{-1}$ tem $24\,000\ \text{J}$ a $40\ \text{m s}^{-1}$. O mesmo quadrado é por que uma força de parada é encontrada a partir da energia: uma bola de massa $1.2\ \text{kg}$ movendo-se a $3.0\ \text{m s}^{-1}$ que é parada por uma almofada sobre $0.020\ \text{m}$ perde $\tfrac{1}{2} \times 1.2 \times 3.0^{2} = 5.4\ \text{J}$, então a força média sobre ela é $5.4 / 0.020 = 270\ \text{N}$: o trabalho feito pela almofada é igual à energia cinética perdida.
Energia cinética e momento
Combinando $p = mv$ e $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$:
$$E_{\text{K}} = \frac{p^{2}}{2m}.$$Isso é útil quando o momento 动量 é dado mas não a velocidade. Para uma mudança de momento de $p_{1}$ para $p_{2}$ a massa constante, a mudança na energia cinética é $(p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) / (2m)$.

Um saltador com vara: a energia cinética da corrida é armazenada na vara curvada, depois devolvida como altura ExplorarEnergia cinética e potencial
PE + CE = constante
Potencial energia se transforma em cinética energia — o total nunca muda.
5.2
Usando métodos de energia
Um plano útil para problemas que misturam forças e energia:
- Encontre os estados inicial e final. Escreva as energias cinéticas e potenciais em cada.
- Liste qualquer trabalho feito por forças externas (atrito, empurrão). O atrito geralmente remove energia; um empurrão pode adicioná-la.
- Conservação de energia: $E_{\text{start}} + W_{\text{in}} = E_{\text{end}} + W_{\text{lost as heat etc.}}$.
Exemplos:
- Uma caixa empurrada a velocidade constante para cima de uma rampa de comprimento $L$ subindo por $h$: $E_{\text{K}}$ não muda, então o trabalho feito pelo empurrão vai para $\Delta E_{\text{P}}$ mais o trabalho feito contra o atrito.
- Um bloco deslizando para dentro de uma mola 弹簧 com energia cinética $E_{\text{K}}$ em uma superfície sem atrito: na maior compressão 压缩 $x$, toda a energia cinética tornou-se energia potencial elástica $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ (onde $k$ é a constante da mola 劲度系数).
- Uma bola solta de altura $h_{1}$ que quica até altura $h_{2}$: a razão $h_{2}/h_{1}$ é a fração de energia mecânica mantida, $h_{2}/h_{1} = (v_{\text{up}}/v_{\text{down}})^{2}$.
- Um projétil 抛体 lançado até a mesma altura em diferentes ângulos: a velocidade final é a mesma (apenas a altura importa); use componentes para obter sua direção.
- Um saltador de bungee 蹦极者: da plataforma até o ponto onde a corda fica esticada, EPG torna-se EC; daí a corda se estica e leva energia como energia potencial elástica, então a EC atinge seu máximo onde a tração da corda primeiramente iguala o peso, depois cai a zero no ponto mais baixo, onde EPG perdido $=$ EP elástica armazenada (mais qualquer energia térmica).

A energia cinética de um bloco torna-se energia potencial elástica enquanto comprime a mola ExplorarConservação de energia
Solte a massa e observe a EPE se transformar em EC. Sem atrito, a energia total permanece a mesma — esse é o método energético.
5.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição trabalho feito por uma força o produto da força e a distância percorrida na direção da força princípio de conservação de energia a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transferida de uma forma para outra, então a energia total de um sistema fechado é constante eficiência a razão entre a energia útil (ou potência) de saída de um sistema para a energia total (ou potência) de entrada, geralmente como porcentagem potência o trabalho feito por unidade de tempo, ou a taxa na qual a energia é transferida energia potencial gravitacional a energia que um objeto possui devido à sua posição em um campo gravitacional energia cinética a energia que um objeto possui devido ao seu movimento energia potencial elástica a energia armazenada em um objeto que foi esticado ou comprimido 5.2
Dicas de prova
- Trabalho $=$ força $\times$ distância percorrida na direção da força — use $Fs\cos\theta$ quando estão em um ângulo.
- Use conservação de energia: perda em EPG $=$ ganho em EC ($+$ trabalho feito contra resistência).
- Potência $=$ trabalho $/$ tempo $= Fv$; eficiência $=$ saída útil $\div$ entrada total.
- EPG usa a altura vertical ganha, não a distância ao longo de uma inclinação.
Erros comuns
- Dar a mudança na altura como a resposta para uma pergunta de mudança de energia. Termine o cálculo: $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$.
- Usar a distância ao longo de uma inclinação como a altura em $mg\Delta h$, ou usar massa onde peso é necessário. Use a altura vertical ganha, e verifique se a quantidade desejada é $m$ em kg ou $W$ em N.
- Colocar a força resistiva em $P = Fv$ para um carro que está acelerando. $F$ é a força motriz; apenas a velocidade constante ela é igual à força resistiva.
- Eficiência acima de 100%, ou eficiência como saída dividida pelo desperdício. É a saída útil dividida pela entrada total, e a entrada total é sempre o número maior.
- Ler a inclinação de um gráfico de força-extensão quando a questão quer a energia. A energia armazenada é a área sob a linha, não sua inclinação.
-
6
Deformação de sólidos
Assistir aula6.1
Forças que causam deformação
Programa
- compreenda que deformation é causada por tensile ou compressive forces (forças e deformações serão assumidas como sendo apenas em uma dimensão)
- compreenda e use os termos load, extensão, compression e limit of proportionality
- lembre-se e use Lei de Hooke
- lembre-se e use a fórmula para a spring constant $k = F/x$
- defina e use os termos stress, strain e o Young modulus
- descreva um experimento para determinar o Young modulus de um metal na forma de um fio
Fonte: Programa Cambridge International
Lei de Hooke & limite elástico Quando uma força atua em um sólido ao longo de seu comprimento, o objeto muda de forma (deformação 形变). Dois casos (tratados aqui como unidimensionais):
- uma força tracionante 拉伸 estica o objeto — faz uma extensão 伸长量 $x$,
- uma força compressiva aperta o objeto — faz uma compressão 压缩, tratada como uma extensão negativa.
A força aplicada é a carga 负载. A mudança do comprimento natural é a extensão (ou compressão).
Ambos são medidos a partir do comprimento natural, não esticado, nunca a partir do comprimento carregado: em um diagrama de uma mola sob uma caixa, a distância que a mola encurtou é sua compressão. A massa própria de uma mola geralmente é dita negligenciável 可忽略的, então as únicas forças sobre ela são a carga e a tensão que ela fornece.
ExplorarMola da lei de Hooke
Pendure uma carga na mola real: até o limite elástico, a extensão é proporcional à força; além dele, a mola fica esticada permanentemente.
6.1
Lei de Hooke e a constante da mola

Uma mola obedece à Lei de Hooke: a extensão é proporcional à força aplicada. Para muitos materiais em pequenas extensões, a extensão é proporcional à carga — isso é a Lei de Hooke 胡克定律. A constante que os liga é a constante da mola 劲度系数 $k$:
$$F = kx \qquad\Longleftrightarrow\qquad k = \frac{F}{x}.$$Unidade de $k$: $\text{N m}^{-1}$.
Exemplo resolvido. Uma mola estica-se em $4.0\ \text{cm}$ quando uma carga de $2.0\ \text{N}$ é pendurada nela. Encontre sua constante da mola.
Convertendo a extensão para metros ($4.0\ \text{cm} = 0.040\ \text{m}$):
$$k = \frac{F}{x} = \frac{2.0}{0.040} = 50\ \text{N m}^{-1}.$$Para a questão de um ponto "enuncie a lei de Hooke", escreva-a em palavras: a extensão é diretamente proporcional à força aplicada (carga), desde que o limite de proporcionalidade não seja excedido. A constante da mola é a força por unidade de extensão; as alternativas incorretas de múltipla escolha são "extensão por unidade de força" (isto é $1/k$) e $\tfrac{1}{2}Fx$ (a energia armazenada).

Um gráfico de carga–extensão: reto até o limite de proporcionalidade $P$, depois curva Lendo um gráfico:
- Um gráfico de força–extensão ($F$ contra $x$) tem inclinação $k$ na região da lei de Hooke.
- Um gráfico de extensão–força ($x$ contra $F$) tem inclinação $1/k$ na região da lei de Hooke.
Uma armadilha comum: se um gráfico plota comprimento $L$ contra força, você ainda pode encontrar a constante da mola a partir da inclinação (já que $L = L_{0} + F/k$, a inclinação é $1/k$ — leia com cuidado).
Exemplo resolvido. Uma mola tem comprimento $90\ \text{mm}$ sob uma força de $0.80\ \text{N}$ e $115\ \text{mm}$ sob $1.30\ \text{N}$. Encontre a constante da mola e o comprimento sem alongamento.
A força extra $0.50\ \text{N}$ produz a extensão extra $25\ \text{mm} = 0.025\ \text{m}$, então $k = 0.50 / 0.025 = 20\ \text{N m}^{-1}$. Em $0.80\ \text{N}$ a extensão é $x = F/k = 0.80 / 20 = 0.040\ \text{m}$, então o comprimento sem alongamento é $90 - 40 = 50\ \text{mm}$. Em um gráfico de comprimento contra força, o intercepto no eixo do comprimento é $L_{0}$, a inclinação é $1/k$, e o trabalho realizado ao esticar a mola é o triângulo entre a linha e o nível $L = L_{0}$, não toda a área até o eixo da força: o retângulo abaixo $L_{0}$ é o comprimento sem alongamento multiplicado pela força, o que não significa nada.

Comprimento contra força: o intercepto é $L_{0}$, a inclinação é $1/k$, e apenas o triângulo acima de $L_{0}$ é o trabalho realizado Limite de proporcionalidade
A lei de Hooke só vale até o limite de proporcionalidade 比例极限. Após esse ponto, a linha de $F$ contra $x$ curva-se e deixa de ser reta. O material ainda pode ser elástico 弹性 (retorna ao seu primeiro comprimento quando você remove a carga) um pouco mais, depois torna-se plástico 塑性.
Molas em série e paralelo
Você pode precisar combinar constantes de mola:
- Série 串联 (uma mola pendurada de outra): a mesma carga passa por ambas, a extensão total é a soma, então $\dfrac{1}{k_{\text{total}}} = \dfrac{1}{k_{1}} + \dfrac{1}{k_{2}}$.
- Paralelo 并联 (duas molas lado a lado segurando a mesma carga): cada uma suporta metade da carga (se forem idênticas), as extensões são iguais, então $k_{\text{total}} = k_{1} + k_{2}$.

Combinando constantes de mola: série resulta em uma mola mais macia, paralelo em uma mais rígida Exemplo resolvido. Molas de constante $6.0\ \text{N cm}^{-1}$ e $4.0\ \text{N cm}^{-1}$ são unidas ponta a ponta e uma carga de $80\ \text{N}$ pende delas. Encontre a extensão total.
Cada mola carrega a carga completa $80\ \text{N}$, então as extensões são $80/6.0 = 13.3\ \text{cm}$ e $80/4.0 = 20\ \text{cm}$: um total de $33\ \text{cm}$ (o mesmo que $k = 2.4\ \text{N cm}^{-1}$ de $1/k = 1/6.0 + 1/4.0$). Três molas idênticas dão a maior constante combinada quando todas estão em paralelo ($3k$) e a menor quando todas estão em série ($k/3$). Quando uma carga é dividida por duas molas idênticas em paralelo, cada uma carrega metade da força e, portanto, armazena um quarto da energia de uma mola segurando a carga inteira; o par juntos armazena metade da energia da única mola. Uma constante de mola em $\text{N cm}^{-1}$ é $100$ vezes menor do que a mesma constante em $\text{N m}^{-1}$; dê a unidade que a pergunta solicitar.
ExplorarLei de Hooke
F = k·x
A força é proporcional à extensão — a inclinação é a constante da mola k.
ExplorarLei de Hooke
F = kx
Até o limite, a extensão é proporcional à força — o gradiente é a constante da mola k.
ExplorarLei de Hooke: F = kx
F = ax
Arraste a constante da mola. A força é proporcional à extensão — uma linha reta pela origem cujo gradiente é a constante da mola.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin extension/ekˈstenʃn/ 伸长量 shēn cháng liàng compression/kəmˈpreʃn/ 压缩 yā suō load/ləʊd/ 负载 fù zài negligible/ˈneɡlɪdʒəbl/ 可忽略的 kě hū lüè de spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 劲度系数 jìn dù xì shù limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ 比例极限 bǐ lì jí xiàn 6.1
Tensão, deformação e módulo de Young
Para um fio de seção transversal uniforme sob carga de tração:
- Tensão 应力 $\sigma = \dfrac{F}{A}$, onde $F$ é a carga e $A$ é a área da seção transversal 横截面积. Unidade: $\text{Pa}$.
- Deformação 应变 $\varepsilon = \dfrac{x}{L_{0}}$, onde $x$ é a extensão e $L_{0}$ é o comprimento original. Deformação não tem unidade (é uma razão de comprimentos).
Para as definições de um ponto: tensão é a força por unidade de área da seção transversal (a força atuando normalmente à área); deformação é a extensão por unidade de comprimento original. A unidade de tensão, $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$, é $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$ em unidades base. A área de um fio redondo vem de seu diâmetro $d$: $A = \pi d^{2}/4 = \pi r^{2}$, e usar $d$ em vez de $r$ torna a área quatro vezes maior. Converta $\text{mm}^{2}$ para $\text{m}^{2}$ usando $10^{-6}$.
Exemplo resolvido. Uma força de tração de $18\ \text{N}$ age em um fio de área de seção transversal $3.2\ \text{mm}^{2}$. Encontre a tensão.
$\sigma = F/A = 18 / (3.2 \times 10^{-6}) = 5.6 \times 10^{6}\ \text{Pa}$. A mesma força age ao longo de todo o fio, então um parafuso cujo diâmetro é $2d$ em uma extremidade e $d$ na outra tem quatro vezes a tensão na extremidade mais estreita ($\sigma \propto 1/d^{2}$), e um fio de três vezes o raio carrega um nono da tensão.

Tensão é a carga por área de seção transversal; deformação é a extensão por comprimento original O módulo de Young 杨氏模量 é a razão entre tensão e deformação na região da lei de Hooke:
$$E = \frac{\sigma}{\varepsilon} = \frac{F / A}{x / L_{0}} = \frac{F L_{0}}{A x}.$$Unidade: $\text{Pa}$ (cerca de $10^{11}$ para metais; ex.: aço $\approx 2.0 \times 10^{11}$ Pa).
Exemplo resolvido. Um fio de aço de comprimento $2.0\ \text{m}$ e área de seção transversal $1.5 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ estica-se em $1.0\ \text{mm}$ sob uma carga de $15\ \text{N}$. Encontre o módulo de Young.
$$E = \frac{F L_{0}}{A x} = \frac{15 \times 2.0}{(1.5 \times 10^{-7})(1.0 \times 10^{-3})} = 2.0 \times 10^{11}\ \text{Pa}.$$
Um gráfico de tensão–deformação, reto até o limite de proporcionalidade $P$ O módulo de Young é uma propriedade do material — não depende do formato ou tamanho do fio. A constante da mola $k$ depende tanto do material quanto do tamanho: $k = EA/L_{0}$.
Para a definição de um ponto: o módulo de Young é a razão entre tensão e deformação (para um material deformado dentro de seu limite de proporcionalidade). Como pertence ao material, um fio mais espesso do mesmo metal tem o mesmo módulo de Young: ele estica menos sob a mesma carga porque sua área é maior, não porque o metal é mais rígido. Uma questão "mostre que $k = EA/L_{0}$" pede duas linhas: $k = F/x$ e $E = FL_{0}/(Ax)$, logo $E = kL_{0}/A$. Duas coisas decorrem disso: a constante de mola de um fio permanece constante enquanto a lei de Hooke vale, independentemente da força, e um fio do mesmo metal com dois vezes o diâmetro tem quatro vezes a constante de mola.
Exemplo resolvido. Um fio de cobre de comprimento $1.7\ \text{m}$ e diâmetro $0.64\ \text{mm}$ tem módulo de Young $1.2 \times 10^{11}\ \text{Pa}$. Encontre sua constante de mola.
$A = \pi (0.32 \times 10^{-3})^{2} = 3.2 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$, logo $k = EA/L_{0} = 1.2 \times 10^{11} \times 3.2 \times 10^{-7} / 1.7 = 2.3 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$.
Em um gráfico de tensão–deformação, a inclinação da parte reta é $E$, então, de dois materiais desenhados nos mesmos eixos, a linha mais íngreme é do material mais rígido, e um fio com dobro do módulo de Young é desenhado como uma linha pela origem com o dobro da inclinação. Em um gráfico de força–extensão, a inclinação é $EA/L_{0}$ e o módulo de Young é a inclinação multiplicada por $L_{0}/A$; apenas um gráfico de tensão–deformação tem inclinação igual a $E$ propriamente dito.

Dois metais em um gráfico de tensão–deformação: a linha mais íngreme tem o maior módulo de Young Experimento para encontrar o módulo de Young de um fio metálico
Um equipamento padrão:
- Prenda uma extremidade de um fio longo e fino a um suporte fixo. Passe o fio por uma polia 滑轮 na borda da bancada para que ele pendure reto.
- Meça o comprimento original $L_{0}$ entre o prendedor e um marcador próximo à polia, usando uma régua métrica.
- Meça o diâmetro 直径 $d$ do fio em vários lugares com um micrômetro 螺旋测微器 e tire a média. Calcule $A = \pi d^{2}/4$.
- Pendure pesos um de cada vez. Registre a carga $F$ e a extensão $x$ (o quão longe o marcador se move contra uma escala fixa).
- Plote $F$ contra $x$. Na região reta, a inclinação é $EA/L_{0}$, logo $E = \text{gradient} \times L_{0}/A$.
Por que um fio longo e fino? Para tornar a extensão grande o suficiente para medir bem. Por que repetir leituras e medir $d$ em vários lugares? Para reduzir erro aleatório 随机误差 e verificar se o fio é uniforme.
Uma resposta "descreva um experimento" ganha pontos pelas quantidades medidas e como ($L_{0}$ com uma régua métrica; $d$ com um micrômetro em vários pontos; a carga pelos massas ou um dinamômetro; a extensão por um marcador lido contra uma escala fixa, ou uma escala de vernier), o gráfico ($F$ contra $x$, inclinação $EA/L_{0}$, ou tensão contra deformação, inclinação $E$) e as precauções: óculos de proteção caso o fio arrebente, uma carga pequena primeiro para alinhar os nós, e leituras feitas durante a descarga além da carga para verificar se o fio permaneceu elástico.

Equipamento para medir o módulo de Young de um fio Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin stress/stres/ 应力 yīng lì strain/streɪn/ 应变 yìng biàn Young modulus/jʌŋ ˈmɒdjʊləs/ 杨氏模量 yáng shì mó liàng cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī diameter/daɪˈæmɪtə/ 直径 zhí jìng pulley/ˈpʊli/ 滑轮 huá lún micrometer/maɪˈkrɒmɪtə/ 螺旋测微器 luó xuán cè wēi qì random error/ˈrændəm ˈerə/ 随机误差 suí jī wù chā thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能 rè néng rubber band/ˈrʌbə bænd/ 橡皮筋 xiàng pí jīn elastic hysteresis/ɪˈlæstɪk ˌhɪstəˈriːsɪs/ 弹性滞后 tán xìng zhì hòu elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 弹性势能 tán xìng shì néng trapezia/trəˈpiːzɪə/ 梯形 tī xíng kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng 6.2
Comportamento elástico e plástico
Programa
- compreenda e use os termos elastic deformation, plastic deformation e limite elástico
- compreenda que a área sob o force–extension graph representa o work done
- determine a elastic potential energy de um material deformado dentro de seu limit of proportionality a partir da área sob o force–extension graph
- lembre-se e use $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ para um material deformado dentro de seu limit of proportionality
Fonte: Programa Cambridge International
À medida que a carga aumenta:
- Elástico e reto (obedece a Hooke) — até o limite de proporcionalidade. Remover a carga retorna o objeto ao seu primeiro comprimento.
- Elástico mas curvo — entre o limite de proporcionalidade e o limite elástico 弹性极限. A extensão já não é reta na carga, mas na descarga o objeto ainda retorna ao seu primeiro comprimento.
- Plástico — além do limite elástico. Na descarga, o objeto não retorna ao seu primeiro comprimento; uma extensão permanente permanece.
A lei de Hooke só vale na região reta e elástica.
Em palavras: deformação elástica significa que o objeto retorna ao seu comprimento (ou forma) original quando a carga é removida; deformação plástica significa que ele não retorna, e permanece uma extensão permanente; o limite elástico é a carga máxima (ou extensão) para a qual a deformação ainda é elástica; o limite de proporcionalidade é o ponto além do qual a extensão deixa de ser proporcional à carga. Em um gráfico, o limite de proporcionalidade é onde a linha deixa de ser reta. O limite elástico fica um pouco além dele e não pode ser lido apenas pela linha de carregamento. Portanto, em uma questão "qual afirmação deve estar correta", o final da parte reta é o limite de proporcionalidade, mas se um ponto posterior é o limite elástico ou o ponto de ruptura não pode ser determinado apenas pela forma da linha de carregamento.

Força–extensão após o limite elástico: $P$ e $E$ marcados, com uma extensão permanente $B$ deixada após o descarregamento 
Uma máquina universal (de tração) moderna estica uma amostra e registra a força e a extensão Em um gráfico de força–extensão para um material levado para a região plástica e depois descarregado, a linha de carregamento e a linha de descarregamento são diferentes. A linha de descarregamento é paralela à primeira linha de Hooke, mas deslocada para a direita (a extensão permanente deixada quando a carga atinge zero). A área entre as linhas de carregamento e descarregamento é a energia convertida em energia térmica 热能 no material.
Uma elástica 橡皮筋 também tem curvas de carregamento e descarregamento diferentes, mas retorna ao seu comprimento original: sua deformação é elástica. A área entre as duas curvas é novamente energia dissipada como energia térmica (histerese elástica 弹性滞后), e a energia recuperada no descarregamento é a área sob a curva inferior. A resposta de dois pontos "explique por que o trabalho realizado ao esticar o fio não é igual à energia recuperada quando a força é removida" diz que o fio foi levado além do seu limite elástico, portanto parte da deformação é plástica e uma extensão permanente permanece, e que parte do trabalho realizado tornou-se energia térmica no fio.

Uma elástica retorna ao seu comprimento original, mas a área entre carregamento e descarregamento é energia perdida como energia térmica Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin deformation/ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ 形变 xíng biàn Hooke's law/hʊks lɔː/ 胡克定律 hú kè dìng lǜ elastic/ɪˈlæstɪk/ 弹性 tán xìng elastic limit/ɪˈlæstɪk ˈlɪmɪt/ 弹性极限 tán xìng jí xiàn tensile/ˈtensaɪl/ 拉伸 lā shēn plastic/ˈplæstɪk/ 塑性 sù xìng series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián 6.2
Energia armazenada em um material esticado
O trabalho realizado ao esticar um material de $0$ para extensão $x$, conforme a carga cresce de $0$ para $F$, é a área sob o gráfico de força–extensão.

O trabalho realizado ao esticar um material é a área sob o gráfico de força–extensão Por que a área: o trabalho realizado é força multiplicada pela distância percorrida, mas aqui a força cresce à medida que o material estica, então o trabalho é a soma de $F\,\Delta x$ sobre muitas pequenas extensões, que é a área sob a linha. Dentro do limite de proporcionalidade, a força aumenta uniformemente de $0$ para $F$, então a força média é $\tfrac{1}{2}F$ e o trabalho é $\tfrac{1}{2}Fx$. Em um gráfico de força–extensão, a inclinação é a constante da mola.
Material de lei de Hooke
Quando a lei de Hooke se aplica, o gráfico de $F$ contra $x$ é uma linha reta que passa pela origem. A área sob ela de $0$ a $x$ é um triângulo:
$$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x = \tfrac{1}{2} k x^{2}.$$Esta é a energia potencial elástica 弹性势能 armazenada em uma mola ou fio esticado dentro do seu limite de proporcionalidade. Uma forma equivalente:
$$E_{\text{P}} = \frac{F^{2}}{2k}.$$Exemplo resolvido. Uma mola de constante de mola $50\ \text{N m}^{-1}$ é esticada em $0.20\ \text{m}$, dentro do seu limite de proporcionalidade. Encontre a energia potencial elástica armazenada.
$$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} k x^{2} = \tfrac{1}{2} \times 50 \times 0.20^{2} = 1.0\ \text{J}.$$Exemplo resolvido. Um fio de constante de mola $2.0 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$ já está esticado em $2.0\ \text{mm}$. Encontre o trabalho realizado para aumentar sua extensão para $3.0\ \text{mm}$.
A energia armazenada sobe de $\tfrac{1}{2} k x_{1}^{2}$ para $\tfrac{1}{2} k x_{2}^{2}$: $W = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 10^{4} \times \left[(3.0 \times 10^{-3})^{2} - (2.0 \times 10^{-3})^{2}\right] = 0.050\ \text{J}$. Esta é a trapézio sob a linha entre as duas extensões, não $\tfrac{1}{2} k (x_{2} - x_{1})^{2}$. Como $E_{\text{P}} \propto x^{2}$ em $k$ fixo, dobrar a extensão de um fio armazena quatro vezes a energia ($0.65\ \text{J}$ torna-se $2.6\ \text{J}$), e uma energia armazenada dá a extensão como $x = \sqrt{2E_{\text{P}}/k}$: uma mola de $k = 400\ \text{N m}^{-1}$ armazenando $0.32\ \text{J}$ é comprimida em $\sqrt{2 \times 0.32 / 400} = 0.040\ \text{m}$. Para dois fios ligados ponta a ponta, a tensão é a mesma em ambos, então a energia total armazenada é $\tfrac{1}{2}F x_{1} + \tfrac{1}{2}F x_{2}$ com a própria extensão de cada fio.
Material não-Hookeano
Para um gráfico que não é uma linha reta (uma elástica esticada, ou uma mola além do seu limite de proporcionalidade), encontre a área contando os quadrados da grade ou usando trapézios 梯形. A mesma ideia se aplica: a área sob o gráfico de força–extensão é o trabalho realizado sobre o material. Para estimar o trabalho realizado até o ponto de ruptura, conte os quadrados sob toda a curva (quadrados parciais como metades) e multiplique pela energia que um quadrado representa, o passo de força multiplicado pelo passo de extensão; dizer que a área foi encontrada contando quadrados é a marca "explique seu raciocínio".
Comparando energia armazenada
Um caso comum de múltipla escolha: dois materiais são esticados pela mesma força, ou pela mesma extensão. Usando $E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x$:
- mesma $F$, menor $k$ (menos rígido) → maior $x$ → mais energia armazenada.
- mesma $x$, maior $k$ (mais rígido) → maior $F$ → mais energia armazenada.
Um esboço de $E_{\text{P}}$ contra extensão ou compressão é uma curva que passa pela origem e fica mais íngreme ($E_{\text{P}} \propto x^{2}$), não uma linha reta. De dois fios do mesmo comprimento e área sob a mesma carga, aquele com o módulo de Young menor estica mais e, portanto, armazena mais energia.
Quando uma mola esticada é liberada sobre uma massa, a energia potencial elástica torna-se energia cinética 动能 (e energia potencial gravitacional se a massa subir). Iguale $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ a $\tfrac{1}{2} m v^{2}$ (mais qualquer $mgh$) para encontrar a velocidade ou a altura.
6.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição Lei de Hooke a extensão é diretamente proporcional à força aplicada, desde que o limite de proporcionalidade não seja excedido constante da mola a força por unidade de extensão limite de proporcionalidade o ponto além do qual a extensão deixa de ser proporcional à força aplicada limite elástico a força máxima (ou extensão) para a qual o material retorna ao seu comprimento original quando a força é removida deformação elástica o material retorna ao seu comprimento (forma) original quando a força é removida deformação plástica o material não retorna ao seu comprimento original quando a força é removida; uma extensão permanente permanece tensão a força por unidade de área transversal deformação a extensão por unidade de comprimento original módulo de Young a razão entre tensão e deformação (dentro do limite de proporcionalidade) energia potencial elástica a energia armazenada em um objeto porque foi esticado ou comprimido 6.2
Dicas de prova
- Lei de Hooke ($F = kx$) só se aplica até o limite de proporcionalidade.
- Tensão $= F/A$, deformação $= x/L$, módulo de Young $=$ tensão$/$/deformação (inclinação da parte reta do gráfico de tensão-deformação) — atenção às unidades (Pa).
- Energia armazenada $=$ área sob o gráfico de força-extensão $= \frac{1}{2}Fx$ na região elástica.
- Distinguir elástica (retorna à forma) de plástica (permanente) deformação.
Erros comuns
- Usar o diâmetro como raio em $A = \pi r^{2}$, ou deixar uma área em $\text{mm}^{2}$. Divida o diâmetro primeiro; $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
- Lendo o trabalho realizado em um gráfico de comprimento-força como a área inteira até o eixo. Apenas o triângulo acima de $L_{0}$ é trabalho.
- Tratar a energia armazenada como proporcional à extensão. Ela varia com $x^{2}$: dobre a extensão, quatro vezes a energia; e o trabalho realizado entre duas extensões é a diferença de dois valores de $\tfrac{1}{2}kx^{2}$.
- Declarar a lei de Hooke sem sua condição. "Desde que o limite de proporcionalidade não seja excedido" faz parte da lei.
- Inverter o limite de proporcionalidade (o final da linha reta) e o limite elástico (o final do comportamento elástico, um pouco além dele).
- Dizer que um fio mais espesso tem um módulo de Young maior. O módulo é do material; o fio mais espesso tem uma constante de mola maior.
-
7
Ondas
Assistir aula7.1
Ondas progressivas
Programa
- descreva o que se entende por movimento ondulatório ilustrado pela vibração em cordas, molas e tanques de ondas
- compreender e utilizar os termos deslocamento, amplitude, diferença de fase, período, frequência, comprimento de onda e velocidade
- compreender a utilização da base de tempo e do ganho $y$ de um osciloscópio de raios catódicos (CRO) para determinar a frequência e a amplitude
- deduzir, utilizando as definições de velocidade, frequência e comprimento de onda, a equação das ondas $v = f\lambda$
- recordar e utilizar $v = f\lambda$
- compreender que a energia é transferida por uma onda progressiva
- recordar e utilizar $\text{intensity} = \text{power}/\text{area}$ e $\text{intensity} \propto (\text{amplitude})^2$ para uma onda progressiva
Fonte: Programa Cambridge International

Onzas se espalhando na água são ondas progressivas que transportam energia para fora. 
Duas ondas da mesma frequência, deslocadas por uma diferença de fase Uma onda 波 carrega energia 能量 de um lugar para outro sem mover matéria em geral. As partículas do meio 介质 oscilam 振动 em torno de posições de repouso fixas; apenas a perturbação (e sua energia) propaga-se 传播. Exemplos: uma onda transversal 横波 em uma corda, uma onda longitudinal 纵波 em uma mola espiral, onzas na água e som no ar. Uma onda que viaja e carrega energia é uma onda progressiva 行波.
Movimento ondulatório 波动 é uma série de oscilações das partículas de um meio, cada uma passando a perturbação para a próxima: agite uma extremidade de uma corda, empurre uma extremidade de uma mola, ou toque a superfície da água em uma piscina de ondas 水波槽, e a oscilação viaja para longe de onde começou. Para a definição de um ponto, uma onda progressiva transfere energia de um lugar para outro sem transferir matéria; as partículas apenas oscilam em torno de suas posições de repouso.
Termos-chave
- deslocamento 位移 $y$ — quão longe uma partícula se moveu de sua posição de repouso em um momento. Um vetor 矢量.
- amplitude 振幅 $A$ — o maior deslocamento em relação à posição de repouso.
- comprimento de onda 波长 $\lambda$ — a menor distância ao longo da onda entre dois pontos que se movem em fase 同相 (por exemplo, dois cristas 波峰 vizinhos).
- período 周期 $T$ — o tempo para uma oscilação completa de uma partícula.
- frequência 频率 $f$ — o número de oscilações completas por segundo; $f = 1/T$. Unidade: hertz 赫兹, $\text{Hz}$.
- velocidade 速率 $v$ — a velocidade com que um crista se desloca ao longo do meio.
- phase difference 相位差 — a fração de um ciclo pela qual uma oscilação antecede ou atrasa outra. Expresso em radians 弧度 (um ciclo completo é $2\pi$) ou graus (um ciclo completo é $360°$).
Dois pontos separados por um comprimento de onda estão em fase (diferença de fase 0 ou $2\pi$). Dois pontos separados por metade de um comprimento de onda estão exatamente defasados (diferença de fase $\pi$).
Para encontrar a diferença de fase entre dois pontos num gráfico de deslocamento versus distância, divida a sua separação pelo comprimento de onda e multiplica por $360°$ (ou $2\pi$): dois pontos $0.50\ \text{m}$ separados numa onda de comprimento de onda $2.0\ \text{m}$ ($v = 600\ \text{m s}^{-1}$, $f = 300\ \text{Hz}$) diferem em fase por $0.25 \times 360° = 90°$. Apenas importa a fração de um ciclo, logo $450°$ é igual a $90°$. A partir de dois gráficos de deslocamento versus tempo, lê o desfasamento temporal entre os picos como fração do período. Qual é a direção de movimento de um ponto no instante em que o gráfico o mostra? O perfil inteiro move-se para frente, assim cada ponto assume o deslocamento que o seu vizinho do lado de onde a onda vem tem agora; um ponto num crista ou num vale está momentaneamente em repouso.

Qual é a direção de movimento de cada ponto: em direção ao deslocamento que o seu vizinho do lado de entrada tem agora; um crista ou um vale está momentaneamente em repouso Exemplo resolvido. Os pontos R e T numa corda estão $0.62\ \text{cm}$ separados e defasados um quarto de ciclo. A velocidade da onda é $0.27\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a frequência.
Um quarto de ciclo corresponde a um quarto de comprimento de onda, logo $\lambda = 4 \times 0.62 = 2.5\ \text{cm}$ e $f = v / \lambda = 0.27 / 0.025 = 11\ \text{Hz}$.
A equação da onda
Num período $T$, a onda desloca-se para a frente num comprimento de onda $\lambda$. Logo a velocidade $= \text{distance} / \text{time} = \lambda / T = \lambda f$:
$$v = f \lambda.$$Isso vem diretamente das definições de velocidade, frequência e comprimento de onda, e funciona para toda onda progressiva. Para a derivação de duas marcas, escreva ambas as etapas: em um período $T$ a onda percorre um comprimento de onda $\lambda$, então $v = \lambda / T$; e $f = 1/T$, então $v = f\lambda$. Como $v$ é fixo pelo meio, uma frequência mais alta significa um comprimento de onda mais curto. Uma pergunta sobre período é a mesma equação do outro lado: luz de comprimento de onda $460\ \text{nm}$ tem $f = c / \lambda = 6.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ e $T = 1/f = 1.5 \times 10^{-15}\ \text{s}$.
Lendo um traço de CRO
Um osciloscópio de raios catódicos 示波器 (CRO) desenha um sinal de tensão — para som, a saída de um microfone — contra o tempo. Dois controlos são importantes:
- time-base 时基 (segundos por divisão horizontal): converte a distância horizontal no ecrã em tempo. Lê o período $T$ como a distância entre dois picos adjacentes, depois $f = 1/T$.
- y-gain 垂直增益 (volts por divisão vertical): converte a distância vertical em tensão. A amplitude em volts é a altura do pico em relação à linha central.
Se a base de tempo for $5\ \text{ms}/\text{div}$ e um ciclo completo levar $4$ divisões, então $T = 4 \times 5\ \text{ms} = 20\ \text{ms}$ e $f = 50\ \text{Hz}$.
A base de tempo é o tempo representado por uma divisão (ou centímetro) horizontal no ecrã, em $\text{s}\ \text{div}^{-1}$. Para a definir para um dado sinal, faz o cálculo inverso: um som de $2000\ \text{Hz}$ tem $T = 0.50\ \text{ms}$, logo para que um ciclo ocupe $2.5\ \text{cm}$ a base de tempo deve ser $0.50 / 2.5 = 0.20\ \text{ms cm}^{-1}$. Para a amplitude, multiplica a altura do pico em divisões pelo ganho y: $2.0$ divisões a $3.5\ \text{mV cm}^{-1}$ resulta em $7.0\ \text{mV}$. Quando a intensidade do som é reduzida a um quarto à mesma frequência, o traço mantém o seu período e os picos reduzem-se à metade em altura, pois $I \propto A^{2}$.

Ler o período T a partir de um traço de CRO usando a grelha e a base de tempo 
Um osciloscópio real: a grelha permite ler o período e a amplitude Intensidade de uma onda
Uma onda transporta energia. A intensidade 强度 num ponto é a potência 功率 que passa através de uma área unitária perpendicular à direção de propagação:
$$I = \frac{P}{A}.$$Unidade: $\text{W m}^{-2}$.
A intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude:
$$I \propto A^{2}.$$Para uma fonte pontual 点源 que emite energia igualmente em todas as direções, as frentes de onda 波前 são esferas; a área de superfície a uma distância $r$ é $4\pi r^{2}$, logo
$$I = \frac{P}{4\pi r^{2}}, \qquad I \propto \frac{1}{r^{2}}.$$Dobrar a distância reduz a intensidade a um quarto, o que significa que a amplitude é reduzida à metade (já que $I \propto A^{2}$).
Exemplo resolvido. Uma lâmpada emite $60\ \text{W}$ de luz igualmente em todas as direções. Encontre a intensidade da luz a $2.0\ \text{m}$ de distância.
$$I = \frac{P}{4\pi r^{2}} = \frac{60}{4\pi (2.0)^{2}} \approx 1.2\ \text{W m}^{-2}.$$Exemplo resolvido. Luz de potência $750\ \text{W}$ incide perpendicularmente sobre um painel solar quadrado de lado $1.2\ \text{m}$. Encontre a intensidade.
$I = P/A = 750 / 1.2^{2} = 520\ \text{W m}^{-2}$. Um painel menor na mesma luz recebe a mesma intensidade mas menos potência, proporcionalmente à sua área. Inversamente, uma lupa de raio $r$ recolhe uma potência $I \times \pi r^{2}$ e concentra-a num pequeno ponto.
Duas regras nas quais as questões de escolha múltipla se baseiam. Como $I \propto A^{2}$, a razão entre duas intensidades é o quadrado da razão entre as amplitudes: ondas de amplitude $3.0\ \text{cm}$ e $2.0\ \text{cm}$ têm intensidades numa razão de $2.25$, e quando uma amplitude cai para a metade a intensidade cai para um quarto. Para uma fonte pontual, $I \propto 1/r^{2}$ implica $A \propto 1/r$, logo um esboço de $A/A_{0}$ contra $d/x_{0}$ é uma curva que decresce como $1/d$, não uma linha reta. A afirmação de uma linha que o esquema pretende: a intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude.
ExplorarOndas progressivas
y = a sin(bx + c)
Uma onda: a é a amplitude, b define o comprimento de onda, c a fase.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin progressive wave/prəˈɡresɪv weɪv/ 行波 xíng bō wave/weɪv/ 波 bō energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ phase difference/feɪz ˈdɪfrəns/ 相位差 xiàng wèi chā medium/ˈmiːdɪəm/ 介质 jiè zhì oscillate/ˈɒsɪleɪt/ 振动 zhèn dòng propagate/ˈprɒpəɡeɪt/ 传播 chuán bō amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng in phase/ɪn feɪz/ 同相 tóng xiāng crest/krest/ 波峰 bō fēng period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī hertz/hɜːts/ 赫兹 hè zī speed/spiːd/ 速率 sù lǜ radian/ˈreɪdɪən/ 弧度 hú dù cathode-ray oscilloscope/ˈkæθəʊd reɪ ɒˈsɪləskəʊp/ 示波器 shì bō qì time-base/taɪm beɪs/ 时基 shí jī y-gain/waɪ ɡeɪn/ 垂直增益 chuí zhí zēng yì intensity/ɪnˈtensɪti/ 强度 qiáng dù power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ point source/pɔɪnt sɔːs/ 点源 diǎn yuán source/sɔːs/ 波源 bō yuán wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ 波前 bō qián perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ 垂直 chuí zhí electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ 电磁波 diàn cí bō sine curve/saɪn kɜːv/ 正弦曲线 zhèng xián qū xiàn compression/kəmˈpreʃn/ 压缩 yā suō rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ 稀疏 xī shū stationary/ˈsteɪʃənəri/ 静止 jìng zhǐ vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng 7.2
Ondas transversais e longitudinais
Programa
- comparar ondas transversais e ondas longitudinais
- analisar e interpretar representações gráficas de ondas transversais e longitudinais
Fonte: Programa Cambridge International
Ondas transversais versus longitudinais Ondas transversais
As partículas oscilam perpendicularmente 垂直 à direção em que a energia se desloca. Uma onda numa corda, todas as ondas eletromagnéticas e as ondas S na Terra são transversais.

Onda transversal numa corda Ondas longitudinais
As partículas oscilam paralelamente à direção em que a energia se desloca. O som em qualquer meio, as ondas P na Terra e as compressões numa mola de espiral são longitudinais. A onda é composta por compressões 压缩 (pressão mais alta, partículas próximas) e rarefeações 稀疏 (pressão mais baixa, partículas afastadas).

Onda longitudinal numa mola espiral Gráficos de ondas
Um gráfico de deslocamento de partícula versus posição num instante dado parece uma curva senoidal 正弦曲线 para ambos os tipos de onda. A diferença: para uma onda transversal o eixo de deslocamento é o verdadeiro deslocamento lateral; para uma onda longitudinal é o pequeno deslocamento de vai-e-vem ao longo da direção de propagação (positivo num sentido, negativo no outro).
Para uma onda longitudinal considera o deslocamento para a direita como positivo. Onde o gráfico cruza zero indo de positivo para negativo, as partículas de ambos os lados moveram-se para esse ponto, logo é uma compressão; onde cruza de negativo para positivo elas afastaram-se, uma rarefeação. Duas compressões vizinhas estão separadas por um comprimento de onda, e uma compressão e a próxima rarefeação estão separadas por metade de um comprimento de onda. A direção de movimento de uma partícula segue a mesma regra que para uma onda transversal: move-se em direção ao deslocamento do seu vizinho do lado de onde a onda vem.

A mesma onda longitudinal como partículas e como gráfico: uma compressão onde o deslocamento muda de positivo para negativo, uma rarefeação onde muda de negativo para positivo 
Um gráfico de deslocamento versus distância mostra a amplitude e o comprimento de onda da onda Um gráfico de deslocamento de partícula versus tempo num ponto específico do espaço também é uma curva senoidal para ambos os tipos. Lê o período $T$ neste gráfico.

Um gráfico de deslocamento versus tempo mostra a amplitude e o período da onda A comparação de dois pontos, referindo-se à direção da transferência de energia: numa onda transversal as oscilações são perpendiculares à direção da transferência de energia; numa onda longitudinal são paralelas a ela. Ambos os tipos transferem energia sem transferir matéria, ambos podem ser refletidos, refratados e difratados, e ambos podem formar ondas estacionárias (tópico 8). Apenas ondas transversais podem ser polarizadas, e apenas ondas eletromagnéticas, que são todas transversais, podem viajar através do vácuo; o som precisa de um meio. Ler os dois gráficos juntos: o gráfico de deslocamento versus distância fornece $\lambda$, o gráfico de deslocamento versus tempo fornece $T$, e $v = \lambda / T$.
ExplorarOndas transversais
y = a sin(bx + c)
Alterar a amplitude e o comprimento de onda da onda.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ 横波 héng bō longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ 纵波 zòng bō Wave motion/weɪv ˈməʊʃn/ 波动 bō dòng ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ 水波槽 shuǐ bō cáo displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng 7.3
Efeito Doppler (fonte móvel, observador estacionário)
Programa
- compreender que quando uma fonte de ondas sonoras se move relativamente a um observador estacionário, a frequência observada é diferente da frequência da fonte (a compreensão do efeito Doppler para uma fonte estacionária e um observador em movimento não é exigida)
- utilizar a expressão $f_{\text{o}} = f_{\text{s}} v / (v \pm v_{\text{s}})$ para a frequência observada quando uma fonte de ondas sonoras se move relativamente a um observador estacionário
Fonte: Programa Cambridge International
Quando a fonte 波源 de um som se move relativamente a um observador 静止 estacionário, a frequência ouvida é diferente da frequência da fonte. Este é o efeito Doppler 多普勒效应.
- fonte movendo-se em direção ao observador: as frentes de onda à frente são comprimidas, logo o comprimento de onda é menor e a frequência ouvida é mais alta.
- fonte afastando-se do observador: as frentes de onda atrás espalham-se, logo o comprimento de onda é maior e a frequência ouvida é mais baixa.

Uma fonte móvel espreme as frentes de onda à frente dela, aumentando a frequência observada A fórmula (fonte movendo-se a velocidade $v_{\text{s}}$ ao longo da linha para o observador; velocidade da onda $v$, frequência da fonte $f_{\text{s}}$, frequência ouvida $f_{\text{o}}$):
$$f_{\text{o}} = \frac{v \cdot f_{\text{s}}}{v \pm v_{\text{s}}}.$$Escolha o sinal para correspondê-lo à física:
- sinal de menos no denominador quando a fonte se move em direção ao observador ($f_{\text{o}} > f_{\text{s}}$),
- sinal de mais quando a fonte se move para longe ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$).
Você só precisa do caso de um observador estacionário.
Exemplo resolvido. Uma buzina de carro a $f_{\text{s}} = 800\ \text{Hz}$ move-se a $30\ \text{m s}^{-1}$ em direção a um ouvinte parado. Velocidade do som $v = 340\ \text{m s}^{-1}$:
$$f_{\text{o}} = \frac{340 \times 800}{340 - 30} = \frac{272\,000}{310} \approx 877\ \text{Hz}.$$Movendo-se para longe à mesma velocidade, o ouvinte ouve $340 \times 800 / (340 + 30) = 735\ \text{Hz}$: a frequência é constante enquanto o carro se aproxima, diminui conforme ele passa e torna-se novamente constante, mas menor, conforme ele se afasta. Um esboço da frequência observada contra o tempo para uma fonte que passa com velocidade constante mostra duas linhas horizontais ligadas por uma queda. Trabalhando ao contrário, uma fonte de $1200\ \text{Hz}$ ouvida como $960\ \text{Hz}$ está se movendo para longe ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$): $960 = 1200 \times 340 / (340 + v_{\text{s}})$ dá $v_{\text{s}} = 85\ \text{m s}^{-1}$. Um zumbidor oscilado em um círculo horizontal a $25\ \text{m s}^{-1}$ enquanto emite $846\ \text{Hz}$ é ouvido entre $846 \times 330 / 355 = 786\ \text{Hz}$ (movendo-se diretamente para longe) e $846 \times 330 / 305 = 915\ \text{Hz}$ (movendo-se diretamente em direção), uma vez por revolução. Se o período de um traçado de CRO aumenta continuamente, a frequência observada está caindo: a fonte está se afastando com velocidade crescente. O efeito Doppler ocorre para todas as ondas, incluindo luz (tópico 25); apenas a fórmula do som é examinada aqui.
ExplorarEfeito Doppler
Mova a fonte e observe as frentes de onda se agruparem à frente (tom mais agudo) e se estenderem atrás — o efeito sereia, controlado pela velocidade da fonte.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin Doppler effect/ˈdɒplə ɪˈfekt/ 多普勒效应 duō pǔ lè xiào yìng observer/ɒbˈzɜːvə/ 观察者 guān chá zhě electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ microwaves/ˈmaɪkrəʊweɪvz/ 微波 wēi bō infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn 7.4
Espectro eletromagnético
Programa
- afirmar que todas as ondas eletromagnéticas são ondas transversais que viajam com a mesma velocidade $c$ no vácuo
- recordar a faixa aproximada de comprimentos de onda no vácuo das principais regiões do espectro eletromagnético, desde ondas de rádio até aos raios-$\gamma$
- recordar que comprimentos de onda na faixa de 400–700 nm no vácuo são visíveis ao olho humano
Fonte: Programa Cambridge International
Todas as ondas eletromagnéticas 电磁波 (ondas EM) são transversais e viajam no vácuo 真空 à mesma velocidade:
$$c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}.$$O espectro eletromagnético 电磁波谱 inclui ondas de rádio, micro-ondas 微波, infravermelho 红外线, luz visível, ultravioleta 紫外线, raios-X X射线 e $\gamma$-raios γ射线.

O espectro eletromagnético Intervalos aproximados de comprimento de onda no espaço livre (aprenda as ordens de grandeza):
- ondas de rádio: $> 10^{-1}\ \text{m}$ (até vários km).
- micro-ondas: $10^{-3}\ \text{m}$ a $10^{-1}\ \text{m}$.
- infravermelho: $\sim 7 \times 10^{-7}\ \text{m}$ a $10^{-3}\ \text{m}$.
- luz visível: $400\ \text{nm}$ (violeta) a $700\ \text{nm}$ (vermelho), ou seja, $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$ a $7 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
- ultravioleta: $\sim 10^{-8}\ \text{m}$ a $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
- raios-X: $\sim 10^{-11}\ \text{m}$ a $10^{-8}\ \text{m}$.
- $\gamma$-raios: $< 10^{-11}\ \text{m}$.
Os limites entre regiões não são nítidos. Use $c = f\lambda$ para alternar entre comprimento de onda e frequência. Apenas luz com comprimentos de onda $400$–$700\ \text{nm}$ pode ser vista.
Para identificar uma região, converta para um comprimento de onda usando $\lambda = c / f$ e compare com os intervalos: $2.1\ \text{cm}$ é uma micro-onda; $138\ \text{pm} = 1.4 \times 10^{-10}\ \text{m}$ é um raio-X; $30\ \text{THz}$ resulta em $\lambda = 1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}$, infravermelho; $3.0 \times 10^{16}\ \text{Hz}$ resulta em $1.0 \times 10^{-8}\ \text{m}$, ultravioleta. A luz visível abrange frequências de cerca de $4.3 \times 10^{14}$ a $7.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$, então uma onda de $5.0 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ pode ser vista e uma de comprimento de onda $5.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$ (infravermelho) não pode. A luz vermelha tem um comprimento de onda maior e uma frequência menor do que a verde. Uma lista "em ordem de comprimento de onda crescente" segue: $\gamma$-raios, raios-X, ultravioleta, visível, infravermelho, micro-ondas, ondas de rádio. Um pulso de luz refletido por uma parede $150\ \text{m}$ de distância retorna após $2 \times 150 / (3.00 \times 10^{8}) = 1.0\ \mu\text{s}$.
ExplorarDeslize ao longo do espectro
Ondas de rádio, luz visível e raios gama são a mesma onda — apenas o comprimento de onda muda, e com ele a frequência, a energia do fotão e a aplicação quotidiana.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn X-rays/eks reɪz/ X射线 X shè xiàn polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ 偏振 piān zhèn polarising filter/ˈpəʊləraɪzɪŋ ˈfɪltə/ 偏振片 piān zhèn piàn Malus's law/ˈmæləsɪz lɔː/ 马吕斯定律 mǎ lǚ sī dìng lǜ plane-polarised/pleɪn ˈpəʊləraɪzd/ 平面偏振 píng miàn piān zhèn transmission axis/trænˈsmɪʃn ˈæksɪs/ 透光轴 tòu guāng zhóu γ-rays/ˈɡæmə reɪz/ γ射线 γ shè xiàn gamma-rays/ˈɡæmə reɪz/ γ射线 γ shè xiàn 7.5
Polarização
Programa
- compreender que a polarização é um fenómeno associado às ondas transversais
- recordar e utilizar a Lei de Malus ($I = I_0 \cos^2\theta$) para calcular a intensidade de uma onda eletromagnética planarmente polarizada após transmissão através de um filtro polarizador ou de uma série de filtros polarizadores (o cálculo do efeito de um filtro polarizador na intensidade de uma onda não polarizada não é exigido)
Fonte: Programa Cambridge International
Polarização 偏振 significa fazer uma onda transversal oscilar em apenas um plano.
- Apenas ondas transversais podem ser polarizadas — a oscilação é perpendicular à direção de propagação, portanto diferentes planos perpendiculares são escolhas reais.
- Ondas longitudinais (som) não podem ser polarizadas — a oscilação é ao longo da direção de propagação, portanto não há outro plano.
Então a polarização é um teste: se uma onda pode ser polarizada, ela deve ser transversal.

Ondas não polarizadas vibram em muitos planos; uma onda polarizada vibra em um único plano 
Um transferidor de plástico translúcido colocado entre dois filtros polarizadores cruzados. A luz chega apenas aos seus olhos porque o plástico tensionado rotaciona seu plano de polarização — as cores mapeiam onde o plástico é apertado mais. Com luz comum, pareceria apenas transparente Lei de Malus
Luz polarizada linearmente 平面偏振 de intensidade $I_{0}$ passa por um filtro polarizador 偏振片 cujo eixo de transmissão 透光轴 está em um ângulo $\theta$ em relação ao plano de polarização. A intensidade transmitida é dada pela Lei de Malus 马吕斯定律:
$$I = I_{0} \cos^{2}\theta.$$- $\theta = 0°$: filtro alinhado com a polarização, $I = I_{0}$, tudo passa.
- $\theta = 90°$: filtro em ângulo reto, $I = 0$, tudo bloqueado.
- $\theta = 60°$: $I = I_{0} \cos^{2} 60° = I_{0} \cdot 0.25 = I_{0}/4$.
Exemplo resolvido. Luz polarizada linearmente de intensidade $12\ \text{W m}^{-2}$ encontra um filtro polarizador cujo eixo está a $30°$ em relação ao plano de polarização. Encontre a intensidade transmitida.
$$I = I_{0}\cos^{2}\theta = 12 \times \cos^{2} 30° = 12 \times 0.75 = 9.0\ \text{W m}^{-2}.$$
Filtros cruzados (a) bloqueiam a luz; filtros paralelos (b) deixam-na passar Para dois filtros em sequência, use a lei de Malus duas vezes com o ângulo entre cada par. Tenha cuidado com o ângulo cada vez — após o primeiro filtro, a polarização está ao longo do eixo desse filtro, e o ângulo do segundo filtro é medido a partir daí.
(Você não precisa calcular o efeito de um filtro polarizador sobre uma onda não polarizada.)
Quando um filtro é girado através de $360°$ diante de luz polarizada linearmente, a intensidade transmitida varia como $\cos^{2}\theta$: é máxima quando o eixo de transmissão está paralelo ao plano de polarização ($0°$ e $180°$), zero quando perpendicular ($90°$ e $270°$), e nunca negativo. Como $I \propto A^{2}$, a amplitude transmitida é $A_{0}\cos\theta$: em $45°$ a intensidade cai pela metade e a amplitude cai para $0.71$ de seu valor. Para dois filtros, o primeiro define o plano de polarização ao longo de seu próprio eixo, então o ângulo do segundo filtro é medido a partir dele: luz polarizada verticalmente através de filtros em $50°$ e depois $80°$ em relação à vertical mantém $\cos^{2} 50° \times \cos^{2} 30° = 0.31$ de sua intensidade. As definições de um ponto: polarização é a oscilação de uma onda transversal em um único plano, que contém a direção de propagação; o som não pode ser polarizado porque suas oscilações são ao longo da direção de propagação, portanto não há plano para selecionar.
ExplorarLaboratório de intensidade polarizada
intensidade muda com o ângulo do polarizador
Gire um polarizador e veja por que apenas ondas transversais podem ser polarizadas.
7.5
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição onda progressiva uma onda que transfere energia de um lugar para outro sem transferir matéria onda transversal uma onda cujas oscilações são perpendiculares à direção de transferência de energia onda longitudinal uma onda cujas oscilações são paralelas à direção de transferência de energia deslocamento a distância de uma partícula em relação à sua posição de equilíbrio (repouso), em uma direção especificada amplitude o deslocamento máximo de uma partícula em relação à sua posição de equilíbrio comprimento de onda a distância mínima entre dois pontos na onda que estão em fase (por exemplo, cristas adjacentes) período o tempo para uma oscilação completa de uma partícula (ou para a onda percorrer um comprimento de onda) frequência o número de oscilações por unidade de tempo (ou o número de frentes de onda passando por um ponto por unidade de tempo) diferença de fase a fração de um ciclo, como um ângulo, pelo qual uma oscilação antecede ou atrasa outra intensidade a potência por unidade de área, perpendicular à direção de propagação efeito Doppler a mudança na frequência observada de uma onda quando a fonte se move em relação ao observador polarização as oscilações de uma onda transversal ocorrem em apenas um plano, contendo a direção de propagação base de tempo o tempo representado por uma divisão na tela de um CRO 7.5
Dicas de prova
- Defina termos precisamente (deslocamento, amplitude, comprimento de onda, período, frequência) e use $v = f\lambda$.
- Distinga transversal (vibração perpendicular à propagação) de longitudinal (paralelo); apenas ondas transversais podem ser polarizadas.
- Para o efeito Doppler, a frequência observada aumenta quando a fonte se aproxima e diminui quando ela se afasta.
- Aprenda a ordem do espectro eletromagnético; todas as suas ondas viajam a $c$ no vácuo.
Erros comuns
- Uma diferença de fase maior que um ciclo, ou graus onde radianos foram solicitados. Apenas a fração de um ciclo importa: $450°$ é $90°$, e $90°$ é $\pi/2$.
- Lendo o comprimento de onda de um gráfico de deslocamento-tempo. Esse gráfico dá o período; o comprimento de onda vem do gráfico de deslocamento-distância.
- Dobrar a amplitude e "dobrar" a intensidade. A intensidade vai ao quadrado da amplitude: quatro vezes.
- Escolhendo o sinal Doppler intuitivamente. Em direção significa menos no denominador (frequência alta); para longe significa mais (frequência baixa). Verifique se a resposta está do lado certo de $f_{\text{s}}$.
- Usando o ângulo do primeiro filtro para o segundo. Após um filtro, a luz está polarizada ao longo do eixo desse filtro, e o próximo ângulo é medido a partir daí.
- Dizer que o som pode ser polarizado. Apenas ondas transversais podem.
-
8
Superposição
Assistir aula8.1
Princípio da superposição
Programa
- explicar e utilizar o princípio da superposição
- demonstrar compreensão dos experimentos que demonstram ondas estacionárias utilizando micro-ondas, cordas tensionadas e colunas de ar (presume-se que as correções de extremidade sejam desprezáveis; o conhecimento do conceito de correções de extremidade não é exigido)
- explicar a formação de uma onda estacionária utilizando um método gráfico e identificar nós e ventres
- compreender como o comprimento de onda pode ser determinado a partir das posições dos nós ou ventres de uma onda estacionária
Fonte: Programa Cambridge International
Duas ondas formam uma onda estacionária Quando duas ou mais ondas 波 se sobrepõem em um ponto, o deslocamento 位移 ali é a soma vetorial 矢量和 dos deslocamentos que cada onda causaria isoladamente. Este é o princípio da superposição 叠加.
As ondas passam umas pelas outras e saem inalteradas. A superposição é a base de tudo neste tópico.
Para a afirmação de dois pontos: quando duas ou mais ondas encontram-se em um ponto, o deslocamento resultante é a soma dos deslocamentos das ondas individuais. São os deslocamentos que se somam, não as amplitudes ou as intensidades, e o princípio aplica-se sempre que ondas do mesmo tipo se sobrepõem; as ondas não precisam ser coerentes ou de igual amplitude.
Se duas ondas de amplitude 振幅 $A_{1}$ e $A_{2}$ se encontram:
- em fase 同相 (crista 波峰 encontra crista): a amplitude é $A_{1} + A_{2}$ (interferência construtiva 相长干涉).
- exatamente fora de fase (crista encontra vales 波谷, diferença de fase 相位差 $\pi$): a amplitude é $|A_{1} - A_{2}|$ (interferência destrutiva 相消干涉).
- qualquer outra diferença de fase $\phi$: a amplitude fica em algum lugar entre esses dois.

Duas ondas chegando em fase se somam para dar o dobro da amplitude (construtiva) 
Duas ondas chegando exatamente fora de fase se cancelam a zero (destrutiva) Para intensidade 强度, $I \propto A^{2}$. Duas ondas iguais encontrando-se em fase dão intensidade $(2A)^{2} = 4A^{2}$ — quatro vezes a intensidade de uma onda sozinha.
Como $I \propto A^{2}$, trabalhe primeiro com amplitudes. Duas ondas de intensidades $I$ e $4I$ têm amplitudes $A$ e $2A$: a superposição em fase resulta em amplitude $3A$ e intensidade $9I$; em antifaase, amplitude $A$ e intensidade $I$. Portanto, duas ondas coerentes de intensidades diferentes nunca se cancelam completamente: os mínimos têm intensidade $(A_{2} - A_{1})^{2}$, não zero. Uma onda de amplitude $2A$ encontrando uma de amplitude $A/2$ viajando na direção oposta produz um resultado que varia entre $2.5A$ e $1.5A$, um padrão estacionário sem nós verdadeiros. Dobrar a amplitude de uma de duas ondas iguais que se encontram em fase leva o resultado de $2A$ para $3A$, portanto a intensidade aumenta de $4A^{2}$ para $9A^{2}$: $2.25$ vezes.
ExplorarSomando duas ondas
Duas ondas se sobrepõem e se somam. Alinhe-as para interferência construtiva, ou oponha-as para destrutiva — altere a fase para ver ambas.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin principle of superposition/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ 叠加 dié jiā superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ 叠加 dié jiā wave/weɪv/ 波 bō displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí vector sum/ˈvektə sʌm/ 矢量和 shǐ liàng hé amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú coherent/kəʊˈhɪərənt/ 相干 xiāng gān in phase/ɪn feɪz/ 同相 tóng xiāng crest/krest/ 波峰 bō fēng constructive interference/kənˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ 相长干涉 xiāng zhǎng gān shè interference/ˌɪntəˈfɪərəns/ 干涉 gān shè trough/trɒf/ 波谷 bō gǔ phase difference/feɪz ˈdɪfrəns/ 相位差 xiàng wèi chā destructive interference/dɪˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ 相消干涉 xiāng xiāo gān shè 8.1
Ondas estacionárias (standing waves)
Quando duas ondas progressivas 行波 idênticas viajam em direções opostas e se sobrepõem, formam uma onda estacionária 驻波. Exemplos: uma onda em uma corda refletida 反射 de uma extremidade fixa sobrepondo-se à onda incidente; som em uma coluna de ar refletida de uma extremidade fechada; micro-ondas entre um emissor e uma placa metálica.
Explique como a onda estacionária é formada (três ou quatro pontos, perguntado para uma corda, uma coluna de ar e micro-ondas igualmente): a onda da fonte viaja até a extremidade distante (a parede, a extremidade fechada, a placa de metal) e é refletida; as ondas incidentes e refletidas têm a mesma frequência, comprimento de onda e velocidade e viajam em direções opostas; elas superpõem-se onde se cruzam; nos pontos onde sempre se encontram em fase, os deslocamentos se somam para dar a amplitude máxima, um antinó, e nos pontos onde sempre se encontram em antifase se cancelam, um nó. Para "enuncie as condições": duas ondas do mesmo tipo, com a mesma frequência (e comprimento de onda) e velocidade, viajando em direções opostas ao longo da mesma linha; amplitudes iguais são necessárias apenas para que os nós tenham amplitude zero. A placa de metal no experimento de micro-ondas está lá para refletir as ondas de volta ao seu próprio caminho.

Uma onda estacionária forma-se onde duas ondas opostas se sobrepõem (N marca um nó, A um antinó) Nós e antinós
Em uma onda estacionária:
- nó 波节 — um ponto que está sempre em deslocamento zero (as duas ondas sempre se cancelam). A distância entre nós vizinhos é $\lambda/2$.
- antinó 波腹 — um ponto de maior amplitude (as duas ondas sempre se somam). A distância entre antinós vizinhos é $\lambda/2$.
- um nó e o próximo antinó estão $\lambda/4$ separados.
Partículas entre dois nós oscilam em fase umas com as outras, mas com amplitudes diferentes (maior no antinó, zero nos nós). Partículas em lados opostos de um nó oscilam em antifase 反相 (diferença de fase $\pi$).
Então a diferença de fase entre dois pontos no mesmo laço (entre nós adjacentes) é $0°$; entre pontos em laços vizinhos é $180°$; e entre pontos em laços separados por um laço inteiro é $0°$ novamente. Todo ponto atinge seu deslocamento máximo no mesmo instante e passa pelo zero no mesmo instante. Um esboço da corda um quarto de ciclo após o instante de deslocamento máximo é uma linha reta ao longo da posição de repouso; meio ciclo depois é a imagem espelhada do primeiro esboço. Em um período, uma partícula em um antinó percorre quatro amplitudes, então uma partícula que se move $72\ \text{mm}$ em um e meio períodos tem uma amplitude de $12\ \text{mm}$.

Modo fundamental em uma corda esticada — um laço, com L igual a metade de um comprimento de onda Exemplo resolvido. Uma corda de comprimento $0.80\ \text{m}$ está fixa em ambas as extremidades e vibra em seu modo fundamental, onde a velocidade da onda é $240\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a frequência fundamental.
Um laço cabe na corda, então $\lambda = 2L = 1.60\ \text{m}$. Então
$$f = \frac{v}{\lambda} = \frac{240}{1.60} = 150\ \text{Hz}.$$Como uma onda estacionária difere de uma onda progressiva: ela não carrega energia 能量 ao longo de seu comprimento, o padrão não se move ao longo, e os nós permanecem fixos; uma onda progressiva tem a mesma amplitude em todos os lugares e carrega energia. As três diferenças que o gabarito lista: uma onda progressiva transfere energia e uma estacionária não; em uma onda progressiva todo ponto tem a mesma amplitude, em uma estacionária a amplitude varia de zero em um nó até um máximo em um antinó; em uma onda progressiva pontos vizinhos diferem em fase, em uma estacionária todos os pontos entre dois nós estão em fase.
Medindo o comprimento de onda a partir do espaçamento dos nós
Acione uma corda com um vibrador na frequência $f$ até que um padrão estacionário apareça. Meça a distância entre dois nós bem separados e divida pelo número de meios-comprimentos de onda 波长 entre eles. Então $\lambda$ é conhecido, e $v = f\lambda$ dá a velocidade da onda.
Para um tubo fechado em uma extremidade e aberto na outra (um tubo de ressonância 共鸣管), a extremidade fechada é um nó de deslocamento e a extremidade aberta é um antinó de deslocamento. A fundamental 基频 tem $L = \lambda/4$; a próxima ressonância ocorre em $L = 3\lambda/4$; e assim por diante. Para um tubo aberto em ambas as extremidades, ambas as extremidades são antinós; a fundamental está em $L = \lambda/2$.
A regra geral: uma extremidade fechada é um nó e uma extremidade aberta é um antinó, e uma corda fixa em ambas as extremidades tem um nó em cada extremidade. Portanto, um tubo fechado acomoda um número ímpar de quartos de comprimento de onda ($L = \lambda/4, 3\lambda/4, 5\lambda/4, \ldots$), enquanto um tubo aberto e uma corda fixa acomodam meios comprimentos de onda inteiros ($L = \lambda/2, \lambda, 3\lambda/2, \ldots$); um tubo aberto em ambas as extremidades com $n$ nós tem $n + 1$ antinós. As frequências derivam de $f = v/\lambda$: um tubo fechado cuja nota mais baixa é $820\ \text{Hz}$ tem $\lambda = 4L$, e um corredor $13.2\ \text{m}$ longo com uma porta refletora em cada extremo ressoa pela primeira vez em $f = v/2L = 330/26.4 = 12.5\ \text{Hz}$.

Modos de uma coluna de ar: uma extremidade fechada é um nó, uma extremidade aberta é um antinó Exemplo resolvido. Um alto-falante na extremidade aberta de um tubo $0.51\ \text{m}$ de comprimento, fechado na outra extremidade, estabelece uma onda estacionária com dois nós e dois antinós. Encontre o comprimento de onda e, com $v = 340\ \text{m s}^{-1}$, a frequência.
Dois nós e dois antinós são o segundo modo de um tubo fechado, $L = 3\lambda/4$, portanto $\lambda = 4 \times 0.51 / 3 = 0.68\ \text{m}$ e $f = 340 / 0.68 = 500\ \text{Hz}$. O maior comprimento de onda que pode ressonar neste tubo é $4L = 2.0\ \text{m}$.
Os experimentos nomeados pelo syllabus medem todos $\lambda$ a partir do espaçamento entre nós ou antinós. No tubo de ressonância, um tubo é elevado da água enquanto um alto-falante ou diapasão soa em sua extremidade aberta; o som torna-se repentinamente alto na primeira ressonância, quando a coluna de ar tem comprimento $\lambda/4$, e novamente em $3\lambda/4$, portanto o tubo move-se $\lambda/2$ entre os dois (um estudante não precisa de equipamento para detectar a ressonância: a nota torna-se alta). Em um tubo de pó, partículas finas depositam-se em montes nos nós de deslocamento, separados por $\lambda/2$. Com micro-ondas, um receptor movido ao longo da linha entre o transmissor e uma placa metálica refletora lê um mínimo a cada $\lambda/2$: um receptor que começa em um mínimo e passa por mais seis mínimos em $1.05\ \text{m}$ cruzou $3\lambda$, portanto $\lambda = 0.35\ \text{m}$ e, com $v = 340\ \text{m s}^{-1}$ para o experimento de som equivalente, $f = 970\ \text{Hz}$. Uma onda estacionária em um forno de micro-ondas derrete chocolate nos antinós, separados por $\lambda/2$, portanto o espaçamento dos pontos e a frequência do forno ($2.45\ \text{GHz}$) dão a velocidade da luz a partir de $c = f\lambda$.

Modo fundamental em um tubo fechado — um nó na extremidade fechada, um antinó na extremidade aberta ExplorarOndas estacionárias & harmônicos
Uma corda fixa em ambas as extremidades ressoa apenas em seus harmônicos. Arraste n para ver os nós, antinodos e como o comprimento de onda muda.
ExplorarOndas estacionárias
y = y₁ + y₂
Duas ondas se superpõem: onde se reforçam você obtém antinodos, onde se cancelam, nós.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin stationary wave/ˈsteɪʃənəri weɪv/ 驻波 zhù bō reflected/rɪˈflektɪd/ 反射 fǎn shè wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng maximum/ˈmæksɪməm/ 极大 jí dà antinode/ˌæntɪˈnəʊd/ 波腹 bō fù fundamental/ˌfʌndəˈmentl/ 基频 jī pín energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng resonance tube/ˈrezənəns tjuːb/ 共鸣管 gòng míng guǎn minimum/ˈmɪnɪməm/ 极小 jí xiǎo 8.2
Difração
Programa
- explicar o significado do termo difração
- demonstrar compreensão dos experimentos que demonstram difração, incluindo o efeito qualitativo da largura da fenda em relação ao comprimento de onda da onda; por exemplo, difração de ondas de água num tanque de ondas
Fonte: Programa Cambridge International
Difração 衍射 é o espalhamento de uma onda após passar por uma abertura ou ao redor de um obstáculo 障碍物. Todas as ondas sofrem difração — água, som, luz, micro-ondas.
Para os dois pontos "enuncie o que significa difração": o espalhamento de uma onda à medida que passa por uma abertura (uma abertura) ou ao redor da borda de um obstáculo, para a região atrás dele. A difração muda a direção em que a onda viaja, mas não sua velocidade, frequência ou comprimento de onda.
A quantidade de espalhamento depende da razão de comprimento de onda para largura da abertura:
- abertura muito mais larga que $\lambda$: muito pouco espalhamento; a onda passa quase em linha reta.
- abertura do tamanho de $\lambda$: muito espalhamento; a onda se expande em leque.
- abertura menor que $\lambda$: espalhamento muito forte; a abertura age quase como uma fonte pontual.
Mostre isso com ondas de água em um tanque de ondulações 水波槽: ondas retas encontram uma barreira com uma fenda, e as ondas curvam-se mais à medida que a fenda se torna mais estreita. A mesma ideia explica por que você pode ouvir alguém atrás de uma esquina (a fala tem $\lambda$ perto de 1 m, próximo ao tamanho da fenda) mas não pode vê-la (a luz visível tem $\lambda \sim 500\ \text{nm}$, muito menor que a fenda).
Para o espalhamento mais forte, a abertura deve ter cerca de um comprimento de onda de largura. Portanto, para aumentar a difração de uma dada onda, faça a abertura mais estreita; para uma dada abertura, use um comprimento de onda mais longo, o que significa uma frequência mais baixa. Ondas de rádio de comprimento de onda $1.5\ \text{km}$ difratam ao redor de uma montanha e atingem uma antena atrás dela; micro-ondas de $1.5\ \text{cm}$ não. Som de $0.44\ \text{kHz}$ no ar tem $\lambda = 330 / 440 = 0.75\ \text{m}$, então características de cerca de $0.75\ \text{m}$ o difratam mais, e dos sons passando por uma porta $0.80\ \text{m}$ de largura, as baixas frequências se espalham mais. Tornar a abertura muitas vezes mais larga que o comprimento de onda, ou aumentar a frequência, reduz o espalhamento.

Difração em um tanque de ondas — uma abertura larga (a) espalha as ondas pouco, uma abertura estreita (b) muito mais ExplorarOndas somando e cancelando
Duas ondas sobrepostas somam onde estão em fase e cancelam onde estão fora de fase — mude a fase para ver o resultado. Isso é o que cria padrões de difração.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射 yǎn shè obstacle/ˈɒbstəkl/ 障碍物 zhàng ài wù ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ 水波槽 shuǐ bō cáo 8.3
Interferência
Programa
- compreender os termos interferência e coerência
- demonstrar compreensão dos experimentos que demonstram interferência de duas fontes utilizando ondas de água num tanque de ondas, som, luz e micro-ondas
- compreender as condições necessárias para que sejam observados franjas de interferência em duas fontes
- recordar e utilizar $\lambda = ax / D$ para interferência de dupla fenda utilizando luz
Fonte: Programa Cambridge International
Interferência de duas fendas 
As cores que se alteram em uma bolha de sabão vêm da interferência da luz. Interferência 干涉 é a superposição de duas ondas coerentes 相干 para dar um padrão estável de regiões de alta amplitude (construtivo) e baixa amplitude (destrutivo).

Duas fontes coerentes dão linhas de deslocamento máximo onde cristas encontram cristas 
O mesmo efeito em um tanque de ondas real — duas fontes coerentes dão um padrão de interferência estável Coerência
Duas fontes são coerentes quando emitem ondas com uma diferença de fase constante (o que também exige a mesma frequência). Duas lâmpadas separadas não são coerentes — sua fase muda aleatoriamente, então qualquer padrão pisca muito rápido para ser visto e você obtém apenas uma média.
A definição de uma marca: ondas coerentes têm uma diferença de fase constante, o que requer a mesma frequência. Elas não precisam estar em fase umas com as outras: duas fontes coerentes emitindo $180°$ de distância dá um padrão cuja linha central é um mínimo. Dois lasers separados, ou uma lâmpada e um laser, não são coerentes mesmo quando suas frequências coincidem, então nenhum padrão estável se forma.
Para fazer luz coerente de uma fonte, passe-a por duas fendas 狭缝 em um setup de dupla-fenda 双缝. Ambas as fendas são iluminadas pela mesma frente de onda, então os dois feixes mantêm uma relação de fase fixa.
Condições para um padrão claro
Para ver franjas de duas fontes você precisa:
- duas fontes coerentes (diferença de fase constante).
- amplitudes aproximadamente iguais (ou as regiões escuras não são muito escuras).
- as ondas se sobrepõem onde você olha.
- para a luz (uma onda transversal), o mesmo plano de polarização 偏振.
Na prática, para a luz: uma fenda simples (ou um laser) torna as duas fendas coerentes; as fendas são estreitas, então cada uma difrata a luz na região onde os dois feixes se sobrepõem; e as fendas estão próximas, com a tela longe, para que as franjas sejam largas o suficiente para serem vistas.
Diferença de caminho
Para duas fontes coerentes, o que acontece em um ponto depende da diferença de caminho 路程差 $\Delta x$ entre as duas ondas ali chegando:
- construtivo: $\Delta x = n\lambda$ (para números inteiros $n = 0, 1, 2, \ldots$).
- destrutivo: $\Delta x = (n + \tfrac{1}{2})\lambda$.
A diferença de caminho fixa a diferença de fase: um comprimento de onda de caminho é $360°$. Ondas que viajaram $100\ \text{cm}$ e $80\ \text{cm}$ de duas fontes em fase de comprimento de onda $8.0\ \text{cm}$ chegam com uma diferença de caminho de $2.5\lambda$, uma diferença de fase de $180°$, e cancelam-se; micro-ondas de comprimento de onda $4\ \text{cm}$ cujos caminhos diferem em $6\ \text{cm}$ ($1.5\lambda$) dão um mínimo, de intensidade zero apenas se as duas amplitudes forem iguais. Reduzir as frequências das duas fontes igualmente alonga o comprimento de onda, então a mesma diferença de caminho é um número menor de comprimentos de onda e o ponto deixa de ser um mínimo.

O que acontece em Z depende da diferença de caminho XZ − YZ, medida em comprimentos de onda Experimento de dupla-fenda (Young)
Para duas fendas a uma distância $a$ de distância, com uma tela a uma distância $D$ (assuma $D \gg a$), luz de comprimento de onda $\lambda$ faz franjas na tela.

Experimento de dupla fenda de Young — a fenda única torna as duas fendas fontes coerentes O espaçamento de franja 条纹间距 $x$ (uma franja 条纹 para a próxima) é
$$\lambda = \frac{a x}{D}, \qquad x = \frac{\lambda D}{a}.$$Franjas brilhantes (máximo 极大) são onde a diferença de caminho é um número inteiro de $\lambda$; franjas escuras (mínimo 极小) onde é $(n + \tfrac{1}{2})\lambda$. As franjas são igualmente espaçadas.
Para tornar o espaçamento de franja menor: aumente $a$ (fendas mais distantes), reduza $D$ (tela mais perto), ou use um $\lambda$ mais curto (luz mais azul).
Explique como o padrão de franjas brilhantes e escuras é formado (três marcas): a luz difrata em cada fenda; os dois feixes difratados se sobrepõem e superpõem-se; onde a diferença de caminho das duas fendas é um número inteiro de comprimentos de onda as ondas chegam em fase e interferem construtivamente, dando uma franja brilhante, e onde é um número ímpar de meios-comprimentos de onda elas chegam fora de fase e interferem destrutivamente, dando uma franja escura. Uma fonte mais brilhante torna as franjas brilhantes mais brilhantes mas não altera seu espaçamento; mudar para luz azul torna o espaçamento menor, então para manter o mesmo espaçamento as fendas devem ser movidas mais perto; tornar cada fenda mais estreita aumenta a difração, então franjas aparecem em uma região mais larga, com o espaçamento inalterado.
Exemplo resolvido. Em um experimento de dupla-fenda as fendas estão $0.50\ \text{mm}$ de distância e iluminadas por luz de comprimento de onda $600\ \text{nm}$. A tela está $2.0\ \text{m}$ de distância. Encontre o espaçamento de franja.
$$x = \frac{\lambda D}{a} = \frac{(600 \times 10^{-9})(2.0)}{0.50 \times 10^{-3}} = 2.4 \times 10^{-3}\ \text{m} = 2.4\ \text{mm}.$$Exemplo resolvido. Luz vermelha de comprimento de onda $680\ \text{nm}$ incide sobre fendas $0.16\ \text{mm}$ de distância. A distância entre os centros da primeira e nona franja escura é $3.2\ \text{cm}$. Encontre a distância $D$ à tela.
Oito espaçamentos de franja fazem $3.2\ \text{cm}$, então $x = 4.0\ \text{mm}$ e $D = ax / \lambda = (0.16 \times 10^{-3})(4.0 \times 10^{-3}) / (680 \times 10^{-9}) = 0.94\ \text{m}$. Em uma tela $5.0\ \text{cm}$ de largura centrada no padrão, com $x = 2.4\ \text{mm}$, dez franjas brilhantes cabem de cada lado da central: $21$ no total. Um gráfico de $x$ contra $a$ é uma curva caindo conforme $1/a$; um gráfico de $x$ contra $\lambda$ (ou contra $D$) é uma linha reta pela origem com inclinação $D/a$ (ou $\lambda/a$), da qual $a$ pode ser encontrado.
ExplorarInterferência
y = y₁ + y₂
Em fase → construtiva (brilhante/forte); fora de fase → destrutiva (escura/silenciosa).
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin slit/slɪt/ 狭缝 xiá fèng double-slit/ˈdʌbl slɪt/ 双缝 shuāng fèng fringe/frɪndʒ/ 条纹 tiáo wén polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ 偏振 piān zhèn path difference/pæθ ˈdɪfrəns/ 路程差 lù chéng chā fringe spacing/frɪndʒ ˈspeɪsɪŋ/ 条纹间距 tiáo wén jiān jù 8.4
Rede de difração
Programa
- recordar e utilizar $d \sin \theta = n\lambda$
- descrever a utilização de uma rede de difração para determinar o comprimento de onda da luz (a estrutura e a utilização do espectrômetro não estão incluídas)
Fonte: Programa Cambridge International
Uma rede de difração 衍射光栅 tem muitas fendas igualmente espaçadas — muitas vezes centenas ou milhares por milímetro. Cada fenda é uma fonte coerente. Um máximo é visto em ângulo $\theta$ da normal 法线 à rede quando
$$d \sin\theta = n \lambda,$$onde $d$ é o espaçamento de fenda 缝间距 (centro a centro), $n = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots$ é a ordem 级次, e $\lambda$ é o comprimento de onda.
Exemplo resolvido. Uma rede de difração tem $500$ linhas por mm. Luz de comprimento de onda $600\ \text{nm}$ é direcionada normalmente sobre ela. Encontre o ângulo do máximo de primeira ordem ($n = 1$).
O espaçamento de fenda é $d = \dfrac{1}{500}\ \text{mm} = 2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$, então
$$\sin\theta = \frac{n\lambda}{d} = \frac{600 \times 10^{-9}}{2.0 \times 10^{-6}} = 0.30 \quad\Rightarrow\quad \theta \approx 17°.$$Comparado com a dupla-fenda, uma rede dá máximos muito mais nítidos, porque mais fendas somam-se — todas as outras direções são canceladas por muitas fendas.
Para descrever a difração na rede: a luz se espalha (difrata) em toda fenda, e as ondas de todas as fendas superpõem-se; nas direções onde a diferença de caminho entre fendas vizinhas é um número inteiro de comprimentos de onda elas estão todas em fase, então máximos nítidos se formam ali e quase nada entre elas. Um gráfico de intensidade contra ângulo é um conjunto de picos estreitos em $\theta = 0$ e em $\pm\theta_{1}, \pm\theta_{2}, \ldots$, onde $\sin\theta_{n} = n\lambda/d$: igualmente espaçados em $\sin\theta$, então ligeiramente mais distantes em $\theta$ nas ordens mais altas.

Intensidade contra ângulo para uma rede: máximos nítidos onde $d\sin\theta = n\lambda$ Exemplo resolvido. Luz de comprimento de onda $680\ \text{nm}$ incide normalmente em uma rede com $450$ linhas por mm. Encontre o ângulo entre os dois máximos de segunda ordem.
$d = 1/450\ \text{mm} = 2.22 \times 10^{-6}\ \text{m}$, então $\sin\theta_{2} = 2 \times 680 \times 10^{-9} / (2.22 \times 10^{-6}) = 0.612$ e $\theta_{2} = 37.7°$; os dois feixes de segunda ordem estão $2\theta_{2} = 75°$ de distância.

Uma rede de difração divide luz monocromática em máximos nítidos em uma tela Espaçamento de fenda a partir de "linhas por mm"
Se uma rede tem $N$ linhas por milímetro, então $d = 1/N$ milímetros $= 10^{-3}/N$ metros. Para $450$ linhas por mm, $d = 1/450\ \text{mm} \approx 2.22\ \mu\text{m}$.
Ordem mais alta
Para uma dada rede e comprimento de onda, $\sin\theta = n\lambda/d$ não pode ser mais que $1$, então a ordem mais alta vista é
$$n_{\text{max}} = \left\lfloor \frac{d}{\lambda} \right\rfloor.$$Se $d/\lambda = 3.27$, ordens até $n = 3$ existem; $n = 4$ precisaria de $\sin\theta > 1$ e não é vista.
Então o número total de máximos em uma tela larga é $2n_{\text{max}} + 1$: para $700\ \text{nm}$ luz e $400$ linhas por mm, $d/\lambda = 3.57$, então $n_{\text{max}} = 3$ e sete feixes são vistos. Um comprimento de onda mais curto dá mais ordens em menores ângulos. Com luz branca toda ordem exceto a ordem zero é um espectro, violeta mais próximo do centro e vermelho mais distante, porque $\theta$ cresce com $\lambda$; a ordem zero permanece branca. Dois comprimentos de onda dão um máximo no mesmo ângulo quando $n_{1}\lambda_{1} = n_{2}\lambda_{2}$: a terceira ordem de $400\ \text{nm}$ coincide com a segunda ordem de $600\ \text{nm}$.
Encontrando $\lambda$ com uma rede
Brilhe luz paralela de comprimento de onda desconhecido diretamente na rede. Meça o ângulo $\theta_{1}$ do máximo de primeira ordem a partir do centro. Então $\lambda = d \sin\theta_{1}$. Repetir para ordens mais altas e médias reduz o erro.
Meça o ângulo entre os máximos de primeira ordem dos dois lados e divida por dois, o que cancela qualquer erro no ajuste do zero; ordens mais altas dão maiores ângulos e assim uma menor incerteza percentual; e plotar $\sin\theta$ contra $n$ para várias ordens dá uma linha reta pela origem de inclinação $\lambda/d$, então $\lambda = Gd$ (ou, para um comprimento de onda conhecido, $d = \lambda/G$). Duas coisas devem estar certas: $\theta$ é medido a partir da normal à rede, não de sua superfície, e $d$ é a distância entre linhas adjacentes, então $400$ linhas por mm significam $d = 2.5\ \mu\text{m}$, nunca $400$.
ExplorarPor que a rede produz máximos nítidos
Duas ondas se somam quando estão em fase e se cancelam quando estão fora de fase — altere a fase e observe o resultado. As muitas fendas de uma rede tornam as franjas brilhantes extremamente finas.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin intensity/ɪnˈtensɪti/ 强度 qiáng dù antiphase/ˌæntɪˈfeɪz/ 反相 fǎn xiāng node/nəʊd/ 波节 bō jié progressive wave/prəˈɡresɪv weɪv/ 行波 xíng bō diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ 衍射光栅 yǎn shè guāng shān normal/ˈnɔːml/ 法线 fǎ xiàn slit spacing/slɪt ˈspeɪsɪŋ/ 缝间距 fèng jiān jù order/ˈɔːdə/ 级次 jí cì 8.4
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição princípio da superposição quando duas ou mais ondas encontram-se em um ponto, o deslocamento resultante é a soma dos deslocamentos das ondas individuais onda estacionária o padrão formado quando duas ondas progressivas da mesma frequência e velocidade viajam em direções opostas e se sobrepõem, com nós e antinós que não se movem nó um ponto em uma onda estacionária onde o deslocamento é sempre zero antinó um ponto em uma onda estacionária onde a amplitude é máxima difração o espalhamento de uma onda ao passar por uma abertura ou ao redor da borda de um obstáculo interferência a superposição de ondas de fontes coerentes, resultando em um padrão estável de máximos e mínimos coerência ondas que possuem uma diferença de fase constante (e, portanto, a mesma frequência) diferença de caminho a diferença entre as distâncias percorridas por duas ondas desde suas fontes até um ponto espaçamento de franjas a distância entre os centros de duas franjas brilhantes (ou escuras) adjacentes ordem de um máximo o número inteiro $n$ em $d\sin\theta = n\lambda$, o número de comprimentos de onda da diferença de caminho entre fendas adjacentes 8.4
Dicas de prova
- Interferência de duas fontes: construtiva quando a diferença de caminho é $= n\lambda$, destrutiva quando é $= (n + \tfrac{1}{2})\lambda$; as fontes devem ser coerentes.
- Fenda dupla: $\lambda = ax/D$; rede de difração: $d\sin\theta = n\lambda$ — saiba todos os símbolos.
- Em uma onda estacionária, marque nós e antinós; nós adjacentes estão separados por $\lambda/2$; ela armazena energia, mas não a transfere.
- Uma onda estacionária precisa de duas ondas de mesma frequência viajando em direções opostas.
Erros comuns
- Somar amplitudes ou intensidades no princípio da superposição. Os deslocamentos se somam; a intensidade então segue do quadrado da amplitude resultante.
- "Nós adjacentes estão separados por um comprimento de onda." Metade de um comprimento de onda; de um nó ao próximo antinó é um quarto.
- Usar $d =$ linhas por milímetro em $d\sin\theta = n\lambda$. Inverter: $d = 10^{-3}/N$ metros.
- Medir $\theta$ a partir da superfície da rede, ou esquecer que o ângulo entre os dois feites de primeira ordem é $2\theta_{1}$.
- Escrever "em fase" para coerente. Coerente significa uma diferença de fase constante; as fontes podem estar permanentemente fora de fase.
- Dizer que o espaçamento de franjas muda quando a fonte fica mais brilhante, ou que fendas mais estreitas mudam o espaçamento. Brilho e largura da fenda alteram o contraste e o número de franjas visíveis, não $x = \lambda D/a$.
-
9
Eletricidade
Assistir aula9.1
Corrente elétrica
Programa
- compreender que uma corrente elétrica é um fluxo de portadores de carga
- compreender que a carga nos portadores de carga é quantizada
- recordar e usar $Q = It$
- utilizar, para um condutor percorrido por corrente, a expressão $I = Anvq$, onde $n$ é a densidade numérica de portadores de carga
Fonte: Programa Cambridge International
Uma corrente elétrica 电流 é um fluxo de portadores de carga 载流子. Em um metal, os portadores são elétrons 电子 de condução negativos; em um eletrólito 电解质, são íons 离子 positivos e negativos; em um semicondutor 半导体, podem ser elétrons ou "buracos" 空穴. A direção da corrente convencional 常规电流 é a forma como a carga positiva fluiria — oposta ao fluxo real de elétrons em um fio.
Carga
A carga é quantizada 量子化: a menor unidade livre de carga é a carga elementar 基本电荷
$$e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}.$$Toda carga livre neste programa é um múltiplo de número inteiro de $e$. A unidade de carga é o coulomb 库仑, $\text{C}$.
Assim, uma partícula pode carregar $4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ (equivalente a três elétrons) ou $-2.4 \times 10^{-18}\ \text{C}$ (quinze), mas nunca $1.1 \times 10^{-19}\ \text{C}$ ou $6.4 \times 10^{-20}\ \text{C}$; um conjunto de medições que dê uma carga de portador $2.5 \times 10^{-19}\ \text{C}$ não pode estar certo, pois isso não é um múltiplo de $e$. Para as definições de uma marca: uma corrente elétrica é um fluxo de portadores de carga; o coulomb é a carga que passa por um ponto em um segundo quando a corrente é de um ampère (um ampère multiplicado por um segundo); um portador de carga pode ser um elétron, um próton, um íon ou uma partícula $\alpha$, mas nunca um nêutron.
Corrente como a taxa de fluxo de carga
Se a carga $Q$ passar por um ponto no tempo $t$, a corrente é
$$I = \frac{Q}{t}, \qquad Q = It.$$Unidade de corrente: ampère, $\text{A}$ ($= \text{C s}^{-1}$). Para uma corrente variável, a carga que fluiu em um tempo é a área sob um gráfico de $I$–$t$.
Exemplo resolvido. Uma corrente de $0.50\ \text{A}$ flui por $2.0$ minutos. Encontre a carga que passa e quantos elétrons isso representa. ($e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
$$Q = It = 0.50 \times 120 = 60\ \text{C}, \qquad N = \frac{Q}{e} = \frac{60}{1.60 \times 10^{-19}} \approx 3.8 \times 10^{20}.$$As mesmas duas linhas respondem a "quantos elétrons passam em $10$ horas a $4.0\ \text{mA}$" (converta o tempo para segundos: $N = It/e = 4.0 \times 10^{-3} \times 36\,000 / (1.60 \times 10^{-19}) = 9.0 \times 10^{20}$) e, ao contrário, "a corrente média quando $6.0 \times 10^{23}$ elétrons passam em $24$ horas" ($I = Ne/t = 1.1\ \text{A}$). Um feixe de partículas $\alpha$ também carrega corrente: cada uma carrega $2e$, então uma corrente de feixe de $6.9 \times 10^{-9}\ \text{A}$ é $6.9 \times 10^{-9} / (2 \times 1.60 \times 10^{-19}) = 2.2 \times 10^{10}$ partículas por segundo. Um raio que transfere $1 \times 10^{20}$ elétrons em $30\ \mu\text{s}$ é uma corrente de $Ne/t = 5.3 \times 10^{5}\ \text{A}$.
Equação da velocidade de deriva
Para um condutor uniforme de área transversal $A$, com $n$ portadores de carga por unidade de volume (a densidade numérica 数密度), cada um carregando carga $q$, movendo-se com velocidade de deriva 漂移速度 média $v$:
$$I = A n v q.$$
Portadores de carga derivando dentro de um condutor: portadores positivos derivam com $I$, elétrons contra ele Exemplo resolvido. Um fio de cobre de área transversal $1.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$ carrega uma corrente de $5.0\ \text{A}$. O cobre tem $n = 8.5 \times 10^{28}$ elétrons livres por $\text{m}^{3}$. Encontre a velocidade de deriva. ($e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
Reorganizando $I = Anvq$ dá $v = \dfrac{I}{Anq}$:
$$v = \frac{5.0}{(1.0 \times 10^{-6})(8.5 \times 10^{28})(1.60 \times 10^{-19})} \approx 3.7 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}.$$Os elétrons derivam muito lentamente — menos de um milímetro por segundo.
Dois passos "mostre que" que frequentemente antecedem este cálculo. A densidade numérica de um metal com um elétron livre por átomo é $n = \dfrac{\text{density} \times N_{\text{A}}}{\text{molar mass}}$: para o cobre, $8.9 \times 10^{3} \times 6.02 \times 10^{23} / 0.0635 = 8.5 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$. E o tempo para um elétron derivar o comprimento de um fio é $t = L / v$: a $3.7 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ um $2.0\ \text{m}$ fio leva $5\,400\ \text{s}$, uma hora e meia, embora a corrente seja estabelecida quase instantaneamente. Entre eles, a equação $I = Anvq$ é usada como uma razão muito mais frequentemente do que como um cálculo:
- dois fios em série carregam a mesma corrente; se o fio Y tem o dobro do diâmetro de X (quatro vezes a área) e o mesmo metal, seus elétrons derivam a um quarto da velocidade. Dois fios do mesmo comprimento e diâmetro, mas metais diferentes, têm velocidades de deriva na razão inversa de suas densidades numéricas.
- um fio que afina (uma cunha, uma haste cônica, um cabo de mechas grossas e finas) carrega a mesma corrente em toda seção transversal, então a velocidade de deriva aumenta onde a área diminui: $v \propto 1/A \propto 1/r^{2}$. Um esboço de $v$ contra a distância ao longo de um fio cônico é uma curva que sobe cada vez mais acentuadamente em direção à extremidade estreita, não uma linha reta.
- a d.d.p. através de um fio uniforme é proporcional ao seu comprimento a corrente fixa, porque $V = IR = I\rho L / A$ com $I$, $\rho$ e $A$ constantes.

A mesma corrente em todos os lugares, então os elétrons derivam mais rápido onde o fio é mais fino Use isso para comparar correntes:
- um fio mais fino (menor $A$) na mesma $I$ precisa de uma deriva mais rápida $v$.
- um semicondutor tem muitos menos portadores livres do que um metal (menor $n$), então para a mesma $I$ a velocidade de deriva é muito maior.
- em componentes em série 串联, $I$ é o mesmo em todos os lugares, então se $A$ permanece o mesmo, mas o material muda, $nv$ muda da outra forma.
ExplorarCorrente, tensão e resistência
Corrente é a taxa de fluxo de carga. Aumentar a tensão aumenta a corrente; aumentar a resistência a diminui — I = V / R.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú charge carrier/tʃɑːdʒ ˈkærɪə/ 载流子 zài liú zǐ electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ 电解质 diàn jiě zhì ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ 半导体 bàn dǎo tǐ hole/həʊl/ 空穴 kōng xué conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ 常规电流 cháng guī diàn liú quantised/ˈkwɒntaɪzd/ 量子化 liàng zǐ huà elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ 基本电荷 jī běn diàn hè coulomb/ˈkuːlɒm/ 库仑 kù lún drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ 漂移速度 piāo yí sù dù number density/ˈnʌmbə ˈdensɪti/ 数密度 shù mì dù series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng 9.2
Diferença de potencial
Programa
- definir a diferença de potencial através de um componente como a energia transferida por unidade de carga
- recordar e usar $V = W/Q$
- recordar e utilizar $P = VI$, $P = I^2R$ e $P = V^2/R$
Fonte: Programa Cambridge International
A diferença de potencial 电势差 (d.d.p.) através de um componente é a energia 能量 transferida por unidade de carga enquanto essa carga passa por ele:
$$V = \frac{W}{Q}.$$Unidade: volt 伏特, $\text{V}$ ($= \text{J C}^{-1}$).
Se $1\ \text{J}$ de energia elétrica se transforma em outras formas (térmica, luz, cinética, …) quando $1\ \text{C}$ de carga passa por um componente, a d.d.p. através dele é $1\ \text{V}$.
A força eletromotriz 电动势 (f.e.m.) de uma fonte é a energia fornecida por unidade de carga pela fonte. A fórmula é a mesma que para a d.d.p.; a diferença é a direção: a f.e.m. é energia dada à carga pela mudança; a d.d.p. é energia dada para cima pela carga para o componente.
As definições aceitas pelo examinador: a diferença de potencial através de um componente é a energia transferida (de elétrica para outras formas) por unidade de carga passando por ele; a f.e.m. de uma fonte é a energia transferida de outras formas (química, em uma pilha) para energia elétrica por unidade de carga ao impulsionar a carga ao redor de um circuito completo; um volt é um joule por coulomb. Uma bateria "marcada $9.0\ \text{V}$" fornece, portanto, a cada coulomb $9.0\ \text{J}$ de energia elétrica para todo o circuito, e o produto de carga e d.d.p. é a energia transferida.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin volt/vəʊlt/ 伏特 fú tè electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì 9.2
Potência elétrica

Linhas de transmissão de alta tensão transportam energia elétrica pelo país. Combinando $V = W/Q$ e $I = Q/t$:
$$P = \frac{W}{t} = V I.$$Usando a lei de Ohm $V = IR$:
$$P = V I = I^{2} R = \frac{V^{2}}{R}.$$Escolha a forma com as quantidades que você conhece. Exemplos:
- dois aquecedores de resistência igual — aquele com maior corrente fornece mais potência 功率 ($P = I^{2}R$).
- dois resistores em paralelo 并联 sobre a mesma tensão 电压 — aquele com menor $R$ fornece mais potência ($P = V^{2}/R$).
- uma chaleira marcada "$2.4\ \text{kW}, 240\ \text{V}$" consome $I = P/V = 10\ \text{A}$ e tem resistência $R = V^{2}/P = 24\ \Omega$.
Energia transferida no tempo $t$ é $E = P t$.
Exemplo resolvido. Duas lâmpadas, P classificada $250\ \text{V}$, $50\ \text{W}$ e Q classificada $250\ \text{V}$, $200\ \text{W}$, são conectadas em série a uma alimentação de $250\ \text{V}$. Qual é mais brilhante?
Suas resistências na d.d.p. nominal são $R = V^{2}/P$: $1250\ \Omega$ para P e $313\ \Omega$ para Q. Em série, elas carregam a mesma corrente, então $P = I^{2}R$ faz a resistência maior, a lâmpada P, dissipar mais potência: a lâmpada "mais fraca" é a mais brilhante. Em paralelo, a d.d.p. é a mesma em ambas e $P = V^{2}/R$ favorece a menor resistência: Q. "Affirme e explique qual resistor dissipa mais potência" é respondido nomeando a quantidade que as duas compartilham (corrente em série, d.d.p. em paralelo) e a forma da equação de potência que a usa.
Exemplo resolvido. Uma alimentação entrega $2.4\ \text{kW}$ a $240\ \text{V}$ para uma chaleira através de dois cabos de resistência $0.10\ \Omega$ cada. Encontre a potência perdida nos cabos.
A corrente é $I = P/V = 10\ \text{A}$, portanto os cabos dissipam $I^{2}R = 10^{2} \times 0.20 = 20\ \text{W}$, e a chaleira recebe $2380\ \text{W}$. A eficiência de um circuito projetado para alimentar um componente é a potência desse componente dividida pela potência total da fonte: com $6.0\ \text{V}$ através de um resistor em série de $0.86\ \Omega$ e $4.5\ \text{V}$ através do componente na mesma corrente, a eficiência é $4.5 / (6.0 + 4.5) = 43\%$. Um termistor conectado a uma d.d.p. fixa dissipa $P = V^{2}/R$, portanto à medida que sua temperatura sobe e $R$ cai, a potência aumenta. Uma chaleira consome cerca de $10\ \text{A}$ de uma rede de $250\ \text{V}$; um carregador de telefone celular, uma fração de ampere.
ExplorarPotência elétrica
P = VI
Com uma tensão fixa, a potência é proporcional à corrente que ela gera.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ 电压 diàn yā 9.3
Resistência e Lei de Ohm
Programa
- definir resistência
- recordar e usar $V = IR$
- esboçar as características $I\text{--}V$ de um condutor metálico a temperatura constante, de um diodo semicondutor e de uma lâmpada incandescente
- explicar que a resistência de uma lâmpada incandescente aumenta à medida que a corrente aumenta porque a sua temperatura aumenta
- enunciar a Lei de Ohm
- recordar e utilizar $R = \rho L/A$
- compreender que a resistência de uma resistência dependente da luz (LDR) diminui à medida que a intensidade luminosa aumenta
- compreender que a resistência de um termistor diminui à medida que a temperatura aumenta (presume-se que os termistores tenham um coeficiente de temperatura negativo)
Fonte: Programa Cambridge International
A resistência 电阻 $R$ de um componente é
$$R = \frac{V}{I}.$$Unidade: ohm 欧姆, $\Omega$ ($= \text{V A}^{-1}$). A resistência depende das condições (como temperatura) quando é medida.

Resistores fixos reais — as faixas coloridas codificam a resistência em ohms Lei de Ohm
Um condutor obedece à Lei de Ohm 欧姆定律 quando a corrente através dele é proporcional à d.p. (diferença de potencial) entre seus terminais, desde que as condições (especialmente a temperatura) permaneçam constantes. Para tal condutor $R$ é constante e o gráfico $I$–$V$ é uma linha reta que passa pela origem.
A Lei de Ohm é um resultado experimental, não uma definição. A definição $R = V/I$ funciona para qualquer componente; apenas os componentes ôhmicos têm $R$ constante.
Para fins de avaliação: resistência é a razão entre a diferença de potencial entre um componente e a corrente que o atravessa; o ohm é a resistência de um componente no qual uma d.p. de um volt produz uma corrente de um ampere (um volt por ampere); a Lei de Ohm afirma que a corrente em um condutor metálico é diretamente proporcional à diferença de potencial entre seus terminais, desde que sua temperatura (e outras condições físicas) permaneça constante. De vários gráficos $I$–$V$, apenas uma linha reta que passa pela origem obedece à Lei de Ohm; uma linha reta que não passa pela origem ou qualquer curva não obedecem.
Características $I$–$V$
Você deve ser capaz de esboçar estas:
- fio metálico a temperatura constante — uma linha reta que passa pela origem ($R$ constante). Inverter a d.p. inverte a direção da corrente, resultando em uma linha reta em ambas as direções.
- lâmpada incandescente 灯丝灯泡 — passa pela origem, íngreme no início, depois mais plana à medida que $V$ (e $I$) crescem. Razão: mais corrente aquece o filamento, portanto sua resistência aumenta e o gradiente $1/R$ cai.
- diodo semicondutor 二极管 — praticamente nenhuma corrente para $V$ negativos ou pequenos valores positivos de $V$. Acima de uma tensão de "condução" (cerca de $0.7\ \text{V}$ para silício), a corrente aumenta abruptamente.
Explique a forma da linha da lâmpada incandescente (três pontos): à medida que a corrente aumenta, a temperatura do filamento sobe; os íons da rede vibram com maior amplitude, então os elétrons livres colidem com eles com mais frequência; cada colisão retira energia dos elétrons, assim a resistência aumenta; no gráfico, a razão $V/I$ cresce e a inclinação cai. Faça o inverso para "a corrente diminui": a temperatura cai, logo a resistência cai. Duas coisas para extrair de qualquer característica. A resistência em um ponto é $V/I$ para aquele ponto, nunca a inclinação de uma curva, então a resistência de um diodo é muito grande (infinita, na prática) até a d.p. de ligar e depois cai abruptamente à medida que $V$ aumenta ainda mais, e de quatro componentes na mesma d.p., aquele com a menor corrente tem a maior resistência. E quando uma lâmpada (ou um diodo) está em série com um resistor, os dois percorrem a mesma corrente e suas d.p.s se somam: leia a corrente na curva do componente em sua própria d.p., depois use $V = IR$ para o resistor, e a d.p. da fonte é a soma.

Característica $I$–$V$ de um condutor ôhmico (fio metálico a temperatura constante) 
Característica $I$–$V$ de uma lâmpada incandescente 
Característica $I$–$V$ de um diodo semicondutor Resistividade
Para um condutor uniforme de comprimento $L$ e área da seção transversal $A$,
$$R = \frac{\rho L}{A}.$$$\rho$ é a resistividade 电阻率, uma propriedade do material, com unidade $\Omega\ \text{m}$. Dobrar o comprimento dobra $R$; dobrar a área reduz pela metade; reduzir o diâmetro à metade reduz a área a um quarto e, portanto, torna $R$ quatro vezes maior.
Exemplo resolvido. Um fio de cobre de comprimento $2.0\ \text{m}$ e área da seção transversal $1.7 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ tem resistividade $1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$. Encontre sua resistência.
$$R = \frac{\rho L}{A} = \frac{(1.7 \times 10^{-8})(2.0)}{1.7 \times 10^{-7}} = 0.20\ \Omega.$$Valores típicos: cobre à temperatura ambiente $\rho \sim 1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$; um isolante 绝缘体 $\rho \sim 10^{15}\ \Omega\ \text{m}$ ou mais.

Um condutor mais longo tem mais resistência — dobrar $L$ dobra $R$ 
Um condutor mais largo tem menos resistência — dobrar $A$ reduz à metade $R$ A resistividade de um metal aumenta com a temperatura (mais vibração da rede 晶格振动 dispersa 散射 os elétrons), é por isso que a linha $I$–$V$ da lâmpada incandescente se curva.
A maioria das questões de resistividade são razões. Esticando um fio mantém seu volume ($A \times L$) constante, então se o comprimento torna-se $k$ vezes mais longo, a área torna-se $k$ vezes menor e $R = \rho L / A$ torna-se $k^{2}$ vezes maior: um fio três vezes mais longo (mesma massa, mesmo metal) tem nove vezes a resistência, e um fio cujo diâmetro cai para $0.940$ de seu valor tem sua área multiplicada por $0.884$, seu comprimento dividido por $0.884$, e sua resistência multiplicada por $1/0.884^{2} = 1.28$.

Esticado a volume constante: duas vezes o comprimento, metade da área, quatro vezes a resistência Exemplo resolvido. Um raio captador de cobre de resistência $9.6\ \Omega$ e comprimento $20\ \text{m}$ tem resistividade $1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$. Encontre seu raio.
$A = \rho L / R = 1.7 \times 10^{-8} \times 20 / 9.6 = 3.5 \times 10^{-8}\ \text{m}^{2}$, e $r = \sqrt{A / \pi} = 1.1 \times 10^{-4}\ \text{m}$. Dobrar o raio (mesmo comprimento) reduz a resistência a um quarto. As outras razões padrão: fios em paralelo — sete fios idênticos compartilham a corrente, então a resistência do cabo é um sétimo da resistência de um fio; dois fios da mesma resistência onde um metal tem o dobro da resistividade precisam que o segundo fio tenha o dobro da área (um diâmetro $\sqrt{2}$ vezes maior) para o mesmo comprimento; a resistência por unidade de comprimento de um fio, $0.92\ \Omega\ \text{m}^{-1}$, multiplicada por sua área, $5.3 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$, é sua resistividade, $4.9 \times 10^{-7}\ \Omega\ \text{m}$; e um cilindro de massa condutora $60\ \text{mm}$ de comprimento e $20\ \text{mm}$ de diâmetro, ou um cubo de lado $a$ ($R = \rho a / a^{2} = \rho / a$), usa a mesma $R = \rho L / A$ com o próprio comprimento da forma e área final. Quando o fio é mantido sob tensão, $R_{0} = \rho L / A$ ainda dá sua resistência, e um estiramento que o alonga e afina eleva $R$ por ambos os motivos. Como $\rho = RA/L = R\pi d^{2}/(4L)$, a incerteza percentual na resistividade medida é a soma das incertezas percentuais em $R$ e $L$ mais duas vezes aquela em $d$.
ExplorarNo que a resistência depende: R = ρL/A
Um fio mais longo tem mais resistência; um mais espesso (maior área) tem menos. Altere o comprimento, a área e o metal.
ExplorarResistência (Lei de Ohm)
V = R·I
Lei de Ohm: a tensão é proporcional à corrente — a inclinação é a resistência R.
ExplorarLei de Ohm: V = IR
V = aI
Arraste a resistência. Para um condutor ôhmico, a tensão é proporcional à corrente — uma linha reta cujo gradiente é a resistência.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin ohm/əʊm/ 欧姆 ōu mǔ Ohm's law/əʊmz lɔː/ 欧姆定律 ōu mǔ dìng lǜ filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ 灯丝灯泡 dēng sī dēng pào semiconductor diode/ˌsemɪkənˈdʌktə ˈdaɪəʊd/ 二极管 èr jí guǎn diode/ˈdaɪəʊd/ 二极管 èr jí guǎn resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ 电阻率 diàn zǔ lǜ insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 绝缘体 jué yuán tǐ lattice vibration/ˈlætɪs vaɪˈbreɪʃn/ 晶格振动 jīng gé zhèn dòng scatters/ˈskætəz/ 散射 sǎn shè light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ 光敏电阻 guāng mǐn diàn zǔ light intensity/laɪt ɪnˈtensɪti/ 光强 guāng qiáng negative temperature coefficient/ˈneɡətɪv ˈtemprɪtʃə ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 负温度系数 fù wēn dù xì shù potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ 分压器 fēn yā qì 9.3
Resistor dependente de luz (LDR)
Um resistor dependente de luz 光敏电阻 (LDR) é um semicondutor cuja resistência diminui à medida que a intensidade da luz aumenta. Em luz brilhante $R$ pode ser algumas centenas de $\Omega$; na escuridão pode chegar a megaohms. LDRs são usados em circuitos de detecção de luz (postes de rua, medidores de luz de câmeras). Aqui a intensidade da luz 光强 controla a resistência.

A resistência de um LDR diminui à medida que a intensidade da luz aumenta Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián 9.3
Termistor
Neste programa curricular, um termistor 热敏电阻 tem um coeficiente de temperatura negativo 负温度系数: sua resistência diminui à medida que sua temperatura aumenta. Isso é útil para sensing de temperatura — coloque-o em um divisor de potencial 分压器 e a tensão de saída muda com a temperatura.

A resistência de um termistor diminui à medida que a temperatura aumenta Isso é o oposto de um metal: em um semicondutor, mais energia térmica libera mais portadores de carga, e isso importa mais do que a dispersão adicional.
Um esboço da resistência de um termistor contra a temperatura começa em $R_{0}$ em $0\ °\text{C}$ e desce ao longo de uma curva que se aplaina: a queda não é linear, que é a desvantagem de um termistor como termômetro (sua escala não é uniforme, então precisa de calibração). Quando a luz em um LDR é aumentada, ou um termistor é aquecido, sua resistência diminui, a corrente em seu circuito aumenta, e a d.p. sobre ele (em série com um resistor fixo) diminui enquanto a d.p. sobre o resistor aumenta; um resistor fixo e um fio metálico a temperatura constante mantêm sua resistência, e a resistência de uma lâmpada incandescente aumenta com a corrente.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin thermistor/ˈθɜːmɪstə/ 热敏电阻 rè mǐn diàn zǔ 9.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição corrente elétrica fluxo de portadores de carga coulomb a carga que passa por um ponto em um segundo quando a corrente é um ampere diferença de potencial a energia transferida de elétrica para outras formas por unidade de carga passando por um componente força eletromotriz (f.e.m.) a energia transferida de outras formas para energia elétrica por unidade de carga, por uma fonte impulsionando cargas ao redor de um circuito completo volt um joule por coulomb resistência a razão entre a diferença de potencial entre um componente e a corrente que o atravessa ohm a resistência de um componente no qual uma diferença de potencial de um volt produz uma corrente de um ampere Lei de Ohm a corrente em um condutor metálico é diretamente proporcional à diferença de potencial entre seus terminais, desde que sua temperatura permaneça constante resistividade a constante $\rho$ em $R = \rho L / A$, uma propriedade do material com unidade $\Omega\ \text{m}$ densidade numérica o número de portadores de carga por unidade de volume do condutor 9.3
Dicas de prova
- Use $I = Q/t$, $V = W/Q$ (energia por unidade de carga) e $P = VI = I^2 R = V^2/R$.
- Lei de Ohm ($V = IR$) aplica-se apenas a um condutor ôhmico a temperatura constante — uma lâmpada incandescente é não-ôhmica.
- Esboce e interprete as características $I$-$V$ de um resistor, lâmpada incandescente e diodo.
- A resistência de um LDR diminui com a luz; a de um termistor diminui à medida que a temperatura aumenta.
Erros comuns
- Tendo a resistência a partir do gradiente de um gráfico $I$–$V$ curvo. A resistência é $V/I$ no ponto; apenas para uma linha reta passando pela origem ela é o inverso do gradiente.
- Deixando um tempo em minutos ou horas em $Q = It$. Converta para segundos primeiro.
- Dizer que a resistência da lâmpada de filamento aumenta "devido à tensão". A cadeia é: corrente, temperatura, vibração dos íons, mais colisões, maior resistência.
- Esquecer que um fio esticado muda de duas formas. Em volume constante, a área diminui conforme o comprimento aumenta, então $R \propto L^{2}$.
- Usar o diâmetro como raio em $A = \pi r^{2}$, ou deixar $\text{mm}^{2}$ sem converter.
- Comparar potências com a forma errada. Componentes em série compartilham a corrente, então use $I^{2}R$; componentes em paralelo compartilham a d.d.p., então use $V^{2}/R$.
-
10
Circuitos de C.C.
Assistir aula10.1
Circuitos práticos
Programa
- lembre-se e use os circuit symbols mostrados na seção 6 deste syllabus
- desenhar e interpretar diagramas de circuito contendo os símbolos de circuito mostrados na seção 6 deste programa
- definir e usar a força eletromotriz (f.e.m.) de uma fonte como energia transferida por unidade de carga ao mover cargas ao longo de um circuito completo
- distinguir entre f.e.m. e diferença de potencial (d.p.) em termos de considerações energéticas
- compreender os efeitos da resistência interna de uma fonte de f.e.m. sobre a diferença de potencial nos terminais
Fonte: Programa Cambridge International
f.e.m. e d.d.p.
A força eletromotriz 电动势 (f.e.m.) $\varepsilon$ de uma fonte é a energia 能量 fornecida a cada unidade de carga pela fonte ao impulsioná-la por todo um circuito. Unidade: volt.
A diferença de potencial 电势差 (d.d.p.) através de um componente é a energia convertida de elétrica para outras formas por cada unidade de carga ao passar por esse componente.
Ambas estão em volts; diferem na direção da energia:
- f.e.m. — energia colocada para dentro do circuito pela fonte (química → elétrica em uma bateria, mecânica → elétrica em um gerador).
- d.d.p. — energia retirada da forma elétrica (elétrica → térmica em um resistor, → luz em uma lâmpada, → cinética em um motor).
A formulação do examinador é fixa. A f.e.m. é "a energia transferida por unidade de carga pela fonte ao mover a carga por um circuito completo"; a d.d.p. é "a energia transferida por unidade de carga da forma elétrica para outras formas". Ambas são energia por carga, então o volt é um joule por coulomb ($1\ \text{V} = 1\ \text{J C}^{-1}$). Afirmações que são sempre verdadeiras sobre uma fonte: a f.e.m. é igual à d.d.p. terminal quando nenhuma corrente flui; a energia total que ela fornece a uma carga $Q$ é $\varepsilon Q$. O nome é uma armadilha: uma "força" eletromotriz não é uma força e não é medida em newtons.
Exemplo resolvido. Uma célula de f.e.m. $\varepsilon$ e resistência interna $r$ move uma carga $Q$ por um circuito cuja d.d.p. terminal é $V$. Compare a energia transferida pela célula com a energia dissipada externamente.
A célula transfere $\varepsilon Q$ no total; o circuito externo recebe $VQ$. Como $V = \varepsilon - Ir < \varepsilon$ sempre que há fluxo de corrente, $VQ < \varepsilon Q$ — a diferença $(\varepsilon - V)Q = IrQ$ é a energia convertida em calor dentro da célula.
No laboratório, você frequentemente monta um circuito em um breadboard 面包板 (uma placa com fileiras de furos que conectam componentes sem solda) e mede correntes e d.d.p.s com um multímetro 万用表.

O painel nu: os dois trilhos longos transportam energia, e cada fileira curta de furos está unida por baixo 
Um circuito real em um breadboard sendo medido com um multímetro Resistência interna
Uma fonte real tem alguma resistência interna 内阻 $r$ — geralmente a resistência do eletrólito 电解质 em uma célula 电池, ou os enrolamentos de fio em um gerador. Quando a corrente $I$ flui, uma d.d.p. interna de $Ir$ é "perdida" dentro da fonte, então a d.d.p. terminal 端电压 através do circuito externo é
$$V_{\text{terminal}} = \varepsilon - I r.$$Então:
- sem corrente (circuito aberto 开路, $I = 0$): a d.d.p. terminal é igual à f.e.m.
- corrente maior: a d.d.p. terminal cai.
- curto-circuito 短路 ($R_{\text{external}} \to 0$): $I = \varepsilon / r$, uma grande corrente, com toda a energia convertida em calor dentro da fonte.
Para medir $r$, altere a resistência externa e trace $V_{\text{terminal}}$ contra $I$: a linha tem intercepto em $y$ $\varepsilon$ e gradiente $-r$.
Exemplo resolvido. Uma célula de f.e.m. $1.5\ \text{V}$ e resistência interna $0.50\ \Omega$ está conectada a um resistor $2.5\ \Omega$. Encontre a corrente e a d.d.p. terminal.
A f.e.m. impulsiona a corrente através de ambas as resistências: $I = \dfrac{\varepsilon}{R + r} = \dfrac{1.5}{2.5 + 0.50} = 0.50\ \text{A}$. Então
$$V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir = 1.5 - 0.50 \times 0.50 = 1.25\ \text{V}.$$
Circuito para medir a f.e.m. e a resistência interna de uma célula 
D.d.p. terminal contra corrente — o intercepto é a f.e.m. e a inclinação é menos a resistência interna A potência 功率 fornecida à carga externa é $P_{\text{ext}} = (\varepsilon - Ir) I$; a potência perdida internamente é $P_{\text{int}} = I^{2} r$; a potência total da fonte é $\varepsilon I$.
A eficiência 效率 da fonte é $\dfrac{P_{\text{ext}}}{\varepsilon I} = \dfrac{VI}{\varepsilon I} = \dfrac{V}{\varepsilon} = \dfrac{R}{R + r}$: uma grande resistência de carga desperdiça pouca energia dentro da fonte.
Exemplo resolvido. Uma célula de f.e.m. $2.0\ \text{V}$ e resistência interna $0.40\ \Omega$ move uma corrente de $1.5\ \text{A}$ através de um fio. Mostre que a d.d.p. terminal é $1.4\ \text{V}$ e encontre a eficiência percentual com que a célula fornece potência ao fio.
$V = \varepsilon - Ir = 2.0 - 1.5 \times 0.40 = 2.0 - 0.60 = 1.40\ \text{V}$. Potência para o fio $= VI = 1.4 \times 1.5 = 2.1\ \text{W}$; potência total da célula $= \varepsilon I = 2.0 \times 1.5 = 3.0\ \text{W}$. Eficiência $= 2.1 / 3.0 = 0.70$, ou seja, $70\%$. Em uma questão de "mostre", escreva cada passo e o valor não arredondado ($1.40\ \text{V}$) antes do valor que lhe foi dado.
Quando o circuito externo muda, argumente através da corrente. Fechar um interruptor que adiciona um segundo resistor em paralelo reduz a resistência externa total, então a corrente na célula aumenta, os "volts perdidos" internos $Ir$ aumentam, e a d.d.p. terminal $\varepsilon - Ir$ cai; a d.d.p. através do resistor original (que é a d.d.p. terminal) portanto cai, bem como sua corrente, mesmo que a corrente da célula tenha subido. Essa cadeia — resistência → corrente na célula → $Ir$ → d.d.p. terminal — é a resposta modelo para quase todas as questões de "affeirme e explique o efeito" neste tópico.

Fechando S adiciona um ramo em paralelo: a corrente na célula aumenta, então Ir aumenta e a d.d.p. terminal lida pelo voltímetro cai Células ligadas juntas. Em série, as f.e.m.s somam-se e as resistências internas somam-se: três células de f.e.m. $\varepsilon$ e resistência interna $r$ dão $3\varepsilon$ e $3r$. Uma célula conectada no sentido errado subtrai sua f.e.m. (dez células $1.5\ \text{V}$ com uma invertida dão $8 \times 1.5 = 12\ \text{V}$). Células idênticas em paralelo dão a mesma f.e.m. $\varepsilon$ com uma menor resistência interna $r/N$, então podem fornecer uma maior corrente.
Símbolos de circuito
Você deve reconhecer e desenhar os símbolos padrão no programa: célula, bateria, interruptor, resistor, resistor variável, ammeter 电流表, voltmeter 电压表, lâmpada, diodo (e LED 发光二极管), capacitor 电容器, indutor, termistor, resistor dependente de luz, fuse 保险丝, terra, junção. Um ammeter ideal tem resistência 电阻 zero e vai em série 串联. Um voltmeter ideal tem resistência infinita e vai em paralelo 并联.

Os símbolos de circuito padrão que você precisa reconhecer e desenhar Desenhar um diagrama de circuito. Pontos são perdidos por símbolos, não por física. Use linhas retas com régua e os símbolos padrão; um ammeter vai em série com o componente cuja corrente ele mede e um voltmeter em paralelo com (através) o componente cuja d.d.p. ele mede; uma célula com resistência interna é desenhada como uma célula ideal em série com um resistor $r$; e um resistor variável pode ser usado de duas maneiras, mostradas abaixo. Uma questão de "complete o diagrama do circuito" geralmente quer exatamente este arranjo de medição: fonte, ammeter e resistor variável em um laço em série, voltmeter através do componente sob teste.

Um multímetro digital sobre um banco de resistores: o voltmeter vai em paralelo, o ammeter em série 
Um resistor variável como reostato (duas conexões, define a corrente) e como divisor de potencial (três conexões, define uma d.d.p. de 0 a E) ExplorarResistência interna
V = ε − I·r
A p.d. terminal cai com a corrente: começa na f.e.m. ε e cai por I·r.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā breadboard/ˈbredbɔːd/ 面包板 miàn bāo bǎn multimeter/ˌmʌltɪˈmiːtə/ 万用表 wàn yòng biǎo internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ 内阻 nèi zǔ electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ 电解质 diàn jiě zhì cell/sel/ 电池 diàn chí terminal p.d./ˈtɜːmɪnl ˌpiː ˈdiː/ 端电压 duān diàn yā open circuit/ˈəʊpən ˈsɜːkɪt/ 开路 kāi lù short circuit/ʃɔːt ˈsɜːkɪt/ 短路 duǎn lù power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 效率 xiào lǜ ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo LED/ˌel iː ˈdiː/ 发光二极管 fā guāng èr jí guǎn capacitor/kəˈpæsɪtə/ 电容器 diàn róng qì fuse/fjuːz/ 保险丝 bǎo xiǎn sī resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 节点 jié diǎn conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ 电荷守恒 diàn hè shǒu héng closed loop/kləʊzd luːp/ 回路 huí lù conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng Kirchhoff's first law/ˈkɜːkhɒfs fɜːst lɔː/ 基尔霍夫第一定律 jī ěr huò fū dì yí dìng lǜ Kirchhoff's second law/ˈkɜːkhɒfs ˈsekənd lɔː/ 基尔霍夫第二定律 jī ěr huò fū dì èr dìng lǜ rheostat/ˈriːəstæt/ 变阻器 biàn zǔ qì 10.2
Leis de Kirchhoff
Programa
- recordar a primeira lei de Kirchhoff e compreender que ela é consequência da conservação da carga
- recordar a segunda lei de Kirchhoff e compreender que ela é consequência da conservação de energia
- deduzir, usando as leis de Kirchhoff, uma fórmula para a resistência equivalente de dois ou mais resistores em série
- usar a fórmula para a resistência equivalente de dois ou mais resistores em série
- deduzir, usando as leis de Kirchhoff, uma fórmula para a resistência equivalente de dois ou mais resistores em paralelo
- usar a fórmula para a resistência equivalente de dois ou mais resistores em paralelo
- usar as leis de Kirchhoff para resolver problemas simples de circuitos
Fonte: Programa Cambridge International
Primeira lei (regra do nó)
Em qualquer nó 节点, a corrente total que entra é igual à corrente total que sai. Isso segue da conservação de carga 电荷守恒 — a carga não pode se acumular em um ponto em um circuito estável, então a carga por segundo que entra é igual à carga por segundo que sai.
Para um nó com três fios: $I_{1} = I_{2} + I_{3}$ se as correntes 2 e 3 saem e a corrente 1 entra.

A corrente se divide em um nó em um circuito paralelo (3 A entrando equivale a 2 A mais 1 A) Duas formas pelas quais o examinador pergunta: "affeirme a lei" (uma marca: a soma das correntes entrando em um nó é igual à soma das correntes saindo dele) e "affeirme a lei de conservação por trás dela" (carga). Não responda "energia" para a primeira lei ou "carga" para a segunda — o pareamento é testado em quase toda a Paper 1.
Segunda lei (regra do laço)
Ao redor de qualquer laço fechado 回路, a f.e.m. total é igual à d.d.p. total através dos componentes naquele laço. Isso segue da conservação de energia 能量守恒: à medida que uma unidade de carga percorre uma vez um laço, a energia que ganha das fontes é igual à energia que entrega aos componentes.
Escolha uma direção ao redor do laço. Considere uma f.e.m. positiva quando a direção do laço vai de − para + da fonte, e uma d.d.p. positiva quando a direção do laço é a direção da corrente convencional através do resistor.
Em símbolos, ao redor de qualquer laço fechado $\sum \varepsilon = \sum IR$. Uma fonte que você passa de $+$ para $-$ conta como uma f.e.m. negativa (ela está sendo carregada, ou se opõe à outra fonte), e um resistor que você passa contra sua corrente conta como uma d.d.p. negativa.
Exemplo resolvido. Duas pilhas estão em um único circuito com suas f.e.m. opostas: $12.0\ \text{V}$ com resistência interna $1.0\ \Omega$, e $8.0\ \text{V}$ com resistência interna $0.50\ \Omega$. Encontre a corrente.
Percorrendo o circuito, a f.e.m. líquida é $12.0 - 8.0 = 4.0\ \text{V}$ e a resistência total é $1.0 + 0.50 = 1.5\ \Omega$ (as resistências internas estão em série), logo $I = 4.0 / 1.5 = 2.7\ \text{A}$. A corrente flui na direção imposta pela maior f.e.m.
Combinando resistores
Resistores em série. Derivação usando as leis de Kirchhoff: não há nó entre os resistores, portanto pela primeira lei a mesma corrente $I$ passa por cada um. Pela segunda lei, a f.e.m. ao redor do laço é igual à soma das d.d.p.s:
$$\varepsilon = I R_{1} + I R_{2} + \ldots = I (R_{1} + R_{2} + \ldots),$$logo $R_{\text{series}} = R_{1} + R_{2} + \ldots$.

Dois resistores em série e seu único resistor equivalente Resistores em paralelo. Derivação: pela segunda lei, cada resistor forma seu próprio laço com a fonte, portanto cada um tem a mesma d.d.p. $V$ sobre ele. Pela primeira lei, a corrente que entra no nó é igual à soma das correntes dos ramos:
$$I = \frac{V}{R_{1}} + \frac{V}{R_{2}} + \ldots = V \left(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \ldots\right),$$logo $\dfrac{1}{R_{\text{parallel}}} = \dfrac{1}{R_{1}} + \dfrac{1}{R_{2}} + \ldots$.

Dois resistores em paralelo e seu único resistor equivalente Dois resistores iguais $R$ em paralelo resultam em $R/2$; $N$ resistores iguais resultam em $R/N$. Uma associação em paralelo é sempre menor que qualquer um de seus resistores; uma associação em série é sempre maior.
Exemplo resolvido. Um resistor de $4.0\ \Omega$ e um resistor de $12\ \Omega$ estão conectados em paralelo. Encontre sua resistência combinada.
$$\frac{1}{R} = \frac{1}{4.0} + \frac{1}{12} = \frac{3}{12} + \frac{1}{12} = \frac{4}{12} = \frac{1}{3} \quad\Rightarrow\quad R = 3.0\ \Omega.$$Redes de resistores e potência
Reduza uma rede mista passo a passo: substitua cada cadeia em série pela soma e cada par em paralelo por $\dfrac{R_{1}R_{2}}{R_{1} + R_{2}}$ (a forma "produto sobre soma", válida apenas para dois resistores), redesenhe e repita até restar um único resistor. Duas regras decidem qual resistor dissipa mais potência sem cálculos aritméticos: componentes que carregam a mesma corrente dissipam mais na maior resistência ($P = I^{2}R$); componentes com a mesma d.d.p. dissipam mais na menor resistência ($P = V^{2}/R$). Em uma mistura série-paralelo, o único resistor que carrega a corrente total geralmente dissipa mais, pois um ramo em paralelo carrega apenas uma fração dela.
Exemplo resolvido. Três resistores, cada um com resistência de $R$, são conectados com dois em série e esse par em paralelo com o terceiro. A resistência total entre as extremidades é $8.0\ \Omega$. Encontre $R$.
O par em série é $2R$; em paralelo com $R$: $R_{\text{T}} = \dfrac{2R \times R}{2R + R} = \dfrac{2R}{3}$. Logo $\dfrac{2R}{3} = 8.0$, resultando em $R = 12\ \Omega$. Verificação: o resistor único $R$ carrega o dobro da corrente do par (mesma d.d.p., metade da resistência), portanto dissipa mais potência.
Resolvendo um circuito
- Rotule toda corrente com um símbolo e uma direção escolhida.
- Use a primeira lei de Kirchhoff 基尔霍夫第一定律 em cada nó para relacionar as correntes.
- Use a segunda lei de Kirchhoff 基尔霍夫第二定律 ao redor de cada laço para obter equações nas d.d.p.s.
- Use $V = IR$ para cada resistor.
- Resolva as equações simultaneamente.
Para redes simétricas, use a simetria para identificar ramos com correntes iguais — o ramo com maior corrente gera mais potência ($P = I^{2}R$).

O circuito padrão de dois laços: uma equação de nó e duas equações de laço fixam todas as três correntes Exemplo resolvido. No circuito acima $\varepsilon = 12\ \text{V}$ (resistência interna desprezível), $R_{1} = 2.0\ \Omega$, $R_{2} = 6.0\ \Omega$ e $R_{3} = 3.0\ \Omega$. Encontre as três correntes.
Método de Kirchhoff. Junção: $I_{1} = I_{2} + I_{3}$. Laço 1 (através de $\varepsilon$, $R_{1}$, $R_{2}$): $12 = 2.0 I_{1} + 6.0 I_{2}$. Laço 2 (através de $R_{2}$ e $R_{3}$, sem fonte): $0 = 6.0 I_{2} - 3.0 I_{3}$, portanto $I_{3} = 2 I_{2}$. Então $I_{1} = 3 I_{2}$ e $12 = 6.0 I_{2} + 6.0 I_{2}$, resultando em $I_{2} = 1.0\ \text{A}$, $I_{3} = 2.0\ \text{A}$ e $I_{1} = 3.0\ \text{A}$.
Verificação por redução. $6.0\ \Omega$ e $3.0\ \Omega$ em paralelo dão $2.0\ \Omega$; com $R_{1}$ o total é $4.0\ \Omega$, logo $I_{1} = 12 / 4.0 = 3.0\ \text{A}$ e a d.d.p. sobre o par em paralelo é $3.0 \times 2.0 = 6.0\ \text{V}$, resultando em $I_{2} = 6.0/6.0 = 1.0\ \text{A}$ e $I_{3} = 6.0/3.0 = 2.0\ \text{A}$. Ambos os métodos devem concordar; uma resposta negativa para uma corrente significa simplesmente que você escolheu a direção errada.
ExplorarCircuitos série e paralelo
Alterne entre série e paralelo e adicione lâmpadas. Em série, elas compartilham a tensão e uma interrupção as apaga todas; em paralelo, cada uma recebe a tensão total e uma interrupção perde apenas seu ramo.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián loop/luːp/ 回路 huí lù 10.3
Divisores de tensão
Programa
- compreender o princípio de um circuito divisor de tensão
- recordar e usar o princípio do potenciômetro como meio de comparar diferenças de potencial
- compreender o uso de um galvanômetro em métodos nulos
- explicar o uso de termistores e fotorresistores em divisores de tensão para fornecer uma diferença de potencial que dependa da temperatura e da intensidade da luz
Fonte: Programa Cambridge International
Um divisor de tensão 分压器 são dois (ou mais) resistores em série sobre uma fonte. A d.d.p. sobre cada resistor está em proporção direta à sua resistência:
$$V_{1} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}}, \qquad V_{2} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}}.$$A saída (tapeada entre $R_{1}$ e $R_{2}$) pode ser ajustada para qualquer tensão 电压 entre $0$ e $V_{\text{in}}$ escolhendo as resistências. Um potenciômetro 电位差计 usado com todas as suas três conexões (um deslizador em uma trilha de resistência uniforme) fornece um divisor variável suavemente; o mesmo componente com apenas duas conexões é um reostato 变阻器, que apenas altera a corrente.
Exemplo resolvido. Uma fonte de $6.0\ \text{V}$ está conectada sobre um resistor de $2.0\ \text{k}\Omega$ em série com um resistor de $4.0\ \text{k}\Omega$. Encontre a tensão de saída tapeada sobre o resistor de $4.0\ \text{k}\Omega$.
$$V_{2} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 6.0 \times \frac{4.0}{2.0 + 4.0} = 4.0\ \text{V}.$$A mesma resposta vem pelo caminho de corrente primeiro que o gabarito muitas vezes apresenta: $I = V_{\text{in}} / (R_{1} + R_{2}) = 6.0 / 6000 = 1.0\ \text{mA}$, depois $V_{2} = I R_{2} = 1.0 \times 10^{-3} \times 4000 = 4.0\ \text{V}$. Duas consequências dignas de nota: a maior resistência leva a maior parte da d.d.p.; e a fórmula de razão só se aplica enquanto nenhuma corrente for retirada da saída — uma carga (ou um voltímetro de baixa resistência) em paralelo com $R_{2}$ reduz a resistência efetiva de $R_{2}$ e assim reduz $V_{2}$.

Um divisor de tensão — a d.d.p. se divide entre R1 e R2 em proporção às suas resistências Circuitos de sensores
Substitua um resistor fixo por um sensor 传感器 cuja resistência muda com uma grandeza física:
- termistor 热敏电阻 (NTC): $R$ cai conforme a temperatura aumenta. Em um divisor, a tensão de saída muda com a temperatura em uma direção fixa.
- LDR (resistor dependente de luz) 光敏电阻: $R$ cai conforme a intensidade luminosa 光强 aumenta, fornecendo uma saída dependente de brilho.
Conecte a saída à base de um transistor 晶体管 ou a um comparador 比较器 para ligar ou desligar uma carga quando a temperatura ou a luz passar de um limiar 阈值.

Um termistor em um divisor de tensão fornece uma tensão de saída que muda com a temperatura Para qual lado a saída vai? A saída pode ser retirada sobre o sensor ou sobre o resistor fixo, e as duas opções respondem em direções opostas. Argumente através da corrente, nesta ordem, e você terá a resposta completa de três pontos:
- a luz fica mais brilhante (ou a temperatura aumenta), então a resistência do LDR (ou termistor) diminui;
- a resistência total do circuito em série diminui, logo a corrente aumenta ($I = \varepsilon / R_{\text{total}}$);
- a d.d.p. sobre o resistor fixo $= IR$ aumenta, logo a d.d.p. sobre o sensor $= \varepsilon - IR$ diminui.
Assim, uma saída sobre o resistor fixo aumenta com a luz ou temperatura; uma saída sobre o sensor diminui. Se a fonte tiver resistência interna, adicione um elo extra: a maior corrente também aumenta $Ir$, logo a d.d.p. terminal cai ligeiramente.

Onde você retira a saída decide a direção da mudança: sobre o resistor fixo ela aumenta com a luz, sobre o LDR ela diminui Exemplo resolvido. Uma bateria de f.e.m. $9.0\ \text{V}$ e resistência interna desprezível está conectada em série com um LDR e um resistor de $1200\ \Omega$. Na luz, o LDR tem uma resistência de $1800\ \Omega$. Calcule a d.d.p. sobre o LDR e declare e explique o que acontece com ela quando a intensidade da luz diminui.
$V_{\text{LDR}} = 9.0 \times \dfrac{1800}{1800 + 1200} = 5.4\ \text{V}$. Menos luz → a resistência do LDR aumenta → a resistência total aumenta e a corrente diminui → a d.d.p. sobre o resistor de $1200\ \Omega$ ($IR$) diminui → a d.d.p. sobre o LDR ($9.0 - IR$) aumenta.
Exemplo resolvido. Um termistor em série com um resistor de $5800\ \Omega$ sobre uma fonte de $6.0\ \text{V}$ fornece uma d.d.p. de $2.9\ \text{V}$ sobre o resistor. Encontre a resistência do termistor.
Corrente $= 2.9 / 5800 = 5.0 \times 10^{-4}\ \text{A}$. O termistor assume o restante de $6.0 - 2.9 = 3.1\ \text{V}$, logo $R = 3.1 / (5.0 \times 10^{-4}) = 6200\ \Omega$ (ou, por razão, $R = 5800 \times 3.1/2.9$).
Potenciômetro e método nulo
Um potenciômetro é um fio de resistência uniforme de comprimento $L_{0}$ com um contato deslizante (jockey 滑动触头). A resistência por unidade de comprimento é uniforme, logo a d.d.p. de uma extremidade até o jockey é proporcional ao comprimento:
$$V_{x} = V_{\text{full}} \cdot \frac{x}{L_{0}}.$$Para comparar duas f.e.m.s (uma pilha desconhecida contra uma pilha padrão), conecte cada uma por vez com o jockey através de um galvanômetro 检流计. Deslize o jockey até que o galvanômetro marque zero (um ponto nulo — nenhuma corrente flui pela pilha sendo medida, porque a tensão do potenciômetro ali se opõe exatamente à f.e.m. da pilha). O comprimento de equilíbrio 平衡长度 — o comprimento do fio da extremidade até o jockey no equilíbrio — é proporcional à f.e.m. sendo medida, logo os dois comprimentos estão na razão das f.e.m.s:
$$\frac{\varepsilon_{1}}{\varepsilon_{2}} = \frac{l_{1}}{l_{2}}.$$Este é um método nulo 零点法: você encontra o equilíbrio (zero de corrente) em vez de medir o valor de uma corrente. Sua vantagem é que no equilíbrio a pilha desconhecida não fornece corrente, logo sua resistência interna não afeta o resultado.

Um potenciômetro comparando duas f.e.m.s de pilhas pelo método nulo Por que o método nulo é melhor que um voltímetro. No equilíbrio nenhuma corrente é retirada da pilha sendo medida, logo não há queda de $Ir$ dentro dela: o ponto de equilíbrio mede a f.e.m., não a d.d.p. terminal. Um voltímetro sempre retira alguma corrente, logo lê um pouco menos que a f.e.m.
Lendo o ponto de equilíbrio. A d.d.p. por unidade de comprimento do fio é fixada pela bateria motriz 驱动电池 e a resistência do fio. Tudo o que torna a d.d.p. em equilíbrio maior desloca o ponto de equilíbrio mais longe ao longo do fio; tudo o que aumenta a d.d.p. por unidade de comprimento (uma bateria motriz com maior f.e.m., ou um fio que absorve uma parte maior da d.d.p. do motor) torna o comprimento de equilíbrio menor. Substituir o fio por outro de mesmo comprimento, mas diâmetro maior, reduz a sua resistência ($R = \rho L / A$): se a bateria motriz tiver resistência interna desprezível e não houver mais nada em série, a d.d.p. sobre o fio continua sendo a f.e.m. total e o comprimento de equilíbrio não se move; se o motor tiver resistência interna ou uma resistência em série, a parcela da f.e.m. atribuída ao fio diminui, a d.d.p. por metro diminui e o comprimento de equilíbrio aumenta. Identifique qual dos casos se aplica.
Exemplo resolvido. Um fio potenciômetro XY de comprimento $2.0\ \text{m}$ conduz uma d.d.p. de $1.50\ \text{V}$. Uma célula de f.e.m. $E$ é equilibrada quando o cursor está a $1.6\ \text{m}$ de X. Encontre $E$, e declare o que acontece com o comprimento de equilíbrio se a célula condutora for substituída por uma de maior f.e.m.
$E = 1.50 \times \dfrac{1.6}{2.0} = 1.2\ \text{V}$. Uma maior f.e.m. da bateria motriz produz uma maior d.d.p. por metro, pelo que o mesmo $1.2\ \text{V}$ é atingido num comprimento menor: o jockey deve mover-se em direção a X.
ExplorarCompartilhando tensão em série
Em um loop em série, a mesma corrente flui em todos os lugares e a tensão da pilha se divide entre os componentes — essa divisão é como funciona um divisor de potencial.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ 分压器 fēn yā qì voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ 电压 diàn yā potentiometer/pəˌtentɪˈɒmɪtə/ 电位差计 diàn wèi chā jì sensor/ˈsensə/ 传感器 chuán gǎn qì thermistor/ˈθɜːmɪstə/ 热敏电阻 rè mǐn diàn zǔ light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ 光敏电阻 guāng mǐn diàn zǔ light intensity/laɪt ɪnˈtensɪti/ 光强 guāng qiáng transistor/trænˈzɪstə/ 晶体管 jīng tǐ guǎn comparator/kəmˈpæreɪtə/ 比较器 bǐ jiào qì threshold/ˈθreʃəʊld/ 阈值 yù zhí jockey/ˈdʒɒki/ 滑动触头 huá dòng chù tóu galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ 检流计 jiǎn liú jì balance length/ˈbæləns leŋθ/ 平衡长度 píng héng cháng dù null method/nʌl ˈmeθəd/ 零点法 líng diǎn fǎ driver cell/ˈdraɪvə sel/ 驱动电池 qū dòng diàn chí 10.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição força eletromotriz (f.e.m.) energia transferida por unidade de carga por uma fonte ao impulsionar a carga por todo um circuito diferença de potencial (d.d.p.) energia transferida por unidade de carga da energia elétrica para outras formas de energia resistência interna resistência à corrente dentro de uma fonte de f.e.m., que causa uma d.d.p. $Ir$ sobre a fonte quando circula uma corrente d.d.p. terminal d.d.p. entre os terminais de uma fonte, igual à f.e.m. $- Ir$ primeira lei de Kirchhoff a soma das correntes que entram num nó é igual à soma das correntes que saem desse nó (conservação de carga) segunda lei de Kirchhoff a soma das f.e.m.s num laço fechado é igual à soma das d.d.p.s ao redor desse laço (conservação de energia) divisor de tensão dois ou mais resistores em série ligados a uma alimentação, produzindo uma d.d.p. sobre um deles que é uma fração da d.d.p. da alimentação potenciômetro fio de resistência uniforme com um contacto deslizante, usado para comparar d.d.p.s encontrando o comprimento no qual o galvanómetro marca zero método nulo medição feita ajustando um circuito até um medidor marcar zero, de modo que nenhuma corrente seja retirada do componente a ser medido comprimento de equilíbrio comprimento do fio potenciométrico entre uma extremidade e o contacto deslizante quando o galvanómetro marca zero 10.3
Dicas de prova
- Aplique as leis de Kirchhoff: corrente que entra num nó $=$ corrente que sai (carga conservada); $\sum \text{e.m.f.} = \sum \text{p.d.}$ ao redor de um laço (energia conservada). Nomeie a lei que está a usar quando uma questão diz "use as leis de Kirchhoff".
- Combine resistências: em série $R = R_1 + R_2$; em paralelo $1/R = 1/R_1 + 1/R_2$. Uma combinação em paralelo é sempre menor que o seu menor resistor.
- Um divisor de tensão divide a tensão na proporção das resistências; a maior resistência absorve a maior d.d.p.
- Inclua a resistência interna: $\text{e.m.f.} = I(R + r)$ — as "volts perdidas" são $Ir$. Quando um circuito muda, argumente resistência → corrente na pilha → $Ir$ → d.d.p. terminal.
- "Resistência interna desprezível" significa que a d.d.p. terminal é a f.e.m., independentemente da corrente. Procure esta expressão antes de começar.
- Leia um gráfico de $V$–$I$ de uma fonte como $V = \varepsilon - Ir$: intercepto $\varepsilon$, inclinação ⟨$-r$⟩, e a corrente em $V = 0$ é a corrente máxima (curto-circuito) $\varepsilon / r$.
- No Paper 5, reorganize a relação do circuito para $y = mx + c$ antes de plotar: uma pilha de f.e.m. $\varepsilon$ e resistência interna $r$ alimentando $n$ resistores iguais $R$ em paralelo obedece a $\varepsilon = I\left(\dfrac{R}{n} + r\right)$, logo $\dfrac{1}{I} = \dfrac{R}{\varepsilon} \cdot \dfrac{1}{n} + \dfrac{r}{\varepsilon}$ — um gráfico de $1/I$ contra $1/n$ tem inclinação $R/\varepsilon$ e intercepto $r/\varepsilon$.
Erros comuns
- Escrever $V = IR$ com apenas a f.e.m. e a resistência externa, esquecendo-se de $r$. Use $\varepsilon = I(R + r)$.
- Dizer que a f.e.m. é "a força que empurra a carga". É energia por unidade de carga; o volt é um joule por coulomb.
- Associar as leis à lei de conservação errada. Primeira lei — carga; segunda lei — energia.
- Usar "produto sobre soma" para três resistores em paralelo. Só funciona para dois; caso contrário, some os inversos.
- Explicar um circuito sensorial dizendo "a resistência muda, logo a tensão muda". Os pontos são para a cadeia: resistência → resistência total → corrente → $IR$ sobre o resistor fixo → o resto sobre o sensor.
- Alegar que um potenciômetro em equilíbrio "não retira corrente da bateria motriz". Não retira da pilha a ser medida; a bateria motriz sempre fornece a corrente do fio.
- Arredondar um valor de "mostre que" antes da última linha — escreva $1.40\ \text{V}$, depois diga que é $1.4\ \text{V}$.
-
11
Física de partículas
Assistir aula11.1
O átomo nuclear
Programa
- inferir dos resultados do experimento de dispersão de $\alpha$-partículas a existência e o pequeno tamanho do núcleo
- descrever um modelo simples para o átomo nuclear incluindo prótons, nêutrons e elétrons orbitais
- distinguir entre número nucleônico e número atômico
- compreender que isótopos são formas do mesmo elemento com diferentes números de nêutrons em seus núcleos
- compreenda e use a notação $_Z^A\text{X}$ para a representação de nuclides
- compreender que número nucleônico e carga são conservados em processos nucleares
- descrever a composição, massa e carga das radiações $\alpha$-, $\beta$- e $\gamma$- (ambas $\beta^-$ (elétrons) e $\beta^+$ (pósitrons) estão incluídas)
- compreender que uma antipartícula tem a mesma massa, mas carga oposta à partícula correspondente, e que um pósiton é a antipartícula de um elétron
- afirmar que (antineutrinos) elétronicos são produzidos durante o decaimento $\beta^-$ e (neutrinos) eletrônicos são produzidos durante o decaimento $\beta^+$
- compreender que as $\alpha$-partículas têm energias discretas, mas que as $\beta$-partículas têm um intervalo contínuo de energias porque (anti)neutrinos são emitidos no decaimento $\beta$-
- representar o decaimento $\alpha$- e $\beta$- por uma equação de decaimento radioativo da forma $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\alpha$
- usar a unidade de massa atômica unificada (u) como unidade de massa
Fonte: Programa Cambridge International
Espalhamento de partículas α de Geiger–Marsden
Partículas alfa α粒子 disparadas contra uma fina lâmina de ouro foram observadas a:
- passar majoritariamente em linha reta, com pouca deflexão 偏转,
- às vezes defletirem em ângulos pequenos,
- raramente (cerca de $1$ em $8000$) defletirem em ângulos maiores que $90°$.
Disto Rutherford concluiu:
- o átomo é majoritariamente espaço vazio (a maioria das partículas α passa em linha reta),
- existe um pequeno, denso e positivamente carregado núcleo 原子核 no centro (as raras grandes deflexões exigem uma carga concentrada para empurrar as α para longe),
- quase toda a massa do átomo está neste núcleo.
Ordem de grandeza: diâmetro do átomo $\sim 10^{-10}\ \text{m}$, diâmetro do núcleo $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ — o núcleo é cerca de $10^{5}$ vezes menor que o átomo.
Os três resultados e o que cada um prova — o gabarito os associa exatamente assim:
Observação Conclusão a vasta maioria passa em linha reta com pouca ou nenhuma deflexão a maior parte do átomo é espaço vazio um número pequeno é defletido em ângulos pequenos existe uma carga positiva concentrada (o núcleo) que repele as partículas α positivas uma minoria muito pequena (cerca de 1 em 8000) é defletida em mais de 90°, algumas diretamente para trás o núcleo é muito pequeno comparado com o átomo e contém quase toda a massa do átomo Três detalhes do experimento também são solicitados: a lâmina é fina para que cada partícula α encontre no máximo um núcleo (e não seja absorvida); a câmara é um vácuo para que as partículas α não sejam detidas ou espalhadas pelo ar; usa-se ouro porque pode ser martelado em uma folha muito fina e possui um núcleo pesado e altamente carregado.
Exemplo resolvido. Explique por que uma minoria muito pequena das partículas α é espalhada em ângulos maiores que 90°.
Apenas uma partícula α que se aproxima de um núcleo quase frontalmente é devolvida. O núcleo e a partícula α são ambos positivos, então a repulsão eletrostática 静电 é muito grande a pequenas distâncias, e o núcleo é muito mais massivo que a partícula α, pelo que é a partícula α que inverte a trajetória. Como o núcleo é minúsculo, poucas partículas α chegam tão perto — daí a pequena minoria. À medida que a partícula α se aproxima, sua energia cinética converte-se em energia potencial elétrica; no ponto de abordagem mais próxima ela fica momentaneamente em repouso e toda a sua energia cinética torna-se energia potencial.
A deflexão depende de quão próximo o trajeto passa do núcleo: quanto menor a distância, maior o ângulo, e os trajetos são simétricos em relação à linha que passa pelo núcleo.

O experimento de espalhamento $\alpha$ — partículas $\alpha$ batem numa fina lâmina de ouro em vácuo 
A maioria das partículas $\alpha$ passa quase em linha reta; algumas são defletidas abruptamente pelo pequeno núcleo Modelo nuclear simples
Um átomo possui:
- um núcleo central de prótons 质子 (positivos, carga $+e$) e nêutrons 中子 (sem carga),
- elétrons 电子 (carga $-e$) ao redor do núcleo.
O próton e o nêutron têm massas quase iguais ($\approx 1\ \text{u}$); o elétron tem cerca de $\tfrac{1}{1836}$ da massa do próton.

Modelos simples de um átomo de hélio e de um átomo de lítio (não à escala) Exemplo resolvido. Descreva a estrutura de um átomo de urânio-238, $^{238}_{92}\text{U}$.
Um núcleo contendo 92 prótons e $238 - 92 = 146$ nêutrons, com 92 elétrons orbitando-o. "Elétrons orbitais" é a expressão do programa — os elétrons estão fora do núcleo, e o átomo neutro tem tantos elétrons quanto prótons.
Notação e números-chave
Para um nuclídeo 核素 escrito como $^{A}_{Z}\text{X}$:

Notação de nuclídeo: número de nucleões em cima, número atómico em baixo - número protônico 质子数 $Z$ (também número atômico): número de prótons. Ele define o elemento.
- número nucleônico 核子数 $A$ (também número de massa): número total de nucleons 核子 (prótons + nêutrons).
- número de nêutrons $N = A - Z$.
Um átomo neutro tem o mesmo número de elétrons que de prótons.
Isótopos
Isótopos 同位utanos são átomos do mesmo elemento (mesmo $Z$) com números diferentes de nêutrons (diferente $A$). Eles comportam-se da mesma forma quimicamente, mas diferentemente no núcleo. Exemplo: $^{12}_{6}\text{C}$ e $^{14}_{6}\text{C}$ são isótopos de carbono.
A redação do examinador: isótopos são núcleos (ou átomos) com o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons — equivalentemente, mesmo número protônico $Z$ e números nucleônicos diferentes $A$. O hidrogênio tem três:

Os três isótopos do hidrogênio: o mesmo um próton, diferentes números de nêutrons Exemplo resolvido. O trítio, $^{3}_{1}\text{H}$, é um isótopo do hidrogênio. Indique os números de prótons, nêutrons e elétrons em um átomo neutro de trítio, e forneça a composição de quarks de seu núcleo.
$Z = 1$ próton; $A - Z = 3 - 1 = 2$ nêutrons; 1 elétron (neutro, então elétrons $=$ prótons). O núcleo é um próton (uud) e dois nêutrons (udd, udd): 4 quarks up e 5 quarks down. Verificação de carga: $4 \times \tfrac{2}{3} - 5 \times \tfrac{1}{3} = +1$, o número atômico. Um "diagrama rotulado" do átomo é o núcleo (1 p, 2 n) com um elétron orbitando ao redor dele.
Leis de conservação em processos nucleares
Em qualquer processo nuclear:
- o número de núcleons $A$ é conservado (total $A$ antes $=$ total $A$ depois),
- a carga é conservada (esta é a conservação da carga 电荷守恒).
Essas duas regras permitem balancear equações de decaimento e reação.
Unidade de massa atômica unificada
A unidade de massa atômica unificada 统一原子质量单位, símbolo $\text{u}$, é definida de modo que um átomo de $^{12}_{6}\text{C}$ tenha massa exatamente $12\ \text{u}$. Numericamente,
$$1\ \text{u} = 1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}.$$Um próton tem massa $\approx 1.007\ \text{u}$; um nêutron $\approx 1.009\ \text{u}$; um elétron $\approx 5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$.
Exemplo resolvido. Um núcleo X possui 14 núcleons e $p$ prótons. Sua razão carga/massa é $4.1 \times 10^{7}\ \text{C kg}^{-1}$. Encontre $p$ e identifique X.
Carga $= pe$; massa $\approx 14\ \text{u}$. Então $\dfrac{pe}{14\text{u}} = 4.1 \times 10^{7}$, resultando em $p = \dfrac{4.1 \times 10^{7} \times 14 \times 1.66 \times 10^{-27}}{1.60 \times 10^{-19}} = 5.96 \approx 6$. Seis prótons e 14 núcleons: X é carbono-14, $^{14}_{6}\text{C}$. Mantenha todas as figuras até o final, depois arredonde para o número inteiro mais próximo de prótons.
ExplorarLaboratório de evidência do átomo nuclear
Conecte as observações ao modelo nuclear do átomo.
ExplorarDecaimento radioativo
A = A₀·bᵗ
A atividade decresce exponencialmente — defina a base b abaixo de 1.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ α粒子 α lì zi deflection/dɪˈflekʃn/ 偏转 piān zhuǎn nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电 jìng diàn energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi neutron/ˈnjuːtrɒn/ 中子 zhōng zǐ electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi nuclide/ˈnjuːklaɪd/ 核素 hé sù nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 核子数 hé zǐ shù nucleon/ˈnjuːklɪən/ 核子 hé zǐ proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ 质子数 zhì zǐ shù isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù 11.1
Emissões radioativas
Um núcleo instável reorganiza-se e emite um dos três tipos de radiação 辐射. Isso é decaimento radioativo 放射性. Cada tipo possui suas próprias propriedades.
Radiação α
- Composta por: um núcleo de hélio-4, $^{4}_{2}\alpha$ (dois prótons + dois nêutrons).
- Massa: $\approx 4\ \text{u}$.
- Carga: $+2e$.
- Alcance no ar: alguns cm. Bloqueada por uma folha de papel.
- Poder de ionização: forte — é boa para ionizar 电离.
- Espectro de energia: discreto 分立 (um decaimento libera partículas α em uma ou poucas energias bem definidas).
Uma câmara de nuvem 云室 torna os rastros visíveis: cada partícula α deixa um rastro curto, reto e espesso de pequenas gotículas à medida que ioniza o ar. Os comprimentos iguais curtos indicam que todas as partículas α carregam aproximadamente a mesma energia.

Rastros de partículas alfa em uma câmara de nuvem, irradiando de uma fonte de americium-241 Radiação β
Dois tipos de partícula beta β粒子:
- $\beta^{-}$: um elétron rápido, emitido quando um nêutron se transforma em um próton.
- $\beta^{+}$: um pósitron 正电子 (a antipartícula do elétron), emitido quando um próton em um núcleo rico em prótons se transforma em um nêutron.
Propriedades (ambos os tipos):
- Massa: $\approx 1/1836\ \text{u}$ (muito menor que α).
- Carga: $-e$ para $\beta^{-}$, $+e$ para $\beta^{+}$.
- Alcance no ar: cerca de $1\ \text{m}$. Bloqueada por alguns mm de alumínio.
- Espectro de energia: contínuo 连续 até um máximo (veja abaixo).
Radiação γ
- Composta por: um fóton 光子 de alta energia — parte do espectro eletromagnético 电磁波谱.
- Massa: zero (massa de repouso).
- Carga: zero.
- Alcance no ar: grande (segue a lei do inverso do quadrado). Fortemente atenuada 衰减 por vários cm de chumbo ou cerca de um metro de concreto.
- Poder de ionização: mais fraco.
- Espectro de energia: discreto (um raio gama γ射线 é emitido quando o núcleo cai entre dois níveis de energia nuclear).
Um núcleo frequentemente emite um fóton γ como um passo de 'arrumação' após um decaimento α ou β deixar o núcleo filho 子核 em um estado excitado 激发态.

Poder de penetração: $\alpha$ é bloqueado por papel, $\beta$ por alumínio, $\gamma$ apenas atenuado por chumbo Massa e carga, lado a lado — uma questão de tabela pede exatamente estes, em unidades de $\text{u}$ e $e$:
Partícula Massa Carga próton $1\ \text{u}$ (1.007 u) $+e$ nêutron $1\ \text{u}$ (1.009 u) $0$ elétron, $\beta^{-}$ $\tfrac{1}{1836}\ \text{u}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$) $-e$ pósitron, $\beta^{+}$ $\tfrac{1}{1836}\ \text{u}$ $+e$ partícula $\alpha$ $4\ \text{u}$ $+2e$ fóton $\gamma$ $0$ $0$ neutrino, antineutrino quase zero $0$ Exemplo resolvido. Compare uma partícula α com uma partícula $\beta^{+}$ em termos de suas massas e cargas (3 pontos).
Ambos possuem carga positiva, mas a carga da partícula α ($+2e$) é o dobro da do $\beta^{+}$ ($+e$). A massa da partícula α ($4\ \text{u}$) é aproximadamente $7300$ vezes a massa do $\beta^{+}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$). Dê uma razão, não apenas "mais pesado": dobro da carga e cerca de 7000 vezes a massa são os pontos de correção.
Por carregarem carga, partículas α e β são defletidas por campos elétricos e magnéticos — em direções opostas para sinais opostos, sendo a leve β muito mais defletida que a pesada α — enquanto os raios γ, por serem neutros, passam reto.
Antipartículas, neutrinos e antineutrinos
Toda partícula possui uma antipartícula 反粒子 com a mesma massa, mas carga oposta. O pósitron é a antipartícula do elétron.
No decaimento β, uma terceira partícula sempre é emitida também:
- decaimento $\beta^{-}$: um antineutrino 反中微子 $\bar{\nu}_{\text{e}}$.
- decaimento $\beta^{+}$: um neutrino 中微子 $\nu_{\text{e}}$.
Neutrinos e antineutrinos têm carga zero, massa muito pequena e interagem pouco — são muito difíceis de detectar, mas devem existir para balancear energia, momento 动量 e outras grandezas conservadas no decaimento β.
Por que β tem espectro contínuo (e α não)
No decaimento α, a energia 能量 liberada é compartilhada entre apenas duas partículas (o núcleo filho e o α). A conservação de momento e energia fixa então a energia do α em um único valor (discreto).
No decaimento β, a energia é compartilhada entre três partículas (o núcleo filho, o β e o (anti)neutrino). O β pode levar qualquer fração de zero até um máximo, portanto seu espectro de energia é contínuo.

Partículas α de um decaimento possuem energias fixas (discretas); partículas β compartilham a energia com um (anti)neutrino, então seu espectro é contínuo até um máximo Exemplo resolvido. O espectro de energia das partículas $\beta^{-}$ de uma fonte é contínuo, indo de zero até um máximo. Explique por quê (3 pontos).
Cada decaimento libera uma quantidade fixa de energia. Essa energia é compartilhada entre a partícula $\beta^{-}$, o antineutrino e o núcleo filho em recuo. O antineutrino pode levar qualquer fração, então a partícula $\beta^{-}$ fica com qualquer energia de zero até o máximo — sendo o máximo quando o antineutrino carrega quase nada. (Para uma partícula α há apenas dois corpos, então a conservação de momento fixa a fração e a energia é discreta.)
Escrevendo equações de decaimento
Um decaimento α geral:
$$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$$(verifique: $A = (A-4) + 4$, $Z = (Z-2) + 2$.)
Um decaimento $\beta^{-}$ geral:
$$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$Um decaimento $\beta^{+}$ geral:
$$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{\text{e}}.$$Exemplo resolvido. Urânio-238, $^{238}_{92}\text{U}$, decai por emissão α; carbono-14, $^{14}_{6}\text{C}$, decai por emissão $\beta^{-}$. Encontre cada nuclídeo filho.
O decaimento α reduz $A$ em 4 e $Z$ em 2; o decaimento $\beta^{-}$ mantém $A$ inalterado e aumenta $Z$ em 1:
$$^{238}_{92}\text{U} \to {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\alpha, \qquad {}^{14}_{6}\text{C} \to {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$Determine quantitativamente as alterações. Emissão α: $A$ diminui em 4, $Z$ diminui em 2. Emissão $\beta^{-}$: $A$ inalterado, $Z$ aumenta em 1. Emissão $\beta^{+}$: $A$ inalterado, $Z$ diminui em 1. Emissão γ: nenhuma alteração em nenhum. Uma cadeia de decaimento que termina em um nuclídeo conhecido é resolvida a partir destas: o número de decaimentos α é $(A_{\text{start}} - A_{\text{end}})/4$, e então o número de decaimentos $\beta^{-}$ faz $Z$ dar certo.
Exemplo resolvido. Tório-230, $^{230}_{90}\text{Th}$, decai em etapas, por emissão α e $\beta^{-}$, até chumbo-206, $^{206}_{82}\text{Pb}$. Encontre o número de cada tipo de decaimento.
Decaimentos α: $(230 - 206)/4 = 6$. Seis decaimentos α sozinhos reduziriam $Z$ em 12, para 78; o $Z$ final é 82, então há $82 - 78 = 4$ decaimentos $\beta^{-}$.
Um núcleo em repouso recua. Quando um núcleo estacionário emite uma partícula α, o momento é conservado: o núcleo filho e a partícula α saem em direções opostas com momentos de magnitude igual. Como $p = mv$, a partícula α mais leve move-se muito mais rápido, e como $E_{\text{k}} = p^{2}/2m$ ela também leva a maior parte da energia cinética — as frações são proporcionais inversas às massas.

Um núcleo em repouso decai: o filho recua com momento igual e oposto ao da partícula α Exemplo resolvido. Um núcleo P estacionário de massa $243\ \text{u}$ emite uma partícula α de massa $4\ \text{u}$ a $1.5 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a velocidade do núcleo filho Q e a razão da energia cinética da partícula α para a de Q.
Q tem massa $243 - 4 = 239\ \text{u}$. Momento: $239 v_{\text{Q}} = 4 \times 1.5 \times 10^{7}$, portanto $v_{\text{Q}} = 2.5 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$, na direção oposta à da partícula α. Energias cinéticas: $\dfrac{E_{\alpha}}{E_{\text{Q}}} = \dfrac{p^{2}/2m_{\alpha}}{p^{2}/2m_{\text{Q}}} = \dfrac{m_{\text{Q}}}{m_{\alpha}} = \dfrac{239}{4} \approx 60$. A partícula α leva cerca de 98% da energia liberada.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin cloud chamber/klaʊd ˈtʃeɪmbə/ 云室 yún shì beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ β粒子 β lì zi positron/ˈpɒzɪtrɒn/ 正电子 zhèng diàn zi antiparticle/ˌæntɪˈpɑːtɪkl/ 反粒子 fǎn lì zi continuous/kənˈtɪnjuːəs/ 连续 lián xù photon/ˈfəʊtɒn/ 光子 guāng zi electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ attenuated/əˈtenjuːeɪtɪd/ 衰减 shuāi jiǎn gamma ray/ˈɡæmə reɪ/ γ射线 γ shè xiàn daughter nucleus/ˈdɔːtə ˈnjuːklɪəs/ 子核 zi hé excited state/ekˈsaɪtɪd steɪt/ 激发态 jī fā tài neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ 中微子 zhōng wēi zǐ antineutrino/ˌæntɪnjuːˈtriːnəʊ/ 反中微子 fǎn zhōng wēi zǐ momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng fundamental particles/ˌfʌndəˈmentl ˈpɑːtɪklz/ 基本粒子 jī běn lì zi 11.2
Partículas fundamentais
Programa
- compreender que um quark é uma partícula fundamental e que existem seis sabores (tipos) de quarks: acima, para baixo, strange, charm, superior e fundo
- recordar e usar a carga de cada sabor de quark e compreender que seu antiquark respectivo tem carga oposta (nenhum conhecimento de outras propriedades de quarks é exigido)
- recordar que prótons e nêutrons não são partículas fundamentais e descrever prótons e nêutrons em termos de sua composição de quarks
- compreender que um hádron pode serEither um barião (constituído por três quarks) ou um méson (constituído por um quark e um antiquark)
- descrever as mudanças na composição de quarks que ocorrem durante o decaimento $\beta^-$ e $\beta^+$
- recordar que elétrons e neutrinos são partículas fundamentais chamadas léptons
Fonte: Programa Cambridge International

Uma câmara de bolhas revela as trajetórias curvas de partículas carregadas. 
De onde vêm as partículas: um acelerador linear usa campos elétricos para impulsionar partículas carregadas a velocidades suficientes para sondar o núcleo atômico Algumas partículas são partículas fundamentais 基本粒子 (pontuais, sem partes menores até onde sabemos); outras são compostas por partículas fundamentais.
A definição de uma marca: uma partícula fundamental é aquela que não pode ser decomposta em partículas menores (não possui estrutura interna). Elétrons, neutrinos e quarks são fundamentais; prótons e nêutrons não são.
Quarks
Um quark 夸克 é uma partícula fundamental. Existem seis sabores 味:
- acima (u), carga $+\tfrac{2}{3}e$,
- para baixo (d), carga $-\tfrac{1}{3}e$,
- charm (c), carga $+\tfrac{2}{3}e$,
- strange (s), carga $-\tfrac{1}{3}e$,
- superior (t), carga $+\tfrac{2}{3}e$,
- fundo (b), carga $-\tfrac{1}{3}e$.
Cada quark tem um antiquark 反夸ck com a mesma magnitude de carga, mas sinal oposto: $\bar{u}$ (carga $-\tfrac{2}{3}e$), $\bar{d}$ (carga $+\tfrac{1}{3}e$). Nenhuma outra propriedade de quark é cobrada.

Os seis quarks: up/charm/top carregam $+\tfrac23 e$, down/strange/bottom carregam $-\tfrac13 e$ Escrito como a tabela que uma questão pede para completar:
Quark Carga Antiquark Carga up (u), charm (c), top (t) $+\tfrac{2}{3}e$ $\bar{\text{u}}$, $\bar{\text{c}}$, $\bar{\text{t}}$ $-\tfrac{2}{3}e$ down (d), strange (s), bottom (b) $-\tfrac{1}{3}e$ $\bar{\text{d}}$, $\bar{\text{s}}$, $\bar{\text{b}}$ $+\tfrac{1}{3}e$ Exemplo resolvido. Com base na composição de quarks, demonstre que a carga de um próton é $+1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
Um próton é uud: carga $= \tfrac{2}{3}e + \tfrac{2}{3}e - \tfrac{1}{3}e = +e = +1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$. Escreva as três frações e sua soma — a nota é pela aritmética, não pela resposta.
Hadrons: bárions e mésons
Partículas construídas a partir de quarks são hadrons 强子. Dois tipos:
- bárions 重子 — três quarks. Exemplos: próton (u u d), nêutron (u d d). Verificação de carga: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$ para o próton; $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ para o nêutron.
- mésons 介子 — um quark e um antiquark (por exemplo $\pi^{+}$ é u$\bar{\text{d}}$).
Prótons e nêutrons não são fundamentais — eles são bárions feitos de quarks.
"Compare bárions e mésons em termos de suas partículas constituintes" (2 marcas): ambos são hadrons feitos de quarks; um bárion é três quarks (ou três antiquarks, para um antibárion), um méson é um quark e um antiquark. Qualquer carga fornecida deve resultante das cargas dos quarks:
Exemplo resolvido. (a) Um méson tem carga $-1e$. Dê uma possível composição de quarks. (b) Um méson Q tem carga 0. Dê uma possível composição. (c) Um bárion é feito de três quarks de sabores diferentes, u, d e s. Encontre sua carga. (d) Dê a composição de quarks de um antinêutron e sua carga.
(a) d$\bar{\text{u}}$: $-\tfrac{1}{3} - \tfrac{2}{3} = -1$ (s$\bar{\text{u}}$ também funciona). (b) u$\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$ (ou d$\bar{\text{d}}$). (c) uds: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. (d) O antinêutron é a antipartícula do udd, então ele é $\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}\bar{\text{d}}$: $-\tfrac{2}{3} + \tfrac{1}{3} + \tfrac{1}{3} = 0$ — a mesma massa e carga do nêutron, já que ambos têm carga zero.
Mudanças de quarks no decaimento β
No decaimento $\beta^{-}$, um nêutron transforma-se em um próton; em termos de quarks, um quark down transforma-se em um quark up:
$$\text{d} \to \text{u} + \beta^{-} + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$No decaimento $\beta^{+}$, um próton transforma-se em um nêutron; um quark up transforma-se em um quark down:
$$\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}.$$
Decaimento beta-menos: um quark down torna-se um quark up, transformando um nêutron em um próton "Descreva o decaimento $\beta^{+}$ em termos das partículas fundamentais envolvidas" (2 marcas): um quark up em um próton muda para um quark down, então o próton torna-se um nêutron, e um pósitron e um neutrino de elétron são emitidos — $\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}$. Para o decaimento $\beta^{-}$, troque os papéis: um quark down torna-se um quark up, emitindo um elétron e um antineutrino de elétron. Nomeie a (anti)neutrino: ela é o "outro lépton" que a questão pede, e é o que torna a energia β contínua.
Léptons
Léptons 轻子 são partículas fundamentais que não são feitas de quarks. Os léptons que você precisa são o elétron e o neutrino de elétron, com suas antipartículas sendo o pósitron e o antineutrino de elétron. (Léptons mais pesados — o múon e o tau — existem, mas não são cobrados.) Pedido "dois léptons diferentes", dê elétron e neutrino.
Classificando partículas
Para responder "quais são fundamentais?": quarks e léptons (elétrons, pósitrons, neutrinos, antineutrinos) são fundamentais; prótons, nêutrons, bárions, mésons e hadrons não são — eles são compostos por quarks.

Partículas fundamentais (quarks, léptons) versus hadrons (bárions, mésons) Exemplo resolvido. Na lista — antineutrino, partícula $\beta^{+}$, nêutron, pósitron, próton — sublinhe os hadrons.
Nêutron e próton (três quarks cada). O antineutrino e o pósitron são léptons; a partícula $\beta^{+}$ é um pósitron. A mesma lista perguntada como "quais não são fundamentais?" tem a mesma resposta: nêutron e próton.
Matéria antipartícula. Cada partícula tem uma antipartícula de mesma massa e carga oposta; um pósitron e um elétron são iguais em massa (e na magnitude de sua carga) e diferem no sinal de sua carga. Um átomo de antihidrogênio é um antipróton (carga $-e$, feito de $\bar{\text{u}}\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}$) com um pósitron em órbita.
ExplorarLaboratório de partículas fundamentais
Classifique as partículas pela família ou interação que as define.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin quark/kwɑːk/ 夸克 kuā kè conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ 电荷守恒 diàn hè shǒu héng unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ 统一原子质量单位 tǒng yī yuán zi zhì liàng dān wèi radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ 放射性 fàng shè xìng radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 辐射 fú shè ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ 电离 diàn lí discrete/dɪˈskriːt/ 分立 fēn lì fundamental/ˌfʌndəˈmentl/ 基本粒子 jī běn lì zi flavours/ˈfleɪvəz/ 味 wèi antiquark/ˈæntɪkwɑːk/ 反夸克 fǎn kuā kè hadrons/ˈhædrɒnz/ 强子 qiáng zǐ baryons/ˈbæriɒnz/ 重子 zhòng zǐ mesons/ˈmiːzɒnz/ 介子 jiè zi leptons/ˈleptɒnz/ 轻子 qīng zi 11.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição número atômico $Z$ o número de prótons em um núcleo número de nucleons $A$ o número total de prótons e nêutrons em um núcleo isótopos núcleos do mesmo elemento (mesmo número de prótons) com números diferentes de nêutrons nuclídeo um núcleo com um número específico de prótons e um número específico de nêutrons unidade de massa atômica unificada um décimo segundo da massa de um átomo de carbono-12 antipartícula uma partícula com a mesma massa da partícula correspondente, mas carga oposta partícula fundamental uma partícula que não pode ser decomposta em partículas menores hádrone uma partícula feita de quarks: um bárion (três quarks) ou um méson (um quark e um antiquark) lépton uma partícula fundamental que não é feita de quarks, como o elétron ou o neutrino partícula α um núcleo de hélio-4: dois prótons e dois nêutrons, carga $+2e$, massa $4\ \text{u}$ partícula $\beta^{-}$ / partícula $\beta^{+}$ um elétron / um pósitron emitido de um núcleo quando um nêutron se torna um próton / um próton se torna um nêutron 11.2
Dicas de prova
- Descreva o átomo nuclear (um pequeno núcleo denso e positivo) usando as evidências do espalhamento alfa — pareie cada observação com sua conclusão.
- Comparar $\alpha$, $\beta$ e $\gamma$ por carga, massa, poder de ionização e penetração; quando solicitado a comparar duas partículas, dê a razão ("duas vezes a carga", "cerca de 7000 vezes a massa").
- Use a composição de quarks (próton $uud$, nêutron $udd$) e verifique que carga e número de nucleons estão equilibrados em toda equação que escrever.
- No decaimento $\beta^-$, um nêutron torna-se um próton, um elétron e um antineutrino; no decaimento $\beta^{+}$, um próton torna-se um nêutron, um pósitron e um neutrino. Nomeie a (anti)neutrino sempre.
- Um núcleo em repouso que decai dá a seus dois produtos momento igual e oposto, então o mais leve é mais rápido e carrega a maior parte da energia cinética.
- Para uma cadeia de decaimentos, conte os decaimentos α pela mudança no $A$ primeiro, depois ajuste o $Z$ com decaimentos $\beta$.
Erros comuns
- Concluindo "o núcleo é positivo" pelo resultado de passagem reta. Esse resultado mostra espaço vazio; as deflexões de grande ângulo mostram a carga positiva concentrada.
- Definindo isótopos apenas por "massa diferente". A nota exige mesmo número de prótons, número diferente de nêutrons.
- Escrever $^{0}_{-1}\beta$ para decaimento $\beta^{+}$. Um pósitron é $^{0}_{+1}\beta$, e o $Z$ vai para baixo em uma unidade.
- Esquecer a (anti)neutrino em uma equação de decaimento β, ou colocar um neutrino com $\beta^{-}$. $\beta^{-}$ vai com o antineutrino, $\beta^{+}$ com o neutrino.
- Dizer que prótons ou nêutrons são fundamentais. Apenas quarks e léptons são.
- Dar um méson como "dois quarks". É um quark e um antiquark.
- Tratar a carga de um antiquark como tendo o mesmo sinal que a do quark. $\bar{\text{u}}$ é $-\tfrac{2}{3}e$, $\bar{\text{d}}$ é $+\tfrac{1}{3}e$.
-
12
Movimento em círculo
Assistir aula12.1
Ângulos em radianos
Programa
- definir o radiano e expressar o deslocamento angular em radianos
- compreender e usar o conceito de velocidade angular
- recordar e usar $\omega = 2\pi / T$ e $v = r\omega$
Fonte: Programa Cambridge International
Movimento circular uniforme: velocidade e aceleração O radiano 弧度 é o ângulo formado no centro de um círculo por um arco 弧 cuja comprimento é igual ao raio. Para um arco de comprimento $s$ em um círculo de raio $r$, o ângulo em radianos é
$$\theta = \frac{s}{r}.$$Radianos não têm unidade (uma razão de comprimentos). Um círculo completo tem $s = 2\pi r$, logo $\theta = 2\pi\ \text{rad}$. Uma meia-círculo é $\pi\ \text{rad}$; um quarto é $\pi/2\ \text{rad}$.

Um radiano é o ângulo cujo comprimento de arco é igual ao raio Para converter: $1\ \text{rad} = 180°/\pi \approx 57.3°$. Configure sua calculadora para radianos para este tópico; o modo "graus" dará respostas erradas.
A definição de uma marca. O radiano é o ângulo subtendido no centro de um círculo por um arco igual em comprimento ao raio do círculo. Dê isso em palavras — $\theta = s/r$ sozinho não é uma definição — e mantenha $s = r\theta$ pronto para transformar uma distância ao longo do arco em um ângulo, ou vice-versa.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin radian/ˈreɪdɪən/ 弧度 hú dù velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù arc/ɑːk/ 弧 hú 12.1
Movimento circular uniforme: velocidade angular

Um brinquedo de parque de diversidades girando: cada passageiro gira através do mesmo ângulo a cada segundo. Um objeto move-se em um círculo de raio $r$ a velocidade constante $v$. Defina:
- angular displacement 角位移 $\theta$ — o ângulo (em radianos) percorrido pelo raio a partir de uma linha inicial escolhida.
- angular speed 角速度 $\omega$ — a taxa de variação do deslocamento angular.
Para movimento uniforme, $\omega$ é constante e
$$\omega = \frac{\theta}{t}.$$Unidade: $\text{rad s}^{-1}$.
O que permanece constante e o que varia. No movimento circular uniforme, a velocidade escalar, a velocidade angular, o período e a magnitude da aceleração são constantes; a velocidade vetorial, o deslocamento em relação ao centro e a aceleração variam continuamente, pois suas direções mudam. Ao ser pedido para "listar duas grandezas que variam", cite duas entre velocidade, aceleração, deslocamento e momento linear — e diga que é a direção que varia.
Período e frequência
Se o objeto dá uma volta completa ($2\pi\ \text{rad}$, uma revolução 圈) em um tempo $T$ (o período 周期), então
$$\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f,$$onde $f = 1/T$ é a frequência 频率 de rotação (Hz).
Velocidade linear e angular
Em um período $T$, o objeto percorre uma distância $2\pi r$ (a circunferência 周长) com velocidade constante, portanto
$$v = \frac{2\pi r}{T} = r \omega.$$Isso relaciona a velocidade linear (tangencial 切向) $v$ com a velocidade angular $\omega$. Em um raio maior (para a mesma velocidade angular), a velocidade linear é maior — uma criança na borda de um carrossel se move mais rápido do que uma próxima ao centro, embora ambas dêem uma volta no mesmo intervalo de tempo.

Mesma velocidade angular, mas o passageiro em maior raio possui maior velocidade linear ($v = r\omega$) Exemplo resolvido. Uma atração de parque de diversões de raio $4.0\ \text{m}$ completa uma volta a cada $8.0\ \text{s}$. Encontre sua velocidade angular e a velocidade linear de um passageiro na borda.
$$\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{8.0} = 0.79\ \text{rad s}^{-1}, \qquad v = r\omega = 4.0 \times 0.79 = 3.1\ \text{m s}^{-1}.$$Exemplo resolvido. O ponteiro dos minutos de um relógio gira uma vez por hora. Um pedaço de massa de modelar sobre ele percorre uma distância total de $0.44\ \text{m}$ em $1400\ \text{s}$. Encontre a velocidade angular do ponteiro, o ângulo percorrido pela massa nesse intervalo e sua distância do centro do relógio.
$\omega = 2\pi/T = 2\pi/3600 = 1.75 \times 10^{-3}\ \text{rad s}^{-1}$. Deslocamento angular $\theta = \omega t = 1.75 \times 10^{-3} \times 1400 = 2.44\ \text{rad}$. Distância ao longo do arco $s = r\theta$, portanto $r = s/\theta = 0.44/2.44 = 0.18\ \text{m}$. Verifique: $v = s/t = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ e $r\omega = 0.18 \times 1.75 \times 10^{-3} = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ — o mesmo. Uma armadilha comum nessas questões é um raio medido da borda: um bloco $1.2\ \text{cm}$ para dentro da borda de um disco de $9.3\ \text{cm}$ move-se em um círculo de raio $8.1\ \text{cm}$.

Duas engrenagens unidas por uma corrente compartilham a velocidade da corrente, não sua velocidade angular: $v = r_{1}\omega_{1} = r_{2}\omega_{2}$ Exemplo resolvido. Uma corrente de bicicleta passa por uma engrenagem do pedal de raio $0.095\ \text{m}$ e uma engrenagem da roda traseira de raio $0.038\ \text{m}$. Os pedais giram a $1.2$ rotações por segundo. Encontre a velocidade da corrente e a velocidade angular da engrenagem traseira. A corrente é então transferida para uma engrenagem traseira menor enquanto a velocidade da bicicleta permanece a mesma; explique, sem cálculos, o que acontece com a velocidade angular dos pedais.
Velocidade angular dos pedais $\omega_{1} = 2\pi \times 1.2 = 7.5\ \text{rad s}^{-1}$. Cada elo da corrente se move à velocidade da borda da engrenagem do pedal: $v = r_{1}\omega_{1} = 0.095 \times 7.5 = 0.72\ \text{m s}^{-1}$. A borda da engrenagem traseira move-se à mesma velocidade, logo $\omega_{2} = v/r_{2} = 0.72/0.038 = 19\ \text{rad s}^{-1}$. Com a velocidade da bicicleta inalterada, a roda traseira mantém a mesma velocidade angular; portanto, a borda da engrenagem menor move-se mais devagar ($v = r\omega$ com um $r$ menor), logo a corrente move-se mais lentamente, e a engrenagem do pedal, acionada pela mesma corrente, gira a uma velocidade angular menor.

Conforme o raio gira através de $\Delta\theta$, o objeto percorre um arco $\Delta s$ à velocidade $v$ ExplorarVelocidade angular
s = rθ
Velocidade angular transforma ângulo por tempo; comprimento de arco s = rθ.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin angular speed/ˈæŋɡjʊlə spiːd/ 角速度 jiǎo sù dù angular displacement/ˈæŋɡjʊlə dɪˈspleɪsmənt/ 角位移 jiǎo wèi yí period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ revolution/ˌrevəˈluːʃn/ 圈 quān circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ 周长 zhōu cháng tangential/tænˈdʒenʃl/ 切向 qiè xiàng centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ 向心加速度 xiàng xīn jiā sù dù 12.2
Aceleração centrípeta
Programa
- compreender que uma força de magnitude constante que é sempre perpendicular à direção do movimento causa aceleração centrípeta
- compreender que a aceleração centrípeta causa movimento circular com velocidade angular constante
- recordar e usar $a = r\omega^2$ e $a = v^2 / r$
- recordar e usar $F = mr\omega^2$ e $F = mv^2 / r$
Fonte: Programa Cambridge International
Um objeto movendo-se em um círculo com velocidade constante ainda possui uma velocidade 速度 variável — sua direção continua mudando, mesmo que seu módulo permaneça o mesmo. Uma velocidade variável requer uma aceleração 加速度. Essa aceleração aponta em direção ao centro e é a aceleração centrípeta 向心加速度.
A descrição de duas marcas. No movimento circular uniforme, a velocidade escalar é constante, mas a velocidade vetorial varia continuamente, pois sua direção muda; a aceleração é constante em magnitude e sempre direcionada em direção ao centro do círculo, perpendicular à velocidade. "Explique o que significa aceleração centrípeta": a aceleração de um objeto movendo-se ao longo de um trajeto circular, direcionada em direção ao centro do círculo.
Magnitude
$$a = \frac{v^{2}}{r} = r\omega^{2}.$$As duas formas são iguais porque $v = r\omega$. Escolha aquela com as quantidades que você tem.
A aceleração centrípeta é perpendicular 垂直 à velocidade em todo instante — nunca ao longo da direção do movimento. (Se parte dela estivesse ao longo do movimento, a velocidade escalar mudaria.) Unidade: $\text{m s}^{-2}$.

A velocidade aponta ao longo da tangente; a força e a aceleração apontam para o centro Por que a velocidade escalar não muda. A força centrípeta é perpendicular ao deslocamento em todo instante, logo não realiza nenhum trabalho sobre o objeto; sua energia cinética, e consequentemente sua velocidade escalar, permanecem constantes. Apenas a direção da velocidade muda — o que é exatamente o que uma aceleração perpendicular à velocidade faz.

Um ponto na Terra rotativa move-se em um círculo em torno do eixo, de raio $R\cos\lambda$, não em torno do centro da Terra Exemplo resolvido. A Terra é uma esfera de raio $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ que gira uma vez a cada $24$ horas. Cambridge está na latitude 纬度 $52.2°$ norte. Encontre o raio do círculo no qual Cambridge se move, sua velocidade e sua aceleração centrípeta. Um estudante de massa $58.6\ \text{kg}$ está em uma balança de banheiro ali; declare e explique o efeito da rotação na leitura da balança.
O círculo é em torno do eixo, logo $r = R\cos\lambda = 6.37 \times 10^{6} \times \cos 52.2° = 3.90 \times 10^{6}\ \text{m}$. $\omega = 2\pi/(24 \times 3600) = 7.27 \times 10^{-5}\ \text{rad s}^{-1}$, logo $v = r\omega = 284\ \text{m s}^{-1}$ e $a = r\omega^{2} = 3.90 \times 10^{6} \times (7.27 \times 10^{-5})^{2} = 2.1 \times 10^{-2}\ \text{m s}^{-2}$. O estudante precisa de uma força resultante $ma = 1.2\ \text{N}$ em direção ao eixo, que só pode vir do peso exceder a força de contato ascendente; logo a balança lê menos que o peso $mg = 575\ \text{N}$ — em cerca de um newton (a aceleração tem uma componente $a\cos\lambda = 0.013\ \text{m s}^{-2}$ ao longo da vertical, ou seja, $0.7\ \text{N}$ do $1.2\ \text{N}$). Pequeno, mas o sinal e a razão são as marcas.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ 垂直 chuí zhí latitude/ˈlætɪtjuːd/ 纬度 wěi dù weight/weɪt/ 重力 zhòng lì tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì normal contact force/ˈnɔːml ˈkɒntækt fɔːs/ 支持力 zhī chí lì 12.2
Força centrípeta

Uma roda-gigante: uma força centrípeta em direção ao centro mantém cada carro se movendo em um círculo. Pela segunda lei de Newton, a força resultante 力 sobre um corpo em movimento circular com velocidade constante é
$$F = m a = \frac{m v^{2}}{r} = m r \omega^{2}.$$Esta é a força centrípeta 向心力. Ela sempre aponta em direção ao centro — perpendicular à velocidade.
A força centrípeta não é um novo tipo de força — é a resultante das forças reais atuantes (tensão, gravidade, atrito, atração elétrica, força normal de contato, …). Em um problema, determine quais força(s) real(is) a fornece(m).
Exemplo resolvido. Uma bola de massa $0.20\ \text{kg}$ atada a uma corda é girada em um círculo horizontal de raio $0.50\ \text{m}$ a $3.0\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a força centrípeta (a tensão na corda).
$$F = \frac{mv^{2}}{r} = \frac{0.20 \times 3.0^{2}}{0.50} = 3.6\ \text{N}.$$De onde vem a força centrípeta
- Bola atada a uma corda em um círculo horizontal: a tensão 张力 na corda.
- Carro fazendo uma curva plana: a atrito 摩擦力 entre pneus e estrada ($F = m v^{2}/r$). Se o carro for muito rápido, o atrito não será suficiente e ele deslizará para fora.
- Curva inclinada 倾斜 (sem atrito): a componente horizontal da força normal de contato 支持力; $\tan\theta = v^{2}/(rg)$ para o ângulo que não requer atrito.
- Um planeta ou satélite 卫星 em órbita 轨道: a atração gravitacional 引力, $G M m / r^{2} = m v^{2}/r$.
- Elétron 电子 em órbita circular (modelo estilo Bohr): a atração eletrostática 静电 entre o elétron e o núcleo 原子核 positivo:
$$\frac{kZe^{2}}{r^{2}} = \frac{m_{e} v^{2}}{r},$$onde $k = 1/(4\pi\varepsilon_{0})$ e $Z$ é a carga nuclear. Resolva para $v$ para obter a velocidade orbital; então $T = 2\pi r/v$.

Em uma pista inclinada a parte horizontal da força da estrada fornece a força centrípeta A força inclinada: pêndulo cônico, cone e passeio de balanço
Uma bola atada a uma corda girada em um círculo horizontal (um pêndulo cônico 圆锥摆), uma bola rolando ao redor do interior de um cone liso, uma cadeira em um passeio de balanço de parque de diversões e um carro em uma pista inclinada são todos o mesmo problema: uma força (a tensão ou a força normal de contato) está inclinada num ângulo $\theta$ em relação à vertical. Resolva-a. Sua componente vertical equilibra o peso; sua componente horizontal é toda a força centrípeta:
$$F\cos\theta = mg, \qquad F\sin\theta = \frac{mv^{2}}{r} \qquad\Rightarrow\qquad \tan\theta = \frac{v^{2}}{rg}.$$Nunca adicione uma "força centrípeta" separada ao diagrama: as duas forças reais são o peso e a força inclinada, e sua resultante é horizontal, em direção ao centro.

Resolva a força inclinada: componente vertical $= mg$, componente horizontal $= mv^{2}/r$ Exemplo resolvido. Uma bola de aço move-se em um círculo horizontal de raio $0.12\ \text{m}$ na superfície interna lisa de um cone cuja superfície forma $52°$ com a horizontal. Nomeie as duas forças sobre a bola, declare a direção de sua resultante e encontre a velocidade da bola e o período de seu movimento.
As forças são o peso (verticalmente para baixo) e a força de contato normal da superfície do cone (perpendicular à superfície, portanto a $52°$ da vertical); sua resultante é horizontal, em direção ao centro do círculo. Verticalmente $N\cos 52° = mg$; horizontalmente $N\sin 52° = mv^{2}/r$. Dividindo: $v^{2} = rg\tan 52° = 0.12 \times 9.81 \times 1.28 = 1.51$, portanto $v = 1.2\ \text{m s}^{-1}$, e $T = 2\pi r/v = 2\pi \times 0.12/1.23 = 0.61\ \text{s}$. A massa cancela-se — a velocidade não depende dela.
Exemplo resolvido. Uma esfera de massa $0.29\ \text{kg}$ pendura-se a uma mola de constante elástica $40\ \text{N m}^{-1}$ e comprimento não esticado $6.0\ \text{cm}$. Ela é colocada em movimento em um círculo horizontal de modo que a mola forme $30°$ com a vertical. Encontre a tensão, o raio do círculo e a velocidade.
Verticalmente $T\cos 30° = mg$, logo $T = 0.29 \times 9.81/0.866 = 3.3\ \text{N}$. A extensão é $x = T/k = 3.28/40 = 0.082\ \text{m}$, logo o comprimento da mola é $0.060 + 0.082 = 0.142\ \text{m}$ e $r = 0.142\sin 30° = 0.071\ \text{m}$. Horizontalmente $T\sin 30° = mv^{2}/r$: $v^{2} = 3.28 \times 0.5 \times 0.071/0.29 = 0.40$, $v = 0.63\ \text{m s}^{-1}$. A lei de Hooke fornece o comprimento; o círculo fornece o resto.
Círculos verticais
Quando o círculo está vertical, a velocidade não é constante (a gravidade realiza trabalho) — mas, em cada instante, a força resultante em direção ao centro ainda é igual a $m v^{2}/r$:
- na parte inferior de um loop: tensão para cima, peso 重力 para baixo, então $T - mg = m v^{2}/r$ — a tensão é maior aqui.
- No topo de um loop: tensão e peso apontam ambos para baixo (em direção ao centro), portanto $T + mg = m v^{2}/r$ — a tensão é a menor. Para a velocidade mais lenta no topo com a corda apenas tensa, defina $T = 0$: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, resultando em $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$.

Forças atuando em uma pessoa no topo e na base de um círculo vertical Exemplo resolvido. Um carro faz uma volta em um loop vertical de raio $2.0\ \text{m}$. Encontre a velocidade mínima no topo para que o carro mantenha contato com a pista (considere $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
Na velocidade mais lenta, a força da pista é zero, então apenas a gravidade fornece a força centrípeta: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, resultando em $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$:
$$v_{\text{min}} = \sqrt{9.81 \times 2.0} \approx 4.4\ \text{m s}^{-1}.$$O resultado de velocidade constante ($v = r\omega$, $\omega$ constante) vale para círculos horizontais ou onde a força apenas curva a trajetória (órbitas sob gravidade, cargas em um campo magnético 磁场).
Círculos em campos
Exemplo resolvido. Um átomo de hélio é modelado como um núcleo de carga $+2e$ com dois elétrons em uma mesma órbita circular de raio $170\ \text{pm}$, sempre em lados opostos do núcleo. Encontre a força elétrica resultante sobre um elétron e sua velocidade.
Cada elétron é atraído pelo núcleo, a uma distância $r$, e repelido pelo outro elétron, a uma distância $2r$, ao longo da mesma linha: $F = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\dfrac{2e^{2}}{r^{2}} - \dfrac{e^{2}}{(2r)^{2}}\right) = \dfrac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}r^{2}} \times 1.75 = \dfrac{2.31 \times 10^{-28}}{(1.7 \times 10^{-10})^{2}} \times 1.75 = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N}$. Esta é a força centrípeta: $v = \sqrt{Fr/m} = \sqrt{1.40 \times 10^{-8} \times 1.7 \times 10^{-10}/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.
Exemplo resolvido. Um próton (massa $1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) movendo-se a $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ entra em um campo magnético uniforme de densidade de fluxo $0.50\ \text{T}$ perpendicularmente ao campo. Encontre o raio de sua trajetória e o tempo para uma revolução completa.
A força magnética $Bqv$ é sempre perpendicular à velocidade, portanto atua como força centrípeta e a velocidade é constante: $Bqv = mv^{2}/r$ leva a $r = \dfrac{mv}{Bq} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 2.0 \times 10^{6}}{0.50 \times 1.60 \times 10^{-19}} = 4.2 \times 10^{-2}\ \text{m}$, e $T = \dfrac{2\pi r}{v} = \dfrac{2\pi m}{Bq} = 1.3 \times 10^{-7}\ \text{s}$ — independente da velocidade, razão pela qual um próton mais rápido traça um círculo maior no mesmo intervalo de tempo. Para um satélite, a força gravitacional desempenha o mesmo papel: $\dfrac{GMm}{r^{2}} = mr\omega^{2}$, e a velocidade orbital e o período seguem diretamente de $r$.
ExplorarForça centrípeta e velocidade
F = mv²/r
Para o movimento circular, a força necessária cresce com o quadrado da velocidade — duplique v, quatro vezes a força.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin force/fɔːs/ 力 lì centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì Banked corner/bæŋkt ˈkɔːnə/ 倾斜 qīng xié banked/bæŋkt/ 倾斜 qīng xié satellite/ˈsætəlaɪt/ 卫星 wèi xīng orbit/ˈɔːbɪt/ 轨道 guǐ dào gravitational attraction/ˌɡrævɪˈteɪʃənl əˈtrækʃn/ 引力 yǐn lì electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电 jìng diàn nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé conical pendulum/ˈkɒnɪkl ˈpendjʊləm/ 圆锥摆 yuán zhuī bǎi magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng 12.2
Como estruturar uma resposta sobre movimento circular
- Encontre o raio $r$ e escolha $v$ ou $\omega$. Use $v = r\omega$ para alternar entre eles.
- Encontre a aceleração centrípeta usando $a = v^{2}/r$ ou $r\omega^{2}$.
- Liste as forças reais e escreva a segunda lei de Newton na direção radial 径向 (em direção ao centro é positivo). Iguale a força líquida para dentro a $m v^{2}/r$.
- Para período ou frequência: use $\omega = 2\pi/T$, ou $T = 2\pi r / v$.
- Verifique as direções: a força centrípeta e a aceleração apontam para o centro; a velocidade é tangencial.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin radial/ˈreɪdɪəl/ 径向 jìng xiàng 12.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição radiano o ângulo subtendido no centro de um círculo por um arco cujo comprimento é igual ao do raio deslocamento angular o ângulo, em radianos, pelo qual o raio girou a partir de sua posição inicial velocidade angular o ângulo varrido pelo raio por unidade de tempo (a taxa de variação do deslocamento angular) período o tempo necessário para uma revolução completa movimento circular uniforme movimento em círculo com velocidade constante, cuja velocidade muda continuamente de direção e possui aceleração de magnitude constante direcionada para o centro aceleração centrípeta a aceleração de um objeto se movendo em uma trajetória circular, direcionada para o centro do círculo e perpendicular à velocidade força centrípeta a força resultante sobre um objeto em movimento circular, direcionada para o centro, de magnitude $mv^{2}/r$ 12.2
Dicas de prova
- Trabalhe em radianos; velocidade angular $\omega = 2\pi/T = v/r$, e o comprimento do arco $s = r\theta$ converte uma distância percorrida ao longo do círculo em um ângulo.
- Aceleração centrípeta $a = v^2/r = \omega^2 r$; a força resultante atua em direção ao centro — ela é fornecida por tensão/gravidade/atrito/força de contato, não sendo uma força adicional.
- Sempre especifique o que fornece a força centrípeta na situação dada e, para uma força inclinada, decomponha-a: componente vertical $= mg$, componente horizontal $= mv^{2}/r$.
- Leia o raio com atenção: um ponto medido desde a borda move-se em um círculo menor; um ponto na Terra em rotação move-se em um círculo em torno do eixo, raio $R\cos\lambda$.
- Duas engrenagens em uma mesma corrente compartilham a velocidade da corrente; dois pontos em uma roda rígida compartilham sua velocidade angular.
Erros comuns
- Definindo o radiano como "$180/\pi$ graus" ou como $\theta = s/r$. A marca precisa do arco igual em comprimento ao raio.
- Dizer que a velocidade é constante no movimento circular uniforme. A velocidade escalar é constante; a velocidade vetorial muda de direção, razão pela qual existe aceleração.
- Desenhar uma seta de "força centrípeta" como uma força extra ao lado da tensão ou da força de contato. Ela é a resultante delas, não uma terceira força.
- Usar graus em $\omega t$ ou $v = r\omega$. Todas as fórmulas deste tópico assumem radianos.
- Esquecer que a força não realiza trabalho: uma força perpendicular ao movimento altera a direção, não a velocidade, mantendo a energia cinética constante.
- Tomar $r$ como o raio da Terra para um ponto na latitude $\lambda$. O círculo é em torno do eixo, logo $r = R\cos\lambda$.
-
13
Campos gravitacionais
Assistir aula13.1
Campos gravitacionais
Programa
- compreender que um campo gravitacional é um exemplo de campo de forças e definir campo gravitacional como força por unidade de massa
- representar um campo gravitacional por meio de linhas de campo
Fonte: Programa Cambridge International
Definição
Um campo gravitacional 重力场 é uma região onde uma massa 质量 sente uma força 力 proveniente de outras massas. A intensidade do campo gravitacional 重力场强度 $g$ em um ponto é a força gravitacional por unidade de massa sobre uma pequena massa de teste 检验 mass colocada ali:
$$g = \frac{F}{m}.$$Unidade: $\text{N kg}^{-1}$ (a mesma que $\text{m s}^{-2}$ — a aceleração da queda livre no campo). $g$ é um vetor 矢量, apontando na direção da força — em direção à massa fonte.
A redação do examinador. Um campo gravitacional é uma região do espaço em que uma massa experimenta uma força. Intensidade do campo gravitacional em um ponto é a força gravitacional por unidade de massa atuando sobre uma pequena massa de teste colocada naquele ponto. A direção de uma linha de campo em um ponto é a direção da força sobre uma (pequena) massa de teste colocada ali. As três são definições de uma marca; "força por unidade de massa" é a expressão que pontua, "a força sobre 1 kg" não pontua.
Linhas de campo
Um campo gravitacional é representado com linhas de campo 场线 que indicam a direção da força sobre uma massa de teste:
- ao redor de uma massa pontual 质点 ou de uma esfera uniforme (tratada como massa pontual de fora), as linhas de campo são radiais 径向, apontando para dentro.
- perto da superfície da Terra sobre uma área pequena, as linhas de campo são quase paralelas e igualmente espaçadas, apontando reto para baixo — um campo uniforme 匀强场.
Linhas mais próximas significam um campo mais forte.

O espaçamento das linhas de campo mostra a intensidade do campo — linhas mais próximas significam um campo mais forte Por que $g$ é constante perto da superfície, em termos de linhas de campo (uma explicação de duas marcas): sobre uma região cujo tamanho é pequeno comparado ao raio da Terra, as linhas de campo radial são quase paralelas e seu espaçamento mal muda com a altitude, então a intensidade do campo — que o espaçamento representa — é quase a mesma no topo da região quanto na base. Sobre todo o planeta, as linhas se espalham com a distância e o campo diminui.
Exemplo resolvido. Um ponto P representa uma massa pontual. Desenhe linhas para representar o campo gravitacional ao redor de P e declare o que a direção de uma linha mostra.
Linhas radiais retas, igualmente espaçadas ao redor de P, com setas apontando para dentro em direção a P. A direção de uma linha é a direção da força sobre uma pequena massa de teste colocada ali — sempre em direção à massa que produz o campo, pois a gravidade só atrai.
ExplorarUm campo radial
Altere a massa. As linhas de campo apontam para dentro e ficam mais densas perto do centro, onde o campo é mais forte — um campo radial ao redor de uma massa puntiforme.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin gravitational field/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ 重力场 zhòng lì chǎng mass/mæs/ 质量 zhì liàng force/fɔːs/ 力 lì gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù test mass/test mæs/ 检验质量 jiǎn yàn zhì liàng vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng field line/fiːld laɪn/ 场线 chǎng xiàn point mass/pɔɪnt mæs/ 质点 zhì diǎn radial/ˈreɪdɪəl/ 径向 jìng xiàng uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ 匀强场 yún qiáng chǎng Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ 万有引力定律 wàn yǒu yǐn lì dìng lǜ universal gravitational constant/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˌɡrævɪˈteɪʃənl ˈkɒnstənt/ 万有引力常量 wàn yǒu yǐn lì cháng liàng 13.2 13.3
Lei da gravitação de Newton
Programa
- compreender que, para um ponto fora de uma esfera uniforme, a massa da esfera pode ser considerada como uma massa pontual em seu centro
- lembre-se e use a Lei da Gravitação Universal de Newton $F = Gm_1m_2 / r^2$ para a força entre duas massas pontuais
- analisar órbitas circulares em campos gravitacionais relacionando a força gravitacional à aceleração centrípeta que ela causa
- compreender que um satélite em uma órbita geoestacionária permanece no mesmo ponto acima da superfície da Terra, com um período orbital de 24 horas, orbitando de oeste para leste, diretamente sobre o Equador
- deduzir, a partir da lei da gravitação universal de Newton e da definição de campo gravitacional, a equação $g = GM/r^2$ para a intensidade do campo gravitacional devido a uma massa pontual
- recordar e usar $g = GM/r^2$
- compreender por que $g$ é aproximadamente constante para pequenas variações de altura perto da superfície da Terra
Fonte: Programa Cambridge International
Para duas massas pontuais $m_{1}, m_{2}$ separadas por uma distância $r$, a força sobre cada uma é

Duas massas se atraem ao longo da linha que as une $$F = \frac{G m_{1} m_{2}}{r^{2}},$$puxando-as juntas ao longo da linha que as une. Esta é a Lei da Gravitação de Newton 万有引力定律. A constante $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$ é a constante universal da gravitação 万有引力常量.
Em palavras, conforme o gabarito deseja: a força gravitacional entre duas massas pontuais é proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado de sua separação — ambas as proporções, e "massas pontuais". Se pedirem para "enunciar a equação e o significado de quaisquer outros símbolos", dê $F = Gm_{1}m_{2}/r^{2}$ com $G$ sendo a constante gravitacional e $r$ a distância entre os centros.
Exemplo resolvido. Duas esferas uniformes isoladas, cada uma com massa $1.0 \times 10^{3}\ \text{kg}$, têm seus centros separados por $2.0\ \text{m}$. Encontre a força gravitacional entre elas e comente sobre sua magnitude.
$F = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 1.0 \times 10^{3} \times 1.0 \times 10^{3}}{2.0^{2}} = 1.7 \times 10^{-5}\ \text{N}$. Isso é cerca de $10^{-9}$ do peso de cada esfera ($9.8 \times 10^{3}\ \text{N}$): a gravidade entre objetos cotidianos é desprezível, e apenas uma massa do tamanho de um planeta produz um campo perceptível. "Isolado" em uma questão significa que outras massas não precisam ser consideradas.
Esferas tratadas como massas pontuais
Para uma esfera uniforme (como um planeta ou estrela), o campo em qualquer ponto externo é o mesmo que o de uma massa pontual igual à massa total no centro. Portanto, de acima da superfície, você pode tratar a Terra como uma massa pontual em seu centro. (Pontos internos a uma esfera são diferentes e não estão no programa escolar.)

Fora de uma esfera uniforme, o campo é radial, exatamente como uma massa pontual no centro Entre duas massas, os campos subtraem e os potenciais somam. A intensidade do campo é um vetor: na linha que une duas esferas, os dois campos apontam em direções opostas, existindo um ponto onde se cancelam e o campo resultante é zero. O potencial é um escalar: os dois potenciais simplesmente se somam, ambos são negativos, logo o potencial é menos negativo (um máximo) no ponto onde o campo é zero.

Ao longo da linha entre duas massas iguais, a intensidade do campo passa por zero no ponto médio, onde o potencial tem seu máximo Exemplo resolvido. Duas esferas uniformes isoladas idênticas X e Y, cada uma com massa $M$ e raio $R$, têm seus centros separados por uma distância $L$. O ponto P está sobre a linha que une os centros. Indique onde na linha a intensidade do campo resultante é zero e encontre o potencial gravitacional nesse local.
Por simetria, os campos de X e Y são iguais e opostos no ponto médio, $L/2$ de cada centro, portanto o campo resultante é zero ali. O potencial em P é a soma $\phi = -\dfrac{GM}{L/2} - \dfrac{GM}{L/2} = -\dfrac{4GM}{L}$. Uma massa liberada em P permaneceria lá; uma massa liberada em qualquer outro lugar na linha cai em direção à esfera mais próxima.
Intensidade do campo de uma massa pontual
Coloque a força gravitacional sobre uma massa de teste $m$ a uma distância $r$ de uma massa pontual $M$ em $g = F/m$:
$$F = \frac{G M m}{r^{2}}, \qquad g = \frac{G M}{r^{2}}.$$Assim $g$ diminui como $1/r^{2}$ à medida que se afasta da fonte.
A dedução de dois pontos. A força sobre uma massa de prova $m$ a uma distância $r$ de uma massa pontual $M$ é $F = GMm/r^{2}$ (Lei de Newton). A intensidade do campo é força por unidade de massa, $g = F/m$, logo $g = GM/r^{2}$. Escreva ambas as linhas: a lei e a definição valem dois pontos. Como $g \propto 1/r^{2}$, dobrar a distância torna o campo quatro vezes mais forte: a uma distância $x/2$, o campo é $4g$, na mesma direção, apontando para $M$.

A intensidade do campo diminui como $1/r^2$ com a distância de uma massa pontual Exemplo resolvido. Encontre a intensidade do campo gravitacional na superfície da Terra. (Massa da Terra $M = 6.0 \times 10^{24}\ \text{kg}$, raio $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)
$$g = \frac{GM}{R^{2}} = \frac{(6.67 \times 10^{-11})(6.0 \times 10^{24})}{(6.4 \times 10^{6})^{2}} \approx 9.8\ \text{N kg}^{-1}.$$Por que $g$ é quase constante perto da superfície da Terra
O raio da Terra é $R \approx 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$. Subir para uma altura $h$ muda a distância do centro de $R$ para $R + h$. Para $h \ll R$ (qualquer edifício ou montanha), $(R + h)/R \approx 1$, portanto $g$ muda pouco — ir de $5\ \text{m}$ a $10\ \text{m}$ de altura muda $r$ em cerca de uma parte por milhão. No laboratório, $g$ é efetivamente constante.
ExplorarLei da Gravitação Universal de Newton
F ∝ Mm / r²
A gravidade puxa para dentro e diminui com o quadrado da distância.
13.2 13.3
Movimento orbital em um campo gravitacional

A Estação Espacial Internacional orbita a Terra, mantida em sua trajetória pela gravidade. 
A gravidade fornece a força centrípeta que mantém um planeta em órbita circular 
Saturno, seus anéis (inúmeras pequenas peças orbitantes) e suas luas são todos mantidos em órbita pela gravidade Para um satélite 卫星 de massa $m$ em uma órbita 轨道 circular de raio $r$ em torno de um corpo de massa $M$, a gravidade fornece a força centrípeta 向心力:
$$\frac{G M m}{r^{2}} = \frac{m v^{2}}{r}.$$Cancele $m$ (a velocidade orbital não depende da massa do satélite):
$$v = \sqrt{\frac{G M}{r}}.$$Exemplo resolvido. Um satélite orbita a Terra em uma órbita circular de raio $r = 7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$. Encontre sua velocidade orbital. (Para a Terra, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$.)
$$v = \sqrt{\frac{GM}{r}} = \sqrt{\frac{4.0 \times 10^{14}}{7.0 \times 10^{6}}} \approx 7.6 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}.$$O período 周期 segue-se de $T = 2\pi r / v$:
$$T = 2\pi \sqrt{\frac{r^{3}}{G M}}, \quad\text{so}\quad T^{2} = \frac{4\pi^{2}}{G M} \cdot r^{3}.$$Esta é a Terceira Lei de Kepler 开普勒第三定律 para órbitas circulares: $T^{2} \propto r^{3}$. Um gráfico de $T^{2}$ contra $r^{3}$ é uma reta que passa pela origem com inclinação $4\pi^{2}/(GM)$, assim dados orbitais fornecem a massa central.

Terceira Lei de Kepler: $T^2 \propto r^3$, uma reta que passa pela origem A derivação de dois pontos, conforme o exame a estabelece. Para um satélite de massa $m$ em uma órbita circular de raio $R$ e período $T$ ao redor de um planeta de massa $M$: a força gravitacional fornece a força centrípeta, $\dfrac{GMm}{R^{2}} = mR\omega^{2}$, e $\omega = 2\pi/T$; portanto $\dfrac{GM}{R^{2}} = \dfrac{4\pi^{2}R}{T^{2}}$, resultando em $T^{2} = \dfrac{4\pi^{2}R^{3}}{GM}$. Para uma órbita a uma altura $h$ acima de um planeta de raio $R_{\text{p}}$, o raio orbital é $R_{\text{p}} + h$, portanto $T^{2} = 4\pi^{2}(R_{\text{p}} + h)^{3}/GM$: um gráfico de $T^{2}$ contra $(R_{\text{p}} + h)^{3}$ é uma linha reta passando pela origem cujo gradiente dá $M$.
Exemplo resolvido. O satélite X, de massa $M_{\text{s}}$, orbita um planeta a uma distância $4R$ de seu centro; o satélite Y, de massa $2M_{\text{s}}$, orbita a $3R$. Compare suas velocidades, períodos e energias cinéticas.
De $v = \sqrt{GM/r}$, $\dfrac{v_{\text{Y}}}{v_{\text{X}}} = \sqrt{\dfrac{4R}{3R}} = 1.15$: Y se move mais rápido, e as massas dos satélites não entram nos cálculos. De $T \propto r^{3/2}$, $\dfrac{T_{\text{Y}}}{T_{\text{X}}} = \left(\dfrac{3}{4}\right)^{3/2} = 0.65$. Energia cinética $= \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, logo $\dfrac{E_{\text{Y}}}{E_{\text{X}}} = \dfrac{2M_{\text{s}}/3R}{M_{\text{s}}/4R} = \dfrac{8}{3}$. Em questões de razão, cancele $G$, $M$ e a massa do satélite primeiro; apenas os raios e massas que diferem permanecem.
Estrelas binárias. Duas estrelas de massas $M_{\text{A}}$ e $M_{\text{B}}$ separadas por uma distância $d$ orbitam seu centro de massa 质comum, sempre em lados opostos dele, com o mesmo período. O centro de massa divide $d$ na razão inversa das massas, $M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ com $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = d$, e a mesma força gravitacional $GM_{\text{A}}M_{\text{B}}/d^{2}$ é a força centrípeta de cada estrela.

Uma estrela binária: ambas as estrelas giram em torno do centro de massa com o mesmo período, a mais pesada no círculo menor Exemplo resolvido. Uma estrela binária consiste na estrela A, massa $4.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$, e na estrela B, massa $2.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$, com centros separados por $3.3 \times 10^{11}\ \text{m}$. Encontre a distância de A do centro de massa e o período da órbita.
$M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ com $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = 3.3 \times 10^{11}$ resulta em $r_{\text{A}} = \dfrac{2.0}{6.0} \times 3.3 \times 10^{11} = 1.1 \times 10^{11}\ \text{m}$ (e $r_{\text{B}} = 2.2 \times 10^{11}\ \text{m}$). Para a estrela A: $\dfrac{GM_{\text{A}}M_{\text{B}}}{d^{2}} = M_{\text{A}}r_{\text{A}}\omega^{2}$, logo $\omega^{2} = \dfrac{GM_{\text{B}}}{d^{2}r_{\text{A}}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 2.0 \times 10^{30}}{(3.3 \times 10^{11})^{2} \times 1.1 \times 10^{11}} = 1.1 \times 10^{-14}\ \text{s}^{-2}$, $\omega = 1.06 \times 10^{-7}\ \text{rad s}^{-1}$ e $T = 2\pi/\omega = 6.0 \times 10^{7}\ \text{s}$, cerca de $1.9$ anos. Usar $d$ na força mas $r_{\text{A}}$ no termo centrípeto é a essência da questão.
Órbita geoestacionária
Um satélite geoestacionário 地球同步:
- permanece diretamente acima do mesmo ponto da Terra (assim uma antena fixa sempre aponta para ele),
- tem um período de 24 horas (o mesmo que a rotação da Terra),
- orbita de oeste para leste (na mesma direção em que a Terra gira),
- deve estar diretamente acima do equador 赤道.
Ele deve ter a mesma velocidade angular 角速度 que a Terra, na mesma direção, no plano equatorial (caso contrário, derivaria norte-sul durante o dia). De $T = 24\ \text{h}$ e $T^{2} = 4\pi^{2} r^{3}/(GM)$, o raio é $r \approx 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ (cerca de $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ acima da superfície).
Exemplo resolvido. Calcule o raio de uma órbita geoestacionária ao redor da Terra ($M = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$) e explique por que um satélite com o mesmo raio e período orbital pode ainda não ser geoestacionário.
$T = 24 \times 3600 = 8.64 \times 10^{4}\ \text{s}$; $r^{3} = \dfrac{GMT^{2}}{4\pi^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 5.98 \times 10^{24} \times (8.64 \times 10^{4})^{2}}{4\pi^{2}} = 7.5 \times 10^{22}\ \text{m}^{3}$, logo $r = 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ — uma altura de cerca de $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ acima da superfície. Um satélite com esse período é geoestacionário apenas se sua órbita estiver no plano do equador e ele viaja de oeste para leste; com o mesmo período em uma órbita inclinada (sobre os polos, por exemplo), ele retorna ao mesmo ponto todos os dias, mas não fica sempre acima dele. Marte gira uma vez a cada aproximadamente $25$ horas, então um satélite que fique acima de um ponto em Marte tem um período de $25$-horas e as mesmas outras duas características.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin orbit/ˈɔːbɪt/ 轨道 guǐ dào centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì satellite/ˈsætəlaɪt/ 卫星 wèi xīng period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī Kepler's third law/ˈkepləz θɜːd lɔː/ 开普勒第三定律 kāi pǔ lēi dì sān dìng lǜ kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng centre of mass/ˈsentə ɒv mæs/ 质心 zhì xīn geostationary/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri/ 地球同步 dì qiú tóng bù equator/ɪˈkweɪtə/ 赤道 chì dào angular speed/ˈæŋɡjʊlə spiːd/ 角速度 jiǎo sù dù infinity/ɪnˈfɪnɪti/ 无穷远 wú qióng yuǎn gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力势能 zhòng lì shì néng escape velocity/eˈskeɪp vəˈlɒsɪti/ 逃逸速度 táo yì sù dù 13.4
Potencial gravitacional
Programa
- definir o potencial gravitacional em um ponto como o trabalho realizado por unidade de massa ao trazer uma pequena massa de prova do infinito até o ponto
- usar $\phi = -GM/r$ para o potencial gravitacional no campo devido a uma massa pontual
- compreender como o conceito de potencial gravitacional leva à energia potencial gravitacional de duas massas pontuais e usar $E_P = -GMm/r$
Fonte: Programa Cambridge International
Potencial gravitacional 引力势 $\phi$ em um ponto é o trabalho realizado por unidade de massa para trazer uma pequena massa de prova do infinito 无穷远 até esse ponto:
$$\phi = \frac{W}{m}.$$Unidade: $\text{J kg}^{-1}$.
O potencial é considerado zero no infinito. À medida que a massa de prova cai em direção à fonte, a gravidade realiza o trabalho por você, então $\phi$ é negativo em todos os lugares exceto no infinito. Para uma massa pontual $M$ a uma distância $r$:
$$\phi = -\frac{G M}{r}.$$$\phi$ é uma escalar 标量. Para várias massas, some os potenciais.

O poço de potencial gravitacional: $\phi = -GM/r$ é negativo, subindo até zero no infinito A definição de dois pontos e por que é negativo. O potencial gravitacional em um ponto é o trabalho realizado por unidade de massa para trazer uma pequena massa de prova do infinito até o ponto. O potencial é definido como zero no infinito; a gravidade é atrativa, então à medida que a massa de prova vem do infinito, o campo realiza trabalho sobre ela e a massa libera energia — o trabalho que um agente externo deve realizar é negativo. Portanto, o potencial em qualquer distância finita está abaixo de zero. (O potencial elétrico perto de uma carga positiva é positivo por motivo oposto: aquele campo repele, então trabalho deve ser feito para aproximar uma carga de prova positiva.)
Semelhanças e diferenças com o potencial elétrico. Ambos são definidos como trabalho realizado por unidade de massa ou por unidade de carga positiva vindos do infinito, ambos são escalares, ambos variam como $1/r$ de uma fonte pontual e ambos são zero no infinito. A diferença: o potencial gravitacional é sempre negativo, porque a gravidade só atrai, enquanto o potencial elétrico pode ser positivo ou negativo dependendo do sinal da carga.
Lendo um gráfico de potencial. Dois gráficos aparecem nas questões. Em $\phi$ contra $r$ a curva é $-GM/r$: o valor superficial $\phi_{\text{s}} = -GM/R$ dá a massa do planeta, e o gradiente em qualquer ponto dá a intensidade do campo ali, já que $g = -\dfrac{\Delta\phi}{\Delta r}$ — a intensidade do campo é o negativo do gradiente de potencial (esta é a "relação entre potencial e intensidade do campo" que uma questão pode pedir). Em $\phi$ contra $1/r$ o gráfico é uma linha reta passando pela origem com gradiente $-GM$, que é a maneira mais elegante de extrair $M$.
Exemplo resolvido. A Lua é uma esfera isolada e uniforme de massa $7.3 \times 10^{22}\ \text{kg}$ e raio $1.7 \times 10^{6}\ \text{m}$. Calcule o potencial gravitacional em sua superfície e a velocidade mínima com que uma partícula deve sair da superfície para escapar.
$\phi = -\dfrac{GM}{R} = -\dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 7.3 \times 10^{22}}{1.7 \times 10^{6}} = -2.9 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$. Para escapar, a energia cinética por unidade de massa da partícula deve ser igual à profundidade do poço de potencial: $\tfrac{1}{2}v^{2} = 2.9 \times 10^{6}$, logo $v = \sqrt{2 \times 2.9 \times 10^{6}} = 2.4 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. O sinal negativo carrega o significado: energia de $2.9\ \text{MJ}$ por quilograma deve ser fornecida para levantar a partícula para fora.
Energia potencial gravitacional de duas massas pontuais
Se uma massa de prova $m$ está localizada onde o potencial é $\phi$, a energia potencial gravitacional 重力势能 do par é
$$E_{\text{P}} = m \phi = -\frac{G M m}{r}.$$Como o potencial, $E_{\text{P}}$ é negativo e atinge zero apenas em separação infinita. Massas mais próximas têm energia potencial mais negativa (mais fortemente ligadas).
Ligação com $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$
Para pequenas variações de altura próximas à superfície, $r$ pouco se altera, logo $\Delta E_{\text{P}} \approx mg\Delta h$. Para grandes variações (um satélite movendo-se para uma órbita mais alta), use $-GMm/r$ em cada raio e calcule a diferença:
$$\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\frac{1}{r_{1}} - \frac{1}{r_{2}}\right) \quad (r_{2} > r_{1}),$$o que é positivo (energia deve ser fornecida para elevar o satélite).
Exemplo resolvido. Um satélite de massa $1200\ \text{kg}$ é movido de uma órbita circular de raio $7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ para outra de raio $8.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ ao redor da Terra ($GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$). Encontre as variações em sua energia potencial gravitacional, energia cinética e energia total.
$\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\dfrac{1}{r_{1}} - \dfrac{1}{r_{2}}\right) = 4.0 \times 10^{14} \times 1200 \times \left(\dfrac{1}{7.0 \times 10^{6}} - \dfrac{1}{8.0 \times 10^{6}}\right) = +8.6 \times 10^{9}\ \text{J}$. Em uma órbita circular $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, logo $\Delta E_{\text{K}} = \dfrac{GMm}{2}\left(\dfrac{1}{r_{2}} - \dfrac{1}{r_{1}}\right) = -4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$: o satélite mais alto move-se mais lentamente. A energia total $E_{\text{K}} + E_{\text{P}} = -\dfrac{GMm}{2r}$ aumenta em $+4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$, que é a energia que o motor do foguete deve fornecer. A energia total de um satélite é negativa — ele está ligado — e torna-se menos negativa à medida que a órbita se alarga.
Velocidade de escape (por conservação de energia)
Para escapar do raio $r$ até o infinito, a energia cinética 动能 de um objeto deve ser igual ao módulo de sua energia potencial gravitacional:
$$\tfrac{1}{2} m v_{\text{esc}}^{2} = \frac{G M m}{r}, \qquad v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2 G M}{r}}.$$Na superfície da Terra, a velocidade de escape 逃逸速度 é $\approx 11\ \text{km s}^{-1}$. Ela não depende da massa do objeto.
Exemplo resolvido. Calcule a velocidade de escape da superfície da Terra. (Para a Terra, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$, $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$.)
$$v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM}{R}} = \sqrt{\frac{2 (4.0 \times 10^{14})}{6.4 \times 10^{6}}} \approx 1.1 \times 10^{4}\ \text{m s}^{-1}\ (= 11\ \text{km s}^{-1}).$$Exemplo resolvido. Uma partícula é projetada verticalmente para cima a partir da superfície de um planeta isolado de raio $R$, onde o potencial gravitacional é $\phi_{\text{s}}$. Mostre que ela atinge exatamente uma distância $r$ do centro se sua velocidade de lançamento $v$ satisfaz $\tfrac{1}{2}v^{2} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$, e deduza a velocidade de escape.
O potencial varia conforme $1/r$, logo a uma distância $r$ ele é $\phi_{\text{s}}R/r$. Quando a partícula para, sua energia cinética por unidade de massa tornou-se toda energia potencial por unidade de massa: $\tfrac{1}{2}v^{2} = \phi(r) - \phi_{\text{s}} = \phi_{\text{s}}\dfrac{R}{r} - \phi_{\text{s}} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$, que é positiva porque $\phi_{\text{s}}$ é negativo. Fazendo $r \to \infty$ obtemos $\tfrac{1}{2}v_{\text{esc}}^{2} = -\phi_{\text{s}} = GM/R$ — novamente o resultado da velocidade de escape, agora lido diretamente no potencial.
ExplorarPotencial gravitacional
V = −GM / r
Potencial ∝ −1/r — profundo próximo à massa, aplanando-se com a distância.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ 引力势 yǐn lì shì 13.4
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição campo gravitacional uma região do espaço em que uma massa experimenta uma força intensidade do campo gravitacional a força gravitacional por unidade de massa atuando sobre uma pequena massa de teste colocada naquele ponto linha de campo (direção) a direção da força sobre uma pequena massa de teste colocada naquele ponto lei da gravitação universal de Newton a força gravitacional entre duas massas pontuais é proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado de sua separação potencial gravitacional o trabalho realizado por unidade de massa ao trazer uma pequena massa de teste do infinito até o ponto energia potencial gravitacional (duas massas pontuais) o trabalho realizado ao trazer as duas massas do infinito até sua separação, $E_{\text{P}} = -GMm/r$ órbita geoestacionária uma órbita com período de 24 horas, de oeste para leste, diretamente acima do equador, para que o satélite permaneça acima do mesmo ponto na superfície velocidade de escape a velocidade mínima na qual um objeto deve deixar a superfície para atingir o infinito com energia cinética zero centro de massa (estrela binária) o ponto em torno do qual ambas as estrelas orbitam, dividindo sua separação na razão inversa de suas massas 13.4
Dicas de prova
- Lei da gravitação universal de Newton $F = GMm/r^2$ (quadrado inverso); intensidade do campo $g = GM/r^2$ — e cite a derivação em duas linhas, a lei e a definição de $g$.
- Distinguir potencial gravitacional ($\phi = -GM/r$, sempre negativo, zero no infinito) da intensidade do campo; $g$ é o gradiente negativo do gráfico de $\phi$–$r$.
- Para um conjunto orbital de gravidade $=$ força centrípeta para obter $T^2 \propto r^3$; uma órbita geoestacionária possui $T = 24\ \text{h}$ mais duas características: acima do equador, de oeste para leste.
- Use o raio orbital (centro a centro, $R_{\text{p}} + h$), nunca a altura, e para uma estrela binária a separação $d$ na força, mas o raio orbital $r_{\text{A}}$ no termo centrípeto.
- As variações de energia vêm de $-GMm/r$ em cada raio; para uma órbita circular $E_{\text{K}} = GMm/2r$ e a energia total é $-GMm/2r$.
Erros comuns
- Definir potencial como "força por unidade de massa" ou intensidade de campo como "trabalho realizado por unidade de massa". Troque-os e perde-se as duas marcas.
- Dizer que o potencial é negativo "porque a gravidade atrai" e parar aí. A marca exige o argumento do trabalho: zero no infinito, e o campo realiza o trabalho à medida que a massa entra.
- Usar a altura acima da superfície como $r$ em $GM/r^{2}$ ou $T^{2} \propto r^{3}$. Adicione o raio do planeta primeiro.
- Escrever a lei de Kepler como $T \propto r$ ou $T^{2} \propto r^{2}$. É $T^{2} \propto r^{3}$: uma linha reta apenas em $T^{2}$ contra $r^{3}$.
- Fazer com que "geoestacionário" signifique apenas "período de 24 horas". Sem o plano equatorial e a direção de oeste para leste, não é geoestacionário.
- Esquecer que a energia cinética de um satélite diminui quando é elevado para uma órbita mais alta, embora energia tenha sido fornecida.
-
14
Temperatura
Assistir aula14.1
Equilíbrio térmico
Programa
- compreender que a energia (térmica) é transferida de uma região de temperatura mais alta para uma região de temperatura mais baixa
- compreender que regiões de igual temperatura estão em equilíbrio térmico
Fonte: Programa Cambridge International
Calor 热量 (energia térmica) flui de uma temperatura mais alta para uma temperatura mais baixa. Quando dois corpos tocam, a energia se move até que suas temperaturas sejam iguais — eles atingem o equilíbrio térmico 热平衡. No equilíbrio, não há fluxo líquido de energia.
Duas regiões na mesma temperatura 温度 estão em equilíbrio térmico entre si — não há fluxo líquido de energia, embora as partículas continuem a trocar energia.
A temperatura determina a direção do fluxo de calor. Não é uma medida de quanto energia térmica 热能 um corpo possui. Uma xícara pequena de água fervente (100 °C) contém muito menos energia do que uma piscina a 25 °C, mas um pedaço de metal colocado na xícara ganha energia enquanto um colocado na piscina a perde.

O calor flui do quente para o frio até que ambos atinjam a mesma temperatura — equilíbrio térmico A formulação do examinador. Dois objetos estão em equilíbrio térmico quando não há transferência líquida de energia térmica entre eles; isso ocorre quando estão na mesma temperatura. Perguntado sobre "a razão pela qual dois objetos na mesma temperatura estão em equilíbrio térmico", a única marca é: não há fluxo líquido de energia térmica entre eles — a energia ainda passa em ambas as direções, mas igualmente. Energia térmica é a energia transferida devido a uma diferença de temperatura; temperatura é o que decide a direção.
Exemplo resolvido. Dois cuboides metálicos P e Q estão em contato térmico e em equilíbrio térmico. Explique o que isso significa e descreva o que acontece quando um cuboide mais quente é colocado contra eles.
Nenhuma energia térmica líquida passa entre P e Q, pois estão na mesma temperatura. Um cuboide mais quente transfere energia térmica para eles (do mais quente para o mais frio) até que os três atinjam uma única temperatura comum; então, e somente então, todo o grupo está em equilíbrio térmico.
ExplorarRota de equilíbrio térmico
Observe a transferência de energia até dois objetos atingirem a mesma temperatura.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 热平衡 rè píng héng 14.2
Medição de temperatura
Programa
- compreender que uma propriedade física que varia com a temperatura pode ser usada para medir a temperatura e citar exemplos dessas propriedades, incluindo a densidade de um líquido, volume de um gás a pressão constante, resistência de um metal, f.e.m. de um termopar
- compreender que a escala de temperatura termodinâmica não depende da propriedade de nenhuma substância em particular
- converter temperaturas entre kelvin e graus Celsius e recordar que $T/\text{K} = \theta/\text{ }^{\circ}\text{C} + 273.15$
- compreender que a temperatura mais baixa possível é zero kelvin na escala de temperatura termodinâmica e que isso é conhecido como zero absoluto
Fonte: Programa Cambridge International

Um termômetro mede temperatura em uma escala definida. Qualquer propriedade física que mude de forma repetível com a temperatura pode constituir um termômetro 温度计. Exemplos:
- volume de um líquido — um termômetro de líquido em vidro (mercúrio ou álcool). À medida que a temperatura sobe, o líquido expande e sobe por um capilar 毛细angosto.
- volume de um gás à pressão constante — um termômetro de gás. O volume do gás aumenta em passo com a temperatura absoluta.
- resistência de um metal — um termômetro de resistência. A resistência 电阻 de um metal aumenta quase em passo com a temperatura sobre uma ampla faixa.
- f.e.m. de um termopar — um termopar 热电偶 são dois metais diferentes unidos em dois pontos; a força eletromotriz 电动势 que ele produz depende da diferença de temperatura entre as junções.
Diferentes termômetros podem apresentar leituras ligeiramente distintas se a propriedade não mudar linearmente; eles concordam apenas nos pontos de calibração 校准.
Pontos fixos e calibração. Um termômetro é calibrado em dois pontos fixos 固定点 fáceis de reproduzir — o ponto do gelo ($0\ ^{\circ}\text{C}$, gelo puro derretendo) e o ponto do vapor ($100\ ^{\circ}\text{C}$, vapor acima de água fervente à pressão padrão). O valor da propriedade é medido em cada um, e a escala entre eles é traçada assumindo que a propriedade muda linearmente com a temperatura. Essa suposição é a fraqueza: a expansão do mercúrio, a resistência de um metal e a f.e.m. de um termopar variam ligeiramente de maneira diferente entre os pontos fixos, então dois termômetros que concordam em $0$ e $100\ ^{\circ}\text{C}$ podem discordar em $50\ ^{\circ}\text{C}$.

Calibrado em dois pontos fixos e assumido linear entre eles, um termômetro lê uma temperatura que depende de como sua própria propriedade realmente varia Por que um termômetro de líquido em vidro não mede a temperatura termodinâmica (a única marca): sua leitura depende da propriedade de uma substância específica — a expansão do mercúrio ou álcool — e da suposição de que essa expansão é linear entre os pontos fixos. A escala termodinâmica não depende de nenhuma substância.
Por que a água é um mau líquido termométrico. Sua densidade não muda uniformemente com a temperatura: é máxima em $4\ ^{\circ}\text{C}$, logo entre $0$ e $8\ ^{\circ}\text{C}$ duas temperaturas diferentes dão a mesma densidade e a leitura é ambígua, e a mudança por grau é pequena, tornando o termômetro insensível. A densidade do mercúrio diminui uniformemente e quase linearmente em toda a faixa, sendo esse o motivo de sua escolha.
Exemplo resolvido. Um termômetro de resistência de platina é uma bobina de fio de platina em um tubo de vidro, conectado a um circuito que mede sua resistência. Explique como ele mede a temperatura e dê uma desvantagem comparado a um termopar.
A resistência do platina aumenta com a temperatura de forma conhecida e quase linear; a resistência é medida no ponto do gelo e no ponto do vapor, e qualquer outra temperatura é lida onde a resistência medida cai na escala linear entre eles (ou de um gráfico de calibração). Desvantagem: a bobina, o tubo e o fluido ao redor têm grande capacidade térmica, então o termômetro responde lentamente e não consegue acompanhar uma temperatura que muda rapidamente; também é volumoso e requer um circuito para ser lido. (Suas vantagens: preciso, estável e utilizável em uma faixa muito ampla.)

Um termômetro de gás a volume constante — a pressão do gás é determinada pela diferença de altura h Exemplo resolvido. Em um termômetro de gás a volume constante, a pressão do gás é $1.05 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ quando o bulbo está em gelo derretendo e $1.19 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ quando está em uma sala aquecida. Encontre a temperatura termodinâmica da sala e explique por que este termômetro, diferentemente de um termômetro de líquido em vidro, fornece a temperatura termodinâmica diretamente.
Para uma massa fixa de gás a volume constante, a pressão é proporcional à temperatura termodinâmica, portanto $\dfrac{T}{273.15} = \dfrac{1.19 \times 10^{5}}{1.05 \times 10^{5}}$, resultando em $T = 310\ \text{K}$ ($36\ ^{\circ}\text{C}$). A pressão de um gás (quase) ideal depende apenas de sua temperatura, não de qual gás seja, assim a leitura não se baseia na propriedade de uma substância específica — a característica definidora da escala termodinâmica.

Uma câmera térmica (infravermelha) mapeia a temperatura para cores: as batatas quentes brilham em laranja intenso, a bebida fria permanece escura ExplorarLaboratório de escala de temperatura
Índice Kelvin = Índice Celsius + 2.73
Deslize a temperatura Celsius e veja a escala Kelvin mudar em 273.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ 温度计 wēn dù jì calibration/ˌkælɪˈbreɪʃn/ 校准 jiào zhǔn fixed points/fɪkst pɔɪnts/ 固定点 gù dìng diǎn thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ 热力学温度 rè lì xué wēn dù 14.2
Escala de temperatura termodinâmica
A escala de temperatura termodinâmica 热力学温度 (ou temperatura absoluta 绝对温度) não depende de nenhuma substância específica — apenas das leis da termodinâmica. Sua unidade é o kelvin 开尔文 (K).
Zero absoluto
A temperatura mais baixa possível é zero kelvin ($0\ \text{K}$), chamada de zero absoluto 绝对零度. Nela, um sistema possui sua menor energia interna 内na possível — as partículas não possuem movimento aleatório relevante. Nada pode ser resfriado abaixo disso.
Como é pedido no exame. "Enuncie a magnitude e a unidade do zero absoluto na escala termodinâmica": $0\ \text{K}$ (a unidade é o kelvin). "Enuncie a temperatura do zero absoluto na escala Celsius": $-273.15\ ^{\circ}\text{C}$ (aceita-se $-273\ ^{\circ}\text{C}$). "O que é zero absoluto?": a temperatura na qual um sistema possui sua energia interna mínima — as partículas têm a menor energia cinética e potencial possível — e abaixo da qual é impossível descer. A escala termodinâmica é fixada pelo zero absoluto e pelo ponto triplo 三相点 da água, definido como $273.16\ \text{K}$; ela não depende da propriedade de qualquer substância específica.

Extrapolando a linha de pressão-temperatura de volta até zero pressão, obtém-se o zero absoluto, cerca de −273 °C Escala Celsius
A escala Celsius 摄氏度 $\theta$ é deslocada da escala termodinâmica por uma quantidade fixa:
$$T / \text{K} = \theta / {}^{\circ}\text{C} + 273.15.$$Assim $0\ ^{\circ}\text{C} = 273.15\ \text{K}$ e $100\ ^{\circ}\text{C} = 373.15\ \text{K}$. Um kelvin e um grau Celsius têm o mesmo tamanho, então uma diferença de temperatura de $1\ \text{K}$ equivale a $1\ ^{\circ}\text{C}$ — mas os valores absolutos diferem em $273.15$.
Em cálculos da lei dos gases, você deve sempre usar temperaturas absolutas em kelvin. Usar °C dá respostas erradas.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ 绝对零度 jué duì líng dù internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng Celsius/ˈselsɪəs/ 摄氏度 shè shì dù triple point/ˈtrɪpl pɔɪnt/ 三相点 sān xiāng diǎn specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 比热容 bǐ rè róng power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ 隔热 gé rè specific latent heat/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt/ 比潜热 bǐ qián rè latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ 潜热 qián rè fusion/ˈfjuːʒn/ 熔化 róng huà vaporisation/ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ 汽化 qì huà specific latent heat of fusion/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt ɒv ˈfjuːʒn/ 熔化 róng huà specific latent heat of vaporisation/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt ɒv ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ 汽化 qì huà atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/ 大气压强 dà qì yā qiáng phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ 相变 xiāng biàn 14.3
Calor específico
Programa
- definir e usar capacidade calorífica específica
- definir e usar calor latente específico e distinguir entre calor latente de fusão específico e calor latente de vaporização específico
Fonte: Programa Cambridge International
O calor específico 比热容 $c$ de uma substância é a energia 能量 necessária para elevar a temperatura de massa unitária em um kelvin:
$$c = \frac{Q}{m \Delta T} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m c \Delta T.$$Unidade: $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
A definição de duas marcas: calor específico é a energia requerida por unidade de massa da substância para elevar sua temperatura em um kelvin (ou em um grau). Ambos "por unidade de massa" e "por unidade de elevação de temperatura" são necessários; "a energia para aquecer 1 kg em 1 K" pontua, "a energia para aquecer a substância" não pontua.
Exemplos:
- água: $c \approx 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ (alto — por que a água é um bom refrigerante e por que oceanos estabilizam o clima).
- alumínio: $c \approx 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
- cobre: $c \approx 385\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.

O calor específico da água é muito maior que sólidos comuns — por que é um tão bom refrigerante Para encontrar um $c$ desconhecido experimentalmente: forneça energia conhecida $Q$ eletricamente ($Q = VIt$, a partir da potência 功率), então meça o aumento de temperatura $\Delta T$ de uma massa 质量 conhecida $m$. Então $c = Q/(m\Delta T)$. Reduza a perda de calor com isolamento térmico 隔热 e use um aumento de cerca de 10 K (grande o suficiente para medir bem, pequeno o suficiente para limitar perdas).
Exemplo resolvido. Quanta energia é necessária para aquecer $0.50\ \text{kg}$ de água de $20\ ^{\circ}\text{C}$ para $100\ ^{\circ}\text{C}$? (Calor específico da água $c = 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)
Uma diferença de temperatura é a mesma em K e °C, portanto $\Delta T = 80$:
$$Q = mc\Delta T = 0.50 \times 4200 \times 80 = 1.68 \times 10^{5}\ \text{J}\ (= 168\ \text{kJ}).$$Quando dois corpos atingem equilíbrio térmico sem perda de calor para o entorno, a energia ganha pelo corpo mais frio é igual à energia perdida pelo corpo mais quente:
$$m_{1} c_{1} (T_{\text{eq}} - T_{1}) = m_{2} c_{2} (T_{2} - T_{\text{eq}}).$$Exemplo resolvido. $0.20\ \text{kg}$ de água a $80\ ^{\circ}\text{C}$ é misturado com $0.30\ \text{kg}$ de água a $20\ ^{\circ}\text{C}$, sem perda de calor. Encontre a temperatura final.
O calor perdido pela água quente é igual ao calor ganho pela água fria (a $c$ de água cancela):
$$0.20\,(80 - T_{\text{eq}}) = 0.30\,(T_{\text{eq}} - 20) \quad\Rightarrow\quad T_{\text{eq}} = 44\ ^{\circ}\text{C}.$$Exemplo resolvido. Um béquer de massa $42\ \text{g}$ e calor específico $840\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ contém $120\ \text{g}$ de um líquido. Um aquecedor fornece energia a $810\ \text{W}$ e a temperatura do béquer e do líquido sobe de $19\ ^{\circ}\text{C}$ para $47\ ^{\circ}\text{C}$ em $15\ \text{s}$. Encontre o calor específico do líquido. O experimento é repetido com água no lugar do líquido; enuncie e explique como a elevação de temperatura difere.
Energia fornecida $Q = Pt = 810 \times 15 = 1.22 \times 10^{4}\ \text{J}$, $\Delta T = 28\ \text{K}$. Ela aquece tanto o béquer quanto o líquido: $Q = m_{\text{b}}c_{\text{b}}\Delta T + m_{\text{l}}c_{\text{l}}\Delta T$, portanto $1.215 \times 10^{4} = 0.042 \times 840 \times 28 + 0.120 \times c_{\text{l}} \times 28$, isto é, $1.215 \times 10^{4} = 988 + 3.36c_{\text{l}}$, resultando em $c_{\text{l}} = 3.3 \times 10^{3}\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$. Esquecer o béquer é a marca perdida usual. Com água ($c = 4200$, mais alta) a mesma energia no mesmo tempo produz um aumento de temperatura menor, já que $\Delta T = Q/(mc)$ e $mc$ é maior. Se houver perda de energia para o ambiente, o verdadeiro $Q$ absorvido é menor que $Pt$, portanto um valor de $c$ encontrado dessa maneira é uma superestimação.
Exemplo resolvido. Dois blocos metálicos X e Y são colocados em contato e isolados do entorno. X (massa $0.50\ \text{kg}$, inicialmente $80\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 390\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) e Y (massa $0.50\ \text{kg}$, inicialmente $20\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) atingem uma temperatura final comum. Explique, em termos de energia, por que a temperatura final fica mais próxima da temperatura inicial de Y, e encontre-a.
A energia térmica flui de X (mais quente) para Y até que estejam em equilíbrio térmico; a energia perdida por X é igual à energia ganhe por Y. Como Y tem maior calor específico, uma dada quantidade de energia altera sua temperatura menos do que altera a de X, então Y esquenta em menos graus do que X esfria e a temperatura final fica mais próxima de $20\ ^{\circ}\text{C}$. Numericamente: $0.50 \times 390 \times (80 - T) = 0.50 \times 900 \times (T - 20)$, logo $390(80 - T) = 900(T - 20)$, $31200 + 18000 = 1290T$, $T = 38\ ^{\circ}\text{C}$.
Exemplo resolvido. Um bloco de alumínio tem volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ e densidade $2.70 \times 10^{3}\ \text{kg m}^{-3}$. Encontre a energia necessária para elevar sua temperatura em $40\ \text{K}$ ($c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).
Massa $= \rho V = 2.70 \times 10^{3} \times 3.612 \times 10^{-3} = 9.75\ \text{kg}$, logo $Q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. Uma massa oculta atrás de uma densidade e um volume é um primeiro passo comum.
ExplorarEnergia para aquecer: E = mcΔT
Escolha um material, defina a massa e o aumento de temperatura, e leia a energia. Água precisa de muito mais energia que os metais.
ExplorarCapacidade térmica específica
Q = mcΔT
O calor necessário é proporcional ao aumento de temperatura — o gradiente depende da massa e da capacidade térmica específica do material.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin mass/mæs/ 质量 zhì liàng 14.3
Calor latente específico
Quando uma substância muda de estado (sólido ↔ líquido, ou líquido ↔ gás) a temperatura constante, energia deve ser fornecida (ou removida) sem mudança de temperatura. Esta energia é o calor latente 潜热.
O calor latente específico 比潜热 $L$ é a energia para mudar o estado de massa unitária a temperatura constante:
$$L = \frac{Q}{m} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m L.$$Unidade: $\text{J kg}^{-1}$.
A definição de duas marcas: calor latente específico é a energia requerida por unidade de massa para mudar o estado de uma substância sem mudança de temperatura. "Sem mudança de temperatura" (ou "a temperatura constante") é a segunda marca e a mais frequentemente esquecida. Adicione "de sólido para líquido" para fusão ou "de líquido para gás" para vaporização quando um deles for solicitado especificamente.
Dois tipos:
- calor latente específico de fusão 熔化 $L_{\text{f}}$ — para fusão ou solidificação (sólido ↔ líquido).
- calor latente específico de vaporização 汽化 $L_{\text{v}}$ — para ebulição ou condensação (líquido ↔ gás).
Para a água à pressão atmosférica: $L_{\text{f}} \approx 3.34 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$ (a $0\ ^{\circ}\text{C}$); $L_{\text{v}} \approx 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$ (a $100\ ^{\circ}\text{C}$). Portanto $L_{\text{v}}$ é cerca de 7 vezes $L_{\text{f}}$.

Curva de aquecimento: as partes inclinadas aquecem a substância ($mc\Delta T$); os platôs planos são as mudanças de fase ($mL$) Exemplo resolvido. Um aquecedor de $2.0\ \text{kW}$ ferve água já a $100\ ^{\circ}\text{C}$. Quanto tempo leva para transformar $0.10\ \text{kg}$ desta água em vapor? ($L_{\text{v}} = 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$, sem perda de calor.)
A energia necessária é $Q = mL_{\text{v}} = 0.10 \times 2.26 \times 10^{6} = 2.26 \times 10^{5}\ \text{J}$. De $Q = Pt$,
$$t = \frac{Q}{P} = \frac{2.26 \times 10^{5}}{2000} \approx 110\ \text{s}.$$Exemplo resolvido. A água em uma chaleira permanece a $100\ ^{\circ}\text{C}$ enquanto ferve, embora o elemento continue aquecendo-a. Explique isso com referência às energias moleculares (3 marks).
Temperatura é uma medida da energia cinética média das moléculas. Durante a ebulição, a energia fornecida é usada para separar as moléculas — para realizar trabalho contra as forças atrativas entre elas e contra a atmosfera à medida que o vapor se expande — assim aumenta a energia potencial das moléculas, não sua energia cinética. Com a energia cinética média inalterada, a temperatura permanece constante até que toda a água se torne vapor.
Por que $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$
Duas razões, ambas vindas da imagem de partículas da matéria:
- Ligações: na fusão, apenas algumas das ligações intermoleculares 分子间 se rompem; as partículas permanecem próximas como líquido. Na ebulição, todas as ligações devem se romper para que as partículas possam se separar. Romper todas exige mais energia.
- Trabalho contra a atmosfera: quando um líquido vira gás, ele se expande enormemente (vapor tem cerca de $10^{3}$ vezes o volume 体积 do líquido), então realiza trabalho empurrando a pressão atmosférica 大气压强 circundante. Esse trabalho vem da energia fornecida.
Escreva ambas as razões e nomeie as energias: as marcas são para ligações quebradas (energia potencial aumentada) — algumas na fusão, todas na ebulição, e trabalho realizado contra a atmosfera na grande expansão. "A ebulição precisa de mais energia" é apenas repetir a pergunta.
Exemplo resolvido. Um prato contém $7.2 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ de um líquido de densidade $710\ \text{kg m}^{-3}$ e calor latente específico de vaporização $3.6 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$. Ele evapora completamente. Encontre a energia absorvida e sugira, com razão, se o calor latente específico de fusão da substância provavelmente será menor ou maior que este.
Massa $= \rho V = 710 \times 7.2 \times 10^{-5} = 5.1 \times 10^{-2}\ \text{kg}$, logo a energia absorvida é $Q = mL_{\text{v}} = 5.1 \times 10^{-2} \times 3.6 \times 10^{5} = 1.8 \times 10^{4}\ \text{J}$. Seu $L_{\text{f}}$ provavelmente será menor: a fusão quebra apenas algumas das ligações intermoleculares e o volume mal muda, enquanto a vaporização as quebra todas e realiza trabalho contra a atmosfera — para a água $L_{\text{f}}$ é cerca de um sétimo de $L_{\text{v}}$.
Problemas de múltiplos passos
Se um problema mistura variação de temperatura e uma mudança de fase 相变 (ex.: gelo a $-5\ ^{\circ}\text{C}$ aquecendo para água a $30\ ^{\circ}\text{C}$):
- aqueça o sólido de $-5\ ^{\circ}\text{C}$ a $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{1} = m c_{\text{ice}} \times 5$.
- derreta a $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{2} = m L_{\text{f}}$.
- aqueça a água de $0\ ^{\circ}\text{C}$ a $30\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{3} = m c_{\text{water}} \times 30$.
Total: $Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}$. Uma mudança de fase ocorre a temperatura constante, então use $mL$ ali, não $mc\Delta T$.

Divida um problema misto em etapas — aquecer, mudar de estado, aquecer — e depois some as energias Quando uma questão fornece potência do aquecedor $P$ e pede o tempo, use $Q = Pt$ (assumindo sem perda de calor). Isolar (revestir) o recipiente e usar uma massa pequena são formas comuns de melhorar o experimento.
Exemplo resolvido. Um cubo de gelo de massa $37.0\ \text{g}$ a $0.0\ ^{\circ}\text{C}$ é deixado cair em $208\ \text{g}$ de água a $26.4\ ^{\circ}\text{C}$ em um béquer isolado. Encontre a temperatura final quando todo o gelo tiver derretido. ($c_{\text{water}} = 4.20\ \text{kJ kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$, $L_{\text{f}} = 334\ \text{kJ kg}^{-1}$.)
O gelo ganha energia duas vezes — para derreter, depois para aquecer de $0$ a $T$ — e a água perde energia esfriando de $26.4$ a $T$. Trabalhando em gramas e quilojoules: $37.0 \times 0.334 + 37.0 \times 4.20 \times 10^{-3}\,T = 208 \times 4.20 \times 10^{-3}\,(26.4 - T)$, ou seja, $12.4 + 0.155T = 23.1 - 0.874T$, logo $1.03T = 10.7$ e $T = 10\ ^{\circ}\text{C}$. Três termos de energia, uma equação; o erro mais comum é esquecer que o gelo derretido também deve ser aquecido.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin heat/hiːt/ 热量 rè liàng thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能 rè néng energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī capillary/kəˈpɪləri/ 毛细管 máo xì guǎn absolute temperature/ˈæbsəluːt ˈtemprɪtʃə/ 绝对温度 jué duì wēn dù resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ thermocouple/ˈθɜːməkʌpl/ 热电偶 rè diàn ǒu electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ 分子间 fèn zǐ jiān 14.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição equilíbrio térmico o estado de dois objetos entre os quais não há transferência neta de energia térmica; eles estão à mesma temperatura energia térmica energia transferida de um objeto para outro devido a uma diferença de temperatura escala de temperatura termodinâmica uma escala de temperatura que não depende da propriedade de nenhuma substância específica, fixada pelo zero absoluto e pelo ponto triplo da água zero absoluto a menor temperatura possível, $0\ \text{K}$ ($-273.15\ ^{\circ}\text{C}$), na qual um sistema tem sua mínima energia interna kelvin e Celsius $T/\text{K} = \theta/^{\circ}\text{C} + 273.15$; uma diferença de temperatura é o mesmo número em ambas capacidade térmica específica a energia necessária por unidade de massa de uma substância para elevar sua temperatura em um kelvin calor latente específico a energia necessária por unidade de massa para mudar o estado de uma substância sem alteração de temperatura calor latente específico de fusão o calor latente específico para a mudança de sólido para líquido calor latente específico de vaporização o calor latente específico para a mudança de líquido para gás 14.3
Dicas de prova
- Equilíbrio térmico significa fluxo líquido nulo de energia térmica (temperatura igual); a escala termodinâmica não depende de nenhuma substância específica e é fixada pelo zero absoluto e pelo ponto triplo.
- Converta temperaturas com $T/\text{K} = \theta/^\circ\text{C} + 273.15$ e use kelvin em equações de energia e de gases; uma diferença de temperatura é a mesma em K e °C.
- Use $Q = mc\Delta T$ para aquecimento e $Q = mL$ para mudança de estado (sem mudança de temperatura) — nunca misture as duas, e em um problema de mistura escreva uma equação: energia perdida $=$ energia ganho, com cada termo.
- Um recipiente aquecido com o líquido recebe sua parte da energia: inclua $m_{\text{beaker}}c_{\text{beaker}}\Delta T$.
- Para um "porquê" sobre calor latente, nomeie as energias: a energia potencial das moléculas aumenta (ligações quebradas, trabalho contra a atmosfera), a energia cinética e, portanto, a temperatura não mudam.
Erros comuns
- Definir capacidade térmica específica sem "por unidade de massa" ou sem "por kelvin". Ambas são necessárias; a unidade $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ é o lembrete.
- Deixar "a temperatura constante" fora da definição de calor latente. Essa frase é o que distingue o calor latente do aquecimento.
- Usar $mc\Delta T$ através de uma mudança de estado, ou $mL$ para aumento de temperatura.
- Esquecer o béquer, o calorímetro ou o próprio aquecimento do gelo derretido em uma equação de energia.
- Dizer que a escala termodinâmica "usa kelvin" como seu recurso definidor. O recurso é que ela não depende de nenhuma substância específica.
- Adicionar $273.15$ a uma diferença de temperatura entre. As diferenças são as mesmas em ambas as escalas.
-
15
Gases ideais
Assistir aula15.1
O mol
Programa
- compreender que quantidade de matéria é uma grandeza base SI com a unidade base mol
- usar quantidades molares onde um mol de qualquer substância é a quantidade contendo um número de partículas dessa substância igual à constante de Avogadro $N_{\text{A}}$
Fonte: Programa Cambridge International
Quantidade de matéria 物质的量 é uma grandeza fundamental do SI. Sua unidade é o mol 摩尔 (mol) — uma das sete unidades fundamentais do SI, junto com o quilograma, metro, segundo, ampere e kelvin 开尔文 do Tópico 1.

Um mol contém o número de Avogadro de partículas Um mol de qualquer substância tem um número de partículas igual à constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量:
$$N_{\text{A}} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}.$$Uma "partícula" significa o que você estiver contando — átomos 原子 para um elemento monoatômico 单原子 como hélio, moléculas 分子 para $\text{O}_{2}$ ou $\text{H}_{2}\text{O}$. Sempre diga o que você está contando.
Para $n$ mols, o número de partículas é $N = n N_{\text{A}}$.
A massa molar 摩尔质量 $M_{\text{m}}$ é a massa de um mol ($\text{kg mol}^{-1}$ ou $\text{g mol}^{-1}$). A massa de $n$ mols é $M = n M_{\text{m}}$. A massa de uma partícula é $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.
A formulação do examinador. A constante de Avogadro é o número de átomos (ou moléculas) em um mol de uma substância — uma marca; adicionar "em $0.012\ \text{kg}$ de carbono-12" é aceito, mas não necessário. Perguntado sobre "a relação entre $N_{\text{A}}$, $R$ e $k$", escreva $k = R/N_{\text{A}}$ (ou $R = N_{\text{A}}k$).
Exemplo resolvido. Oxigênio tem massa molar de $32\ \text{g mol}^{-1}$. Encontre a massa de uma molécula de oxigênio e o número de moléculas em $8.0\ \text{g}$ de oxigênio.
$m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ é $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$, logo $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ moléculas. Mantenha as massas molares em $\text{kg mol}^{-1}$ quando a resposta estiver em quilogramas — o fator de $1000$ é o erro usual.
ExplorarLaboratório de contagem de partículas de mol
partículas = n x constante de Avogadro
Altere a quantidade de matéria e observe o número de partículas escalar diretamente.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin mole/məʊl/ 摩尔 mó ěr amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ 物质的量 wù zhì dì liàng kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 阿伏伽德罗常量 ā fú gā dé luó cháng liàng atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ 单原子 dān yuán zi 15.2
Equação de estado de um gás ideal
Programa
- compreender que um gás que obedece a $pV \propto T$, onde $T$ é a temperatura termodinâmica, é conhecido como gás ideal
- lembre-se e use a equation of state para um gás ideal expressa como $pV = nRT$, onde $n =$ quantidade de substância (número de moles) e como $pV = NkT$, onde $N =$ número de moléculas
- recordar que a constante de Boltzmann $k$ é dada por $k = R/N_{\text{A}}$
Fonte: Programa Cambridge International

Cilindros de gás comprimido armazenam uma massa fixa de gás em alta pressão. Um gás ideal 理想气体 obedece exatamente a $pV \propto T$, onde $T$ é a temperatura termodinâmica 热力学温度.
A equação de estado 状态方程 pode ser escrita de duas maneiras iguais:
$$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$Aqui:
- $p$ — pressão 压强 (Pa).
- $V$ — volume 体积 (m³).
- $T$ — temperatura termodinâmica em kelvin (nunca °C).
- $n$ — número de mols; $N$ — número de moléculas.
- $R$ — constante gasosa molar 摩尔气体常量, $R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
- $k$ — constante de Boltzmann 玻尔兹曼常量, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.
Como $N = n N_{\text{A}}$, obtemos $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ é a constante do gás por molécula, assim como $R$ é por mol.
A definição de duas marcas. Um gás ideal é aquele que obedece a $pV = nRT$ (ou $pV \propto T$, com $T$ sendo a temperatura termodinâmica) em todos os valores de pressão, volume e temperatura. Ambas as marcas exigem a equação (ou a proporcionalidade com $T$ nomeada como termodinâmica) e "em todos os valores" ou "para todos os $p$, $V$ e $T$". Pedido para "declarar o significado de cada símbolo em $pV = NkT$": $p$ é a pressão, $V$ o volume, $N$ o número de moléculas, $k$ a constante de Boltzmann e $T$ a temperatura termodinâmica — um gás real é quase ideal em baixa pressão e alta temperatura, onde suas moléculas estão distantes.
Usando a equação de estado
Liste as variáveis que você tem, encontre a desconhecida e escolha a forma que corresponda ao seu "quantidade" (mols → $nRT$; moléculas → $NkT$). Sempre use unidades SI: Pa, m³, K.
Exemplo resolvido. Um cilindro de volume $0.020\ \text{m}^{3}$ contém gás a $27\ ^{\circ}\text{C}$ e uma pressão de $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Quantos mols de gás existem? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)
Converta para kelvin: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. Então a partir de $pV = nRT$,
$$n = \frac{pV}{RT} = \frac{(2.0 \times 10^{5})(0.020)}{8.31 \times 300} \approx 1.6\ \text{mol}.$$Se uma quantidade fixa de gás muda do estado 1 para o estado 2:
$$\frac{p_{1} V_{1}}{T_{1}} = \frac{p_{2} V_{2}}{T_{2}}.$$Exemplo resolvido. Uma massa fixa de gás a $300\ \text{K}$ ocupa $0.50\ \text{m}^{3}$. É aquecida até $450\ \text{K}$ a pressão constante. Encontre o novo volume.
A pressão constante $V/T$ é constante, logo
$$V_{2} = V_{1}\,\frac{T_{2}}{T_{1}} = 0.50 \times \frac{450}{300} = 0.75\ \text{m}^{3}.$$Exemplo resolvido. Um vaso selado de volume $0.0500\ \text{m}^{3}$ contém $0.0424\ \text{kg}$ de um gás ideal a $227\ ^{\circ}\text{C}$ e $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Encontre a quantidade de gás, a massa de uma molécula e a velocidade quadrática média de suas moléculas.
$T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. A massa molar é $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, logo uma molécula tem massa $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. De $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (uma velocidade r.m.s. de cerca de $700\ \text{m s}^{-1}$).
Exemplo resolvido. Cilindro X (volume $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) e cilindro Y (volume $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) contêm gás ideal e estão em equilíbrio térmico entre si a $290\ \text{K}$. Encontre a pressão em cada um e explique o que acontece com o número de moléculas em cada cilindro se uma torneira que os une for aberta.
$p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ e $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. O gás flui da pressão mais alta (X) para a mais baixa (Y) até que as pressões sejam iguais; a temperatura permanece inalterada, logo a pressão final é $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, e X termina com $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — ele perde cerca de $0.11\ \text{mol}$ para Y.

Um ciclo em um diagrama $p$–$V$: uma linha vertical é volume constante, uma linha horizontal é pressão constante, e $pV/T$ é o mesmo em todos os estados Exemplo resolvido. Uma quantidade fixa de gás ideal a temperatura $T$ está no estado X, com pressão $2p$ e volume $V$. É resfriado a volume constante até o estado Y, onde sua pressão é $p$; depois aquecido a pressão constante até o estado Z, onde seu volume é $2V$; depois retornado a X. Encontre as temperaturas em Y e Z e descreva como a energia interna muda ao redor do ciclo.
X para Y é a volume constante, logo $p/T$ é constante: dobrar a pressão reduz pela metade a temperatura, $T_{\text{Y}} = T/2$. Y para Z é a pressão constante, logo $V/T$ é constante: dobrar o volume dobra a temperatura, $T_{\text{Z}} = T$. A energia interna de um gás ideal depende apenas da temperatura, logo cai de X para Y (por $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), sobe pela mesma quantidade de Y para Z, e permanece inalterada de Z de volta a X. Leia cada segmento no diagrama antes de escrever uma equação: vertical significa $V$ constante, horizontal significa $p$ constante.
Casos especiais:
- temperatura constante (Lei de Boyle 玻意耳定律): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
- pressão constante (Lei de Charles 查理定律): $V / T = \text{constant}$.
- volume constante (lei da pressão dos gases 气体压强定律): $p / T = \text{constant}$.
Um erro comum é usar °C em vez de K — $pV \propto T$ só vale com $T$ em kelvin.

Lei de Boyle: a temperatura constante $pV$ é constante, então um gráfico de $p$–$V$ é uma hipérbole 
À pressão constante, o volume de um gás aumenta linearmente com a temperatura, atingindo zero no zero absoluto (Lei de Charles) ExplorarO gás ideal (Boyle)
p = k / V
A temperatura constante p ∝ 1/V — comprima o volume e a pressão aumenta.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī molar gas constant/ˈməʊlə ɡæs ˈkɒnstənt/ 摩尔气体常量 mó ěr qì tǐ cháng liàng Boltzmann constant/ˈbɒltsmən ˈkɒnstənt/ 玻尔兹曼常量 bō ěr zī màn cháng liàng mean-square speed/miːn skweə spiːd/ 均方速率 jūn fāng sù lǜ internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng Boyle's law/bɔɪlz lɔː/ 玻意耳定律 bō yì ěr dìng lǜ Charles's law/ˈtʃɑːlzɪz lɔː/ 查理定律 chá lǐ dìng lǜ pressure law/ˈpreʃə lɔː/ 气体压强定律 qì tǐ yā qiáng dìng lǜ kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/ 分子动理论 fèn zǐ dòng lǐ lùn random motion/ˈrændəm ˈməʊʃn/ 无规则运动 wú guī zé yùn dòng 15.3
Teoria cinética dos gases
Programa
- enunciar as premissas básicas da teoria cinética dos gases
- explicar como o movimento molecular causa a pressão exercida por um gás e deduzir e usar a relação $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, onde $\langle c^2 \rangle$ é a velocidade quadrática média (um modelo simples considerando colisões unidimensionais e depois estendendo para três dimensões usando $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ é suficiente)
- compreender que a velocidade quadrática média $c_{\text{r.m.s.}}$ é dada por $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
- compare $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ com $pV = NkT$ para deduzir que a average translational kinetic energy de uma molécula é $\frac{3}{2}kT$, e lembre-se e use esta expressão
Fonte: Programa Cambridge International
Teoria cinética: pressão de um gás 
Um mergulhador de apneia respira gás comprimido; sua pressão, volume e temperatura estão todos interligados. A teoria cinética 分子动理论 explica o comportamento macroscópico de um gás a partir do movimento aleatório 无规则运动 de suas moléculas.
Suposições
Para um gás ideal:
- um grande número de moléculas idênticas em movimento aleatório contínuo.
- o próprio volume das moléculas é muito pequeno para ser relevante em comparação com o do recipiente.
- o tempo de cada colisão é muito curto para ser relevante em comparação com o tempo entre colisões.
- forças intermoleculares 分子间 são ignoradas exceto durante as colisões (as moléculas se movem em linhas retas entre elas).
- colisões (com as paredes e entre si) são elásticas — uma colisão elástica 弹性碰撞 não perde energia cinética, então o gás não esfria por si só.
- as leis de Newton se aplicam.

As principais suposições da teoria cinética de um gás ideal Essas suposições tornam-se imprecisas a pressões muito altas (o volume molecular torna-se relevante) ou temperaturas muito baixas (forças intermoleculares tornam-se relevantes).
Conforme a prova pergunta. "Enuncie duas (ou três) suposições básicas da teoria cinética": escolha entre as moléculas estão em movimento aleatório contínuo; o volume das moléculas é desprezível em comparação com o volume do gás; não há forças entre as moléculas exceto durante as colisões; as colisões são perfeitamente elásticas; o tempo de uma colisão é desprezível em comparação com o tempo entre colisões. "O que significa uma colisão elástica": uma na qual a energia cinética total é conservada (além do momento). "Use as suposições para sugerir por que o gás na superfície de uma estrela, a uma pressão muito alta, não é ideal": as moléculas estão tão próximas que seu próprio volume não é desprezível em comparação com o volume do gás, e forças intermoleculares atuam entre elas — as duas suposições que falham quando um gás é comprimido.
Exemplo resolvido. Um balão contém $0.40\ \text{mol}$ de hidrogênio ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ por molécula) em $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Estime a separação média das moléculas, a força gravitacional entre moléculas vizinhas e comente sobre qual suposição da teoria cinética isso testa.
$N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ moléculas, então cada uma ocupa $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ e a separação média é $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. A força gravitacional entre duas moléculas é $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — algumas $10^{20}$ vezes menor que o peso próprio de uma molécula ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). As forças entre moléculas realmente são desprezíveis exceto durante as colisões, conforme a teoria assume.
Pressão de um gás — esboço da derivação
Considere uma caixa cúbica de lado $L$ com $N$ moléculas, cada uma de massa $m$. Observe uma molécula se movendo ao longo do eixo $x$ com velocidade $u_{1}$.

A derivação da pressão considera um componente de velocidade $u_x$ de uma única molécula normal a uma face de um cubo de gás - uma colisão com a parede direita: a velocidade inverte para $-u_{1}$, mudança no momento 动量 $\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. Pela terceira lei de Newton, a parede recebe um impulso 冲量 de $+2 m u_{1}$.
- tempo entre hits nessa parede: percorre $2L$ ida e volta, então $\Delta t = 2L/u_{1}$.
- força média desta molécula: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
- somar sobre todas as moléculas: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, onde $\langle u_{x}^{2} \rangle$ é o quadrado médio 均方 da velocidade ⟨⟩-$x$.
- pressão: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.
Em 3-D, por simetria $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, onde $\langle c^{2} \rangle$ é a velocidade quadrática média 均方速率. Então
$$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$"Explique como o movimento molecular causa a pressão exercida por um gás (3 pontos)." As moléculas se movem aleatoriamente e colidem com as paredes do recipiente; em cada colisão, o momento de uma molécula muda (ela reflete), então pela segunda lei de Newton a parede exerce uma força sobre ela, e pela terceira lei ela exerce uma força igual na parede; os muitos colisões por segundo produzem uma força total estática na parede, e a pressão é essa força por unidade de área. A frase do programa "um modelo simples considerando colisões unidimensionais" refere-se à derivação acima: basta seguir uma molécula quicando entre duas faces opostas e depois fazer a média.
A forma da densidade. Já que $Nm$ é a massa total do gás e $Nm/V$ é sua densidade $\rho$, o mesmo resultado lê-se $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — a versão a usar quando uma questão fornece uma densidade em vez de $N$ e $m$.
Exemplo resolvido. Um gás ideal a uma pressão de $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ tem uma densidade de $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. Mostre que a velocidade r.m.s. de suas moléculas é cerca de $500\ \text{m s}^{-1}$.
$\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, então $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. Em um "mostre que", mantenha uma figura extra ($503$) antes de comparar com o valor dado.
Velocidade quadrática média
A raiz quadrada de $\langle c^{2} \rangle$ é a velocidade quadrática média 均方根 (r.m.s.):
$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2} \rangle}.$$É uma medida única útil de quão rápido as moléculas se movem, ligeiramente maior que a velocidade média (elevar ao quadrado pondera mais as moléculas rápidas).

Velocidade quadrática média: eleve cada velocidade ao quadrado, tire a média, depois a raiz quadrada 
A dispersão das velocidades moleculares: uma temperatura mais alta alarga a curva e desloca-a para velocidades mais rápidas 
Os dois gráficos que a prova pede para esboçar: $\langle c^{2}\rangle \propto T$ é uma linha reta pela origem, então $c_{\text{r.m.s.}}$ cresce como $\sqrt{T}$ ExplorarLei de Boyle
p ∝ 1/V
A temperatura constante, a pressão é inversamente proporcional ao volume — esprema o gás e a pressão aumenta.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ molar mass/ˈməʊlə mæs/ 摩尔质量 mó ěr zhì liàng equation of state/ɪˈkweɪʒn ɒv steɪt/ 状态方程 zhuàng tài fāng chéng ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 理想气体 lǐ xiǎng qì tǐ pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ 热力学温度 rè lì xué wēn dù intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ 分子间 fèn zǐ jiān elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 弹性碰撞 tán xìng pèng zhuàng kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng impulse/ˈɪmpʌls/ 冲量 chōng liàng 15.3
Energia cinética translacional média
Compare as duas expressões para $pV$:
$$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$Igual-as, cancele $N$ e multiplique por $\tfrac{3}{2}$:
$$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$O lado direito é a energia cinética translacional média 平动动能 $\langle E_{\text{k}} \rangle$ de uma molécula. Então
$$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$Este é um resultado chave: a energia cinética translacional média de uma molécula de gás ideal depende apenas da temperatura termodinâmica, não do tipo de gás ou de sua pressão.

A energia cinética molecular média é proporcional à temperatura termodinâmica: $\langle E_k \rangle = \tfrac32 kT$ Exemplo resolvido. Encontre a velocidade r.m.s. de moléculas de oxigênio a $300\ \text{K}$. (Massa de uma molécula $\text{O}_{2}$ $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)
De $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, o quadrado médio da velocidade é $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:
$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3 (1.38 \times 10^{-23})(300)}{5.3 \times 10^{-26}}} \approx 480\ \text{m s}^{-1}.$$Exemplo resolvido. A superfície da Lua atinge cerca de $400\ \text{K}$ à luz do sol. Calcule a velocidade rms das moléculas de hidrogênio ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) a essa temperatura, e use a velocidade de escape da Lua de $2.4\ \text{km s}^{-1}$ para sugerir por que a Lua não tem atmosfera de hidrogênio.
$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. Esta velocidade r.m.s. está próxima da velocidade de fuga, e as velocidades estão amplamente dispersas em torno dela, então uma grande fração das moléculas se move mais rápido que $2.4\ \text{km s}^{-1}$ em qualquer momento e escapa; com o tempo, o hidrogênio é perdido.
Exemplo resolvido. O gás na superfície de uma estrela é principalmente átomos de hidrogênio ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) com uma velocidade r.m.s. de $9300\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a temperatura da superfície.
$T = \dfrac{m\langle c^{2}\rangle}{3k} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 9300^{2}}{3 \times 1.38 \times 10^{-23}} = 3.5 \times 10^{3}\ \text{K}$.
Exemplo resolvido. Para uma amostra fixa de gás, um gráfico de $pV$ contra $kT$ é uma linha reta pela origem de inclinação $7.2 \times 10^{22}$. Quando $pV = 270\ \text{J}$ a velocidade r.m.s. das moléculas é $1900\ \text{m s}^{-1}$. Encontre o número de moléculas e a massa de uma molécula em u.
De $pV = NkT$ a inclinação é $N = 7.2 \times 10^{22}$. De $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — moléculas de hidrogênio, dentro do arredondamento.
Comparando gases e amostras. À mesma temperatura, todo gás tem a mesma energia cinética média por molécula, então $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: hidrogênio ($M_{\text{m}} = 2$) e oxigênio ($M_{\text{m}} = 32$) têm $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. Duas amostras à mesma $T$ — X com $N$ moléculas de massa $m$ em volume $V$, Y com $2N$ moléculas de massa $2m$ em volume $2V$ — têm a mesma pressão ($p = NkT/V$ e ambas $N$ e $V$ dobram), a mesma energia cinética média por molécula, mas as moléculas de Y têm metade da velocidade quadrática média ($3kT/2m$) e Y tem o dobro da energia interna (o dobro de moléculas).
Consequências
- dobrar a temperatura absoluta dobra a KE média de cada molécula, então $\langle c^{2} \rangle$ dobra e $c_{\text{r.m.s.}}$ cresce em $\sqrt{2}$.
- para dois gases à mesma temperatura, o gás mais leve tem um $\langle c^{2} \rangle$ maior. Moléculas de hidrogênio se movem mais rápido em média que moléculas de oxigênio na mesma sala.
- KE translacional total de $N$ moléculas: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.
Energia interna de um gás ideal
Para um gás ideal, as moléculas são partículas pontuais sem energia potencial intermolecular e (neste modelo simples) sem rotação ou vibração. Então a energia interna 内能 é apenas a energia cinética 动能 total:
$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$Portanto, a energia interna de um gás ideal é proporcional à temperatura termodinâmica — dobrar $T$ dobra $U$.
Conforme a prova pede. "Use uma das premissas básicas para explicar o que pode ser deduzido sobre a energia potencial das moléculas": não há forças entre as moléculas (exceto em colisões), portanto não há energia potencial associada à sua separação — a energia de movimento aleatório é inteiramente cinética. "Explique por que a energia interna de um gás ideal é diretamente proporcional à temperatura termodinâmica" (2 pontos): a energia interna é a soma das energias cinéticas e potenciais das moléculas; a energia potencial é zero (não há forças intermoleculares), e a energia cinética média de uma molécula é $\tfrac{3}{2}kT$, proporcional a $T$; logo, o total, $U = \tfrac{3}{2}NkT$, é proporcional a $T$. "Derive $\tfrac{3}{2}kT$" (2 pontos): iguale $pV = NkT$ com $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, cancele $N$ e reorganize para $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — mostre o cancelamento e o fator de $\tfrac{3}{2}$.
Exemplo resolvido. Uma amostra de $0.26\ \text{m}^{3}$ de um gás ideal está a $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ e $290\ \text{K}$. Encontre o número de moléculas, a energia cinética translacional média de uma molécula e a energia interna do gás.
$N = \dfrac{pV}{kT} = \dfrac{2.0 \times 10^{5} \times 0.26}{1.38 \times 10^{-23} \times 290} = 1.3 \times 10^{25}$. $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT = 1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 290 = 6.0 \times 10^{-21}\ \text{J}$. $U = N\langle E_{\text{k}}\rangle = 1.3 \times 10^{25} \times 6.0 \times 10^{-21} = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ — ou diretamente $U = \tfrac{3}{2}pV = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$, uma verificação elegante.
Alterando a pressão a temperatura constante
Dobrar $p$ a $T$ constante (espremendo o gás até metade do volume) não altera $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — isso depende apenas de $T$. Há mais colisões na parede por segundo, mas cada molécula tem a mesma energia cinética média.
15.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição mol a quantidade de matéria contendo um número de partículas igual à constante de Avogadro constante de Avogadro o número de átomos ou moléculas em um mol de uma substância, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$ gás ideal um gás que obedece a $pV = nRT$ (equivalente a $pV \propto T$, $T$ termodinâmico) em todos os valores de $p$, $V$ e $T$ constante de Boltzmann a constante dos gases por molécula, $k = R/N_{\text{A}}$ colisão elástica colisão em que a energia cinética total é conservada velocidade quadrática média a média dos quadrados das velocidades das moléculas, $\langle c^{2}\rangle$ velocidade eficaz (root-mean-square) a raiz quadrada da velocidade quadrática média, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$ energia cinética translacional média de uma molécula $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, dependendo apenas da temperatura termodinâmica energia interna de um gás ideal a energia cinética total de suas moléculas, $\tfrac{3}{2}NkT$, pois não há energia potencial Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin mean square/miːn skweə/ 均方 jūn fāng root-mean-square/ruːt miːn skweə/ 均方根 jūn fāng gēn average translational kinetic energy/ˈævrɪdʒ trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 平动动能 píng dòng dòng néng translational kinetic energy/trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 平动动能 píng dòng dòng néng 15.3
Dicas de prova
- Use $pV = nRT$ ($n$ em mol) ou $pV = NkT$ ($N$ moléculas), com temperatura em kelvin e volume em $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
- Memorize as premissas da teoria cinética palavra por palavra (movimento aleatório, volume molecular desprezível, sem forças intermoleculares exceto em colisões, colisões elásticas, tempo de colisão desprezível) e saiba quais duas falham em alta pressão.
- Energia cinética translacional média $= \frac{3}{2}kT$ — ela depende apenas da temperatura; na mesma $T$, uma molécula mais leve é mais rápida, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
- Para um "mostre que" sobre pressão, apresente a cadeia: colisões com a parede, variação de momento linear, força (segunda e terceira leis de Newton), força por unidade de área.
- $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ quando uma densidade é dada; $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ quando se pede a energia interna.
Erros comuns
- Usar °C em $pV = nRT$ ou em $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$. Converta primeiro; uma razão de temperaturas só funciona em kelvin.
- Definir um gás ideal como "que obedece a $pV = nRT$" isoladamente. Adicione "em todos os valores de $p$, $V$ e $T$".
- Confundir $n$ (moles) com $N$ (moléculas), ou $R$ com $k$. $N = nN_{\text{A}}$ e $k = R/N_{\text{A}}$.
- Dar "as moléculas se movem aleatoriamente" como razão para a pressão. O ponto é atribuído à variação de momento linear na parede e à força resultante por unidade de área.
- Desenhar $c_{\text{r.m.s.}}$ contra $T$ como uma linha reta. $\langle c^{2}\rangle$ é linear em $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ aumenta conforme $\sqrt{T}$.
- Dizer que a energia cinética de uma molécula muda quando a pressão é dobrada a temperatura constante. Apenas o número de colisões por segundo muda.
-
16
Termodinâmica
Assistir aula16.1
Energia interna
Programa
- compreender que a energia interna é determinada pelo estado do sistema e que pode ser expressa como a soma de uma distribuição aleatória de energias cinéticas e potenciais associadas às moléculas de um sistema
- relacionar um aumento de temperatura de um objeto a um aumento em sua energia interna
Fonte: Programa Cambridge International
A energia interna 内能 $U$ de um sistema é a soma de:
- as energias cinéticas aleatórias 动能 de suas moléculas 分子 — elas viajam pelo espaço (translational 平动 movimento), e a menos que sejam átomos simples também giram (rotational 转动) e vibram (vibrational 振动), e
- as energias potenciais decorrentes das forças entre as moléculas.
Para um sólido real, líquido ou gasoso, ambas as partes importam. No modelo de gás ideal 理想气体, as intermolecular 分子间 forças são ignoradas, então a energia potencial molecular é zero e a energia interna é puramente cinética.
A definição de dois pontos. A energia interna de um sistema é a soma da distribuição aleatória das energias cinéticas e potenciais de suas moléculas (ou átomos). Ambos os pontos exigem "soma de energias cinéticas e potenciais" e "aleatório" (ou "das moléculas") — omitir "aleatório" descreve a energia de um objeto em movimento, não sua energia interna. Para um gás ideal, "com referência às energias cinética e potencial": a energia interna é a energia cinética total das moléculas apenas, pois não há forças intermoleculares e, consequentemente, nenhuma energia potencial.

Energia interna é a energia cinética aleatória das moléculas (as setas) mais a energia potencial das forças entre elas (as molas) Dois pontos principais:
- $U$ depende apenas do estado do sistema (sua temperatura 温度, pressão 压强, volume 体积, quantidade de matéria 物质的量) — não do caminho percorrido para chegar lá.
- $U$ é uma soma sobre as moléculas, não a energia cinética do objeto inteiro se movendo. Um trem de gás em movimento possui energia cinética macroscópica, mas isso é separado de $U$ — $U$ é a energia do movimento molecular aleatório.
Temperatura e energia interna
Aumentar a temperatura de um objeto eleva a energia cinética aleatória de suas moléculas, e assim eleva sua energia interna.
Para um gás ideal, toda molécula tem energia cinética translacional média $\tfrac{3}{2} k T$ (Tópico 15). Com energia potencial intermolecular zero, a energia interna total é
$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$Portanto, a energia interna de um gás ideal é diretamente proporcional à temperatura termodinâmica 热力学温度. Dobrar $T$ dobra $U$. Isso é exatamente válido apenas para um gás ideal.
Durante uma mudança de fase 相变 (fusão ou ebulição) de uma substância real, $U$ aumenta porque a energia potencial molecular aumenta (ligações quebrando), mesmo com a temperatura permanecendo constante.
Descrevendo uma mudança na energia interna — nomeie sempre ambas as energias. Uma resposta de três pontos "descreva e explique, com referência às energias cinéticas e potenciais moleculares" diz o que acontece com cada uma:
- um gás aquecido a volume constante: a energia cinética das moléculas aumenta, pois a temperatura é uma medida de sua energia cinética média; a energia potencial permanece inalterada (nenhum trabalho é realizado, a separação das moléculas não muda); logo, a energia interna aumenta.
- um fio esticado dentro de seu limite elástico a temperatura constante: a energia cinética dos átomos permanece inalterada (mesma temperatura); a energia potencial aumenta, pois os átomos são puxados para mais longe uns dos outros contra as forças atômicas interatômicas; logo, a energia interna aumenta.
- gelo fundindo a $0\ ^{\circ}\text{C}$: a energia cinética permanece inalterada (temperatura constante); a energia potencial aumenta à medida que as ligações entre moléculas são quebradas e a separação cresce; logo, a energia interna aumenta pela calor latente fornecido.
Exemplo resolvido. Uma massa fixa de gás ideal é aquecida a pressão constante. Esboce a variação de sua energia interna $U$ com seu volume $V$.
A pressão constante $V \propto T$ (lei de Charles) e para um gás ideal $U \propto T$, então $U \propto V$: uma linha reta pela origem. A origem está na linha porque no zero absoluto tanto $V$ (extrapolado) quanto $U$ são zero.
ExplorarA dispersão das energias moleculares
A energia interna é a soma da energia cinética + potencial aleatória das moléculas. Aqueça o gás e toda a distribuição de velocidades desloca-se para energias mais altas.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ translational/trænˈsleɪʃənl/ 平动 píng dòng rotational/rəʊˈteɪʃənl/ 转动 zhuǎn dòng vibrational/vaɪˈbreɪʃənl/ 振动 zhèn dòng ideal-gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 理想气体 lǐ xiǎng qì tǐ intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ 分子间 fèn zǐ jiān ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 理想气体 lǐ xiǎng qì tǐ temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ 物质的量 wù zhì dì liàng thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ 热力学温度 rè lì xué wēn dù phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ 相变 xiāng biàn latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ 潜热 qián rè piston/ˈpɪstn/ 活塞 huó sāi first law of thermodynamics/fɜːst lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ 热力学第一定律 rè lì xué dì yí dìng lǜ conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng isothermal/ˌaɪsəˈθɜːml/ 等温 děng wēn adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/ 绝热 jué rè heat capacity/hiːt kəˈpæsɪti/ 热容 rè róng monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ 单原子 dān yuán zi 16.2
Trabalho feito em ou por um gás
Programa
- recordar e usar $W = p\Delta V$ para o trabalho realizado quando o volume de um gás muda a pressão constante e compreender a diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado sobre o gás
- recordar e usar a primeira lei da termodinâmica $\Delta U = q + W$ expressa em termos do aumento da energia interna, o aquecimento do sistema (energia transferida para o sistema por aquecimento) e o trabalho realizado sobre o sistema
Fonte: Programa Cambridge International

Uma turbina a vapor realiza trabalho enquanto o vapor em expansão empurra suas pás ao redor. 
Um gás empurrando um êmbolo de área $A$ para fora por $\Delta x$ realiza trabalho $W = p\,\Delta V$ nos arredores (volume varrido $\Delta V = A\,\Delta x$) Quando um gás muda de volume contra uma pressão externa, trabalho mecânico é realizado. A pressão constante $p$ com uma pequena mudança de volume $\Delta V$, o tamanho do trabalho é
$$W = p \Delta V.$$Exemplo resolvido. Um gás a pressão constante de $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ expande de $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ para $5.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Encontre o trabalho realizado pelo gás.
$$W = p\,\Delta V = (1.0 \times 10^{5})(5.0 \times 10^{-3} - 2.0 \times 10^{-3}) = 300\ \text{J}.$$Exemplo resolvido. Um gás ideal de massa $0.35\ \text{kg}$ é aquecido a pressão constante de $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; sua energia interna aumenta em $7600\ \text{J}$ e seu volume aumenta em $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^{3}$. Encontre o trabalho realizado pelo gás e a energia térmica fornecida. O gás é então aquecido a volume constante até que sua energia interna aumente em $7600\ \text{J}$; explique por que menos energia térmica é necessária.
Trabalho feito pelo gás $= p\Delta V = 2.0 \times 10^{5} \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$, então o trabalho feito sobre ele é $W = -2400\ \text{J}$. Primeira lei: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^{4}\ \text{J}$. A volume constante nenhum trabalho é realizado ($\Delta V = 0$, $W = 0$), então toda a energia térmica vai para a energia interna: $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$. O extra $2400\ \text{J}$ a pressão constante foi o trabalho que o gás fez empurrando os arredores para trás enquanto expandia.
Exemplo resolvido. Um bloco de alumínio de volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ é aquecido de $0\ ^{\circ}\text{C}$ para $40\ ^{\circ}\text{C}$; seu volume aumenta em $1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ contra a pressão atmosférica ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$). Compare o trabalho que ele faz na atmosfera com a energia térmica que recebe ($m = 9.75\ \text{kg}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).
Trabalho feito pelo bloco $= p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-5} = 1.0\ \text{J}$; energia térmica $q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. O trabalho é cerca de $3 \times 10^{-6}$ do aquecimento, então para um sólido $\Delta U \approx q$: sólidos e líquidos quase não expandem, e $p\Delta V$ importa apenas para um gás.

Em um gráfico de pressão-volume, o trabalho realizado a pressão constante é a área sob a linha: $W = p\,\Delta V$ Convenção de sinais neste programa
Este programa de estudos apresenta a primeira lei como $\Delta U = q + W$, onde $W$ é o trabalho realizado sobre o gás e $q$ é a energia adicionada por aquecimento.

Trabalho realizado sobre o gás: positivo quando comprimido, negativo quando expande - quando o gás é comprimido, $\Delta V$ é negativo e o trabalho realizado sobre o gás é positivo — o gás ganha energia.
- quando o gás expande, $\Delta V$ é positivo e o trabalho realizado sobre o gás é negativo — o gás perde energia (ele realiza trabalho sobre o ambiente).
Observe qual forma a questão requer:
- "trabalho realizado sobre o gás" — positivo ao comprimir.
- "trabalho realizado pelo gás" — sinal oposto, positivo ao expandir.
A volume constante ($\Delta V = 0$), nenhum trabalho é realizado.
16.2
Primeira lei da termodinâmica

Uma usina elétrica é uma máquina térmica: converte calor em trabalho útil. A primeira lei da termodinâmica 热力学第一定律 afirma que a energia é conservada quando calor e trabalho trocam-se entre um sistema e sua vizinhança:
$$\Delta U = q + W,$$onde $\Delta U$ é o aumento da energia interna, $q$ é a energia adicionada por aquecimento (positiva para entrada, negativa para saída), e $W$ é o trabalho realizado sobre o gás (positivo quando comprimido). Esta é a conservação de energia 能量守恒 para um gás.
Conforme solicitado no exame. "Enuncie a primeira lei da termodinâmica, identificando quaisquer símbolos" (2 pontos): o aumento na energia interna de um sistema, $\Delta U$, é igual à soma da energia térmica transferida para o sistema por aquecimento, $q$, e do trabalho realizado sobre o sistema, $W$: $\Delta U = q + W$. Todo símbolo deve ser definido com sua direção — "para o sistema" e "sobre o sistema" são o que dão significado aos sinais. "Enuncie duas maneiras pelas quais a primeira lei diz que a energia interna de um sistema pode ser alterada": por aquecimento (energia térmica transferida para dentro ou para fora do sistema) e por realizar trabalho sobre ou pelo sistema.

Ambos o aquecimento ($q$) e o trabalho feito sobre o gás ($W$) introduzem energia, elevando a energia interna em $\Delta U$ Exemplo resolvido. Um gás absorve $500\ \text{J}$ de calor enquanto se expande e realiza $200\ \text{J}$ de trabalho sobre seu entorno. Encontre a variação em sua energia interna.
O gás realiza trabalho, então o trabalho sobre ele é $W = -200\ \text{J}$:
$$\Delta U = q + W = 500 + (-200) = 300\ \text{J}.$$Explicando com a primeira lei. Uma resposta de três pontos "use a primeira lei para explicar" tem três etapas: diga o que é $q$ (e seu sinal), diga o que é $W$ (e seu sinal), depois combine-os para $\Delta U$ — e, se solicitado, diga o que a variação na energia interna significa para as moléculas.

As três explicações clássicas da primeira lei: dê $q$ com seu sinal, $W$ com seu sinal, então $\Delta U$ - Por que uma bomba de bicicleta esquenta quando usada rapidamente: o ar é comprimido, então trabalho é realizado sobre ele ($W > 0$); a compressão é rápida, então não há tempo para a energia térmica sair ($q \approx 0$); portanto $\Delta U = W > 0$ — a energia interna, e assim a temperatura, do ar aumenta, e a bomba esquenta.
- Uma mola esticada a temperatura constante dentro de seu limite elástico: trabalho é realizado sobre a mola pela força de tração ($W > 0$); não há transferência de energia térmica ($q = 0$); então a energia interna aumenta — armazenada como energia potencial elástica dos átomos, que são puxados mais distantes uns dos outros.
- Água evaporando de uma poça em um dia quente: energia térmica é transferida para a água do entorno ($q > 0$); o vapor formado ocupa um volume muito maior que o líquido, então o sistema realiza trabalho sobre a atmosfera ($W < 0$); a energia interna ainda aumenta ($q$ é maior que o trabalho realizado), e o aumento é energia potencial — as moléculas estão separadas contra as forças atrativas entre elas.
Lendo a equação
$\Delta U$ é fixado pela mudança de estado (para um gás ideal, pela mudança de temperatura). O mesmo $\Delta U$ pode vir de diferentes combinações de $q$ e $W$:
- todo calor, nenhum trabalho: $\Delta U = q$ (aquecimento a volume constante).
- todo trabalho, nenhum calor: $\Delta U = W$ (compressão ou expansão isolada).
Processos padrão
Para um gás ideal, $\Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ — depende apenas de $\Delta T$.

Os quatro processos padrão, todos começando do mesmo estado Processo O que permanece constante $\Delta U$ $W$ (sobre o gás) $q$ Isotérmica $T$ $0$ $W$ $-W$ Volume constante $V$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $0$ $\Delta U$ Pressão constante $p$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $-p \Delta V$ $\Delta U - W$ Adiabática (sem calor) varia $W$ $0$ Leia cada linha com a primeira lei $\Delta U = q + W$:
- Isotérmica 等温 (constante $T$): $\Delta T = 0$, então $\Delta U = 0$. Então $q = -W$ — qualquer calor que entra sai imediatamente como trabalho.
- Adiabática 绝热 (sem fluxo de calor): $q = 0$, então $\Delta U = W$. O gás esquenta apenas porque trabalho é realizado sobre ele.
- Volume constante (recipiente rígido selado): nenhum trabalho é realizado ($\Delta V = 0$), então todo o calor vai para a energia interna: $q = \Delta U$.
- Pressão constante (gás empurrando um êmbolo 活塞): o gás realiza trabalho ao expandir, então o calor fornecido faz dois trabalhos — eleva a energia interna e realiza o trabalho de expansão.
Então, para a mesma elevação na energia interna, o aquecimento a pressão constante precisa de mais energia térmica do que o aquecimento a volume constante, exatamente pelo trabalho $p\Delta V$ que o gás realiza ao expandir — o gás a volume constante retém cada joule; o gás a pressão constante devolve parte dele ao entorno.
Exemplo resolvido: processo de duas etapas
Uma amostra de gás ideal à temperatura $T$ com energia interna $U$ passa por:
- compressão até a temperatura $3T$; trabalho $W$ é realizado sobre o gás.
- resfriamento a volume constante até a temperatura $2T$.

A energia interna acompanha a temperatura: $U \to 3U$ ao comprimir para $3T$, então $3U \to 2U$ ao resfriar para $2T$ Etapa 1 ($T \to 3T$): $U = \tfrac{3}{2}nRT$, então $U \to 3U$, resultando em $\Delta U_{1} = 2U$. $W_{1} = +W$. Portanto $q_{1} = \Delta U_{1} - W_{1} = 2U - W$.
Etapa 2 ($3T \to 2T$, volume constante): $\Delta U_{2} = -U$. $W_{2} = 0$. Portanto $q_{2} = -U$ (calor flui para fora).
Verificar: total $\Delta U = 2U - U = U$, levando o gás de $T$ para $2T$ ($U \to 2U$) — consistente.
Exemplo resolvido: um ciclo em um diagrama $p$–$V$

Um ciclo: para cada segmento, determine $W$ a partir da mudança de volume e $\Delta U$ a partir da mudança de temperatura, e $q$ segue pela primeira lei Uma massa fixa de gás ideal percorre o ciclo ABCDA: A para B a volume constante $V_{1}$ (pressão $p_{1} \to p_{2}$), B para C a pressão constante $p_{2}$ (volume $V_{1} \to V_{2}$), C para D a volume constante, D para A a pressão constante $p_{1}$. Preencha uma tabela dos sinais de $q$, $W$ e $\Delta U$ para cada segmento, e explique a mudança na energia interna de B para C.
Segmento Processo $W$ (sobre o gás) $\Delta U$ $q$ A → B volume constante, pressão sobe $0$ (nenhuma mudança de volume) $+$ (temperatura sobe, $pV$ maior) $+$ ($q = \Delta U$) B → C pressão constante, expande $-$ (gás realiza trabalho $p_{2}(V_{2} - V_{1})$) $+$ ($T \propto V$ a $p$ constante) $+$ (e maior que $\Delta U$) C → D volume constante, pressão cai $0$ $-$ $-$ (energia térmica sai) D → A pressão constante, comprimido $+$ (trabalho realizado sobre o gás $p_{1}(V_{2} - V_{1})$) $-$ $-$ (maior em magnitude que $\Delta U$) De B para C, o gás expande a pressão constante, então sua temperatura sobe ($V/T$ constante) e sua energia interna aumenta; ele realiza trabalho sobre o entorno ($W$ negativo), então a energia térmica fornecida deve cobrir ambas: $q = \Delta U - W$, maior que o aumento na energia interna. Ao redor de todo o ciclo $\Delta U = 0$ (o gás retorna ao seu estado inicial), então a energia térmica líquida entrante iguala o trabalho líquido realizado pelo gás — a área delimitada pelo retângulo, $(p_{2} - p_{1})(V_{2} - V_{1})$.
Capacidade térmica a volume constante
Para aquecimento a volume constante de um gás ideal, $q = \Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$. Então a capacidade térmica 热容 molar a volume constante é $\tfrac{3}{2} R$ para um gás ideal monoatômico 单原子. (Você não é obrigado a usar o símbolo $C_V$, mas o resultado $q = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ para aquecimento a volume constante é.)

A volume constante, todo o calor aumenta a $U$ ($q = \Delta U$); à pressão constante, o gás também realiza trabalho Aquecimento sem mudança de temperatura
Se calor é fornecido durante uma mudança de fase a pressão constante (ex.: fervura da água), a temperatura permanece constante, mas a energia interna ainda aumenta (a calor latente 潜热 separa as moléculas), e o gás realiza trabalho de expansão. A primeira lei ainda se aplica: $\Delta U = q + W$.
ExplorarTrabalho realizado sobre um gás
Empurre o êmbolo para dentro e você realiza trabalho sobre o gás (W = pΔV); o primeiro princípio diz que o trabalho mais o calor adicionado iguala o aumento da energia interna.
16.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição energia interna a soma da distribuição aleatória das energias cinética e potencial das moléculas de um sistema energia interna de um gás ideal a energia cinética aleatória total de suas moléculas, pois, sem forças intermoleculares, não há energia potencial primeira lei da termodinâmica o aumento da energia interna de um sistema é igual à energia térmica transferida para o sistema por aquecimento mais o trabalho realizado sobre o sistema: $\Delta U = q + W$ trabalho realizado sobre um gás a pressão constante $W = p\Delta V$ em magnitude; positivo quando o gás é comprimido, negativo quando ele se expande (o gás então realiza trabalho sobre seu entorno) transferência de energia térmica (aquecimento) energia transferida para ou de um sistema devido a uma diferença de temperatura; $q$ é positiva quando entra mudança isotérmica uma mudança a temperatura constante, portanto, para um gás ideal $\Delta U = 0$ e $q = -W$ mudança adiabática uma mudança sem transferência de energia térmica, $q = 0$, logo $\Delta U = W$ 16.2
Dicas de prova
- Primeira lei: $\Delta U = q + W$ — defina cada símbolo com sua direção: $q$ é energia transferida para o sistema por aquecimento, $W$ é trabalho realizado sobre o sistema.
- Para um gás ideal, a energia interna depende apenas da temperatura ($\Delta U \propto \Delta T$) e é apenas energia cinética; para um sólido ou líquido, a energia potencial também muda.
- Trabalho realizado por um gás a pressão constante $= p\Delta V$; leia o sinal pela expansão (por) ou compressão (sobre), e lembre-se que a volume constante $W = 0$.
- Uma resposta "descreva e explique" nomeia tanto a energia cinética quanto a potencial e diz o que acontece com cada uma; uma resposta "explique usando a primeira lei" fornece $q$, $W$ e depois $\Delta U$, cada um com seu sinal.
- Arredonde um ciclo completo $\Delta U = 0$, então o aquecimento líquido é igual ao trabalho líquido realizado pelo gás — a área envolvida no diagrama $p$–$V$.
Erros comuns
- Definir energia interna como "a energia total das moléculas" ou esquecer "aleatório" ou "potencial". O gabarito quer a soma das energias cinética e potencial aleatórias.
- Usar $W = p\Delta V$ com o sinal errado. Quando o gás se expande, o trabalho realizado sobre ele é negativo.
- Dizer que a energia interna de um gás ideal aumenta quando é comprimido isotermicamente. A temperatura constante $\Delta U = 0$: o trabalho realizado sobre ele sai novamente como calor.
- Tratar uma mudança de fase como $\Delta U = 0$ porque a temperatura é constante. A energia potencial aumenta; $\Delta U$ é o calor latente menos qualquer trabalho de expansão.
- Esquecer que um gás aquecido a pressão constante realiza trabalho, então precisa de mais aquecimento do que a volume constante para a mesma $\Delta U$.
- Aplicar $\Delta U = \tfrac{3}{2}nR\Delta T$ a um gás real, um líquido ou um sólido. É apenas o resultado do gás ideal.
-
17
Oscilações
Assistir aula17.1
Movimento harmônico simples: definição
Programa
- compreender e usar os termos deslocamento, amplitude, período, frequência, frequência angular e diferença de fase no contexto de oscilações, e expressar o período em termos tanto da frequência quanto da frequência angular
- compreender que o movimento harmônico simples ocorre quando a aceleração é proporcional ao deslocamento de um ponto fixo e na direção oposta
- usar $a = -\omega^2 x$ e recordar e usar, como solução para esta equação, $x = x_0 \sin \omega t$
- usar as equações $v = v_0 \cos \omega t$ e $v = \pm \omega \sqrt{x_0^2 - x^2}$
- analisar e interpretar representações gráficas das variações de deslocamento, velocidade e aceleração para o movimento harmônico simples
Fonte: Programa Cambridge International
MHS: mola, círculo e gráfico em fase 
Um relógio de pêndulo mantém o tempo usando movimento harmônico simples. Uma partícula move-se com movimento harmônico simples 简谐运动 (MHS) quando sua aceleração 加速度 é:
- proporcional ao seu deslocamento de um ponto fixo de equilíbrio 平衡, e
- direcionada de volta para esse ponto — oposta em sinal ao deslocamento.
A equação definidora é
$$a = -\omega^{2} x,$$onde $x$ é o deslocamento 位移 em relação ao equilíbrio e $\omega$ é uma constante positiva, a frequência angular 角频率. O sinal negativo significa "direcionado de volta para o equilíbrio".
A definição de duas marcas. O movimento harmônico simples é o movimento em que a aceleração é proporcional ao deslocamento de um ponto fixo e está sempre direcionado para esse ponto (na direção oposta ao deslocamento). Ambas as partes são necessárias. "A significância do sinal negativo": a aceleração está na direção oposta ao deslocamento — sempre em direção à posição de equilíbrio. "Affirme o que significa a frequência das oscilações": o número de oscilações completas por unidade de tempo.
Muitos sistemas fazem isso perto de um equilíbrio estável: uma massa em uma mola 弹簧, um pêndulo 单摆 (pequena oscilação), um bloco flutuante empurrado para baixo, a carga em um capacitor 电容器 em um circuito LC, átomos em um sólido.

A aceleração sempre aponta de volta para o equilíbrio, oposta ao deslocamento Termos-chave
- deslocamento $x$ — distância do equilíbrio em um momento (um vetor ao longo da linha de movimento).
- amplitude 振幅 $x_{0}$ — o maior deslocamento em relação ao equilíbrio. Sempre positivo.
- período 周期 $T$ — o tempo para uma oscilação completa.
- frequência 频率 $f$ — o número de oscilações por segundo; $f = 1/T$. Unidade: Hz.
- frequência angular $\omega$ — $\omega = 2\pi/T = 2\pi f$. Unidade: $\text{rad s}^{-1}$.
- diferença de fase 相位差 — a fração de um ciclo (em radianos) pela qual uma oscilação antecede ou atrasa outra. Um quarto de ciclo de distância é uma diferença de fase de $\pi/2$.
Então $T = 2\pi/\omega$ e $f = \omega/(2\pi)$ — dado qualquer um de $\omega$, $f$, $T$ você pode encontrar os outros.
Exemplo resolvido. Uma massa em uma mola oscila com MHS de amplitude $0.050\ \text{m}$ e frequência $2.5\ \text{Hz}$. Encontre sua aceleração máxima.
A frequência angular é $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 2.5 = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. A aceleração é maior nos extremos, onde $|a| = \omega^{2}x_{0}$:
$$a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 15.7^{2} \times 0.050 \approx 12\ \text{m s}^{-2}.$$Mostrando que um movimento é harmônico simples
A derivação favorita de quatro marcas do exame, e a receita é sempre a mesma: (1) desloque o objeto por $x$ do equilíbrio; (2) encontre a força restauradora resultante, que resulta como $F = -(\text{constant}) \times x$; (3) aplique a segunda lei de Newton, $a = F/m = -(\text{constant}/m)\,x$; (4) isso tem a forma $a = -\omega^{2}x$, então o movimento é harmônico simples com $\omega^{2} = \text{constant}/m$, e $T = 2\pi/\omega$. Diga em palavras por que a força aponta de volta para o equilíbrio e por que ela é proporcional a $x$ — esses são os pontos, não a álgebra.

Dois setups "mostre que é MHS": encontre a força extra quando o sistema é deslocado por $x$, e mostre que é proporcional a $x$ e direcionado de volta Exemplo resolvido. Uma massa $m$ pende de uma mola de constante elástica $k$. Mostre que, quando deslocada e liberada, ela se move com movimento harmônico simples, e encontre o período.
No equilíbrio, a tensão da mola equilibra o peso. Desloque a massa uma distância $x$ para baixo: a tensão aumenta em $kx$ (Lei de Hooke), então há uma força resultante $kx$ para cima, em direção ao equilíbrio. Segunda lei de Newton: $a = -\dfrac{k}{m}x$. Isso é $a = -\omega^{2}x$ com $\omega^{2} = k/m$, então o movimento é harmônico simples e $T = 2\pi/\omega = 2\pi\sqrt{m/k}$. (Um carrinho segurado entre dois molas idênticas tem ambas puxando-o de volta, $F = -2kx$, então $\omega^{2} = 2k/m$.)
Exemplo resolvido. Um bloco cuboidal de área transversal $A$ e massa $m$ flutua em um líquido de densidade $\rho$ com sua base a uma profundidade $h$ abaixo da superfície. Ele é empurrado para baixo uma pequena distância $x$ e liberado. Mostre que oscila com movimento harmônico simples e encontre o período em termos de $h$ e $g$.
Quando o bloco é empurrado para baixo por $x$, um volume extra $Ax$ fica submerso, então a empuxo 浮力 aumenta pelo peso desse líquido extra, $\rho g A x$; essa força extra atua para cima, em direção à posição de equilíbrio. Logo, $a = -\dfrac{\rho g A}{m}x$: proporcional a $x$ e de sentido oposto, então o movimento é harmônico simples com $\omega^{2} = \rho g A/m$. Em equilíbrio, o empuxo sobre o volume submerso $Ah$ iguala ao peso, $\rho g A h = mg$, então $m = \rho A h$ e $\omega^{2} = g/h$: $T = 2\pi\sqrt{h/g}$ — a mesma forma que um pêndulo de comprimento $h$.
Exemplo resolvido. Um tubo em U de área transversal $A$ contém líquido de densidade $\rho$; a coluna em cada braço tem comprimento $L$. O líquido é deslocado de modo que uma superfície esteja $x$ acima de seu nível de equilíbrio e a outra $x$ abaixo. Mostre que o líquido oscila com movimento harmônico simples.
As duas superfícies agora diferem em altura por $2x$, então uma coluna de líquido de altura $2x$ está desbalanceada: a força restauradora sobre o líquido é o peso dessa coluna, $2x\rho g A$, direcionada para nivelar as superfícies. A massa sendo movida é todo o líquido, $2L\rho A$. Então $a = -\dfrac{2x\rho g A}{2L\rho A} = -\dfrac{g}{L}x$: harmônico simples, com $\omega^{2} = g/L$ e $T = 2\pi\sqrt{L/g}$. Note que $\rho$ e $A$ cancelam — o período depende nem do líquido nem do tubo.
ExplorarBalouçar um pêndulo
Faça-o baloiçar, depois alterne o ângulo inicial — o tempo para um balanço permanece o mesmo (é isso que o torna um bom relógio). Agora, aumente o comprimento da corda ou mova-se para a Lua, e observe o período mudar.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ 简谐运动 jiǎn xié yùn dòng spring/sprɪŋ/ 弹簧 tán huáng pendulum/ˈpendjʊləm/ 单摆 dān bǎi capacitor/kəˈpæsɪtə/ 电容器 diàn róng qì amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī phase difference/feɪz ˈdɪfrəns/ 相位差 xiàng wèi chā upthrust/ˈʌpθrʌst/ 浮力 fú lì 17.1
Deslocamento, velocidade, aceleração no MHS
Se a partícula começa em $x = 0$ movendo-se na direção positiva em $t = 0$, então
$$x = x_{0} \sin (\omega t).$$Diferenciar uma vez dá a velocidade 速度:
$$v = x_{0} \omega \cos(\omega t) = v_{0} \cos(\omega t),$$onde $v_{0} = x_{0} \omega$ é a velocidade máxima (quando a partícula passa pela posição de equilíbrio).
Diferenciar novamente dá a aceleração:
$$a = -x_{0} \omega^{2} \sin(\omega t) = -\omega^{2} x,$$que é novamente a equação definidora do MHS. (Se a partícula começar na posição extrema $x = x_{0}$ em $t = 0$, use $x = x_{0} \cos(\omega t)$. Escolha a que se adapta às condições iniciais.)
Velocidade em termos de deslocamento
Uma relação útil que não usa tempo:
$$v = \pm \omega \sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}}.$$- no equilíbrio ($x = 0$): $v = \pm \omega x_{0}$ (velocidade máxima). Ambos os sinais, porque a partícula passa pelo equilíbrio duas vezes a cada ciclo.
- nos extremos ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$ (parada por um instante).
Exemplo resolvido. A mesma oscilação tem amplitude $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ e frequência angular $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. Encontre a velocidade quando o deslocamento é $x = 0.030\ \text{m}$.
$$v = \omega\sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}} = 15.7\sqrt{0.050^{2} - 0.030^{2}} = 15.7 \times 0.040 \approx 0.63\ \text{m s}^{-1}.$$
Velocidade contra deslocamento é uma elipse: $v = 0$ nos extremos e $v = \pm\omega x_{0}$ através do equilíbrio — leia $x_{0}$ e $v_{0}$ de onde corta os eixos, então $\omega = v_{0}/x_{0}$ Lendo o gráfico de $v$–$x$. Sua largura fornece a amplitude ($x = \pm x_{0}$ quando $v = 0$) e sua altura a velocidade máxima ($v = \pm\omega x_{0}$ em $x = 0$), logo $\omega = v_{0}/x_{0}$ e o período são obtidos. Ao ser solicitado a esboçar $a$ contra $x$ nos mesmos eixos, desenhe a reta que passa pela origem com inclinação negativa $-\omega^{2}$, atingindo $\mp\omega^{2}x_{0}$ em $x = \pm x_{0}$.
Exemplo resolvido. A velocidade de um bloco oscilante varia com o tempo segundo $v = 0.56\sin(5.1t)$, com $v$ em $\text{m s}^{-1}$ e $t$ em segundos. Encontre a amplitude, o período e a aceleração máxima.
Compare com $v = v_{0}\sin\omega t$: $v_{0} = 0.56\ \text{m s}^{-1}$ e $\omega = 5.1\ \text{rad s}^{-1}$. Como $v_{0} = \omega x_{0}$, a amplitude é $x_{0} = 0.56/5.1 = 0.11\ \text{m}$; $T = 2\pi/\omega = 1.2\ \text{s}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = \omega v_{0} = 5.1 \times 0.56 = 2.9\ \text{m s}^{-2}$. (Como este $v$ é um seno, o bloco estava em uma extremidade em $t = 0$: seu deslocamento é um cosseno.)
MHS como a sombra do movimento circular. Uma bola movendo-se ao redor de um círculo de raio $R$ com velocidade angular $\omega$, iluminada lateralmente, projeta uma sombra que se move para frente e para trás com movimento harmônico simples de amplitude $R$ e mesmo $\omega$: o deslocamento da sombra é $x = R\cos\omega t$ (se começar em uma posição extrema), sua velocidade máxima é $R\omega$ e sua aceleração máxima $R\omega^{2}$. Para um círculo de diâmetro $0.46\ \text{m}$ e $\omega = 1.9\ \text{rad s}^{-1}$, a sombra tem amplitude $0.23\ \text{m}$, $v_{0} = 0.44\ \text{m s}^{-1}$ e $a_{\text{max}} = 0.83\ \text{m s}^{-2}$ — maior nas duas extremidades de sua trajetória e sempre direcionada de volta para o centro.
Gráficos contra o tempo
Para $x = x_{0}\sin\omega t$:
- $x$ vs $t$ — uma curva senoide, amplitude $x_{0}$, período $T = 2\pi/\omega$.
- $v$ vs $t$ — uma curva cossenoide, adiantada em relação a $x$ por $\pi/2$, amplitude $\omega x_{0}$.
- $a$ vs $t$ — uma curva seno negativa, fora de fase com $x$ por $\pi$ (180°), amplitude $\omega^{2} x_{0}$.

O deslocamento varia sinusoidalmente com o tempo no movimento harmônico simples 
A velocidade adianta o deslocamento em um quarto de ciclo; a aceleração está exatamente fora de fase com o deslocamento Gráfico de $a$ contra $x$
Uma reta que passa pela origem com inclinação negativa $-\omega^{2}$. Assim você pode ler $\omega$ do gráfico: inclinação $= -\omega^{2}$, logo $\omega = \sqrt{|\text{gradient}|}$, então $T = 2\pi / \omega$. Este é um padrão comum em provas.

O gráfico de aceleração versus deslocamento é uma reta que passa pela origem com inclinação $-\omega^{2}$ Exemplo resolvido. Um gráfico da altura $h$ de um objeto de massa $36\ \text{kg}$ submetido a movimento harmônico vertical mostra $h$ variando entre $2\ \text{m}$ e $10\ \text{m}$, com uma oscilação completa a cada $4.0\ \text{s}$. Encontre a amplitude, a frequência angular, a velocidade máxima, a aceleração máxima e a energia cinética máxima.
Amplitude $x_{0} = (10 - 2)/2 = 4.0\ \text{m}$ (metade da faixa pico a pico; a altura de equilíbrio é $6\ \text{m}$). $\omega = 2\pi/T = 2\pi/4.0 = 1.57\ \text{rad s}^{-1}$. $v_{\text{max}} = \omega x_{0} = 6.3\ \text{m s}^{-1}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 9.9\ \text{m s}^{-2}$; $E_{\text{K,max}} = \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 36 \times 6.28^{2} = 7.1 \times 10^{2}\ \text{J}$. Ler a amplitude como a faixa total de altura em vez de metade dela é o erro mais comum aqui.
Exemplo resolvido. Um pequeno objeto repousa sobre uma plataforma horizontal que oscila verticalmente com movimento harmônico simples de amplitude $6.0\ \text{mm}$. Encontre a frequência mais alta na qual o objeto permanece em contato com a plataforma durante todo o movimento e indique onde, no decorrer do movimento, o contato é perdido primeiro.
O objeto deixa a plataforma quando a aceleração descendente da plataforma excede $g$ — no topo da oscilação, onde a aceleração é máxima e dirigida para baixo: a plataforma então afasta-se mais rápido do que o objeto consegue. O limite é $\omega^{2}x_{0} = g$: $\omega = \sqrt{9.81/0.0060} = 40\ \text{rad s}^{-1}$, logo $f = \omega/2\pi = 6.4\ \text{Hz}$. Abaixo disso, a força normal de contato no topo é pequena, mas positiva; acima dela, é zero.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 位移 wèi yí equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ 角频率 jiǎo pín lǜ frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng 17.2
Energia no movimento harmônico simples
Programa
- descrever a troca entre energia cinética e energia potencial durante o movimento harmônico simples
- lembre-se e use $E = \frac{1}{2}m\omega^2x_0^2$ para a total energy de um sistema sofrendo movimento harmônico simples
Fonte: Programa Cambridge International
Um oscilador harmônico simples continua trocando energia entre duas formas:
- energia cinética 动能 $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$.
- energia potencial $E_{\text{P}}$ (elástica para uma mola, gravitacional para um pêndulo).
Sem amortecimento 阻尼, a energia total é constante (isto é conservação de energia 能量守恒).
Máximo e mínimo
- nenhuma equilíbrio ($x = 0$): $v$ é maior, logo $E_{\text{K}}$ é maior e $E_{\text{P}}$ é menor (zero, por escolha).
- nas extremidades ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$, logo $E_{\text{K}} = 0$ e $E_{\text{P}}$ são maiores.
Energia total
Usando $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:
$$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2}.$$Dois fatos-chave: a energia total é proporcional ao quadrado da amplitude (dobrar $x_{0}$ resulta em quatro vezes a energia) e a $\omega^{2}$.
Energia contra o deslocamento
Usando $v^{2} = \omega^{2}(x_{0}^{2} - x^{2})$:
$$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} (x_{0}^{2} - x^{2}), \qquad E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x^{2}.$$Assim $E_{\text{K}}$ é uma parábola voltada para baixo (pico em $x = 0$, zero em $x = \pm x_{0}$) e $E_{\text{P}}$ é uma parábola voltada para cima (zero em $x = 0$, maior em $x = \pm x_{0}$). Sua soma é constante.

Energia cinética e potencial trocam-se ao longo de um ciclo enquanto a energia total permanece constante Exemplo resolvido. Uma massa $0.20\ \text{kg}$ oscila com amplitude $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ e frequência angular $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. Encontre a energia total da oscilação.
A energia total é igual à energia cinética máxima, conforme a massa passa por $x = 0$ em $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:
$$E = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2}(0.20)(15.7)^{2}(0.050)^{2} \approx 0.062\ \text{J}.$$Isso permanece constante, trocando entre formas cinética e potencial duas vezes por ciclo.
Descrevendo a troca sem cálculo. Em uma extremidade do movimento, o oscilador está momentaneamente em repouso: sua energia cinética é zero e sua energia potencial é máxima. Ao se mover em direção ao equilíbrio, a força restauradora realiza trabalho sobre ele, convertendo energia potencial em energia cinética; na posição de equilíbrio, a energia cinética é máxima e a energia potencial mínima. Além dele, a energia cinética converte-se novamente em energia potencial até a outra extremidade. A total permanece constante, e a troca ocorre duas vezes por oscilação, logo os gráficos de energia contra o tempo têm o dobro da frequência do gráfico de deslocamento.
Exemplo resolvido. Uma massa pendular de massa $0.81\ \text{kg}$ oscila com pequenas oscilações de amplitude $32\ \text{mm}$ e período $1.9\ \text{s}$. Encontre a energia total da oscilação e declare o que acontece com ela se a amplitude cair para $16\ \text{mm}$.
$\omega = 2\pi/1.9 = 3.31\ \text{rad s}^{-1}$; $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 0.81 \times 3.31^{2} \times 0.032^{2} = 4.5 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Reduzir a amplitude pela metade reduz a energia a um quarto ($E \propto x_{0}^{2}$), resultando em $1.1 \times 10^{-3}\ \text{J}$; a diferença foi dissipada como energia térmica devido à resistência do ar.
ExplorarEnergia no MHS
Observe a energia trocar entre cinética e potencial enquanto o oscilador se move — mais rápido (máx EC) no centro, parado (máx EP) nas extremidades.
17.3
Oscilações amortecidas
Programa
- compreender que uma força resistiva atuando sobre um sistema oscilante causa amortecimento
- compreender e usar os termos amortecimento leve, crítico e pesado e esboçar gráficos de deslocamento-tempo ilustrando esses tipos de amortecimento
- compreender que a ressonância envolve uma amplitude máxima de oscilação e que isso ocorre quando um sistema oscilante é forçado a oscilar em sua frequência natural
Fonte: Programa Cambridge International
Uma força resistiva (atrito 摩擦力, arrasto 阻力, resistência do ar 空气阻力) causa amortecimento — a amplitude diminui com o tempo à medida que a energia é perdida como calor. Três casos nomeados:
Amortecimento leve
A amplitude diminui lentamente ao longo de muitos ciclos (um caso de amortecimento leve 轻阻尼). O sistema ainda oscila perto de sua frequência natural, mas cada ciclo é menor que o anterior. A suspensão de um carro tem amortecimento leve a médio, de modo que as irregularidades desaparecem, mas a condução permanece suave.

No amortecimento leve, a amplitude desaparece lentamente ao longo de muitos ciclos Amortecimento crítico
O menor amortecimento que traz o sistema de volta ao equilíbrio sem ultrapassá-lo e sem oscilar — um caso de amortecimento crítico 临界阻尼. Ele retorna no menor tempo possível. Um galvanômetro 检流计 ou um voltímetro analógico voltímetro 电压表 é criticamente amortecido para que o ponteiro se estabilize rapidamente.
Amortecimento pesado
Tanta resistência que o sistema retorna lentamente, sem oscilação, mas mais devagar que o caso crítico — um caso de amortecimento pesado 过阻尼. Uma porta com fechador forte é pesadamente amortecida.
Em um gráfico de deslocamento contra o tempo: amortecimento leve é uma onda cujo tamanho desaparece suavemente; amortecimento crítico retorna rapidamente sem ultrapassar; amortecimento pesado retorna lentamente.

O amortecimento crítico retorna ao equilíbrio mais rápido sem ultrapassar; o superamortecimento retorna mais lentamente Conforme a prova pergunta. Amortecimento é a diminuição da amplitude de uma oscilação causada por uma força resistiva que dissipa a energia do oscilador. No amortecimento leve, o sistema oscila com uma amplitude que diminui gradualmente (exponencialmente) com o tempo; o período é quase inalterado. No amortecimento crítico, o sistema retorna ao equilíbrio no menor tempo possível sem oscilar. No amortecimento pesado, ele retorna ao equilíbrio lentamente, sem oscilar. Esboçando-os: a curva de amortecimento leve é uma onda seno dentro de um envelope encolhendo; as curvas crítica e pesada ambas caem a zero sem cruzar o eixo, sendo a pesada mais lenta.
Exemplo resolvido. Um ímã de barra pendurado em uma mola com um polo dentro de uma bobina conectada, através de um interruptor, a um resistor. O ímã é posto a oscilar. Explique por que as oscilações morrem mais rapidamente quando o interruptor é fechado.
O ímã em movimento altera o fluxo magnético que liga a bobina, induzindo uma f.e.m. (lei de Faraday); com o interruptor fechado, uma corrente flui pelo resistor dissipando energia como calor. Pela lei de Lenz, a corrente induzida se opõe ao movimento do ímã — uma força resistiva adicional. Essa energia vem da oscilação, logo a amplitude diminui mais rápido: o circuito adiciona amortecimento. Com o interruptor aberto, há uma f.e.m., mas nenhuma corrente, logo não há perda de energia extra.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin damping/ˈdæmpɪŋ/ 阻尼 zǔ ní conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空气阻力 kōng qì zǔ lì friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì drag/dræɡ/ 阻力 zǔ lì light damping/laɪt ˈdæmpɪŋ/ 轻阻尼 qīng zǔ ní natural frequency/ˈnætʃərəl ˈfriːkwənsi/ 固有频率 gù yǒu pín lǜ critical damping/ˈkrɪtɪkl ˈdæmpɪŋ/ 临界阻尼 lín jiè zǔ ní galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ 检流计 jiǎn liú jì voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo heavy damping/ˈhevi ˈdæmpɪŋ/ 过阻尼 guò zǔ ní forced oscillation/fɔːst ˌɒsɪˈleɪʃn/ 受迫振动 shòu pò zhèn dòng 17.3
Oscilações forçadas e ressonância

Uma corda de guitarra tocada vibra em suas frequências de ressonância. Uma oscilação forçada 受迫振动 é acionada por uma força periódica externa em uma frequência $f_{\text{d}}$ escolhida pelo experimentador. O sistema então oscila nesta frequência de acionamento 驱动频率 $f_{\text{d}}$, não em sua própria frequência natural. Um gráfico de amplitude contra $f_{\text{d}}$ é uma curva de ressonância 共振曲线 com um pico.
Ressonância
Ressonância 共振 acontece quando a frequência de acionamento é igual à frequência natural 固有频率 $f_{0}$. Na ressonância, a amplitude é maior e a transferência de energia do atuador é mais eficiente.

A amplitude de uma oscilação forçada atinge seu pico na ressonância, quando a frequência de acionamento é igual à frequência natural 
A ressonância pode destruir. Em 1940, o vento empurrou a ponte Tacoma Narrows perto de sua frequência natural; com pouco amortecimento, a torção cresceu continuamente até que a plataforma se rompeu. Engenheiros agora projetam pontes e edifícios para que suas frequências naturais evitem tais forças de acionamento. Exemplos:
- Um balanço empurrado no ritmo certo acumula grande amplitude.
- Um copo de vinho quebrado por um som em sua frequência natural de ressoância.
- Um edifício sacudido por um terremoto cuja frequência coincide com uma frequência natural — engenheiros projetam edifícios para que suas frequências naturais evitem a faixa principal dos terremotos.
A forma do pico depende do amortecimento: menor amortecimento → um pico mais agudo e alto; maior amortecimento → um pico mais largo e baixo, deslocado ligeiramente para uma frequência menor.
A definição de duas marcas. Ressonância é a condição na qual um sistema é forçado a oscilar em sua frequência natural, e a amplitude da oscilação é máxima (a transferência de energia do atuador é maior). Ambas as partes — frequência de acionamento igual à frequência natural, e amplitude máxima — são necessárias.
Exemplo resolvido. Uma bola em uma corda esticada tem uma frequência natural de $4.0\ \text{Hz}$. A corda é acionada por um gerador de vibração cuja frequência aumenta lentamente de $0$ para $10\ \text{Hz}$. Esboce a variação da amplitude da bola com a frequência de acionamento e declare o efeito de adicionar amortecimento.
A curva começa com uma amplitude pequena e não nula em baixa frequência, sobe até um pico agudo em $4.0\ \text{Hz}$, e cai em direção a zero em alta frequência; o pico está na frequência natural, e só lá a amplitude é máxima. Mais amortecimento torna o pico mais baixo e mais largo e o desvia ligeiramente para uma frequência menor; a amplitude longe da ressonância quase não muda.
ExplorarRessonância
Acione o balanço em diferentes frequências. Longe de sua frequência natural, ele mal se move; ajuste-as para corresponder e a amplitude explode — ressonância, o mesmo efeito que pode destruir uma ponte.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin resonance/ˈrezənəns/ 共振 gòng zhèn driving frequency/ˈdraɪvɪŋ ˈfriːkwənsi/ 驱动频率 qū dòng pín lǜ resonance curve/ˈrezənəns kɜːv/ 共振曲线 gòng zhèn qū xiàn 17.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição movimento harmônico simples movimento no qual a aceleração é proporcional ao deslocamento de um ponto fixo e sempre direcionado para esse ponto amplitude o deslocamento máximo em relação à posição de equilíbrio período o tempo para uma oscilação completa frequência o número de oscilações completas por unidade de tempo frequência angular $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$; a taxa na qual a fase da oscilação muda diferença de fase a fração de um ciclo, expressa como um ângulo, pela qual uma oscilação antecede ou atrasa outra amortecimento a redução na amplitude de uma oscilação causada por uma força resistiva que dissipa sua energia amortecimento crítico o amortecimento que retorna um sistema deslocado ao equilíbrio no menor tempo possível sem oscilar frequência natural a frequência na qual um sistema oscila quando deslocado e deixado para oscilar livremente ressonância a oscilação forçada de um sistema em sua frequência natural, na qual a amplitude é máxima 17.3
Dicas de prova
- A condição de MHS é $a = -\omega^2 x$ (aceleração proporcional ao deslocamento, direcionada de volta ao equilíbrio); para provar que um movimento é MHS, encontre a força restauradora, mostre que é proporcional a $x$ e direcionada de volta, e leia $\omega^{2}$.
- Aprenda $x = x_0\sin\omega t$ (ou cos), $v_{max} = \omega x_0$, $a_{max} = \omega^2 x_0$ e $v = \pm\omega\sqrt{x_0^2 - x^2}$; KE e PE trocam-se com a energia total constante, $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} \propto x_{0}^{2}$.
- A velocidade é zero nos extremos e máxima no centro; a aceleração é maior nos extremos e zero no centro.
- A amplitude é metade da amplitude total de crista a crista de um gráfico de deslocamento; $\omega$ vem do período, ou do gradiente de $a$–$x$, ou de $v_{0}/x_{0}$.
- Ressonância ocorre quando a frequência de acionamento é igual à frequência natural; o amortecimento reduz e alarga o pico.
Erros comuns
- Definir MHS como "oscilação sobre uma posição de equilíbrio". O gabarito quer aceleração proporcional ao deslocamento e direcionada para o ponto fixo.
- Dizer que o sinal negativo significa que a aceleração é negativa. Significa que a aceleração está na direção oposta ao deslocamento.
- Esboçando $v$ contra $x$ como uma linha reta. É uma elipse; $a$ contra $x$ é a linha reta.
- Considerar a amplitude como a faixa total do deslocamento. É metade da faixa.
- Definir ressonância como "grande amplitude". É oscilação forçada na frequência natural, resultando na amplitude máxima.
- Chamar amortecimento crítico de "sem amortecimento", ou amortecimento pesado de "retorno mais rápido". Amortecimento crítico é o retorno mais rápido sem oscilação; amortecimento pesado é mais lento.
-
18
Campos elétricos
Assistir aula18.1
Campos elétricos
Programa
- compreender que um campo elétrico é um exemplo de campo de força e definir campo elétrico como força por unidade de carga positiva
- recordar e usar $F = qE$ para a força sobre uma carga em um campo elétrico
- representar um campo elétrico por meio de linhas de campo
Fonte: Programa Cambridge International

O relâmpago é um enorme arco elétrico impulsionado por um campo elétrico gigantesco. Um campo elétrico 电场 é uma região onde uma carga sente uma força 力 de outras cargas. A intensidade do campo elétrico 电场强度 $E$ em um ponto é a força por unidade de carga positiva sobre uma pequena carga de teste 检验电荷 colocada ali:
$$E = \frac{F}{q}.$$Unidade: $\text{N C}^{-1}$ (a mesma que $\text{V m}^{-1}$, como veremos). $E$ é um vetor 矢量, apontando na direção da força que atua sobre uma carga positiva. A força sobre uma carga $q$ é
$$F = qE,$$oposta ao campo se $q$ for negativo.
A definição de duas marcas. A intensidade do campo elétrico em um ponto é a força por unidade de carga positiva atuando sobre uma pequena (de teste) carga colocada naquele ponto. Três palavras carregam as notas: força por unidade de carga (não "força sobre uma carga"), positivo (que fixa a direção) e pequena ou de teste (para que a carga não perturbe o campo que está medindo). A versão de múltipla escolha oferece "força por unidade de carga atuando sobre uma pequena massa" e "força por unidade de massa" como distratores: um campo é definido por uma carga, nunca por uma massa.
Exemplo resolvido. Um próton acelera a $2.00\ \text{m s}^{-2}$ em um campo elétrico, sem outras forças atuando. Encontre a intensidade do campo. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
$qE = ma$, então
$$E = \frac{m a}{q} = \frac{(1.67 \times 10^{-27})(2.00)}{1.60 \times 10^{-19}} = 2.09 \times 10^{-8}\ \text{V m}^{-1} = 20.9\ \text{nV m}^{-1}.$$O mesmo rearranjo feito ao contrário dá a aceleração de um elétron em um campo de $1500\ \text{V m}^{-1}$: $a = eE/m_{\text{e}} = (1.60 \times 10^{-19})(1500)/(9.11 \times 10^{-31}) = 2.6 \times 10^{14}\ \text{m s}^{-2}$, enorme porque a massa do elétron é tão pequena. A gravidade ($9.81\ \text{m s}^{-2}$) é desprezível comparada a ela, que é a razão pela qual questões de exame sobre elétrons entre placas ignoram o peso.
Linhas de campo
-
linhas de campo 场线 indicam a direção da força que atua sobre uma carga de teste positiva.
-
As linhas começam em cargas positivas e terminam em cargas negativas (ou vão para o infinito).
-
As linhas nunca se cruzam; linhas mais próximas significam um campo mais forte.
-
Cada linha carrega uma seta; as linhas encontram a superfície de um condutor em ângulos retos.
O que uma linha de campo representa. Perante "affe o que é representado por uma linha de campo elétrico", dê ambas as metades: sua direção mostra a direção da força sobre uma positiva carga colocada ali, e o espaçamento das linhas mostra a intensidade do campo (linhas mais próximas, campo mais forte). Um esboço é avaliado exatamente nestes pontos: setas desenhadas, linhas não se cruzando, espaçamento uniforme onde o campo é uniforme, e linhas radiais para uma carga pontual ou esfera.
Exemplos: uma carga pontual positiva 点电荷 tem linhas radiais apontando para fora; uma negativa tem linhas apontando para dentro; duas cargas opostas (um dipolo 偶极子) têm linhas curvando-se de + para −; duas placas paralelas carregadas fornecem um campo uniforme 匀强场 de linhas paralelas igualmente espaçadas.

Padrões de linhas de campo para placas paralelas, um dipolo, uma carga pontual e uma esfera carregada acima de uma placa aterrada 
Um condutor oco carregado: o campo externo é o de uma carga pontual no centro; internamente, o campo é zero e o potencial é constante Uma esfera condutora carregada
A carga em um condutor 孤立的 isolado 导体 situa-se em sua superfície externa, espalhada uniformemente quando a esfera está sozinha. Fora da esfera, as linhas de campo são radiais, uniformemente espaçadas e apontando para fora (para carga positiva), exatamente o padrão de uma carga pontual no centro. Dentro de um condutor oco (ou sólido), o campo é zero: os campos de todas as cargas de superfície cancelam-se em toda parte dentro, então nenhuma linha de campo entra. Dois gráficos seguem, e ambos são favoritos de exames. A intensidade do campo $E$ é zero até o raio $R$, salta para seu valor superficial $E_0$ e depois cai como $1/r^{2}$; o potencial $V$ é constante dentro (um campo zero significa um gradiente de potencial zero) e depois cai como $1/r$.
Lendo os gráficos. Dado um gráfico $E$–$x$ para uma esfera carregada, o raio é a distância na qual $E$ salta de zero, e a carga vem de qualquer ponto na curva: $Q = 4\pi\varepsilon_{0} r^{2} E$. Dado "$E_0$ na superfície", o valor em $2R$ é $E_0/4$ e em $3R$ é $E_0/9$: esboce a curva por esses pontos, começando em $E_0$ na linha da superfície, nunca na origem.

Um gerador Van de Graaff armazena uma grande carga estática em sua cúpula metálica, criando um campo elétrico forte ao redor ExplorarCampos elétricos
E ∝ Q / r²
Uma carga estabelece um campo radial — para fora para +, para dentro para −, obedecendo à lei do inverso do quadrado.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng 18.2
Campos elétricos uniformes
Programa
- recordar e usar $E = \Delta V / \Delta d$ para calcular a intensidade do campo do campo uniforme entre placas paralelas carregadas
- descrever o efeito de um campo elétrico uniforme sobre o movimento de partículas carregadas
Fonte: Programa Cambridge International
Entre duas placas paralelas separadas por uma distância $d$ com diferença de potencial 电势差 $V$ entre elas, o campo é uniforme (exceto pelos efeitos de borda) com magnitude

Entre placas paralelas, o campo é uniforme, E = V/d $$E = \frac{V}{d}.$$Ele aponta da placa de maior potencial para a de menor potencial. A unidade $\text{V m}^{-1}$ deriva diretamente disso e é igual a $\text{N C}^{-1}$.
Exemplo resolvido. Duas placas paralelas $5.0\ \text{mm}$ separadas têm uma d.d.p. de $200\ \text{V}$ entre elas. Encontre a intensidade do campo e a força sobre um elétron no espaço entre as placas. ($e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
$$E = \frac{V}{d} = \frac{200}{5.0 \times 10^{-3}} = 4.0 \times 10^{4}\ \text{V m}^{-1}, \qquad F = qE = (1.6 \times 10^{-19})(4.0 \times 10^{4}) = 6.4 \times 10^{-15}\ \text{N}.$$O que altera o campo? Apenas duas coisas: $E = V/d$ aumenta se a d.d.p. for aumentada ou se as placas forem movidas mais perto. Um resistor em série com a fonte não altera nada: nenhuma corrente flui após as placas serem carregadas, logo não há d.d.p. sobre o resistor e as placas ficam na tensão total da fonte. Entre placas em $+800\ \text{V}$ e $+1300\ \text{V}$, o campo aponta do potencial maior para o menor; dois potenciais positivos não mudam a regra de direção.
Partícula carregada em um campo uniforme
Uma carga $q$ em um campo uniforme sofre uma força constante $F = qE$, resultando em uma aceleração constante $a = qE/m$ — assim como uma massa em um campo gravitacional uniforme.
- sendo liberada em repouso, ela acelera ao longo do campo (carga positiva) ou contra ele (carga negativa), ganhando energia cinética 动能.
- entrando perpendicularmente ao campo, segue uma trajetória parabólica 抛物线 — como um projétil 抛体 na gravidade. É assim que um tubo de raios catódicos 阴极射线管 antigamente direcionava seu feixe.

Uma carga entrando em um campo uniforme perpendicularmente segue uma trajetória parabólica, como um projétil 
Gota de óleo carregada mantida estacionária entre placas horizontais: a força elétrica equilibra o peso, logo q = mgd/V Duas forças, não uma. Uma gota de óleo "mantida estacionária" entre placas horizontais é o favorito dos exames para equilíbrio 平衡: ambas uma força elétrica e seu peso atuam sobre ela (o distrator de múltipla escolha é "apenas força elétrica"), sendo iguais e opostas. Para uma gota negativa, a força elétrica é oposta ao campo, logo a placa superior deve ser positiva para sustentá-la.
Exemplo resolvido. Uma gota de óleo de massa $2.6 \times 10^{-15}\ \text{kg}$ carrega uma carga de $-4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ e está estacionária no vácuo entre placas horizontais $2.0\ \text{cm}$ separadas. Encontre a d.d.p. entre as placas e indique qual placa é positiva.
$$qE = mg \;\Rightarrow\; \frac{qV}{d} = mg \;\Rightarrow\; V = \frac{m g d}{q} = \frac{(2.6 \times 10^{-15})(9.81)(0.020)}{4.8 \times 10^{-19}} = 1.1 \times 10^{3}\ \text{V}.$$A gota é negativa, então a força sobre ela é contrária ao campo; para que a força seja para cima, o campo deve apontar para baixo, logo a placa superior é positiva. Note que a carga é $3e$, três elétrons em excesso, assim como Millikan demonstrou que a carga vem em múltiplos de $e$.
Exemplo resolvido. Duas placas paralelas no vácuo estão $0.041\ \text{m}$ separadas com uma d.d.p. de $250\ \text{V}$ entre elas. Um elétron é liberado do repouso na placa negativa. Encontre (a) a intensidade do campo, (b) a força sobre o elétron e sua aceleração, (c) o tempo para atingir a placa positiva, (d) sua energia cinética na chegada. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)
(a) $E = V/d = 250/0.041 = 6.1 \times 10^{3}\ \text{V m}^{-1}$. (b) $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(6.1 \times 10^{3}) = 9.8 \times 10^{-16}\ \text{N}$; $a = F/m_{\text{e}} = 1.07 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, em direção à placa positiva. (c) Partindo do repouso com aceleração constante, $d = \tfrac{1}{2} a t^{2}$, então $t = \sqrt{2d/a} = \sqrt{2 \times 0.041 / (1.07 \times 10^{15})} = 8.8 \times 10^{-9}\ \text{s}$. (d) Método energético, sem cinemática necessária: $E_{\text{k}} = qV = (1.60 \times 10^{-19})(250) = 4.0 \times 10^{-17}\ \text{J}$, logo $v = \sqrt{2E_{\text{k}}/m_{\text{e}}} = 9.4 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. (Verifique: $v = at = (1.07 \times 10^{15})(8.8 \times 10^{-9}) = 9.4 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.)
Exemplo resolvido (deflexão). Um elétron viajando horizontalmente a $2.0 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ entra no campo entre duas placas horizontais $18\ \text{mm}$ separadas com uma d.d.p. de $400\ \text{V}$. As placas têm $30\ \text{mm}$ de comprimento. Encontre a deflexão 偏转 do elétron ao sair do campo.
O movimento horizontal não é afetado: tempo no campo $t = 0.030/(2.0 \times 10^{7}) = 1.5 \times 10^{-9}\ \text{s}$. Verticalmente, $a = eE/m_{\text{e}} = eV/(m_{\text{e}} d) = (1.60 \times 10^{-19})(400)/[(9.11 \times 10^{-31})(0.018)] = 3.9 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, logo a deflexão é $y = \tfrac{1}{2} a t^{2} = \tfrac{1}{2}(3.9 \times 10^{15})(1.5 \times 10^{-9})^{2} = 4.4 \times 10^{-3}\ \text{m}$, menor que a metade do intervalo de $9\ \text{mm}$, então o elétron sai do campo. Sua velocidade vertical na saída é $at = 5.9 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$, logo ele sai em $\tan\theta = 5.9/20$, aproximadamente $16°$; a trajetória é uma parábola, e após as placas (sem campo) ele viaja em linha reta na direção que tinha na saída.
ExplorarLaboratório de campo elétrico uniforme
Observe como uma carga se comporta entre placas paralelas.
18.3
Lei de Coulomb
Programa
- compreender que, para um ponto fora de um condutor esférico, a carga na esfera pode ser considerada como uma carga pontual em seu centro
- recordar e usar a lei de Coulomb $F = Q_1Q_2 / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ para a força entre duas cargas pontuais no vácuo
Fonte: Programa Cambridge International
Para duas cargas pontuais $Q_{1}$ e $Q_{2}$ separadas por uma distância $r$ no espaço livre, cada uma sente uma força de magnitude
$$F = \frac{Q_{1} Q_{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$Esta é a Lei de Coulomb 库仑定律. Aqui $\varepsilon_{0} = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ é a permitividade do vácuo 真空电容率, e $1/(4\pi\varepsilon_{0}) \approx 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$. A força atua ao longo da linha que une as cargas: repulsiva para cargas iguais, atrativa para cargas opostas.
Enunciando a lei em palavras. "Enuncie a Lei de Coulomb" pede uma frase, não uma fórmula: a força (elétrica) entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado de sua separação. Ambas as proporções são necessárias, e as cargas devem ser pontuais (ou esferas tratadas como cargas pontuais em seus centros) no vácuo.

Cargas iguais repelem-se; cargas opostas atraem-se — a força atua ao longo da linha que as une Exemplo resolvido. Encontre a força eletrostática entre cargas pontuais de $+2.0\ \text{nC}$ e $+3.0\ \text{nC}$ separadas por $4.0\ \text{cm}$. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)
$$F = \frac{Q_{1}Q_{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{(9.0 \times 10^{9})(2.0 \times 10^{-9})(3.0 \times 10^{-9})}{(0.040)^{2}} \approx 3.4 \times 10^{-5}\ \text{N (repulsive).}$$Exemplo resolvido. Em um átomo de hidrogênio, o próton e o elétron podem ser tratados como cargas pontuais $120\ \text{pm}$ separadas. Encontre a força elétrica entre eles e compare com a atração gravitacional. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)
$$F_{\text{E}} = \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(1.60 \times 10^{-19})^{2}}{(1.20 \times 10^{-10})^{2}} = 1.6 \times 10^{-8}\ \text{N (attractive).}$$Gravidade: $F_{\text{G}} = G m_{\text{p}} m_{\text{e}}/r^{2} = (6.67 \times 10^{-11})(1.67 \times 10^{-27})(9.11 \times 10^{-31})/(1.20 \times 10^{-10})^{2} = 7.0 \times 10^{-48}\ \text{N}$, cerca de $10^{39}$ vezes menor. Dentro de átomos, a gravidade é irrelevante.
Exemplo resolvido. Duas gotículas de óleo idênticas no vácuo têm seus centros $3.8 \times 10^{-6}\ \text{m}$ separados. Cada uma carrega a mesma carga e repelem-se com uma força de $1.0 \times 10^{-15}\ \text{N}$. Encontre a carga em cada gota e o número de elétrons em excesso que ela carrega.
$$F = \frac{Q^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} \;\Rightarrow\; Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{\frac{(1.0 \times 10^{-15})(3.8 \times 10^{-6})^{2}}{8.99 \times 10^{9}}} = 1.3 \times 10^{-18}\ \text{C},$$isto é, $1.3 \times 10^{-18}/1.60 \times 10^{-19} \approx 8$ elétrons. Objetos idênticos com o mesmo sinal de carga sempre repelem-se; não escreva "atraem" para a direção.
Exemplo resolvido. Uma esfera carregada X está fixa em um suporte isolante. Uma segunda esfera Y, de massa $2.0\ \text{g}$, pendura-se ao lado dela em um fio isolante e atinge o equilíbrio com o fio formando um ângulo $12°$ com a vertical, seu centro $5.0\ \text{cm}$ do centro de X no mesmo nível horizontal. Encontre a força elétrica sobre Y e, se as esferas tiverem cargas iguais, a carga de cada uma.

Uma esfera carregada pendurada próxima a outra esfera carregada: três forças se equilibram, a tensão ao longo do fio, o peso e a repulsão elétrica horizontal, logo tan θ = F/mg Três forças atuam em Y: seu peso $mg$ (para baixo), a tensão 张力 $T$ (ao longo do fio) e a força elétrica $F$ (horizontal, afastando-se de X porque cargas iguais se repelem). Resolvendo, $T\cos\theta = mg$ e $T\sin\theta = F$, então
$$F = mg\tan\theta = (2.0 \times 10^{-3})(9.81)\tan 12° = 4.2 \times 10^{-3}\ \text{N}.$$Então $F = Q^{2}/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$ resulta em $Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{(4.2 \times 10^{-3})(0.050)^{2}/(8.99 \times 10^{9})} = 3.4 \times 10^{-8}\ \text{C}$. Um triângulo vetorial fechado das três forças é um método igualmente válido; o exame aceita ambos, mas deve mostrar todas as três forças.
Exemplo resolvido (hélio). Um átomo de hélio pode ser modelado como um núcleo de carga $+2e$ com dois elétrons em órbitas circulares diametralmente opostas de raio $170\ \text{pm}$. Encontre a força resultante 合力 sobre um elétron e, consequentemente, sua velocidade orbital.
Duas forças atuam no elétron: atração pelo núcleo, a uma distância $r$, e repulsão pelo outro elétron, a uma distância $2r$ no lado oposto:
$$F_{\text{res}} = \frac{2e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} - \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} (2r)^{2}} = \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}\left(2 - \tfrac{1}{4}\right) = 1.75 \times \frac{(8.99 \times 10^{9})(1.60 \times 10^{-19})^{2}}{(1.70 \times 10^{-10})^{2}} = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N},$$em direção ao núcleo. Essa resultante é a força centrípeta, $F = m_{\text{e}} v^{2}/r$, logo $v = \sqrt{F r/m_{\text{e}}} = \sqrt{(1.4 \times 10^{-8})(1.70 \times 10^{-10})/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. A armadilha é esquecer o segundo elétron, ou colocá-lo a uma distância $r$ em vez de $2r$.
Esferas tratadas como cargas pontuais
Um condutor esférico com carga total $Q$ produz, em qualquer ponto externo, o mesmo campo que uma carga pontual $Q$ em seu centro (medido $r$ do centro). Internamente, em um condutor oco carregado, o campo é zero, logo o condutor é um equipotencial 等势面.
ExplorarLei de Coulomb
F ∝ Qq / r²
Cargas semelhantes repelem, opostas atraem — e a força segue 1/r².
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin force/fɔːs/ 力 lì electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ 电场强度 diàn chǎng qiáng dù test charge/test tʃɑːdʒ/ 检验电荷 jiǎn yàn diàn hè vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi field line/fiːld laɪn/ 场线 chǎng xiàn infinity/ɪnˈfɪnɪti/ 无穷远 wú qióng yuǎn conductor/kənˈdʌktə/ 导体 dǎo tǐ 18.4
Campo elétrico devido a uma carga pontual
Programa
- recordar e usar $E = Q / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ para a intensidade do campo elétrico devido a uma carga pontual no vácuo
Fonte: Programa Cambridge International
A Lei de Coulomb dá a força entre duas cargas. Dividindo pela carga de teste ($E = F/q$), sobra apenas o campo da carga fonte $Q$ sozinha. O campo a uma distância $r$ de uma carga pontual $Q$ é
$$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$Ele aponta para fora de uma positiva $Q$, para dentro de uma negativa $Q$, e diminui conforme $1/r^{2}$ — assim como a intensidade do campo gravitacional 重力场, exceto que a gravidade é sempre atrativa. Para várias cargas, some os campos como uma soma vetorial 矢量和.
Exemplo resolvido. A Terra pode ser tratada como uma esfera condutora uniforme de raio $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ carregada com uma carga total de $-4.80 \times 10^{5}\ \text{C}$ espalhada sobre sua superfície. Encontre a intensidade do campo elétrico na superfície e compare com a intensidade do campo gravitacional ali. ($M_{\text{E}} = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$.)
$$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} R^{2}} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(4.80 \times 10^{5})}{(6.37 \times 10^{6})^{2}} = 106\ \text{V m}^{-1},$$direcionada para o centro (a carga é negativa). Gravidade: $g = GM/R^{2} = 9.83\ \text{N kg}^{-1}$, então $E/g \approx 11$; em símbolos $E/g = Q/(4\pi\varepsilon_{0} G M)$, o que mostra que a razão depende apenas da razão carga-massa da esfera. Uma esfera carregada de massa $m$ e carga $q$ precisaria de $qE = mg$ para flutuar neste campo: $q/m = g/E = 0.093\ \text{C kg}^{-1}$.
Exemplo resolvido. Cargas pontuais de $+4.0\ \text{nC}$ e $+1.0\ \text{nC}$ estão separadas por $30\ \text{cm}$. Onde na linha que as une o campo resultante é zero?
Entre as cargas, os dois campos apontam em direções opostas; chame a distância da carga $4.0\ \text{nC}$ de $x$. Campo resultante nulo exige magnitudes iguais:
$$\frac{4.0}{x^{2}} = \frac{1.0}{(0.30 - x)^{2}} \;\Rightarrow\; \frac{0.30 - x}{x} = \frac{1}{2} \;\Rightarrow\; x = 0.20\ \text{m},$$duas vezes mais longe da carga maior. Para cargas opostas, os campos entre elas apontam na mesma direção e nunca se cancelam: o ponto nulo fica externo, além da carga menor.
ExplorarCampo ao redor de uma carga pontual
Altere a carga. As linhas de campo apontam para fora do positivo e para o negativo, e se reúnem onde o campo é mais forte.
18.5
Potencial Elétrico
Programa
- definir potencial elétrico em um ponto como o trabalho realizado por unidade de carga positiva ao trazer uma pequena carga de prova do infinito até esse ponto
- recordar e usar o fato de que o campo elétrico em um ponto é igual ao negativo do gradiente de potencial nesse ponto
- usar $V = Q / (4\pi\varepsilon_0 r)$ para o potencial elétrico no campo devido a uma carga pontual
- compreender como o conceito de potencial elétrico leva à energia potencial elétrica de duas cargas pontuais e usar $E_P = Qq / (4\pi\varepsilon_0 r)$
Fonte: Programa Cambridge International
Potencial elétrico 电势 $V$ em um ponto é o trabalho realizado por unidade de carga positiva ao trazer uma pequena carga de teste positiva do infinito 无穷远 até esse ponto:
$$V = \frac{W}{q}.$$Unidade: $\text{V}$. O potencial é zero no infinito. Para uma carga fonte positiva $V > 0$ em todo lugar externo; para uma carga fonte negativa $V < 0$.
A definição de dois pontos. O potencial elétrico em um ponto é o trabalho realizado por unidade de carga positiva ao trazer uma pequena carga de teste do infinito até o ponto. Os pontos são para trabalho realizado por unidade (positiva) de carga e do infinito até o ponto. O potencial de uma carga positiva é positivo porque trabalho deve ser feito sobre uma carga de teste positiva para empurrá-la contra a repulsão; perto de uma carga negativa, o campo faz o trabalho, logo o potencial é negativo. "Explique por que o potencial próximo a um próton isolado é positivo" é respondido exatamente nessas palavras.
Potencial devido a uma carga pontual
$$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$Observe o $1/r$ aqui (comparado com $1/r^{2}$ para o campo). $V$ é uma escalar 标量; para várias cargas, some os potenciais (com sinal).
Exemplo resolvido. Encontre o potencial elétrico $4.0\ \text{cm}$ de uma carga pontual de $+3.0\ \text{nC}$. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)
$$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r} = \frac{(9.0 \times 10^{9})(3.0 \times 10^{-9})}{0.040} \approx 6.8 \times 10^{2}\ \text{V}.$$Como o potencial é escalar, o potencial resultante de várias cargas é simplesmente a soma delas (cada uma com seu próprio sinal) — sem direções a resolver.

Potencial ao longo da linha entre duas esferas carregadas: cargas semelhantes produzem um mínimo (campo nulo ali); cargas opostas produzem uma travessia por zero Duas esferas carregadas em uma linha
A questão estruturada favorita do exame coloca duas esferas carregadas X e Y separadas por certa distância e desenha o potencial $V$ ao longo da linha que une seus centros (ou pede para você raciocinar a partir dele). Tudo segue de dois fatos: o potencial é uma escalar que se soma com sinal, e o campo é o gradiente negativo do gráfico.
- Sinal das cargas. Se $V$ é positivo ao longo de toda a linha, ambas as cargas são positivas; se $V$ muda de sinal, as cargas são opostas (positiva perto da esfera positiva).
- Onde o campo é zero. Onde a curva tem um mínimo (gradiente zero). Para cargas semelhantes, isso está entre elas, mais próximo da carga menor: $Q_{\text{X}}/x^{2} = Q_{\text{Y}}/(d - x)^{2}$. Para cargas opostas não há tal ponto entre elas: a curva cruza zero ali, mas seu gradiente não é zero, então o campo não é.
- Razão entre as cargas. Onde $V = 0$ entre cargas opostas, $Q_{\text{X}}/x = Q_{\text{Y}}/(d - x)$: as distâncias dão a razão diretamente. Para cargas semelhantes use o mínimo em vez disso (a raiz quadrada da condição do campo).
- Força sobre uma carga colocada em P. Leia o gradiente em P desenhando uma tangente 切线; então $E$ é menos o gradiente, e $F = qE$.
Exemplo resolvido. Duas esferas metálicas isoladas e carregadas X e Y têm seus centros $1.2\ \text{m}$ separados no vácuo. O potencial ao longo da linha entre elas é positivo em toda parte e tem um mínimo em $x = 0.50\ \text{m}$ do centro de X. Dê três conclusões e, em seguida, encontre a força sobre um próton mantido em $x = 0.60\ \text{m}$, onde o gradiente do gráfico é $+180\ \text{V m}^{-1}$.
Conclusões: (1) ambas as esferas são positivamente carregadas, porque o potencial é positivo em toda parte; (2) o campo elétrico é zero em $x = 0.50\ \text{m}$, onde o gradiente é zero; (3) a carga em Y é maior, porque o ponto de campo zero fica mais perto de X; de fato $Q_{\text{Y}}/Q_{\text{X}} = (0.70/0.50)^{2} = 2.0$. Em $x = 0.60\ \text{m}$: $E = -180\ \text{V m}^{-1}$ (apontando para X, já que $V$ sobe em direção a Y), então $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(180) = 2.9 \times 10^{-17}\ \text{N}$ em direção a X. Liberado, o próton acelera em direção a X, sua aceleração aumentando à medida que o gradiente se torna mais íngreme; ele precisa de uma força externa para mantê-lo parado.
Descrevendo o movimento. "Uma partícula carregada positivamente é colocada em P e liberada. Descreva e explique seu movimento." O examinador quer: a direção (em direção ao menor potencial, descendo a inclinação do gráfico de $V$); que a força, e portanto a aceleração, não é constante (ela segue o gradiente, que muda ao longo da linha); e que a partícula ganha velocidade durante todo o trajeto, já que a força permanece na direção do movimento. Se P for o ponto de campo nulo, a partícula permanece em repouso, em equilíbrio instável: um empurrão em qualquer direção a faz ir embora.

O potencial próximo a uma carga pontual varia como 1/r — positivo para uma carga positiva, negativo para uma negativa Ligação entre campo e potencial
O campo é igual ao gradiente de potencial negativo 电势梯度:
$$E = -\frac{dV}{dx}.$$Entre placas paralelas $V$ muda uniformemente com a posição, dando $E = V/d$ como antes. O sinal negativo significa que o campo aponta para menor potencial. Para uma carga pontual, $-\dfrac{dV}{dr} = \dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = E$.
A relação de uma linha. "Enuncie a relação entre campo elétrico e potencial elétrico": a intensidade do campo é igual ao negativo do gradiente de potencial, $E = -\Delta V/\Delta x$. Em um gráfico de $V$–$x$ $E$ é menos o gradiente de uma tangente; em um gráfico de $V$–$r$ para uma carga pontual o gradiente é mais íngreme próximo à carga, onde o campo é mais forte, e o sinal de $E$ é fixado por "o campo aponta para menor potencial". A versão de campo uniforme $E = V/d$ é a mesma afirmação com um gradiente constante.
Equipotenciais. Uma superfície equipotencial une pontos de mesmo potencial; nenhum trabalho é feito movendo uma carga ao longo dela, então o campo está sempre em ângulo reto com ela. Ao redor de uma carga pontual, os equipotenciais são esferas concêntricas, afastando-se conforme $V$ cai; entre placas paralelas são planos paralelos às placas. A superfície de um condutor é um equipotencial, pelo qual linhas de campo encontram-no em ângulos retos.

Em um campo uniforme o potencial cai constantemente com a distância, então a intensidade do campo $V/d$ é constante Energia potencial elétrica
Uma carga $q$ em um ponto de potencial $V$ tem energia potencial elétrica 电势能 $E_{\text{P}} = qV$. Para duas cargas pontuais $Q$ e $q$ a uma distância $r$ separadas:
$$E_{\text{P}} = \frac{Qq}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$- semelhantes cargas: $E_{\text{P}} > 0$ — energia armazenada que seria liberada se voassem para longe.
- opostas cargas: $E_{\text{P}} < 0$ — um sistema ligado 束缚; energia deve ser fornecida para separá-las.
Em ambos os casos $E_{\text{P}} \to 0$ quando $r \to \infty$.
Exemplo resolvido. O próton e o elétron em um átomo de hidrogênio estão $5.3 \times 10^{-11}\ \text{m}$ separados. Encontre a energia potencial elétrica do par.
$$E_{\text{P}} = \frac{Qq}{4\pi\varepsilon_{0} r} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(+1.60 \times 10^{-19})(-1.60 \times 10^{-19})}{5.3 \times 10^{-11}} = -4.3 \times 10^{-18}\ \text{J} = -27\ \text{eV}.$$O sinal negativo é parte da resposta: as cargas são opostas, então a energia ($4.3 \times 10^{-18}\ \text{J}$) deve ser fornecida para puxá-las até o infinito. (O elétron também tem energia cinética da metade desse valor, então a energia necessária para ionizar 电离 o átomo é $13.6\ \text{eV}$; o "padrão do exemplo resolvido" abaixo mostra por quê.)
Carga através de uma dp. Uma carga $q$ movida através de uma diferença de potencial $V$ altera sua energia potencial em $qV$, que é por que um elétron acelerado a partir do repouso através de $250\ \text{V}$ chega com $250\ \text{eV}$ de energia cinética independentemente da forma do campo. Para uma MCQ sobre "mover P uma distância $x$ ao longo das linhas de campo", o trabalho realizado é $qEx$, e sua energia potencial cai se mover da maneira que a força o empurra.

EPE de duas cargas: positiva para cargas semelhantes, um poço negativo para cargas opostas Padrão de exemplo resolvido
Um elétron 电子 orbita um núcleo 原子核 de carga $+Ze$ a uma distância $r$. A atração de Coulomb fornece a força centrípeta 向心力:
$$\frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{m_{e} v^{2}}{r}, \qquad v = \sqrt{\frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} m_{e} r}}.$$A energia total é cinética mais potencial:
$$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m_{e} v^{2} - \frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r} = -\frac{Z e^{2}}{8\pi\varepsilon_{0} r},$$que é negativa (um estado ligado).
Gravitação versus elétrica
As duas teorias de campo parecem semelhantes:
Quantidade Gravitacional Elétrico Fonte massa $M$ (sempre positiva) carga $Q$ (pode ser ±) Intensidade do campo $g = GM/r^{2}$ $E = Q/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$ Força sobre objeto teste $F = mg$ $F = qE$ Potencial $\phi = -GM/r$ $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0} r)$ PE de dois $-GMm/r$ $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$ Natureza sempre atrativa atrativa ou repulsiva O sinal negativo no potencial gravitacional 引力势 reflete que a gravidade é sempre atrativa; o potencial elétrico assume o sinal da carga fonte.
Semelhança e diferença (uma questão padrão de dois marcadores). Ambos os potenciais são proporcionais a $1/r$, ambos são zero no infinito e ambos são escalares; mas o potencial gravitacional é sempre negativo (a força é sempre atrativa) enquanto o potencial elétrico assume o sinal da carga e pode ser positivo. Para os campos: ambos seguem uma lei inversa do quadrado e ambos são desenhados como linhas radiais ao redor de uma fonte pontual, mas as linhas de campo gravitacionais apontam apenas para dentro (atração), enquanto as linhas de campo elétrico apontam para fora de uma carga positiva e para dentro de uma negativa.
ExplorarPotencial elétrico
V = kQ / r
Potencial ∝ 1/r ao redor de uma carga — íngreme perto dela, aplanando-se com a distância.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ 点电荷 diǎn diàn hè dipole/ˈdaɪpəʊl/ 偶极子 ǒu jí zi uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ 匀强场 yún qiáng chǎng isolated/ˈaɪsəleɪtɪd/ 孤立的 gū lì de potential gradient/pəˈtenʃl ˈɡreɪdɪənt/ 电势梯度 diàn shì tī dù potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā gravitational field/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ 重力场 zhòng lì chǎng kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng parabolic/ˌpærəˈbɒlɪk/ 抛物线 pāo wù xiàn projectile/prəˈdʒektaɪl/ 抛体 pāo tǐ cathode-ray tube/ˈkæθəʊd reɪ tjuːb/ 阴极射线管 yīn jí shè xiàn guǎn equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng deflection/dɪˈflekʃn/ 偏转 piān zhuǎn Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ 库仑定律 kù lún dìng lǜ permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ 真空电容率 zhēn kōng diàn róng lǜ tension/ˈtenʃn/ 张力 zhāng lì nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 合力 hé lì centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì equipotential/ˌiːkwɪpəˈtenʃl/ 等势面 děng shì miàn vector sum/ˈvektə sʌm/ 矢量和 shǐ liàng hé electric potential/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl/ 电势 diàn shì scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng tangent/ˈtændʒənt/ 切线 qiè xiàn negative potential gradient/ˈneɡətɪv pəˈtenʃl ˈɡreɪdɪənt/ 电势梯度 diàn shì tī dù electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 电势能 diàn shì néng bound/baʊnd/ 束缚 shù fù ionise/ˈaɪənaɪz/ 电离 diàn lí gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ 引力势 yǐn lì shì 18.5
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição campo elétrico uma região em que uma carga experimenta uma (eletrônica) força intensidade do campo elétrico a força por unidade de carga positiva atuando sobre uma pequena (teste) carga colocada no ponto linha de campo elétrico uma linha cuja direção mostra a direção da força sobre uma carga positiva; o espaçamento das linhas mostra a intensidade do campo Lei de Coulomb a força entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado de sua separação potencial elétrico o trabalho realizado por unidade de carga positiva ao trazer uma pequena carga teste do infinito até o ponto campo e potencial a intensidade do campo elétrico é igual ao negativo do gradiente de potencial: $E = -\Delta V/\Delta x$ energia potencial elétrica (de duas cargas) o trabalho realizado ao trazer as cargas do infinito até sua separação; $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$ equipotencial uma superfície (ou linha) em que cada ponto tem o mesmo potencial; o campo está em ângulo reto com ela campo uniforme um campo com a mesma intensidade e direção em todos os pontos, mostrado por linhas de campo paralelas e igualmente espaçadas 18.5
Dicas de prova
- Quatro fórmulas, duas com $r^{2}$ e duas com $r$: $F = Q_1 Q_2 / 4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ e $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ (inverso do quadrado), $V = Q/4\pi\varepsilon_0 r$ e $E_{\text{P}} = Qq/4\pi\varepsilon_0 r$. Decida qual antes de escrever.
- Distinga um campo uniforme ($E = V/d$, entre placas) de um campo radial ($E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$, fora de uma carga pontual ou esfera); $r$ para uma esfera é medido do centro, não da superfície.
- O campo aponta de alto para baixo potencial e $E$ é menos o gradiente de potencial: desenhe uma tangente em um gráfico de $V$–$x$ para encontrá-lo.
- Campo é um vetor (some componentes, subtraia os opostos); potencial é escalar (some com sinal). Entre cargas semelhantes há um ponto de campo nulo; entre cargas opostas há um ponto de potencial nulo.
- Partícula carregada em campo uniforme: $F = qE$, $a = qE/m$, $E_{\text{k}} = qV$; ao longo do campo é a metade vertical do movimento de projétil, e o movimento perpendicular ao campo permanece inalterado.
- A ficha de dados fornece tanto $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ quanto $1/(4\pi\varepsilon_0) = 8.99 \times 10^{9}\ \text{m F}^{-1}$; ambos funcionam, não os misture.
Erros comuns
- Definir intensidade de campo como "a força sobre uma carga" ou "força por unidade de massa". É a força por unidade de carga positiva sobre uma pequena carga positiva.
- Esquecer elevar $r$ ao quadrado na lei de Coulomb e no campo, ou elevá-lo ao quadrado no potencial ($V \propto 1/r$).
- Usar o diâmetro, ou a distância da superfície de uma esfera, em vez da distância centro-a-centro.
- Desenhar $E$ para uma esfera partindo da origem. É zero dentro e começa em $E_0$ na superfície; $V$ é constante dentro, não zero.
- Linhas de campo sem setas, se cruzando ou espaçamento desigual em um campo uniforme; linhas não perpendiculares a um condutor.
- Remover o sinal negativo na energia potencial de cargas opostas, ou tomar a direção de $E$ pelo sinal de $V$ em vez do seu gradiente.
- Esquecer o segundo elétron no átomo de hélio, ou colocá-lo à distância $r$ em vez de $2r$.
- Usar $E = V/d$ para uma carga pontual, ou $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ entre placas.
- Dar peso a um elétron, ou usar a massa do próton para um elétron; em questões de elétrons entre placas, o peso é desprezível.
- Deixar de incluir o peso em uma questão de "gota de óleo mantida estacionária", ou inverter a polaridade da placa superior.
-
19
Capacitância
Assistir aula19.1
Capacitância
Programa
- definir capacitância, aplicada tanto a condutores esféricos isolados quanto a capacitores de placas paralelas
- recordar e usar $C = Q/V$
- derivar, usando $C = Q/V$, fórmulas para a capacitância combinada de capacitores em série e em paralelo
- usar as fórmulas de capacitância para capacitores em série e em paralelo
Fonte: Programa Cambridge International

Capacitores armazenam carga elétrica em um circuito. Um capacitor 电容器 armazena carga. O mais simples consiste em duas placas condutoras 导体 paralelas com um isolante 绝缘体 (um dielétrico 电介质, ou apenas vácuo 真空 / ar) entre elas. Conectado a uma bateria, carga $+Q$ acumula-se numa placa e $-Q$ na outra, com uma diferença de potencial 电势差 $V$ através da lacuna.

Um capacitor de placas paralelas: cargas iguais e opostas em duas placas com d.p. $V$ através da lacuna Como as placas se carregam. Conecte as placas a uma bateria e elétrons fluem, através da bateria, da placa ligada ao terminal 接线端 positivo para a placa ligada ao terminal negativo. Uma placa fica com carga $+Q$ e a outra ganha $-Q$: as cargas são sempre iguais e opostas, então o capacitor como um todo permanece neutro. O fluxo cessa quando a d.p. entre as placas iguala a f.e.m. da bateria. Nada atravessa a lacuna; o isolante é o que mantém as cargas separadas.
A capacitância 电容 $C$ de qualquer capacitor (ou qualquer condutor isolado) é
$$C = \frac{Q}{V}.$$Isso se aplica a:
- uma esfera isolada segurando carga $Q$ em potencial $V$ (zero no infinito). Para raio $r$, $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0}r)$, então $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$.
- um capacitor de placas paralelas: cargas $\pm Q$ nas placas, d.p. $V$ entre elas.
Unidade: farad 法拉 (F) $= \text{C V}^{-1}$. Um farad é enorme, então capacitores reais variam de $\text{pF}$ a $\text{mF}$.
A capacitância é constante para um dado capacitor (definido por seu tamanho e dielétrico). Dobrar a carga dobra a tensão, então $C = Q/V$ permanece o mesmo.
As definições de dois pontos. Para um capacitor de placas paralelas: a carga em uma placa por unidade de diferença de potencial entre as placas. Para uma esfera isolada (ou qualquer condutor isolado): a carga no condutor por unidade de potencial. O examinador busca "carga por unidade de d.p." (ou "por unidade de potencial") e, para as placas, que a carga seja a carga de uma placa e a d.p. seja aquela entre as placas. "A carga armazenada" é aceito; "a carga total em ambas as placas" não é, porque esse total é zero.
O que determina a capacitância. Para placas paralelas, a capacitância é proporcional à área das placas e inversamente proporcional à separação $x$ ($C \propto 1/x$: reduzir a lacuna pela metade dobra a capacitância), e aumenta quando um dielétrico substitui o ar. Uma questão que afirma "$C$ é inversamente proporcional a $x$" e depois afasta as placas a carga constante está pedindo por $V = Q/C \propto x$: a d.p. sobe proporcionalmente. A d.p. constante (ainda conectado à fonte), é a carga que cai em vez disso.
Exemplo resolvido. Um capacitor $100\ \mu\text{F}$ é carregado até $12\ \text{V}$. Encontre a carga armazenada.
$$Q = CV = (100 \times 10^{-6})(12) = 1.2 \times 10^{-3}\ \text{C}\ (= 1.2\ \text{mC}).$$Exemplo resolvido. Uma esfera metálica isolada de raio $15\ \text{cm}$ é carregada a um potencial de $9.0 \times 10^{3}\ \text{V}$. Encontre sua capacitância e sua carga. Ela então é descarregada para terra através de um resistor $120\ \text{M}\Omega$: encontre a constante de tempo da descarga.
$$C = 4\pi\varepsilon_{0} r = \frac{0.15}{8.99 \times 10^{9}} = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{F} = 17\ \text{pF}, \qquad Q = CV = (1.67 \times 10^{-11})(9.0 \times 10^{3}) = 1.5 \times 10^{-7}\ \text{C}.$$A constante de tempo é $RC = (1.2 \times 10^{8})(1.67 \times 10^{-11}) = 2.0 \times 10^{-3}\ \text{s}$: mesmo através de uma resistência enorme, a esfera perde sua carga em milissegundos, pois sua capacitância é tão pequena. Note que $4\pi\varepsilon_{0} = 1/(8.99 \times 10^{9})$, então $C = r/(8.99 \times 10^{9})$ com $r$ em metros.

Capacitores reais variam de grandes latas eletrolíticas (alta capacitância) até tipos minúsculos de filme e cerâmica -- de pF até mF Combinando capacitores
Capacitores em paralelo compartilham a mesma d.p. $V$. A carga total é a soma:
$$Q_{\text{total}} = C_{1} V + C_{2} V + \ldots, \qquad\text{so}\qquad C_{\text{parallel}} = C_{1} + C_{2} + \ldots$$Uma combinação em paralelo tem capacitância maior do que qualquer um dos capacitores.

Capacitores em paralelo compartilham a mesma d.p.; as cargas se somam Capacitores em série transportam a mesma carga $Q$. A d.p. total é a soma:
$$V_{\text{total}} = \frac{Q}{C_{1}} + \frac{Q}{C_{2}} + \ldots, \qquad\text{so}\qquad \frac{1}{C_{\text{series}}} = \frac{1}{C_{1}} + \frac{1}{C_{2}} + \ldots$$Uma combinação em série tem capacitância menor do que qualquer um dos capacitores.

Capacitores em série transportam a mesma carga; as d.ps se somam Nota: essas regras são o oposto das dos resistores (resistores somam em série; capacitores somam em paralelo), porque $C = Q/V$ tem $V$ embaixo enquanto $R = V/I$ tem $I$ embaixo.
Derivando as duas regras
"Derive uma expressão para a capacitância combinada" é uma questão de mostre que, e a matriz de correção quer a física declarada, não apenas a álgebra.
- Série. Os capacitores transportam a mesma carga $Q$: a placa ligada ao terminal positivo perde elétrons para a placa distante do próximo capacitor, então cada placa na cadeia segura $\pm Q$. As d.ps somam: $V = V_{1} + V_{2}$. Com $V_{1} = Q/C_{1}$ e $V_{2} = Q/C_{2}$, e a combinação definida por $V = Q/C$, dividindo tudo por $Q$ resulta em $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$.
- Paralelo. Os capacitores têm a mesma d.p. $V$, porque cada um está conectado diretamente através da fonte. As cargas somam: $Q = Q_{1} + Q_{2} = C_{1}V + C_{2}V$, e $Q = CV$ para a combinação, então $C = C_{1} + C_{2}$.
Dois capacitores em série sempre resultam em menos do que o menor; dois capacitores iguais $C$ resultam em $C/2$ em série e $2C$ em paralelo.

Uma rede é reduzida passo a passo: combine o par em paralelo primeiro, depois o par em série Exemplo resolvido. Um capacitor $6.0\ \mu\text{F}$ está em série com um par em paralelo de $2.0\ \mu\text{F}$ e $4.0\ \mu\text{F}$. Encontre a capacitância total, e a carga em cada capacitor quando $12\ \text{V}$ é aplicado através da rede.
Par em paralelo: $2.0 + 4.0 = 6.0\ \mu\text{F}$. Em série com $6.0\ \mu\text{F}$: $1/C = 1/6.0 + 1/6.0$, então $C = 3.0\ \mu\text{F}$. Carga total $Q = CV = (3.0 \times 10^{-6})(12) = 3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$: esta é a carga no capacitor $6.0\ \mu\text{F}$ (série, mesma carga), e ela é compartilhada pelo par em paralelo na razão de suas capacitâncias (mesma d.p., $6.0\ \text{V}$ em cada): o capacitor $2.0\ \mu\text{F}$ segura $1.2 \times 10^{-5}\ \text{C}$ e o capacitor $4.0\ \mu\text{F}$ segura $2.4 \times 10^{-5}\ \text{C}$. Verifique: eles somam $3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$.
Exemplo resolvido. Capacitores X e Y, cada um com capacitância $C$, estão conectados em série através de uma fonte de tensão $V$; capacitores P e Q, cada um $C$, estão conectados em paralelo através de uma fonte idêntica. Compare a carga retirada de cada fonte e a energia armazenada em cada configuração.
Série: $C_{\text{s}} = C/2$, carga $Q_{\text{s}} = CV/2$, energia $\tfrac{1}{2} C_{\text{s}} V^{2} = CV^{2}/4$. Paralelo: $C_{\text{p}} = 2C$, carga $2CV$, energia $CV^{2}$. A configuração em paralelo retira quatro vezes a carga e armazena quatro vezes a energia, porque na mesma tensão da fonte a energia é $\tfrac{1}{2} C V^{2}$ e a capacitância é quatro vezes maior. Perguntado qual configuração armazena mais energia dada uma fonte, a resposta é sempre paralela.
ExplorarCapacitância
Q = C·V
A carga armazenada é proporcional à tensão — a inclinação é a capacitância C.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin capacitor/kəˈpæsɪtə/ 电容器 diàn róng qì conductor/kənˈdʌktə/ 导体 dǎo tǐ insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 绝缘体 jué yuán tǐ dielectric/ˌdaɪɪˈlektrɪk/ 电介质 diàn jiè zhì vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā terminal/ˈtɜːmɪnl/ 接线端 jiē xiàn duān capacitance/kəˈpæsɪtəns/ 电容 diàn róng farad/ˈfæræd/ 法拉 fǎ lā 19.2
Energia armazenada em um capacitor
Programa
- determinar a energia potencial elétrica armazenada em um capacitor a partir da área sob o gráfico potencial-carga
- recordar e usar $W = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}CV^2$
Fonte: Programa Cambridge International
Carregar um capacitor de $0$ até $Q$ exige trabalho, porque cada pedaço extra de carga é empurrado contra a d.p. já existente. Quando a carga é $q$, a d.p. é $V(q) = q/C$, então adicionar uma pequena carga $dq$ exige trabalho $V\,dq$. O trabalho total é
$$W = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C}\, dq = \frac{Q^{2}}{2 C}.$$Usando $V = Q/C$, este é a energia 能量 armazenada:
$$W = \tfrac{1}{2} Q V = \tfrac{1}{2} C V^{2} = \frac{Q^{2}}{2C}.$$Exemplo resolvido. Encontre a energia armazenada em um capacitor $100\ \mu\text{F}$ carregado até $12\ \text{V}$.
$$W = \tfrac{1}{2}CV^{2} = \tfrac{1}{2}(100 \times 10^{-6})(12)^{2} = 7.2 \times 10^{-3}\ \text{J}\ (= 7.2\ \text{mJ}).$$Exemplo resolvido. O gráfico de carga $Q$ contra d.p. $V$ para um capacitor é uma linha reta pela origem passando por $(10\ \text{V},\ 1.2 \times 10^{-3}\ \text{C})$. Encontre a capacitância e a energia armazenada em $10\ \text{V}$, e então a energia extra armazenada quando a d.p. é elevada para $12\ \text{V}$.
O gradiente de $Q$ contra $V$ é $C = 1.2 \times 10^{-3}/10 = 1.2 \times 10^{-4}\ \text{F} = 120\ \mu\text{F}$. Energia é a área sob a linha: $\tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-3})(10) = 6.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Em $12\ \text{V}$: $\tfrac{1}{2}CV^{2} = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-4})(12)^{2} = 8.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$, então a energia extra é $2.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Não encontre a energia extra a partir da carga extra como $\tfrac{1}{2}(\Delta Q)V$: energia não é proporcional à carga, então subtraia as duas áreas.
Lendo o gráfico $Q$–$V$
Um gráfico de $V$ contra $Q$ é uma linha reta pela origem com gradiente $1/C$. A energia armazenada é a área sob a linha até uma dada carga $Q$, que é o triângulo $\tfrac{1}{2} Q V$. O fator $\tfrac{1}{2}$ está lá porque a d.p. média durante o carregamento é $V/2$ (ela cresce de zero até $V$), não $V$.

A energia armazenada é a área sob a linha potencial-carga (o triângulo $\tfrac{1}{2}QV$) Por que o carregamento é "meia eficiente"
Conecte um capacitor $C$ a uma bateria ideal de f.e.m. $V$ através de um fio. O capacitor armazena $\tfrac{1}{2} C V^{2}$, mas a bateria fornece carga $Q = CV$ em f.e.m. $V$, emitindo $QV = CV^{2}$. A outra metade é perdida como calor no fio — independentemente da resistência do fio.
Compartilhamento de carga entre capacitores

Conectar um capacitor carregado a um não carregado: a carga é conservada, a d.p. se iguala e a energia é perdida Um capacitor X totalmente carregado (capacitância $C$, d.p. $V$, carga $Q = CV$) é desconectado de sua fonte e conectado sobre um capacitor Y não carregado de capacitância $3C$. A carga flui até que as duas d.p.s sejam iguais. Dois princípios definem tudo:
- A carga é conservada. A carga total continua sendo $Q$, agora espalhada por um par paralelo de capacitância total $4C$, então a d.p. comum é $V' = Q/(4C) = V/4$. X mantém $Q/4$ e Y recebe $3Q/4$ (carga na razão das capacitâncias, já que a d.p. é a mesma).
- A energia não é conservada. Antes: $\tfrac{1}{2} C V^{2}$. Depois: $\tfrac{1}{2}(4C)(V/4)^{2} = \tfrac{1}{8} C V^{2}$. Três quartos da energia se perderam: ela é dissipada 耗散 como calor nos fios de conexão (e como faísca ou radiação eletromagnética) enquanto a carga se move, por menor que seja a resistência.
Exemplo resolvido. Um capacitor $220\ \mu\text{F}$ carregado até $9.0\ \text{V}$ é conectado sobre um capacitor não carregado $440\ \mu\text{F}$. Encontre a d.p. final e a energia perdida.
$Q = CV = (220 \times 10^{-6})(9.0) = 1.98 \times 10^{-3}\ \text{C}$; capacitância total $660\ \mu\text{F}$, logo $V' = 1.98 \times 10^{-3}/(660 \times 10^{-6}) = 3.0\ \text{V}$. Energia antes: $\tfrac{1}{2}(220 \times 10^{-6})(9.0)^{2} = 8.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$; depois: $\tfrac{1}{2}(660 \times 10^{-6})(3.0)^{2} = 3.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$; perdida: $5.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$, dois terços da original. Um capacitor conectado a outro de capacitância $kC$ sempre perde a fração $k/(k+1)$.
ExplorarEnergia em um capacitor
E = ½C·V²
A energia armazenada cresce com o quadrado da tensão.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng dissipated/ˈdɪsɪpeɪtɪd/ 耗散 hào sàn 19.3
Descarga de capacitor através de um resistor
Programa
- analisar gráficos da variação com o tempo da diferença de potencial, carga e corrente para um capacitor descarregando através de um resistor
- recordar e usar $\tau = RC$ para a constante de tempo para um capacitor descarregando através de um resistor
- usar equações da forma $x = x_0 e^{-(t/RC)}$ onde $x$ pode representar corrente, carga ou diferença de potencial para um capacitor descarregando através de um resistor
Fonte: Programa Cambridge International
Um capacitor $C$ carregado a $V_{0}$ é conectado através de uma chave a um resistor 电阻器 de resistência 电阻 $R$. Quando a chave fecha em $t = 0$, o capacitor descarrega.

Um capacitor carrega pela chave A, depois descarga pelo resistor via chave B Configurando a equação
Pela segunda lei de Kirchhoff 基尔霍夫第二定律 ao redor do laço, $V_{C} = V_{R}$. Usando $V_{C} = Q/C$, $V_{R} = IR$ e $I = -dQ/dt$:
$$\frac{Q}{C} = -R \frac{dQ}{dt}.$$Isso é resolvido por um decaimento exponencial 指数衰减 com constante de tempo $RC$.
Equações de descarga
Carga $Q$, d.p. $V$ e corrente $I$ decaem exponencialmente com a mesma constante de tempo:
$$Q = Q_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad V = V_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad I = I_{0} e^{-t / (RC)},$$com $I_{0} = V_{0}/R$.

A corrente de descarga começa em $V_0/R$ e decai com a mesma constante de tempo; a área sob a curva é a carga que fluuiu Lendo os três gráficos. Todas as três curvas têm a mesma forma e a mesma constante de tempo, então uma medida de $\tau$ em qualquer uma delas dá $RC$. A corrente é maior no instante em que a chave fecha, $I_{0} = V_{0}/R$, porque toda a d.p. $V_{0}$ está sobre o resistor; ela cai conforme a d.p. cai. A área sob o gráfico $I$–$t$ é a carga que fluuiu, então a área total é $Q_{0} = CV_{0}$, e a carga que flui na primeira constante de tempo é $Q_{0}(1 - e^{-1}) = 0.63\,Q_{0}$. A inclinação do gráfico $Q$–$t$ é $-I$: mais íngreme no início, aplanando-se à medida que a corrente se extingue. (Durante o carregamento através de um resistor, a corrente tem a mesma forma decrescente, enquanto $V$ e $Q$ crescem conforme $V_{0}(1 - e^{-t/RC})$, a imagem espelhada da curva de descarga.)

A carga decai exponencialmente durante a descarga, caindo para $Q_0/e$ após uma constante de tempo $RC$ Constante de tempo
$$\tau = RC$$é a constante de tempo 时间常数 (em segundos: $\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$). É o tempo necessário para que uma grandeza decrescente caia para $1/e \approx 0.37$ (cerca de 37%) do seu valor inicial. Após $2\tau$, está em cerca de 13.5%; após $5\tau$, abaixo de 1%.
Exemplo resolvido. Um capacitor $100\ \mu\text{F}$ carregado até $12\ \text{V}$ é descarregado através de um resistor $47\ \text{k}\Omega$. Encontre a constante de tempo e a tensão após uma constante de tempo.
$$\tau = RC = (47 \times 10^{3})(100 \times 10^{-6}) = 4.7\ \text{s}.$$Após uma constante de tempo, a tensão cai para $1/e$ de seu início: $V = 12 \times 0.37 \approx 4.4\ \text{V}$.
Exemplo resolvido. Um capacitor $470\ \mu\text{F}$ é carregado até $24\ \text{V}$ e depois descarregado através de um resistor $5.6\ \text{k}\Omega$. Encontre (a) a carga e energia iniciais, (b) a constante de tempo e a corrente inicial, (c) a d.p. após $4.0\ \text{s}$, (d) o tempo para a d.p. cair para $6.0\ \text{V}$.
(a) $Q_{0} = CV_{0} = (470 \times 10^{-6})(24) = 1.1 \times 10^{-2}\ \text{C}$; $W = \tfrac{1}{2}CV_{0}^{2} = \tfrac{1}{2}(470 \times 10^{-6})(24)^{2} = 0.135\ \text{J}$. (b) $\tau = RC = (5.6 \times 10^{3})(470 \times 10^{-6}) = 2.6\ \text{s}$; $I_{0} = V_{0}/R = 24/5600 = 4.3\ \text{mA}$. (c) $V = V_{0} e^{-t/RC} = 24\, e^{-4.0/2.63} = 24 \times 0.219 = 5.3\ \text{V}$. (d) Reorganize com logaritmos: $t = -RC \ln(V/V_{0}) = -2.63 \ln(6.0/24) = 2.63 \times 1.386 = 3.6\ \text{s}$.
Mantenha a constante de tempo sem arredondar ($2.632\ \text{s}$) dentro do cálculo e arredonde apenas as respostas. A reorganização em (d) é a mais frequentemente pedida e mais frequentemente errada: $\ln(V/V_{0})$ é negativo, então $t$ sai positivo.
Exemplo resolvido. De um gráfico de descarga, a d.p. sobre um capacitor $2200\ \mu\text{F}$ cai de $6.0\ \text{V}$ para $2.2\ \text{V}$ em $4.5\ \text{s}$. Encontre a resistência do resistor.
$2.2/6.0 = 0.367 \approx 1/e$, logo $4.5\ \text{s}$ é uma constante de tempo: $R = \tau/C = 4.5/(2200 \times 10^{-6}) = 2.0 \times 10^{3}\ \Omega$. Se a queda não for até $1/e$, use $RC = -t/\ln(V/V_{0})$; a resposta é a mesma de qualquer jeito.
Para encontrar $\tau$ a partir de uma curva: leia o tempo para cair para $1/e$ do início. Ou tire logs: $\ln(V/V_{0}) = -t/(RC)$, então um gráfico de $\ln V$ contra $t$ é uma linha reta com inclinação $-1/(RC)$.

Um gráfico de $\ln V$ contra o tempo é uma linha reta de inclinação $-1/(RC)$ Usando o gráfico logarítmico. Em um experimento, plotar $\ln V$ (ou $\ln I$) no eixo $y$ contra $t$. Os pontos devem ficar em uma linha reta: sua inclinação é $-1/(RC)$, logo $RC = -1/\text{gradient}$, e seu intercepto 截距 no eixo $\ln V$ é $\ln V_{0}$. Uma linha reta é o teste de que o decaimento realmente é exponencial; uma curva significa que não é. Tire a inclinação de dois pontos distantes na linha de melhor ajuste, não de dois pontos de dados, e cite $RC$ em segundos.
Lendo gráficos durante a descarga
- $Q$ contra $V_{C}$: já que $Q = C V$ sempre, esta é uma linha reta pela origem com inclinação $C$. A descarga move o ponto de $(V_{0}, Q_{0})$ para baixo até $(0,0)$.
- $I$ contra $V_{C}$: já que $I = V_{C}/R$, esta é uma linha reta pela origem com inclinação $1/R$, assim você pode encontrar $R$.
Perguntas comuns de exame
Dada uma curva de descarga $V(t)$ ou $Q(t)$:
- leia o valor inicial $V_{0}$ ou $Q_{0}$ em $t = 0$.
- leia o tempo para cair para $V_{0}/e$ → constante de tempo $\tau = RC$.
- dado $R$, encontre $C = \tau / R$ (ou o contrário).
- preveja um valor posterior com a fórmula exponencial.
Um capacitor como componente suavizador

Um capacitor sobre a carga de um retificador carrega em cada pico e descarga através da carga entre eles, transformando os elevamentos em uma saída quase estável com uma pequena ondulação Um retificador 整流器 (Tópico 21) transforma uma tensão alternada em uma série de elevamentos positivos. Um capacitor conectado sobre a carga suaviza esses elevamentos. Perto de cada pico 峰值 os diodos conduzem e o capacitor carrega até a tensão de pico; à medida que a tensão da fonte diminui, os diodos param de conduzir e o capacitor descarga através do resistor de carga, mantendo a saída alta até que o próximo elevamento suba acima dele e recarregue o capacitor. Portanto, a saída apenas cai um pouco entre os picos; o aumento e a queda restantes são a ondulação 纹波.
O quanto ela cai depende da constante de tempo da descarga, $RC$, comparada com o tempo entre os picos. Uma capacitância maior, ou uma resistência de carga maior (uma corrente de carga menor), dá um $RC$ maior, um decaimento mais lento e uma ondulação menor; uma fonte pesadamente carregada (pequeno $R$) tem uma ondulação maior. Pedido para esboçar a saída suavizada, desenhe-a tocando cada pico, decaindo ligeiramente entre eles, e nunca caindo para zero.
ExplorarCurva de carga / descarga
A tensão sobe (ou decai) exponencialmente com a constante de tempo τ = RC.
ExplorarDescarga de um capacitor
Q = Q₀·bᵗ
A carga decai exponencialmente através do resistor.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin resistor/rɪˈzɪstə/ 电阻器 diàn zǔ qì resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ Kirchhoff's second law/ˈkɜːkhɒfs ˈsekənd lɔː/ 基尔霍夫第二定律 jī ěr huò fū dì èr dìng lǜ exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ 指数衰减 zhǐ shù shuāi jiǎn time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ 时间常数 shí jiān cháng shù intercept/ˌɪntəˈsept/ 截距 jié jù rectifier/ˈrektɪfaɪə/ 整流器 zhěng liú qì peak/piːk/ 峰值 fēng zhí ripple/ˈrɪpl/ 纹波 wén bō 19.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição capacitância (capacitor de placas paralelas) a carga em uma placa por unidade de diferença de potencial entre as placas capacitância (condutor isolado) a carga no condutor por unidade de potencial farad um coulomb por volt capacitores em série a mesma carga em cada; as d.p.s somam; $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$ capacitores em paralelo a mesma d.p. em cada; as cargas somam; $C = C_{1} + C_{2}$ energia armazenada o trabalho realizado ao carregar o capacitor, igual à área sob o gráfico potencial-carga; $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2}$ constante de tempo o produto $RC$; o tempo para a carga (ou d.p., ou corrente) cair para $1/e$ de seu valor inicial 19.3
Dicas de prova
- $C = Q/V$ define capacitância; para uma esfera isolada $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$. Energia armazenada $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2} = Q^{2}/2C$: escolha a forma que usa o que você sabe, e lembre-se que a energia não é proporcional à carga.
- Combine capacitores da forma oposta aos resistores (paralelo soma, série recíproco), e reduza uma rede um passo de cada vez.
- Compartilhamento de carga: carga é conservada, energia não é. Encontre a d.p. comum a partir da carga total e da capacitância total primeiro, depois as energias.
- Descarga: $x = x_{0} e^{-t/RC}$ para $Q$, $V$ e $I$ igualmente; $t = -RC \ln(x/x_{0})$; $\tau = RC$ está em segundos ($\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$) e é o tempo para cair para $37\%$, não para zero.
- Gráficos: a corrente inicial é $V_{0}/R$; a área sob $I$–$t$ é carga; a inclinação de $Q$–$t$ é $-I$; $\ln V$ contra $t$ é uma linha reta de inclinação $-1/(RC)$ e intercepto $\ln V_{0}$.
- Convert $\mu\text{F}$ e $\text{k}\Omega$ antes de multiplicar: $\text{k}\Omega \times \mu\text{F}$ dá milissegundos, não segundos.
Erros comuns
- Definir capacitância como "carga armazenada" ou "carga em ambas as placas". É a carga em uma placa por unidade de d.p. entre as placas.
- Adicionar capacitores em série como se fossem resistores, ou esquecer de inverter a soma dos recíprocos no final.
- Após o compartilhamento de carga, usar a tensão da fonte em $\tfrac{1}{2}CV^{2}$ em vez da nova d.p. comum, ou afirmar que a energia é conservada.
- Desenhar a corrente de descarga começando do zero. Ela começa no seu maior valor, $V_{0}/R$.
- Tratar $\tau$ como o tempo para descarga completa; após $5\tau$ ainda permanece aproximadamente $1\%$.
- Remover o sinal negativo em $t = -RC \ln(V/V_{0})$ e relatar um tempo negativo.
- Encontrar a energia extra ao aumentar a d.p. usando apenas a carga extra: subtrair duas áreas (ou dois valores de $\tfrac{1}{2}CV^{2}$).
- Esboçar uma saída suavizada que cai para zero entre os picos, ou dizer que uma resistência de carga maior produz uma ondulação maior.
-
20
Campos magnéticos
Assistir aula20.1
O campo magnético
Programa
- compreender que um campo magnético é um exemplo de campo de força produzido either por cargas em movimento ou por ímãs permanentes
- representar um campo magnético por linhas de campo
Fonte: Programa Cambridge International

As lâminas de ferro traçam as linhas de campo ao redor de ímãs em barra. Um campo magnético 磁场 é uma região onde uma carga em movimento (ou uma corrente 电流) sente uma força 力. Ele é produzido por:
- cargas em movimento (geralmente uma corrente em um fio), ou
- ímãs permanentes 永磁体 (onde vem de correntes atômicas minúsculas).
"Diga o que se entende por campo magnético." Uma região na qual uma força age sobre uma carga em movimento, um condutor percorrido por corrente ou um material magnético. O gabarito quer a palavra força e um desses três objetos; "uma região ao redor de um ímã" sozinho não pontua nada.
Linhas de campo
- As linhas de campo 场线 apontam de N para S fora do ímã, e de S para N dentro dele (portanto formam laços fechados).
- As linhas nunca se cruzam; linhas mais próximas significam um campo mais forte.

O campo de um ímã em barra: linhas vão de N para S, mais fortes perto dos polos 
Lâminas de ferro ao redor de um ímã em barra se alinham ao longo do campo, mostrando sua forma real Padrões para saber:
- ímã em barra 条形磁铁 — linhas curvas de N para S fora, mais fortes perto dos polos.
- fio reto longo — círculos ao redor do fio; a direção vem da regra da mão direita 右手定则 (polegar ao longo da corrente, dedos curvam-se na direção do campo).
- bobina circular plana — o campo através do centro é perpendicular à bobina; a bobina age como um pequeno ímã em barra.
- solenóide longo 螺线管 — o campo interno é quase uniforme ao longo do eixo, como um ímã em barra esticado; fora ele diminui rapidamente.

Campo ao redor de um fio reto longo 
Campo de um solenóide Desenhando o campo do fio. "Desenhe quatro linhas de campo" ao redor de um fio reto é avaliado em três aspectos: as linhas são círculos concêntricos centrados no fio; seu espaçamento aumenta com a distância (o campo enfraquece com a distância do fio); e cada linha carrega uma seta na direção dada pela regra da mão direita (corrente para dentro da página: horário; corrente para fora da página: anti-horário). Desenhá-los como círculos, não elipses desenhadas à mão livre.

Uma bobina circular plana vista de lado: o campo contorna cada lado da bobina e passa pelo centro perpendicularmente ao plano da bobina Para uma bobina circular plana, os laços ao redor dos dois lados da bobina se reforçam através do centro, então o campo ali é perpendicular ao plano da bobina e mais forte no centro; visto de uma face, a bobina é um polo norte (o campo sai dela), da outra um polo sul. Um solenóide longo é muitas dessas bobinas em sequência: o campo interno é uniforme e paralelo ao eixo, e as linhas emergem de uma extremidade (seu polo N) e retornam externamente à outra.
Um núcleo de ferro 铁芯 dentro de um solenóide aumenta grandemente o campo, porque os ímãs atômicos do ferro se alinham e somam a ele. É por isso que eletroímãs 电磁铁 e transformadores 变压器 têm núcleos de ferro.
O programa denomina isso um núcleo ferroso 含铁的: ferro, aço ou outro material magnético. Perguntado por que um núcleo aumenta o campo, diga que o núcleo torna-se magnetizado 被磁化 pelo campo do solenóide e que seu próprio campo se soma ao campo da corrente.

Um scanner de RM é construído em torno de um campo magnético muito forte e muito uniforme — um solenóide do tamanho de uma sala ExplorarLaboratório de campo magnético
Mova-se entre arranjos magnéticos e veja como os padrões de campo mudam.
ExplorarLaboratório da regra do campo de corrente
Conecte a direção da corrente ao campo magnético circular ao redor de um fio.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng bar magnet/bɑː ˈmæɡnɪt/ 条形磁铁 tiáo xíng cí tiě field line/fiːld laɪn/ 场线 chǎng xiàn coil/kɔɪl/ 线圈 xiàn quān long solenoid/lɒŋ ˈsəʊlənɔɪd/ 螺线管 luó xiàn guǎn solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ 螺线管 luó xiàn guǎn iron core/ˈaɪən kɔː/ 铁芯 tiě xīn 20.2
Força sobre um condutor percorrido por corrente
Programa
- compreender que uma força pode atuar sobre um condutor percorrido por corrente colocado em um campo magnético
- recordar e usar a equação $F = BIL \sin \theta$, com direções interpretadas pela regra da mão esquerda de Fleming
- definir densidade de fluxo magnético como a força atuando por unidade de corrente por unidade de comprimento em um fio colocado perpendicularmente ao campo magnético
Fonte: Programa Cambridge International
Uma corrente $I$ em um fio de comprimento $L$ em um campo de densidade de fluxo $B$ sente uma força
$$F = B I L \sin\theta,$$onde $\theta$ é o ângulo entre o fio e o campo. A força é máxima quando o fio está perpendicular ao campo ($F = BIL$) e zero quando o fio está ao longo do campo.
Exemplo resolvido. Um fio de comprimento $0.20\ \text{m}$ percorre uma corrente de $3.0\ \text{A}$ perpendicularmente a um campo de densidade de fluxo $0.50\ \text{T}$. Encontre a força sobre ele.
$$F = BIL = 0.50 \times 3.0 \times 0.20 = 0.30\ \text{N}.$$Duas condições para uma força. Um fio de cobre em um campo magnético sente uma força apenas se (1) ele percorre uma corrente, e (2) a corrente não é paralela ao campo (uma parte do fio está perpendicular a $B$). Um fio sem corrente, ou um posicionado ao longo das linhas de campo, não sente nada: $\sin\theta = 0$.
Exemplo resolvido (a balança de corrente). Um fio horizontal de comprimento $5.0\ \text{cm}$ está perpendicular ao campo entre os polos de um ímã em pé sobre uma balança de prato superior. Sem corrente a balança lê $102.30\ \text{g}$; com uma corrente de $2.5\ \text{A}$ ela lê $102.86\ \text{g}$. Encontre a densidade de fluxo.
Pela terceira lei de Newton, a força sobre o fio é contraposta por uma força igual e oposta sobre o ímã, então a leitura da balança muda pela força magnética: $F = \Delta m\, g = (0.56 \times 10^{-3})(9.81) = 5.5 \times 10^{-3}\ \text{N}$. Então $B = F/(IL) = 5.5 \times 10^{-3}/(2.5 \times 0.050) = 4.4 \times 10^{-2}\ \text{T}$ ($44\ \text{mT}$). A leitura aumentou, então a força sobre o ímã é para baixo e a força sobre o fio é para cima; inverter a corrente faria a leitura cair na mesma quantidade.

Uma bobina retangular em um campo uniforme, vista de lado: as forças nos dois lados que cruzam o campo formam um binário cujo efeito de rotação é máximo quando o plano da bobina é paralelo ao campo e zero quando é perpendicular Exemplo resolvido (forças em uma bobina). Uma bobina retangular PQRS com lados PS e QR de comprimento $8.0\ \text{cm}$ percorre uma corrente de $1.2\ \text{A}$ em um campo horizontal de $0.30\ \text{T}$, com o plano da bobina paralelo ao campo. Descreva as forças sobre a bobina.
Os lados PS e QR estão perpendiculares ao campo, então cada um sente $F = BIL = 0.30 \times 1.2 \times 0.080 = 2.9 \times 10^{-2}\ \text{N}$; as correntes neles fluem em direções opostas, então pela regra de Fleming as forças são iguais e opostas, uma para cima e uma para baixo. Os lados PQ e SR são paralelos ao campo e não sentem força. As duas forças formam um binário 力偶 que gira a bobina em torno de seu eixo; à medida que a bobina gira, as forças mantêm o mesmo tamanho mas sua separação perpendicular diminui, então o efeito de rotação cai para zero quando o plano da bobina está perpendicular ao campo. Este é o princípio do motor elétrico e do medidor de bobina móvel.
Densidade de fluxo magnético
Esta equação também define a densidade de fluxo magnético 磁通密度 $B$:
$$B = \frac{F}{IL} \quad\text{(wire at right angles to the field).}$$Então $B$ é a força por unidade de corrente por unidade de comprimento em um fio perpendicular ao campo. Unidade: tesla 特斯拉, $\text{T} = \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.
As definições de duas marcas. A densidade de fluxo magnético é a força por unidade de corrente por unidade de comprimento atuando em um condutor (reto) colocado perpendicularmente ao campo. Tanto "por unidade de corrente" quanto "por unidade de comprimento" são necessários, assim como "perpendicularmente" (ou "em ângulo reto"): sem isso, a definição é falsa, porque a força também depende do ângulo. O tesla é a densidade de fluxo que produz uma força de um newton em um metro de condutor conduzindo uma corrente de um ampere em ângulo reto ao campo: $1\ \text{T} = 1\ \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.
Direção — Regra da mão esquerda de Fleming
Use a mão esquerda (regra da mão esquerda de Fleming 弗莱明左手定则): dedo indicador = Field (campo), dedo médio = Current (corrente), polegar = direção da força. Mantenha os três em ângulos retos.

Regra da mão esquerda de Fleming: polegar = força, dedo indicador = campo, dedo médio = corrente ExplorarSinta a força no fio
Uma corrente em um campo magnético sente uma força F = BIL perpendicular a ambos — inverta a corrente ou vire o ímã e a força salta na outra direção.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin force/fɔːs/ 力 lì permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ 永磁体 yǒng cí tǐ right-hand grip rule/raɪt hænd ɡrɪp ruːl/ 右手定则 yòu shǒu dìng zé tesla/ˈteslə/ 特斯拉 tè sī lā Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ 弗莱明左手定则 fú lái míng zuǒ shǒu dìng zé 20.3
Força sobre uma carga em movimento
Programa
- determinar a direção da força sobre uma carga movendo-se em um campo magnético
- recordar e usar $F = BQv \sin \theta$
- compreender a origem da tensão Hall e derivar e usar a expressão $V_{\text{H}} = BI / (ntq)$, onde $t = \text{thickness}$
- compreender o uso de uma sonda Hall para medir densidade de fluxo magnético
- descrever o movimento de uma partícula carregada movendo-se em um campo magnético uniforme perpendicular à direção do movimento da partícula
- explicar como campos elétricos e magnéticos podem ser usados em seleção de velocidade
Fonte: Programa Cambridge International
Uma carga $Q$ movendo-se com velocidade 速度 $v$ através de um campo sente
$$F = B Q v \sin\theta,$$com $\theta$ o ângulo entre $v$ e $B$. Mesma regra da mão esquerda (o dedo médio é o movimento de uma carga positiva — inverta para uma carga negativa). A força é máxima quando $v$ está em ângulo reto com $B$, e zero quando $v$ está ao longo de $B$.
Duas situações sem força. Uma partícula carregada em um campo magnético não sente força quando está estacionária (sem $v$) ou quando se move paralela ou antiparalela ao campo ($\sin\theta = 0$). Contraste com o campo elétrico, que empurra uma carga estacionária com a mesma intensidade: essa diferença é todo o ponto do seletor de velocidade abaixo.
Movimento circular em um campo uniforme
Uma carga movendo-se perpendicularmente a um campo uniforme 匀强场 sente uma força perpendicular tanto a $v$ quanto a $B$. Essa força não realiza trabalho (sempre perpendicular ao movimento), então a energia cinética 动能 e a velocidade permanecem constantes — a partícula descreve uma circunferência. Iguale a força magnética à força centrípeta 向心力:
$$B Q v = \frac{m v^{2}}{r}, \qquad r = \frac{m v}{B Q}.$$Exemplo resolvido. Um próton (massa $1.7 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, carga $1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$) move-se a $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ perpendicularmente a um campo $0.50\ \text{T}$. Encontre o raio de sua trajetória circular.
$$r = \frac{mv}{BQ} = \frac{(1.7 \times 10^{-27})(2.0 \times 10^{6})}{(0.50)(1.6 \times 10^{-19})} \approx 0.043\ \text{m}.$$Assim, o raio depende do momento 动量 $mv$. O período é
$$T = \frac{2\pi m}{B Q},$$o que não depende da velocidade — uma partícula mais rápida percorre um círculo maior, mas leva o mesmo tempo por volta. Se $v$ também tiver uma componente ao longo de $B$, essa componente permanece inalterada, e a trajetória é uma hélice 螺旋.

Trajetória circular de uma partícula carregada em um campo magnético "Explique por que a trajetória é circular." A força magnética é sempre perpendicular à velocidade, portanto altera a direção do movimento, mas não a velocidade, e sua magnitude $BQv$ é constante porque $B$, $Q$ e $v$ são constantes. Uma força de magnitude constante que permanece perpendicular à velocidade é exatamente uma força centrípeta, logo a trajetória é um círculo. Cite as três ideias: perpendicular, magnitude constante, velocidade inalterada.
Exemplo resolvido. Elétrons movendo-se a $1.7 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ entram em um campo uniforme de densidade de fluxo $4.8\ \text{mT}$ perpendicularmente a ele. Encontre o raio de sua trajetória. Em seguida, os elétrons são substituídos por pósitrons 正电子 (mesma massa, carga $+e$) movendo-se a $3.4 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ ao longo da mesma linha inicial: descreva como a trajetória muda.
$$r = \frac{mv}{BQ} = \frac{(9.11 \times 10^{-31})(1.7 \times 10^{7})}{(4.8 \times 10^{-3})(1.60 \times 10^{-19})} = 2.0 \times 10^{-2}\ \text{m}.$$Os pósitrons são defletidos na direção oposta (carga positiva, então a regra de Fleming com o segundo dedo apontando no sentido do movimento resulta em uma força na direção oposta), e como $r \propto v$ seu raio é duas vezes maior, $4.0\ \text{cm}$. Seu período é o mesmo ($T = 2\pi m/BQ$ não tem $v$ nele): eles percorrem um círculo maior duas vezes mais rápido.
Efeito Hall
Uma lâmina condutora transportando corrente $I$, em um campo $B$ perpendicular à corrente, desenvolve uma tensão entre suas faces — a tensão Hall 霍尔电压 $V_{\text{H}}$ (o efeito Hall 霍尔效应).
As cargas em movimento sentem uma força magnética $BQv_{\text{d}}$ ($v_{\text{d}}$ é a velocidade de deriva 漂移速度), então elas se acumulam em uma face, criando um campo elétrico 电场 $E$ que se opõe a mais acúmulo. No estado estacionário $eE = Bev_{\text{d}}$, então $E = B v_{\text{d}}$. Com $V_{\text{H}} = E w$ e $I = n e v_{\text{d}} w t$:
$$V_{\text{H}} = \frac{B I}{n t q},$$onde $q$ é a carga dos portadores. Uma sonda Hall 霍尔探头 usa isso para medir $B$: passe uma corrente conhecida por uma lâmina fina de semicondutor 半导体 e leia $V_{\text{H}}$ (máximo quando a lâmina está perpendicular a $B$).

O efeito Hall Derivando $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$ (o exame pede isso completo). Considere uma fatia de largura $d$, através da qual aparece a tensão Hall, e espessura $t$ ao longo de $B$, de modo que a corrente passa por uma seção transversal $A = dt$. (1) No estado estacionário, a força elétrica sobre um portador equilibra a força magnética: $qE = Bqv$, então $E = Bv$. (2) O campo Hall é uniforme na largura, então $V_{\text{H}} = Ed = Bvd$. (3) A corrente é $I = nAvq = n\,dt\,vq$, então $v = I/(n\,dt\,q)$. Substituindo: $V_{\text{H}} = Bd \cdot I/(n\,dt\,q) = BI/(ntq)$. Duas coisas a notar: a tensão aparece nas faces perpendiculares à força magnética, não nas extremidades onde a corrente entra; e ela é maior para um semicondutor, cuja densidade numérica $n$ é milhões de vezes menor que a de um metal, razão pela qual sondas usam fatias de semicondutor.
Usando uma sonda Hall. A leitura é proporcional a $B$, mas também depende da orientação: é máxima quando o plano da fatia está perpendicular ao campo e zero quando o campo está no plano da fatia. Então (1) gire a sonda até que a leitura seja máxima, e (2) calibre 校准-a em um campo conhecido, já que $V_{\text{H}} \propto B$ para corrente fixa.
Exemplo resolvido. Uma sonda Hall dá uma leitura máxima de $24\ \text{mV}$ em um campo uniforme de $32\ \text{mT}$. Em um segundo campo, com a sonda novamente girada para máximo, a leitura é $15\ \text{mV}$. Encontre a segunda densidade de fluxo.
$V_{\text{H}} \propto B$ (mesma sonda, mesma corrente): $B = 32 \times 15/24 = 20\ \text{mT}$. Se a sonda tivesse sido deixada em algum outro ângulo, a leitura seria menor e $B$ seria subestimado, motivo pelo qual "girar para o máximo" faz parte do método.
Seletor de velocidade
Um seletor de velocidade 速度选择器 usa campos elétrico e magnético cruzados para deixar passar apenas uma velocidade. Com a força elétrica $qE$ e a força magnética $qvB$ ajustadas para se oporem, a força resultante é zero apenas quando
$$qE = qvB \quad\Rightarrow\quad v = \frac{E}{B}.$$Partículas na velocidade $E/B$ passam reto; mais rápidas ou mais lentas são defletidas.

Seletor de velocidade Derivando e explicando o seletor. A força magnética sobre um íon positivo movendo-se pelos campos cruzados é $BQv$, perpendicular ao seu movimento; o campo elétrico é aplicado de modo que a força elétrica $QE$ esteja na direção oposta (os placas devem ser dispostas de modo que o campo aponte contra a força magnética). Para que o íon passe reto, $QE = BQv$, então $v = E/B$, independente da carga e da massa. Um íon mais rápido tem maior força magnética e curva para o lado da força magnética; um mais lento é empurrado para o outro lado pela força elétrica inalterada. Ao perguntar "explique como um campo elétrico pode fazer a partícula chegar a Z", diga qual deve ser a direção da força elétrica, que ela deve igualar a força magnética em magnitude, e forneça $E = Bv$. Isso é seleção de velocidade 速度选择.
ExplorarForça em uma carga em movimento
F = BQv
A força magnética sobre uma carga é proporcional à sua velocidade (para um campo e carga fixos).
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng velocity selector/vəˈlɒsɪti sɪˈlektə/ 速度选择器 sù dù xuǎn zé qì kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ 向心力 xiàng xīn lì momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng helix/ˈhiːlɪks/ 螺旋 luó xuán positrons/ˈpɒzɪtrɒnz/ 正电子 zhèng diàn zi Hall effect/hɔːl ɪˈfekt/ 霍尔效应 huò ěr xiào yìng Hall voltage/hɔːl ˈvəʊltɪdʒ/ 霍尔电压 huò ěr diàn yā drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ 漂移速度 piāo yí sù dù Hall probe/hɔːl prəʊb/ 霍尔探头 huò ěr tàn tóu semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ 半导体 bàn dǎo tǐ calibrate/ˈkælɪbreɪt/ 校准 jiào zhǔn velocity selection/vəˈlɒsɪti sɪˈlekʃn/ 速度选择 sù dù xuǎn zé 20.4
Força entre correntes paralelas
Programa
- esboçar padrões de campo magnético devidos às correntes em um fio reto longo, uma bobina circular plana e um solenoide longo
- compreender que o campo magnético devido à corrente em um solenoide é aumentado por um núcleo ferroso
- explicar a origem das forças entre condutores percorridos por corrente e determinar a direção dessas forças
Fonte: Programa Cambridge International
Dois fios longos paralelos cada um estão no campo magnético do outro. Usando a regra da mão esquerda de Fleming: correntes paralelas (mesmo sentido) atraem; correntes antiparalelas (sentidos opostos) repelem. Esta é a base da definição SI do ampere.

Correntes paralelas se atraem: cada fio está no campo do outro, e a regra da mão esquerda de Fleming dá uma força em direção ao outro fio Explicando a força (um padrão de três marcadores). (1) A corrente em P produz um campo magnético ao redor dela (círculos centrados em P). (2) Em Q, esse campo está perpendicular à corrente em Q, então Q, um condutor percorrido por corrente em um campo magnético, sente uma força $BIL$. (3) A regra da mão esquerda de Fleming dá sua direção: em direção a P para correntes no mesmo sentido, para longe para correntes opostas. Pela terceira lei de Newton, a força sobre P é igual e oposta, então ambos os fios se atraem (ou se repelem) com a mesma força. Dobrar a corrente em um fio dobra a força sobre ambos: a força sobre Q aumenta porque $I_{\text{Q}}$ dobrou, a força sobre P porque o campo em que está dobrou.
20.5
Indução eletromagnética
Programa
- definir fluxo magnético como o produto da densidade de fluxo magnético e a área transversal perpendicular à direção da densidade de fluxo magnético
- recordar e usar $\Phi = BA$
- compreender e usar o conceito de ligação de fluxo magnético
- compreender e explicar experimentos que demonstram: • que um fluxo magnético variável pode induzir uma f.e.m. em um circuito • que a f.e.m. induzida está em tal direção que se opõe à mudança que a produziu • os fatores que afetam a magnitude da f.e.m. induzida.
- recordar e usar as leis de Faraday e Lenz da indução eletromagnética
Fonte: Programa Cambridge International
O transformador: relação de espiras Indução eletromagnética Fluxo magnético
O fluxo magnético 磁通量 $\Phi$ através de uma área plana $A$ perpendicular a $B$ é
$$\Phi = B A.$$Se a normal da área estiver em ângulo $\theta$ a $B$, use $\Phi = B A \cos\theta$. Unidade: weber 韦伯, $\text{Wb} = \text{T m}^{2}$. Para uma bobina 线圈 de $N$ espiras, o acoplamento de fluxo 磁链 é $N\Phi = N B A$.
As definições de dois pontos. Fluxo magnético é o produto da densidade de fluxo magnético e da área (do circuito) perpendicular ao campo. Acoplamento de fluxo é o produto do fluxo e do número de espiras da bobina, $N\Phi$, em weber-espiras. Diga "perpendicular" (ou "normal ao campo"): $\Phi = BA$ só é verdadeiro para a componente da área perpendicular a $B$.
Exemplo resolvido. Uma pequena bobina de 64 espiras e área de secção transversal $0.71\ \text{cm}^{2}$ é colocada dentro de um solenóide longo, em seu eixo, onde a densidade de fluxo é $2.5\ \text{mT}$. Encontre o acoplamento de fluxo da bobina.
O fluxo através da bobina usa a própria área da bobina, não a do solenóide: $\Phi = BA = (2.5 \times 10^{-3})(0.71 \times 10^{-4}) = 1.8 \times 10^{-7}\ \text{Wb}$, então o acoplamento de fluxo é $N\Phi = 64 \times 1.8 \times 10^{-7} = 1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$. Quando a corrente do solenóide muda, a f.e.m. induzida na pequena bobina é a taxa de variação desse acoplamento.
Leis de Faraday e Lenz
Quando o acoplamento de fluxo através de um circuito muda, uma força eletromotriz 电动势 (f.e.m.) é induzida — isso é indução eletromagnética 电磁感应.
Lei de Faraday 法拉第定律: a f.e.m. induzida é igual à taxa de variação do acoplamento de fluxo:
$$|\varepsilon| = N\frac{d\Phi}{dt}.$$Exemplo resolvido. Uma bobina de $200$ espiras e área $0.010\ \text{m}^{2}$ está posicionada com seu plano perpendicular a um campo $0.50\ \text{T}$. O campo cai constantemente até zero em $0.20\ \text{s}$. Encontre a f.e.m. média induzida.
O acoplamento de fluxo muda de $N\Phi = NBA = 200 \times 0.50 \times 0.010 = 1.0\ \text{Wb}$ para zero, então
$$|\varepsilon| = \frac{\Delta(N\Phi)}{\Delta t} = \frac{1.0}{0.20} = 5.0\ \text{V}.$$Lei de Lenz 楞次定律: a f.e.m. induzida atua para opor-se à mudança que a provocou. Isso é conservação de energia 能量守恒 — se reforçasse a mudança, a energia viria de lugar nenhum. Combinado:
$$\varepsilon = -\frac{d(N\Phi)}{dt}.$$O que muda o fluxo?
- alterando $B$ (movendo um ímã perto de uma bobina),
- alterando a área $A$ (uma haste deslizante sobre trilhos),
- alterando a orientação (uma bobina girando em um campo — o gerador de c.a., próximo tópico).

A f.e.m. induzida é menos a inclinação do gráfico de acoplamento de fluxo: constante enquanto o fluxo muda constantemente, zero enquanto é constante, e maior e invertida quando o fluxo cai mais rápido Lendo uma f.e.m. de um gráfico de fluxo. A f.e.m. induzida é a inclinação do gráfico de acoplamento de fluxo (com um sinal negativo para Lenz). Um fluxo que sobe constantemente dá uma f.e.m. constante; um fluxo constante dá zero f.e.m. independentemente de quão grande seja o fluxo; uma queda mais rápida dá uma f.e.m. maior de sinal oposto. "Esboce a variação com o tempo da f.e.m." é respondido diferenciando o gráfico de fluxo visualmente, seção por seção.
Exemplo resolvido. A bobina de 64 espiras acima está em um solenoide cuja densidade de fluxo aumenta uniformemente de $0$ a $2.5\ \text{mT}$ em $40\ \text{ms}$ e depois se mantém constante. Encontre a f.e.m. induzida na bobina durante o aumento e, em seguida.
Durante o aumento, o enlace de fluxo cresce constantemente até $1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$: $\varepsilon = \Delta(N\Phi)/\Delta t = 1.1 \times 10^{-5}/0.040 = 2.8 \times 10^{-4}\ \text{V}$ ($0.28\ \text{mV}$), constante enquanto dura o aumento. Após isso, o enlace de fluxo é constante, então a f.e.m. é zero, embora a bobina ainda esteja em um campo forte: é a variação que induz.
Exemplo resolvido (corte de fluxo). Um avião com envergadura 翼展 de $60\ \text{m}$ voa horizontalmente a $250\ \text{m s}^{-1}$ onde a componente vertical do campo da Terra é $45\ \mu\text{T}$. Encontre a f.e.m. entre as pontas das asas.
Em tempo $\Delta t$ a asa varre uma área $L v \Delta t$, cortando fluxo $B L v \Delta t$, logo $\varepsilon = BLv = (45 \times 10^{-6})(60)(250) = 0.68\ \text{V}$. Apenas a componente de $B$ perpendicular à área varrida conta (neste caso, a vertical). Há uma d.d.p. entre as pontas das asas, mas nenhuma corrente, porque não há circuito fechado; as regras de Fleming indicam qual ponta é positiva.
Demonstrações
- mover um ímã em barra para dentro de uma bobina deflete um galvanômetro 检流计; a deflexão inverte-se quando o ímã é puxado para fora (lei de Lenz) e é maior para movimento mais rápido (lei de Faraday).

Demonstrando indução eletromagnética - um disco de cobre oscilando entrando em um campo é rapidamente desacelerado — correntes parasitas 涡流 são induzidas que se opõem ao movimento.

Amortecimento por correntes parasitas Freio eletromagnético, explicado com a lei de Lenz. Um disco de alumínio de um veículo gira entre os polos de um eletroímã. O disco corta as linhas de campo, logo uma f.e.m. é induzida nele; o disco é condutor, então correntes parasitas fluem; pela lei de Lenz, essas correntes produzem forças que se opõem ao movimento do disco, freando o veículo. A energia cinética é convertida em energia térmica no disco. O freio é mais forte em alta velocidade (maior taxa de corte de fluxo, logo maiores correntes) e diminui à medida que o veículo desacelera; ele não pode segurar um veículo parado, pois nenhum movimento significa nenhuma corrente induzida.
Um ímã oscilando em uma bobina. Um ímã em barra em uma mola oscila para dentro e para fora de uma bobina conectada a um resistor. O enlace de fluxo variável induz uma f.e.m.; com o circuito completo, flui uma corrente e, pela lei de Lenz, o campo da bobina se opõe ao movimento do ímã, logo a oscilação é amortecida: a energia sai da oscilação como calor no resistor e a amplitude decai. Abra o interruptor e a f.e.m. ainda é induzida, mas nenhuma corrente flui, logo a bobina não amortece mais o movimento.
O que torna a f.e.m. induzida maior
De $\varepsilon = N\,d\Phi/dt$ com $\Phi = BA$: mais espiras $N$, um campo $B$ mais forte, uma área maior $A$, ou uma variação mais rápida — cada uma resulta em uma f.e.m. induzida maior.
Encontrando a direção com a lei de Lenz. Empurre o polo N de um ímã em direção a uma bobina e a corrente induzida faz a face próxima da bobina ser um polo norte, para repelir o ímã aproximando-se; afaste-o e a face próxima torna-se um polo sul, para atraí-lo. Em cada caso, a pessoa que move o ímã realiza trabalho contra essa força, e esse trabalho é a fonte da energia elétrica: a lei de Lenz é conservação de energia disfarçada. Duas frases para memorizar: a f.e.m. induzida age em tal direção a produzir efeitos que se opõem à mudança que a produz (Lenz) e a f.e.m. induzida é proporcional à taxa de variação do enlace de fluxo (Faraday).
ExplorarIndução eletromagnética
Mova o ímã através da bobina — uma corrente é induzida apenas enquanto o campo está mudando. Mais rápido dá mais corrente; inverta o ímã para inverter a corrente.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin current/ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ 电磁铁 diàn cí tiě transformer/trænsˈfɔːmə/ 变压器 biàn yā qì ferrous/ˈferəs/ 含铁的 hán tiě de magnetised/ˈmæɡnɪtaɪzd/ 被磁化 bèi cí huà couple/ˈkʌpl/ 力偶 lì ǒu uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ 匀强场 yún qiáng chǎng magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ 磁通密度 cí tōng mì dù magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ 磁通量 cí tōng liàng electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ 电磁感应 diàn cí gǎn yìng weber/ˈveɪbə/ 韦伯 wéi bó flux linkage/flʌks ˈlɪŋkɪdʒ/ 磁链 cí liàn Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ 楞次定律 léng cì dìng lǜ electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ 法拉第定律 fǎ lā dì dìng lǜ conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng wingspan/ˈwɪŋspæn/ 翼展 yì zhǎn galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ 检流计 jiǎn liú jì eddy currents/ˈedi ˈkʌrənts/ 涡流 wō liú 20.5
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição campo magnético uma região na qual uma força atua sobre uma carga em movimento, um condutor percorrido por corrente ou um material magnético densidade de fluxo magnético a força por unidade de corrente por unidade de comprimento em um condutor reto colocado perpendicularmente ao campo tesla a densidade de fluxo que produz uma força de 1 N em 1 m de condutor percorrido por 1 A perpendicularmente ao campo fluxo magnético o produto da densidade de fluxo pela área perpendicular ao campo, $\Phi = BA$ enlace de fluxo o produto do fluxo através de uma bobina pelo seu número de espiras, $N\Phi$ weber um tesla metro quadrado lei de Faraday a f.e.m. induzida é proporcional à taxa de variação do enlace de fluxo lei de Lenz a f.e.m. induzida age em tal direção a produzir efeitos que se opõem à mudança que a produz tensão Hall a d.d.p. que se desenvolve através de uma fatia percorrida por corrente em um campo magnético, $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$ 20.5
Dicas de prova
- Força sobre uma corrente $F = BIL\sin\theta$; sobre uma carga em movimento $F = BQv\sin\theta$; direção dada pela regra da mão esquerda de Fleming com o segundo dedo ao longo da corrente convencional (inverta-a para um elétron).
- Uma carga movendo-se perpendicularmente a $B$ move-se em um círculo: $BQv = mv^{2}/r$, logo $r = mv/(BQ)$ e $T = 2\pi m/(BQ)$, independente da velocidade. Uma componente de $v$ ao longo de $B$ permanece inalterada: uma hélice.
- Campos cruzados: $v = E/B$ passa sem desvio. Sonda Hall: $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$, máxima com a fatia perpendicular a $B$; semicondutor porque $n$ é pequeno.
- Indução: f.e.m. $=$ taxa de variação de enlace de fluxo $N\Phi$ (Faraday); sua direção se opõe à mudança (Lenz). Em um gráfico de fluxo-tempo, a f.e.m. é a inclinação: variação constante dá f.e.m. constante, sem variação dá zero.
- Corte de fluxo: $\varepsilon = BLv$ para um condutor de comprimento $L$ movendo-se a $v$ perpendicularmente a $B$ (área varrida por segundo vezes $B$).
- As definições contêm as palavras "por unidade de corrente por unidade de comprimento", "perpendicularmente", "área perpendicular ao campo" e "taxa de variação do enlace de fluxo": cada uma vale uma marca.
Erros comuns
- Deixar "perpendicularmente ao campo" de fora da definição de densidade de fluxo, ou definir o tesla sem o 1 N, 1 m, 1 A.
- Usar a mão direita para a força sobre uma corrente (a regra da mão esquerda), ou apontar o segundo dedo ao longo do movimento do elétron em vez da corrente convencional.
- Dizer que uma carga estacionária sente uma força magnética, ou que uma carga movendo-se ao longo das linhas de campo o faz.
- Explicar o movimento circular sem dizer que a força é perpendicular à velocidade e constante em magnitude; ou afirmar que a força magnética altera a velocidade.
- Usar a área do solenoide em vez da pequena bobina ao encontrar seu enlace de fluxo.
- Dizer "um grande fluxo induz uma f.e.m.": apenas um enlace de fluxo variável o faz. Uma bobina em repouso em um campo constante não tem f.e.m.
- Citar a lei de Lenz como "a corrente se opõe ao ímã" sem "a mudança que a produz", ou a lei de Faraday sem "taxa de variação" ou sem "enlace de fluxo".
- Desenhar linhas de campo de fio retilíneo como círculos uniformemente espaçados ou sem setas; desenhar linhas de campo de um solenoide se cruzando dentro dele.
- Esquecer que dobrar a corrente em um de dois fios paralelos dobra a força em ambos (terceira lei de Newton).
-
21
Correntes alternadas
Assistir aula21.1
Fundamentos de corrente alternada
Programa
- compreender e usar os termos período, frequência e valor de pico aplicados a uma corrente alternada ou tensão
- usar equações da forma $x = x_0 \sin \omega t$ representando uma corrente ou tensão alternada senoidal
- recordar e usar o fato de que a potência média em uma carga resistiva é metade da potência máxima para uma corrente alternada senoidal
- distinguir entre valores raiz quadrada da média dos quadrados (rms) e valores de pico e recordar e usar $I_{\text{r.m.s.}} = I_0 / \sqrt{2}$ e $V_{\text{r.m.s.}} = V_0 / \sqrt{2}$ para uma corrente alternada senoidal
Fonte: Programa Cambridge International

Os transformadores de uma subestação elevam ou reduzem a tensão alternada. Uma corrente alternada 交流电 (c.a.) continua invertendo de direção. O fornecimento residencial é c.a. senoidal: $I$ ou $V$ segue uma onda senoidal no tempo:
$$I = I_{0} \sin (\omega t), \qquad V = V_{0} \sin (\omega t).$$(Para uma carga puramente resistiva a tensão 电压 e a corrente 电流 estão em fase, que é o caso neste programa de estudos.)

Uma corrente contínua estável comparada com uma corrente alternada senoidal de pico $I_0$ e período $T$ Termos-chave
- período 周期 $T$ — o tempo para um ciclo completo. Unidade: s.
- frequência 频率 $f$ — ciclos por segundo; $f = 1/T$. A rede costuma ser $50\ \text{Hz}$ ou $60\ \text{Hz}$.
- frequência angular 角频率 $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$.
- valor de pico 峰值 $I_{0}$ ou $V_{0}$ — o maior valor em um ciclo (também chamado de amplitude).
- valor de pico a pico 峰峰值 $2 I_{0}$ — de $+I_{0}$ a $-I_{0}$. Útil ao ler um osciloscópio.
As definições de duas marcas. A frequência de uma corrente alternada é o número de ciclos completos por unidade de tempo (digamos "por segundo" ou "por unidade de tempo", e "ciclos completos" ou "oscilações"). O período é o tempo para um ciclo completo, e o valor de pico é o valor máximo da corrente ou tensão durante um ciclo. Note que o valor médio de uma corrente senoidal sobre um ciclo é zero, que é exatamente por isso que o valor eficaz é necessário para descrevê-la.
Lendo a equação. Em $V = V_{0} \sin(\omega t)$ o número à frente é o valor de pico e o número multiplicando $t$ é $\omega = 2\pi f$; o ângulo $\omega t$ está em radianos 弧度, logo configure a calculadora em radianos antes de avaliar. Um fornecimento escrito com $\cos$ em vez de $\sin$ é a mesma onda começando em seu pico em vez de em zero.
Exemplo resolvido. A saída de um fornecimento é $V = 320 \sin(100\pi t)$ (volts, segundos). Encontre o valor de pico, a frequência, o período e o valor eficaz, e o primeiro momento após $t = 0$ em que $V = 160\ \text{V}$.
Pico $V_{0} = 320\ \text{V}$. $\omega = 100\pi\ \text{rad s}^{-1}$, logo $f = \omega/2\pi = 50\ \text{Hz}$ e $T = 1/f = 0.020\ \text{s}$. $V_{\text{r.m.s.}} = 320/\sqrt{2} = 226\ \text{V}$. Para $V = 160\ \text{V}$: $\sin(100\pi t) = 0.5$, logo $100\pi t = \pi/6$ e $t = 1/600 = 1.7 \times 10^{-3}\ \text{s}$. (Para $V = 18\cos(40\pi t)$ a mesma leitura dá $V_{0} = 18\ \text{V}$, $f = 20\ \text{Hz}$, $T = 50\ \text{ms}$, e um esboço que começa em $+18\ \text{V}$.)
Lendo um traço de CRO
Igual ao de qualquer onda (Tópico 7), usando um osciloscópio de raios catódicos 示波器:
- divisões horizontais × base de tempo 时基 → período $T$, logo $f = 1/T$.
- divisões verticais × ganho-$y$ → tensão de pico $V_{0}$ (meça do centro ao pico, ou do pico ao pico e divida ao meio).
ExplorarCorrente alternada
I = a sin(bt)
CA é uma onda senoidal — a amplitude é o pico, b define a frequência.
21.1
Potência entregue a um resistor
Para uma carga resistiva $R$, a potência 功率 instantânea é $P(t) = I(t)^{2} R$. Com $I = I_{0}\sin(\omega t)$:

A potência em um resistor pulsa; sua média é metade da potência de pico $$P(t) = I_{0}^{2} R \sin^{2}(\omega t).$$Isso é sempre positivo, com pico $I_{0}^{2} R$ e mínimo zero, oscilando em duas vezes a frequência de $I$. A média de $\sin^{2}(\omega t)$ sobre um ciclo é $\tfrac{1}{2}$, logo a potência média é
$$\langle P \rangle = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R = \tfrac{1}{2} P_{\text{peak}}.$$A potência c.a. média em um resistor é metade da potência de pico.
"Mostre por cálculo que a potência média é metade da potência de pico." Uma fonte com valor de pico $12\ \text{V}$ alimenta um resistor $680\ \Omega$. Potência de pico: $P_{0} = V_{0}^{2}/R = 12^{2}/680 = 0.212\ \text{W}$, a potência instantânea no momento em que a tensão está em seu pico. Potência média: use o valor eficaz (r.m.s.), $V_{\text{r.m.s.}} = 12/\sqrt{2} = 8.49\ \text{V}$, então $\langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 8.49^{2}/680 = 0.106\ \text{W}$, exatamente metade. Os dois cálculos devem ser mostrados separadamente; escrever "$\tfrac{1}{2}$ de $0.212$" não pontua, porque isso é justamente o que se deve demonstrar. O $\tfrac{1}{2}$ é $(1/\sqrt{2})^{2}$: elevar ao quadrado o fator r.m.s.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ root-mean-square/ruːt miːn skweə/ 均方根 jūn fāng gēn resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ 21.1
Valores eficazes (r.m.s.)
A corrente r.m.s. $I_{\text{r.m.s.}}$ é a corrente contínua constante que daria a mesma potência média na mesma resistência 电阻 $R$. De $\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$:
$$I_{\text{r.m.s.}} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}}, \qquad V_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}.$$
O valor r.m.s. é o nível c.c. constante ($V_0/\sqrt{2}$) que entrega a mesma potência média que a c.a. Exemplo resolvido. Uma fonte c.a. tem uma tensão de pico de $12\ \text{V}$. Encontre sua tensão r.m.s.
$$V_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}} = \frac{12}{\sqrt{2}} \approx 8.5\ \text{V}.$$O $\sqrt{2}$ vem do nome raiz-média-quadrática 均方根: $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle I^{2} \rangle}$ e $\langle \sin^{2}\rangle = \tfrac{1}{2}$. (Apenas o caso sinusoidal é necessário.)
A definição de duas marcas. O valor r.m.s. de uma corrente alternada é o valor da corrente direta (constante) que dissiparia a mesma (média) potência no mesmo resistor. "Por referência ao efeito térmico" significa exatamente esta frase: mesmo resistor, mesma potência (ou mesmo aquecimento), corrente direta. Uma definição que diz apenas "$I_{0}/\sqrt{2}$" pontua nada, porque essa fórmula é verdadeira apenas para uma onda senoidal.

Raiz-média-quadrática, tomada literalmente: eleve a corrente ao quadrado, faça a média dos quadrados ao longo de um ciclo, tire a raiz quadrada. Para uma corrente não sinusoidal, esta é a única maneira; $I_0/\sqrt{2}$ aplica-se apenas a uma onda senoidal Exemplo resolvido (não sinusoidal). Uma corrente através de um resistor é $+2.0\ \text{A}$ para a primeira metade de cada ciclo e $-1.0\ \text{A}$ para a segunda metade, uma onda quadrada 方波. Encontre seu valor r.m.s. e a potência média em um resistor $10\ \Omega$.
Eleve a corrente ao quadrado: $4.0\ \text{A}^{2}$ pela metade do tempo e $1.0\ \text{A}^{2}$ pela outra metade, então a média quadrática é $(4.0 + 1.0)/2 = 2.5\ \text{A}^{2}$ e $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.5} = 1.6\ \text{A}$. Potência média $= I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = 2.5 \times 10 = 25\ \text{W}$. O sinal da corrente não importa para o aquecimento (ele é elevado ao quadrado), e $I_{0}/\sqrt{2}$ teria dado a resposta errada, $1.4\ \text{A}$: esse atalho é apenas para ondas senoidais.
Por que os valores eficazes importam
Os valores de c.a. citados são valores eficazes.$230\ \text{V}$ "rede" significa $V_{\text{r.m.s.}} = 230\ \text{V}$, com pico de $V_{0} = 230\sqrt{2} \approx 325\ \text{V}$. Os componentes devem ser dimensionados para o valor de pico, não para o eficaz. A potência média assume então a forma d.c.:
$$\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = V_{\text{r.m.s.}}^{2} / R = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}}.$$Exemplo resolvido. Um aquecedor de resistência $50\ \Omega$ é conectado à rede r.m.s. $230\ \text{V}$. Encontre a corrente r.m.s. e a potência média dissipada.
$$I_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{\text{r.m.s.}}}{R} = \frac{230}{50} = 4.6\ \text{A}, \qquad \langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}} = 230 \times 4.6 \approx 1.1 \times 10^{3}\ \text{W}.$$Exemplo resolvido. Uma fonte sinusoidal de valor r.m.s. $4.2\ \text{V}$ e frequência $50\ \text{kHz}$ é conectada através de um resistor $150\ \Omega$. Encontre a corrente de pico, a potência média, e escreva uma equação para a corrente.
$V_{0} = 4.2\sqrt{2} = 5.9\ \text{V}$, então $I_{0} = V_{0}/R = 5.9/150 = 0.040\ \text{A}$ (ou $I_{\text{r.m.s.}} = 4.2/150 = 0.028\ \text{A}$ e então $\times\sqrt{2}$). Potência média $= V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 4.2^{2}/150 = 0.12\ \text{W}$. Com $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 5.0 \times 10^{4} = 3.1 \times 10^{5}\ \text{rad s}^{-1}$: $I = 0.040 \sin(3.1 \times 10^{5} t)$ (amps, segundos). Mantenha as duas famílias separadas: valores de pico vão na equação e nas classificações dos componentes; valores r.m.s. vão na potência.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin square wave/skweə weɪv/ 方波 fāng bō 21.2
Retificação
Programa
- distinguir graficamente entre retificação de meia-onda e retificação de onda completa
- explicar o uso de um único diodo para a retificação de meia-onda de uma corrente alternada
- explicar o uso de quatro diodos (retificador de ponte) para a retificação de onda completa de uma corrente alternada
- analisar o efeito de um único capacitor em suavização, incluindo o efeito dos valores de capacitância e da resistência de carga
Fonte: Programa Cambridge International

Um osciloscópio mostra como uma tensão varia com o tempo. Retificação 整流 converte uma tensão alternada em uma tensão de sentido único (semelhante a c.c.), usando diodos 二极管 (que conduzem em apenas uma direção).
"Afirme o que se entende por retificação." A conversão de uma corrente alternada (ou tensão) em uma corrente contínua (ou tensão): aquela que flui em uma única direção, independentemente de quanto varie. Um diodo conduz apenas quando está polarizado diretamente 正向偏置, isto é, quando seu ânodo (a extremidade plana do triângulo do símbolo) é mais positivo que seu cátodo (a barra); caso contrário, está polarizado reversamente e comporta-se como uma chave aberta. Trate-o como ideal: resistência zero num sentido, infinita no outro.
Retificação meia-onda
Um diodo único em série com a carga deixa passar apenas a metade positiva de cada ciclo; na metade negativa o diodo está polarizado reversamente 反向偏置 e nenhuma corrente flui. Isso é retificação meia-onda 半波整流.
Saída: meias-ondas positivas com lacunas planas de zero. A saída média é $V_{0}/\pi \approx 0.32 V_{0}$. Desvantagem: metade da entrada é desperdiçada e a saída é muito irregular.

Na retificação meia-onda, um diodo único passa apenas os semiciclos positivos 
O retificador meia-onda que o exame pede para desenhar: fonte, diodo, carga em série, saída sobre a carga; um capacitor de suavização, se desejado, vai em paralelo com a carga, nunca em série Completando o circuito. "Complete o diagrama para produzir retificação de meia onda" precisa de um diodo em série entre a fonte e a carga, com o triângulo apontando a direção que a corrente de saída deve fluir, e $V_{\text{OUT}}$ tomada sobre a carga. Se um capacitor for para suavizar a saída, ele vai sobre a carga (em paralelo); um capacitor em série bloquearia a c.c. completamente.
Retificação onda cheia (retificador de ponte)
Um retificador de ponte 桥式整流器 usa quatro diodos dispostos de modo que a corrente pela carga sempre flua no mesmo sentido, qualquer que seja o terminal alternado positivo — retificação onda cheia 全波整流. Em cada semiciclo, um par diferente de diodos conduz, mas a carga sempre vê o mesmo sentido.

Uma ponte de quatro diodos envia a corrente pela carga no mesmo sentido, qualquer que seja o terminal alternado positivo Explicando a ponte (o marcador padrão de quatro). Quando o terminal P é positivo, a corrente sai de P, passa pelo diodo apontando para longe de P até o topo da carga, flui para baixo pela carga e retorna a Q pelo diodo apontando para Q; os outros dois diodos estão polarizados reversamente e não conduzem. Quando Q é positivo, o outro par conduz, mas estão dispostos de modo que a corrente ainda entra na carga pelo topo: a corrente na carga está no mesmo sentido em ambos os semiciclos. Nomeie os diodos em cada semiciclo e diga qual extremidade da carga é positiva.
Completando uma ponte. Dada uma ponte com diodos faltantes, lembre-se da regra para todo diodo: a corrente convencional flui através dele na direção do triângulo. Ambos os diodos ligados ao terminal de saída positivo devem apontar para ele; ambos ligados ao terminal de saída negativo devem apontar para fora dele. Uma ponte com um diodo invertido ou curto-circuita a fonte em um semiciclo ou não deixa passar nada.
Saída: uma corrida contínua de meias-ondas positivas (sem lacunas), em duas vezes a frequência de entrada. A saída média é $2V_{0}/\pi \approx 0.64 V_{0}$ — o dobro do valor de meia onda. Usa toda a entrada e é mais suave e fácil de filtrar.

Na retificação onda cheia, todos os semiciclos são usados, resultando em uma sequência contínua de semipulsos positivos Desenhar os diagramas
- meia onda: fonte c.a. — diodo único — carga $R$, em série.
- ponte de onda completa: quatro diodos como os braços de um "losango"; a entrada c.a. vai para um par de cantos opostos, a carga $R$ sobre o outro par. As direções dos diodos fazem os terminais da carga manterem a mesma polaridade para qualquer polaridade de entrada.
"Afirme a diferença entre retificação meia-onda e onda cheia." Na retificação meia-onda, apenas uma metade de cada ciclo de entrada aparece na saída e a outra metade é bloqueada (a saída é zero pela metade do tempo); na retificação onda cheia, ambas as metades aparecem, uma delas invertida, assim não há lacunas e a saída tem dobrada a frequência de entrada. Um esboço deve mostrar, para meia-onda, semipulsos positivos separados por seções planas de zero de comprimento igual; para onda cheia, semipulsos positivos unidos na linha de zero.
ExplorarCaminho do retificador e suavização
Observe a entrada alternada se transformando em uma saída contínua mais suave.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin rectification/ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ 整流 zhěng liú diode/ˈdaɪəʊd/ 二极管 èr jí guǎn forward-biased/ˈfɔːwəd ˈbaɪəst/ 正向偏置 zhèng xiàng piān zhì reverse-biased/rɪˈvɜːs ˈbaɪəst/ 反向偏置 fǎn xiàng piān zhì half-wave rectification/hɑːf weɪv ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ 半波整流 bàn bō zhěng liú full-wave rectification/fʊl weɪv ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ 全波整流 quán bō zhěng liú bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ 桥式整流器 qiáo shì zhěng liú qì time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ 时间常数 shí jiān cháng shù ripple/ˈrɪpl/ 纹波 wén bō 21.2
Suavização com um capacitor
A saída de um retificador ainda é irregular. Para suavizá-la, coloque um capacitor 电容器 $C$ em paralelo com a carga $R$.
Como funciona
- na parte ascendente de cada pulso, o capacitor carrega-se quase até o pico.
- na parte descendente (e qualquer lacuna), os diodos estão polarizados reversamente, então o capacitor descarrega através da carga, mantendo a corrente fluindo. A tensão cai com a constante de tempo 时间常数 $RC$ (Tópico 19).
- no próximo pico, o capacitor recarrega-se, e o ciclo se repete.
A saída agora situa-se perto do pico com pequenas quedas. O tamanho das quedas é a ondulação 纹波 (todo este passo é chamado de suavização 平滑).

Um capacitor sobre a carga suaviza a saída retificada, deixando apenas uma pequena ondulação 
A mesma alimentação retificada suavizada com diferentes constantes de tempo: um $RC$ maior (mais capacitância, ou uma maior resistência de carga) decai menos entre os picos, então a ondulação é menor Exemplo resolvido. Um retificador de meia onda alimentado por uma fonte $50\ \text{Hz}$ tem um capacitor $470\ \mu\text{F}$ sobre sua carga 负载 $1.2\ \text{k}\Omega$. Estime a queda fracionária na saída entre os picos, e diga como ela muda com um retificador de ponte.
Os picos estão $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$ separados (retificação de meia-onda: um pico por ciclo). A constante de tempo é $RC = (1.2 \times 10^{3})(470 \times 10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$. Entre os picos, o capacitor descarga até $V_{0} e^{-t/RC} = V_{0} e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_{0}$, uma queda de aproximadamente $3.5\%$. Com retificação de onda completa, os picos estão $10\ \text{ms}$ separados, então a queda é apenas $1.8\%$; dobrar a capacitância reduziria isso pela metade novamente. Como $t \ll RC$, a queda é aproximadamente $V_{0}\, t/(RC)$: a ondulação é proporcional ao tempo entre picos e inversamente proporcional tanto a $R$ quanto a $C$. (Uma rede de capacitores em paralelo com a saída combina pelas regras do Tópico 19 antes de ser usada aqui.)
O que reduz a ondulação
- maior $C$ → mais carga armazenada → menor queda entre picos → ondulação menor.
- maior $R$ → menor corrente de carga → descarga mais lenta → ondulação menor.
- frequência retificada maior (onda completa é o dobro da entrada) → menos tempo para descargar entre picos → ondulação menor.
Em resumo, um grande $RC$ comparado com o tempo entre picos fornece uma saída mais suave.
Esboçando a saída suavizada. Desenhe primeiro as protuberâncias sem suavização levemente. A curva suavizada toca cada pico, depois cai ao longo de uma curva suave (mais íngreme logo após o pico) até que a próxima protuberância suba para encontrá-la, onde ela vira bruscamente para cima e segue a protuberância até o pico. Ela nunca cai a zero, e nunca sobe acima do pico. Para retificação de meia-onda, o decaimento deve durar também pelo meio-ciclo ausente, então a ondulação é cerca de duas vezes a da onda completa para o mesmo $RC$. Se a questão alterar $C$ ou $R$, redesenhe nos mesmos eixos: um $RC$ maior se ajusta mais próximo à linha do pico; um $RC$ menor afunda mais.
Finalidade em resumo
O capacitor de suavização reduz a ondulação, fornecendo uma tensão contínua estável adequada para eletrônicos sensíveis.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin smoothing/ˈsmuːðɪŋ/ 平滑 píng huá capacitor/kəˈpæsɪtə/ 电容器 diàn róng qì 21.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição corrente alternada uma corrente que inverte periodicamente sua direção (varia sinusoidalmente com o tempo em torno de zero) período o tempo para um ciclo completo frequência o número de ciclos completos por unidade de tempo valor de pico o valor máximo da corrente ou tensão em um ciclo valor eficaz (r.m.s.) o valor da corrente contínua (estável) que dissiparia a mesma potência no mesmo resistor retificação a conversão de uma corrente alternada em uma corrente contínua (em uma única direção) retificação de meia-onda apenas uma metade de cada ciclo é passada para a saída; a outra metade é bloqueada retificação de onda completa ambas as metades de cada ciclo aparecem na saída na mesma direção suavização uso de um capacitor em paralelo com a carga para reduzir a variação (ondulação) de uma saída retificada Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ 交流电 jiāo liú diàn current/ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ 电压 diàn yā load/ləʊd/ 负载 fù zài period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ 角频率 jiǎo pín lǜ peak value/piːk ˈvæljuː/ 峰值 fēng zhí peak-to-peak value/piːk tə piːk ˈvæljuː/ 峰峰值 fēng fēng zhí radians/ˈreɪdɪənz/ 弧度 hú dù cathode-ray oscilloscope/ˈkæθəʊd reɪ ɒˈsɪləskəʊp/ 示波器 shì bō qì time-base/taɪm beɪs/ 时基 shí jī 21.2
Dicas de prova
- $V = V_{0} \sin\omega t$ com $\omega = 2\pi f$ em radianos por segundo: leia $V_{0}$ e $\omega$ diretamente da equação; modo radiano para qualquer cálculo de tempo.
- $I_{\text{r.m.s.}} = I_{0}/\sqrt{2}$ e $V_{\text{r.m.s.}} = V_{0}/\sqrt{2}$ para uma onda senoidal apenas; caso contrário, quadrada, média, raiz. Os valores citados da rede elétrica são eficazes; os componentes são classificados para o pico.
- A potência média em um resistor é $I_{\text{r.m.s.}}^{2}R = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$, metade da potência de pico; a corrente média é zero, a potência média não é.
- Um diodo em série proporciona retificação de meia-onda; uma ponte de quatro diodos proporciona onda completa, com a corrente de carga sempre na mesma direção e a saída com o dobro da frequência de entrada.
- Suavização: capacitor em paralelo com a carga; a ondulação diminui com um $C$ maior, um $R$ maior (menor corrente de carga) e uma frequência retificada maior, pois o decaimento entre picos é $V_{0}e^{-t/RC}$.
- Esboços são marcados na forma: protuberâncias que tocam a linha do pico, um decaimento que nunca atinge zero, lacunas planas de zero para meia-onda, nenhuma para onda completa.
Erros comuns
- Usando o valor de pico em um cálculo de potência, ou o valor eficaz como amplitude em $V = V_{0}\sin\omega t$.
- Escrever $\omega = f$ ou $\omega = 2\pi/f$; ele é $2\pi f = 2\pi/T$.
- Definindo o valor r.m.s. como "o pico dividido por $\sqrt{2}$", ou omitindo "mesma potência" e "mesmo resistor".
- Aplicar $I_{0}/\sqrt{2}$ a uma onda quadrada ou triangular.
- Desenhar um diodo invertido, ou uma ponte em que dois diodos conectados ao mesmo terminal de saída apontam em direções opostas.
- Colocar o capacitor de suavização em série com a carga.
- Uma saída suavizada desenhada caindo a zero entre picos, ou subindo acima do pico.
- Dizer que uma resistência de carga maior provoca uma ondulação maior; um $R$ maior significa uma corrente menor, uma descarga mais lenta e uma ondulação menor.
- Afirmar que a retificação de onda completa fornece uma contínua estável; sem um capacitor, é uma série de protuberâncias com uma ondulação grande.
-
22
Física quântica
Assistir aula22.1
Fótons: a natureza corpuscular da luz
Programa
- compreender que a radiação eletromagnética tem uma natureza corpuscular
- compreender que um fóton é um quanta de energia eletromagnética
- recordar e usar $E = hf$
- usar o eletron-volt (eV) como unidade de energia
- compreender que um fóton possui momento e que o momento é dado por $p = E/c$
Fonte: Programa Cambridge International
A radiação eletromagnética comporta-se como partículas além de uma onda. As partículas da radiação EM são fótons 光子 — pequenos pacotes ("quanta" 量子) de energia EM que viajam à velocidade da luz.
"Afirme o que se entende por fóton (duas marcas).** Um fóton é um quanta (um pacote discreto) de energia de radiação eletromagnética. Ambas as metades pontuam: quanta ou pacote (ou "quantidade discreta"), e de radiação eletromagnética (ou "de luz"). "Uma partícula de luz" sozinho não é suficiente. O fato de a radiação vir nesses pacotes é o que o programa denomina sua natureza corpuscular 粒子性: a energia é entregue em lotes de $hf$, nunca em pedaços menores.

Um fóton é um pacote de energia, E = hf Energia de um fóton
Um fóton de frequência 频率 $f$ tem energia
$$E = h f,$$onde $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$ é a constante de Planck 普朗克常量. Usando $c = f\lambda$:
$$E = \frac{h c}{\lambda}.$$Exemplo resolvido. Encontre a energia de um fóton de luz verde de comprimento de onda $500\ \text{nm}$. ($h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$, $c = 3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$.)
$$E = \frac{hc}{\lambda} = \frac{(6.63 \times 10^{-34})(3.0 \times 10^{8})}{500 \times 10^{-9}} \approx 4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}\ (\approx 2.5\ \text{eV}).$$Fótons de frequência mais alta (comprimento-de-onda 波长 mais curto) carregam mais energia: um fóton de raios $\gamma$ carrega muito mais do que um fóton de rádio.
O elétron-volt
O elétron-volt 电子伏特 (eV) é uma unidade de energia conveniente na escala atômica:
$$1\ \text{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}.$$É a energia cinética 动能 que um elétron 电子 ganha movendo-se através de uma diferença de potencial 电势差 de 1 V. Por exemplo, um fóton visível ($\lambda \approx 500\ \text{nm}$) tem energia $\approx 2.5\ \text{eV}$. Para ir de eV → J multiplique por $1.60 \times 10^{-19}$; J → eV divida.
Usando o elétron-volt. Energias de fótons, funções trabalho e níveis de energia são todos alguns eV, então o exame os cita dessa forma e espera que você mude entre unidades sem complicação: uma função trabalho de $2.0\ \text{eV}$ é $2.0 \times 1.60 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\ \text{J}$; um fóton de $4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}$ é $2.5\ \text{eV}$. Um atalho útil para comprimentos de onda: $hc = 1.99 \times 10^{-25}\ \text{J m} = 1240\ \text{eV nm}$, então um fóton de $2.0\ \text{eV}$ tem $\lambda = 1240/2.0 = 620\ \text{nm}$ (vermelho) e um fóton de $400\ \text{nm}$ carrega $3.1\ \text{eV}$.
Momento de um fóton
Um fóton também carrega momento 动量:
$$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}.$$Ele tem massa de repouso zero, mas momento não-zero $E/c$. A pressão da radiação (fótons empurrando uma superfície) decorre disso.
"Mostre que $p = h/\lambda$." Comece com as duas relações do fóton: $E = hf$ e $p = E/c$. Então $p = hf/c$, e já que $c = f\lambda$, $f/c = 1/\lambda$, então $p = h/\lambda$. Forneça ambas as equações iniciais e a equação de onda; a marca é para a cadeia, não para o resultado.
Exemplo resolvido. Um fóton no espaço livre tem momento $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Mostre que é um fóton de luz vermelha.
$\lambda = h/p = 6.63 \times 10^{-34}/9.5 \times 10^{-28} = 7.0 \times 10^{-7}\ \text{m} = 700\ \text{nm}$, que está na extremidade vermelha do espectro visível ($400$–$700\ \text{nm}$). A energia é $pc = 2.9 \times 10^{-19}\ \text{J} = 1.8\ \text{eV}$.

Pressão da radiação: força igual ao número de fótons chegando por segundo vezes a mudança no momento de cada um; um espelho dobra a mudança, um absorvedor não faz Pressão da radiação 辐射压. Um feixe de intensidade $I$ (potência por área unitária) caindo sobre uma área $A$ entrega $IA/(hf)$ fótons por segundo, cada um com momento $h/\lambda$. Força é a taxa de mudança do momento. Em um espelho, cada fóton reflete, então sua mudança de momento é $2p$ e a força é $F = 2IA/c$ (pressão $2I/c$); em uma superfície preta, cada fóton é absorvido, a mudança é $p$, e a pressão é $I/c$. Duas coisas seguem, e ambas são examinadas: a pressão depende da intensidade, não da cor, porque a luz azul da mesma intensidade tem menos fótons por segundo, mas cada um carrega proporcionalmente mais momento; e mesmo a luz solar ($I \approx 1\ \text{kW m}^{-2}$) exerce apenas alguns micropascals.
Exemplo resolvido. Luz vermelha de intensidade $160\ \text{W m}^{-2}$ incide normalmente em um espelho plano; cada fóton tem momento $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Encontre o número de fótons atingindo $1.0\ \text{m}^{2}$ do espelho por segundo, e a pressão sobre ele.
Energia do fóton $E = pc = (9.5 \times 10^{-28})(3.00 \times 10^{8}) = 2.85 \times 10^{-19}\ \text{J}$. Fótons por segundo em $1.0\ \text{m}^{2}$: $160/2.85 \times 10^{-19} = 5.6 \times 10^{20}\ \text{s}^{-1}$. Cada um é refletido, então a força é $F = 5.6 \times 10^{20} \times 2 \times 9.5 \times 10^{-28} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{N}$ em $1.0\ \text{m}^{2}$: uma pressão de $1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$ (confira: $2I/c = 320/3.00 \times 10^{8} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$). Substitua o feite por luz azul da mesma intensidade e a pressão permanece inalterada.
Exemplo resolvido. Um laser emite $2.0\ \text{mW}$ de luz de comprimento de onda $650\ \text{nm}$. Encontre o número de fótons que ele emite por segundo, e a força sobre uma superfície que absorve o feixe completamente.
$E = hc/\lambda = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(650 \times 10^{-9}) = 3.06 \times 10^{-19}\ \text{J}$, então a taxa é $P/E = 2.0 \times 10^{-3}/3.06 \times 10^{-19} = 6.5 \times 10^{15}\ \text{s}^{-1}$. A força é o momento entregue por segundo: $F = P/c = 2.0 \times 10^{-3}/3.00 \times 10^{8} = 6.7 \times 10^{-12}\ \text{N}$ (ou $6.5 \times 10^{15} \times h/\lambda$, a mesma coisa).
ExplorarEnergia de um fóton
E = h·f
A energia de um fóton é proporcional à frequência — a inclinação é a constante de Planck h.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin photon/ˈfəʊtɒn/ 光子 guāng zi quanta/ˈkwɒntə/ 量子 liàng zǐ discrete/dɪˈskriːt/ 分立 fēn lì particulate nature/pəˈtɪkjʊleɪt ˈneɪtʃə/ 粒子性 lì zi xìng Radiation pressure/ˌreɪdɪˈeɪʃn ˈpreʃə/ 辐射压 fú shè yā photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ 光电效应 guāng diàn xiào yìng photoelectron/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɒn/ 光电子 guāng diàn zi threshold frequency/ˈθreʃəʊld ˈfriːkwənsi/ 极限频率 jí xiàn pín lǜ threshold wavelength/ˈθreʃəʊld ˈweɪvleŋθ/ 极限波长 jí xiàn bō cháng stopping potential/ˈstɒpɪŋ pəˈtenʃl/ 遏止电势 è zhǐ diàn shì wave–particle duality/weɪv ˈpɑːtɪkl djuːˈælɪti/ 波粒二象性 bō lì èr xiàng xìng interference/ˌɪntəˈfɪərəns/ 干涉 gān shè diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ 衍射光栅 yǎn shè guāng shān 22.2
Efeito fotoelétrico
Programa
- compreender que fotoelétrons podem ser emitidos de uma superfície metálica quando iluminada por radiação eletromagnética
- compreender e usar os termos frequência limiar e comprimento de onda limiar
- explicar a emissão fotoelétrica em termos de energia de fótons e energia de função de trabalho
- recordar e usar $hf = \Phi + \frac{1}{2}m{v_{\text{max}}}^2$
- explicar por que a energia cinética máxima dos fotoelétrons é independente da intensidade, enquanto a corrente fotoelétrica é proporcional à intensidade
Fonte: Programa Cambridge International
O efeito fotoelétrico, fóton por fóton 
Células solares usam o efeito fotoelétrico para converter luz em eletricidade. Quando radiação EM de frequência suficientemente alta atinge um metal, elétrons são emitidos. Estes são fotoelétrons 光电子, e o efeito é o efeito fotoelétrico 光电效应.
"Afirme o que se entende pelo efeito fotoelétrico." A emissão de elétrons de (a superfície de) um metal quando radiação eletromagnética de frequência suficientemente alta incide sobre ele. Duas marcas: emissão de elétrons e de uma superfície metálica iluminada por radiação eletromagnética (ou "quando luz é projetada sobre ele"). É a evidência do programa para a natureza corpuscular da radiação, porque uma onda não poderia explicar o que se segue.

Um fóton dá sua energia $hf$ a um elétron: parte o libera (a função trabalho $\Phi$), o resto é a KE do elétron 
Uma placa de zinco carregada perde sua carga — a lâmina de ouro cai — quando a luz ultravioleta incide sobre ela Frequência limite e função trabalho
Cada metal possui uma frequência mínima de fóton, a frequência limite 极限频率 $f_{0}$, abaixo da qual nenhum elétron é emitido, independentemente da intensidade da luz. A função trabalho 逸出功 $\Phi$ é a menor energia necessária para libertar um elétron da superfície:
$$\Phi = h f_{0}.$$Diferentes metais têm diferentes funções trabalho (cerca de $2$–$5\ \text{eV}$).
As definições de duas marcas. A energia de função trabalho de um metal é a energia mínima necessária para remover um elétron da superfície do metal. Ambas as palavras "mínima" e "da superfície" valem pontos: um elétron mais profundo no metal precisa de mais energia, motivo pelo qual a equação fornece uma energia cinética máxima. A frequência limite é a frequência mínima de radiação para a qual fotoelétrons são emitidos, e o comprimento de onda limite 极限波长 $\lambda_{0} = c/f_{0} = hc/\Phi$ é o correspondente comprimento de onda máximo: comprimentos de onda maiores não causam efeito.
Exemplo resolvido. Luz de comprimento de onda $400\ \text{nm}$ incide sobre quatro metais cujas funções trabalho são: césio $2.1\ \text{eV}$, sódio $2.3\ \text{eV}$, zinco $4.3\ \text{eV}$, platina $5.6\ \text{eV}$. Quais emitem fotoelétrons e com que energia cinética máxima?
A energia do fóton é $hc/\lambda = 1240/400 = 3.1\ \text{eV}$. A emissão exige $hf \geq \Phi$, portanto césio ($3.1 - 2.1 = 1.0\ \text{eV}$) e sódio ($0.8\ \text{eV}$) emitem; zinco e platina não emitem, por mais intensa que seja a luz. Para fazer o zinco emitir, o comprimento de onda deve ser inferior a $\lambda_{0} = 1240/4.3 = 290\ \text{nm}$, na faixa ultravioleta, razão pela qual a demonstração com eletroscópio requer uma lâmpada UV no zinco.
Exemplo resolvido. Uma folha polida de magnésio em vácuo emite elétrons apenas quando a frequência ultravioleta é pelo menos $8.8 \times 10^{14}\ \text{Hz}$. Ela é iluminada a $1.2 \times 10^{15}\ \text{Hz}$. Encontre a função trabalho e a velocidade máxima dos fotoelétrons.
$\Phi = hf_{0} = (6.63 \times 10^{-34})(8.8 \times 10^{14}) = 5.8 \times 10^{-19}\ \text{J}$ ($3.6\ \text{eV}$). Então $\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}) = (6.63 \times 10^{-34})(1.2 \times 10^{15} - 8.8 \times 10^{14}) = 2.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$, logo $v_{\text{max}} = \sqrt{2 \times 2.1 \times 10^{-19}/9.11 \times 10^{-31}} = 6.8 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$. Subtraia as frequências antes de multiplicar por $h$; arredondar $hf$ e $\Phi$ separadamente reduz uma algarismo significativo na pequena diferença.
Equação do efeito fotoelétrico de Einstein
Um fóton transfere toda a sua energia a um único elétron. Se a energia do fóton $hf$ for maior que a função trabalho, o elétron escapa com energia cinética até um máximo:
$$h f = \Phi + \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2}, \qquad\text{so}\qquad \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}).$$Exemplo resolvido. Um metal tem função trabalho de $2.0\ \text{eV}$. Luz composta por fótons de energia $3.5\ \text{eV}$ incide sobre ele. Encontre a energia cinética máxima dos fotoelétrons.
$$\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = hf - \Phi = 3.5 - 2.0 = 1.5\ \text{eV}\ (= 2.4 \times 10^{-19}\ \text{J}).$$Assim, a energia cinética máxima dos fotoelétrons depende linearmente da frequência, não do brilho.

A energia cinética máxima dos fotoelétrons aumenta linearmente com a frequência, atingindo zero na frequência limite $f_0$ 
Dois metais num mesmo gráfico: linhas paralelas (a inclinação é a constante de Planck para ambos), cada uma cortando o eixo das frequências na sua própria frequência limite e o eixo de energia em menos a sua própria função trabalho Lendo o gráfico. Reescreva a equação como $E_{\text{K,max}} = hf - \Phi$: uma linha reta de inclinação $h$, intercepto $-\Phi$ no eixo de energia e $f_{0} = \Phi/h$ no eixo das frequências. Assim, um gráfico para dois metais mostra duas linhas paralelas (mesma inclinação $h$ para todo metal), o metal com maior função trabalho cortando o eixo das frequências mais à direita; a intensidade da luz não desloca nenhuma das linhas. É assim que a constante de Planck é medida, e "desenhe a linha para o metal Y" é pontuado exatamente por essas duas características.

Investigando o efeito: a corrente mede a taxa de emissão, e a p.d. reversível que para exatamente os elétrons mais rápidos mede sua energia cinética máxima Medindo a energia cinética máxima. Numa célula fotoelétrica, os fotoelétrons atravessam o vácuo até um coletor e a corrente é uma contagem de elétrons por segundo. Torne o coletor negativo e os elétrons devem subir uma colina potencial; aumente a p.d. reversível até que a corrente caia a zero, a potencial de parada 遏止电势 $V_{\text{s}}$, e então $eV_{\text{s}} = E_{\text{K,max}}$. Dois resultados cobrados em prova: a frequência fixa, dobrar a intensidade dobra a corrente a baixa p.d. reversível, mas deixa $V_{\text{s}}$ inalterado; aumentar a frequência eleva $V_{\text{s}}$, mas, a intensidade fixa, não eleva a corrente.
Por que o modelo de onda falha
Um modelo de onda prevê que o brilho deve definir a energia cinética dos elétrons e que a emissão deveria ocorrer em qualquer frequência dado tempo suficiente. Mas os experimentos mostram:
- nenhuma emissão abaixo da frequência limite, por mais brilhante que seja.
- emissão imediata em ou acima do limite, mesmo quando tênue.
- energia cinética máxima depende da frequência, não do brilho.
- o número de fotoelétrons (a corrente) depende do brilho.
O modelo de fótons explica isso: a luz chega como fótons, cada um com energia $hf$. Uma interação fóton-elétron ou tem energia suficiente para libertar o elétron ($hf \geq \Phi$) ou não tem.
Por que a KE máxima é fixa mas a corrente cresce com o brilho
Um feixe mais brilhante da mesma frequência tem mais fótons por segundo, mas cada um ainda carrega $hf$. Assim, a energia cinética máxima de qualquer elétron é $hf - \Phi$ (definida apenas por $f$), enquanto a taxa de emissão (a corrente) cresce com o número de fótons, isto é, com o brilho. Dobrar o brilho dobra a corrente, mas não altera a energia cinética máxima.
Escrevendo a explicação (um padrão de três marcadores). (1) Cada fóton interage com e transfere toda a sua energia a um elétron. (2) A energia do fóton $hf$ depende apenas da frequência, então a energia máxima que um elétron pode ter ao sair, $hf - \Phi$, é fixada pela frequência. (3) Aumentar a intensidade na mesma frequência aumenta o número de fótons por segundo, então mais elétrons são emitidos por segundo (uma corrente maior), mas cada um ainda recebe a mesma energia. Uma onda, por outro lado, espalharia sua energia sobre a superfície, então uma onda mais brilhante deveria ter dado elétrons mais rápidos e uma tênue deveria ter precisado de atraso para acumular energia; nada disso acontece.
ExplorarEfeito fotoelétrico
KEmax = h·f − φ
KE máxima é uma linha reta em função da frequência, com intercepto −φ (a função trabalho).
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ Planck constant/plæŋk ˈkɒnstənt/ 普朗克常量 pǔ lǎng kè cháng liàng wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng electronvolt/ɪˈlektrɒnvəʊlt/ 电子伏特 diàn zi fú tè kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng 22.3
Dualidade onda-partícula
Programa
- compreender que o efeito fotoelétrico fornece evidências para uma natureza corpuscular da radiação eletromagnética, enquanto fenômenos como interferência e difração fornecem evidências para uma natureza ondulatória
- descrever e interpretar qualitativamente as evidências fornecidas pela difração de elétrons para a natureza ondulatória das partículas
- compreender o comprimento de onda de de Broglie como o comprimento de onda associado a uma partícula em movimento
- recordar e usar $\lambda = h/p$
Fonte: Programa Cambridge International
O efeito fotoelétrico é forte evidência da natureza particular da luz. Mas interferência 干涉 (fenda dupla de Young, a rede de difração 衍射光栅) e difração 衍蚓 mostram sua natureza ondulatória. Assim, a luz tem ambos os lados — onda e partícula — isso é dualidade onda-partícula 波粒二象性.
"Descreva o que se entende por dualidade onda-partícula" (duas marcas). Radiação eletromagnética (e matéria) pode exibir tanto propriedades ondulatórias, como interferência e difração, quanto propriedades particulares, como o efeito fotoelétrico (ou, para matéria, colisões discretas). Pedida uma peça de evidência para cada natureza da radiação, dê: partícula, o efeito fotoelétrico (a frequência limite e a emissão imediata); onda, difração ou interferência (fendas de Young, uma rede de difração). Para matéria, a evidência ondulatória é a difração de elétrons.
Hipótese de De Broglie
Se uma onda pode agir como partículas, talvez partículas possam agir como ondas. De Broglie propôs que qualquer partícula em movimento tem um comprimento de onda de De Broglie 德布罗意波长:
$$\lambda = \frac{h}{p},$$onde $p = mv$. Exemplo: um elétron a $v = 4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ tem $p = 4.46 \times 10^{-23}\ \text{kg m s}^{-1}$, logo $\lambda = 1.49 \times 10^{-11}\ \text{m} \approx 0.015\ \text{nm}$ — próximo às distâncias atômicas.
"Enuncie o que se entende por comprimento de onda de De Broglie." O comprimento de onda associado a uma partícula em movimento, ou o comprimento de onda da onda associada a uma partícula de momento $p$, dado por $\lambda = h/p$ onde $h$ é a constante de Planck. Em "enuncie a fórmula e o significado de qualquer outro símbolo", nomeie $h$ como a constante de Planck e $p$ como o momento da partícula. O comprimento de onda é pequeno porque $h$ é pequeno: uma bola de $0.10\ \text{kg}$ a $10\ \text{m s}^{-1}$ tem $\lambda = 6.6 \times 10^{-34}\ \text{m}$, muito abaixo de qualquer fenda ou espaçamento de rede, razão pela qual objetos cotidianos não mostram difração.
Difração de elétrons
Quando elétrons são disparados contra uma rede cristalina 晶格 (ex. grafite fino), eles formam um padrão de difração de anéis brilhantes numa tela — exatamente o que ondas de comprimento de onda $\lambda = h/p$ fariam. Esta é evidência direta da natureza ondulatória das partículas (difração de elétrons 电子衍射): apenas ondas difratam, contudo os elétrons o fazem.
Um elétron mais rápido tem mais momento, logo um comprimento de onda de De Broglie mais curto, que difrata menos — os anéis ficam mais juntos. Desacelerar os elétrons espalha os anéis. Para calcular: $p = \sqrt{2 m E_{\text{K}}}$, e para um elétron acelerado através de p.d. $V$, $E_{\text{K}} = eV$, logo $\lambda = h/\sqrt{2m_{e} e V}$.

Elétrons disparados contra grafite formam um padrão de difração em anéis — apenas ondas difratam, logo os elétrons se comportam como ondas Exemplo resolvido. Um elétron é acelerado do repouso através de uma p.d. de $2500\ \text{V}$. Encontre seu comprimento de onda de De Broglie. ($m_{e} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$.)
Sua energia cinética é $E_{\text{K}} = eV$, logo $\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2 m_{e} e V}}$:
$$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34}}{\sqrt{2(9.11 \times 10^{-31})(1.6 \times 10^{-19})(2500)}} \approx 2.5 \times 10^{-11}\ \text{m}.$$Isso é próximo ao espaçamento entre átomos num cristal, razão pela qual os elétrons difratam no grafite.
Derivando $\lambda$ para um elétron acelerado. Um elétron de massa $m$ e carga $q$ acelerado do repouso através de uma p.d. $V$ ganha energia cinética $qV = \tfrac{1}{2}mv^{2}$, logo $v = \sqrt{2qV/m}$ e $p = mv = \sqrt{2mqV}$; logo $\lambda = h/\sqrt{2mqV}$. Duas consequências que a prova pede: aumentar $V$ aumenta o momento e encurta o comprimento de onda, logo os anéis de difração encolhem em direção ao centro; reduzir o comprimento de onda pela metade exige quatro vezes a p.d.
Descrevendo a difração de elétrons (quatro pontos). (1) Elétrons de um filamento aquecido são acelerados por uma alta d.p. em um feixe. (2) O feixe encontra um filme fino de grafite poli cristalino 多晶; o espaçamento regular dos átomos de carbono, cerca de $10^{-10}\ \text{m}$, atua como uma rede de difração. (3) Em uma tela fluorescente, os elétrons produzem um ponto central brilhante rodeado por anéis concêntricos. (4) Os anéis são um padrão de difração e a difração é uma propriedade de onda, então os elétrons estão se comportando como ondas; os raios dos anéis correspondem a um comprimento de onda $h/p$, o que confirma a relação de de Broglie. Desenhe o padrão como anéis, não como pontos ou um padrão de franjas. Um feixe mais rápido produz anéis de raio menor.
ExplorarO comprimento de onda de de Broglie
λ = h/p
O comprimento de onda de uma partícula é inversamente proporcional ao seu momento — partículas mais rápidas e pesadas têm ondas mais curtas.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ 逸出功 yì chū gōng diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射 yǎn shè electron diffraction/ɪˈlektrɒn dɪˈfrækʃn/ 电子衍射 diàn zi yǎn shè de Broglie wavelength/də ˈbrəʊli ˈweɪvleŋθ/ 德布罗意波长 dé bù luó yì bō cháng crystal lattice/ˈkrɪstl ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé polycrystalline/ˌpɒlɪˈkrɪstəlaɪn/ 多晶的 duō jīng de ground state/ɡraʊnd steɪt/ 基态 jī tài excited state/ekˈsaɪtɪd steɪt/ 激发态 jī fā tài 22.4
Níveis de energia em átomos
Programa
- compreender que existem níveis de energia eletrônicos discretos em átomos isolados (ex.: hidrogênio atômico)
- compreender a aparência e formação de espectros de linhas de emissão e absorção
- recordar e usar $hf = E_1 - E_2$
Fonte: Programa Cambridge International
Em um átomo isolado, os elétrons podem ocupar apenas certos níveis de energia discretos 分立 níveis de energia 能级 — nunca entre eles. O mais baixo é o estado fundamental 基态; os demais são estados excitados 激发态.
Por convenção, as energias são escritas negativas, com $E = 0$ para um elétron livre do átomo. Para o hidrogênio, o estado fundamental é $E_{1} = -13.6\ \text{eV}$; estados superiores aproximam-se de zero.

Os níveis de energia do elétron no hidrogênio são discretos e negativos, com o estado fundamental em $-13.6\ \text{eV}$ Espectro de emissão
Quando um elétron cai de um nível mais alto $E_{2}$ para um nível mais baixo $E_{1}$, ele emite um fóton de energia
$$h f = E_{2} - E_{1}.$$(Ambas as energias são negativas; sua diferença é positiva.) Como os níveis são discretos, apenas certas energias de fótons — e, portanto, certos comprimentos de onda — são emitidos. O espectro de emissão 发射光谱 é um conjunto de linhas brilhantes finas sobre um fundo escuro, uma linha por transição 跃迁. O padrão é uma "impressão digital" do elemento.
Explicando um espectro de linhas (o marcador padrão de quatro). (1) Os elétrons em um átomo isolado só podem ocupar níveis de energia discretos. (2) Um elétron em um estado excitado cai para um nível mais baixo e a energia que perde é emitida como um único fóton. (3) A energia do fóton é igual à diferença entre os dois níveis, $hf = E_{2} - E_{1}$, então apenas certas frequências (comprimentos de onda) são emitidas. (4) Cada transição possível dá uma linha; o mesmo conjunto de níveis produz as mesmas linhas sempre, pelo que um espectro identifica o elemento. Pedido para associar linhas às transições: a maior lacuna de energia resulta na linha de maior frequência e menor comprimento de onda.
*O espectro de emissão do hidrogênio é um conjunto de linhas brilhantes finas sobre um fundo escuro
*Espectros de emissão reais dos elementos: cada um é um conjunto único de linhas brilhantes — uma impressão digital daquele elementoEspectro de absorção
Quando luz branca passa por um gás frio, fótons cuja energia corresponde exatamente a uma transição ascendente são absorvidos. A luz mostra então linhas escuras sobre um fundo brilhante — o espectro de absorção 吸收光谱. As linhas escuras estão nos mesmos comprimentos de onda das linhas de emissão do mesmo gás.
Explicando as linhas escuras. Fótons cuja energia é igual à diferença entre dois níveis são absorvidos, elevando um elétron ao nível mais alto; o elétron excitado logo volta e reemite um fóton da mesma energia, mas em uma direção aleatória, quase nenhum dessa luz continua no caminho original. O resto da luz branca, cujos fótons não correspondem a nenhuma lacuna, passa inalterado. Daí as linhas escuras exatamente nos comprimentos de onda que o mesmo gás emitiria: o espectro do Sol mostra as linhas de absorção dos gases mais frios em suas camadas externas.
*Linhas escuras de absorção no espectro do Sol marcam os comprimentos de onda absorvidos pelo gás mais frioCálculos
Para uma transição entre dois níveis conhecidos:
$$hf = E_{2} - E_{1}, \qquad \lambda = \frac{hc}{E_{2} - E_{1}}.$$Trabalhe em unidades consistentes — converta eV para joules (× $1.60 \times 10^{-19}$) antes de encontrar $\lambda$ em metros, ou use $hc \approx 1240\ \text{eV nm}$ para uma estimativa rápida.
*De níveis para linhas: cada transição para baixo até o estado fundamental produz uma linha, e o maior salto landing mais longe na extremidade de menor comprimento de ondaExemplo resolvido. Os quatro níveis de energia mais baixos do hidrogênio são $-13.6$, $-3.40$, $-1.51$ e $-0.85\ \text{eV}$. Encontre os comprimentos de onda das três linhas produzidas por transições para o estado fundamental, e o número total de linhas que esses quatro níveis podem produzir.
Transição $2 \to 1$: $\Delta E = 13.6 - 3.40 = 10.2\ \text{eV}$, então $\lambda = 1240/10.2 = 122\ \text{nm}$. $3 \to 1$: $12.09\ \text{eV}$, $\lambda = 103\ \text{nm}$. $4 \to 1$: $12.75\ \text{eV}$, $\lambda = 97.3\ \text{nm}$: todos ultravioleta, o maior salto dando o menor comprimento de onda. Quatro níveis permitem $4 \to 3$, $4 \to 2$, $4 \to 1$, $3 \to 2$, $3 \to 1$ e $2 \to 1$: seis linhas. A linha vermelha visível do hidrogênio é $3 \to 2$: $1.89\ \text{eV}$, $656\ \text{nm}$. (Trabalhando em joules: $10.2\ \text{eV} = 1.63 \times 10^{-18}\ \text{J}$, $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/1.63 \times 10^{-18} = 1.22 \times 10^{-7}\ \text{m}$.)
Exemplo resolvido. Um laser emite luz vermelha de comprimento de onda $650\ \text{nm}$ quando elétrons caem de um nível para outro. Encontre a lacuna de energia entre os dois níveis.
$\Delta E = hc/\lambda = 1240/650 = 1.91\ \text{eV} = 3.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$. A lacuna, não qualquer nível, define a cor: dois átomos com níveis diferentes, mas a mesma lacuna, emitem a mesma linha.
Exemplo resolvido (aniquilação). Um elétron e um pósitron, ambos movendo-se lentamente, encontram-se e aniquilam 湮灭, produzindo dois fótons idênticos. Encontre o comprimento de onda de cada fóton. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)
A energia de repouso de cada partícula é $E = mc^{2} = (9.11 \times 10^{-31})(3.00 \times 10^{8})^{2} = 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ ($0.51\ \text{MeV}$), e a conservação do momento divide a energia entre dois fótons movendo-se em direções opostas, então cada um carrega $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$: $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/8.2 \times 10^{-14} = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, um raio gama. (Qualquer energia cinética que o par tivesse é adicionada às energias dos fótons.)
ExplorarFormam as linhas espectrais de um elemento
Um elétron caindo entre níveis de energia fixos emite um fóton com exatamente a energia da diferença — um comprimento de onda e cor fixos. Cada salto é uma linha do código de barras do elemento.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin energy level/ˈenədʒi ˈlevl/ 能级 néng jí momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng transition/trænˈsɪʃn/ 跃迁 yuè qiān emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ 发射光谱 fā shè guāng pǔ absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ 吸收光谱 xī shōu guāng pǔ annihilate/əˈnaɪəleɪt/ 湮灭 yān miè 22.4
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição fóton um quanta (pacote discreto) de energia da radiação eletromagnética eletronvolt a energia ganho por um elétron acelerado através de uma diferença de potencial de um volt; $1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}$ efeito fotoelétrico a emissão de elétrons da superfície de um metal quando radiação eletromagnética de frequência suficientemente alta incide sobre ele energia de função trabalho a energia mínima necessária para remover um elétron da superfície do metal frequência limiar a frequência mínima de radiação que causa emissão fotoelétrica de um metal comprimento de onda limiar o comprimento de onda máximo de radiação que causa emissão fotoelétrica, $\lambda_{0} = hc/\Phi$ dualidade onda-partícula radiação e matéria mostram tanto propriedades de onda (difração, interferência) quanto propriedades de partícula (efeito fotoelétrico, colisões discretas) comprimento de onda de de Broglie o comprimento de onda associado a uma partícula em movimento, $\lambda = h/p$ nível de energia uma das energias discretas que um elétron em um átomo isolado pode ter espectro de linhas de emissão um conjunto de linhas brilhantes de comprimentos de onda definidos, cada uma de uma transição entre dois níveis de energia espectro de linhas de absorção linhas escuras em um espectro contínuo nos comprimentos de onda absorvidos por transições para níveis superiores 22.4
Dicas de prova
- Fóton: $E = hf = hc/\lambda$, $p = E/c = h/\lambda$. Use $hc = 1240\ \text{eV nm}$ para mover entre comprimento de onda e energia em eV, depois converta para joules apenas se a resposta exigir.
- Equação fotoelétrica $hf = \Phi + \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2}$: energia máxima, um fóton para um elétron; o gráfico de $E_{\text{K,max}}$ contra $f$ tem inclinação $h$ e interceptos $f_{0}$ e $-\Phi$.
- Intensidade muda o número de fótons por segundo (a corrente); frequência muda a energia de cada um (a energia cinética máxima). Mantenha essas duas frases separadas e toda explicação se escreve sozinha.
- Evidência: efeito fotoelétrico para partículas, difração e interferência para ondas; difração de elétrons para a natureza ondulatória da matéria, com $\lambda = h/p = h/\sqrt{2mqV}$.
- Espectros de linhas: níveis discretos, um fóton por transição, $hf = E_{2} - E_{1}$; a maior lacuna dá o menor comprimento de onda; linhas de absorção ficam onde estariam as linhas de emissão, porque a luz absorvida é reemitida em todas as direções.
- Pressão de radiação: força $=$ fótons por segundo $\times$ mudança de momento por fóton; $2p$ para um espelho, $p$ para um absorvedor; a pressão depende da intensidade, não da cor.
Erros comuns
- Definir um fóton como "uma partícula de luz" sem "quanta/pacote de energia", ou a função trabalho sem "mínimo" e "da superfície".
- Dizer que luz mais brilhante dá fotoeletrons mais rápidos, ou que abaixo da frequência limiar a emissão acontece eventualmente.
- Misturar eV e joules em uma equação; esquecer de subtrair a função trabalho; usar $\tfrac{1}{2}mv^{2}$ com a energia cinética máxima em eV.
- Escrever o comprimento de onda de de Broglie para um elétron acelerado como $h/(mv)$ com $v$ adivinhado, em vez de $h/\sqrt{2mqV}$.
- Descrever a difração de elétrons como franjas brilhantes ou pontos; o padrão é anéis concêntricos, e uma d.p. maior os torna menores.
- Obter a direção de uma transição errada: emissão é uma queda para um nível mais baixo, absorção uma subida; a energia do fóton é a diferença, nunca a energia de um nível.
- Afirmar que a maior lacuna de energia dá o maior comprimento de onda.
- Esquecer que um fóton refletido muda o momento em $2p$, ou que a pressão de luz azul da mesma intensidade é a mesma que a vermelha.
-
23
Física nuclear
Assistir aula23.1
Equivalência massa-energia
Programa
- compreender a equivalência entre energia e massa representada por $E = mc^2$ e recordar e usar esta equação
- representar reações nucleares simples por equações nucleares da forma $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
- definir e usar os termos defeito de massa e energia de ligação
- esboçar a variação da energia de ligação por nucleon com o número de nucleons
- explicar o significado de fusão nuclear e fissão nuclear
- explicar a relevância da energia de ligação por nucleon para reações nucleares, incluindo fusão e fissão nuclear
- calcular a energia liberada em reações nucleares usando $E = c^2 \Delta m$
Fonte: Programa Cambridge International
A relatividade especial de Einstein dá a famosa ligação (equivalência massa-energia 质能等价):
*Massa e energia são equivalentes e podem mudar uma na outra$$E = m c^{2},$$onde $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. Uma massa $m$ corresponde a uma energia 能量 $E$ — as duas podem mudar uma na outra. Para uma mudança de massa $\Delta m$:
Exemplo resolvido. A estrela Sírius perde massa através de fusão nuclear a $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. Encontre a potência que ela irradia.
Cada quilograma que desaparece deixa-se como energia: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. Esta é a luminosidade 光度 do astro (Tema 25); a do Sol é $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, assim perde cerca de $4$ milhões de toneladas por segundo. A mesma ideia ao contrário: uma central elétrica que produz $1\ \text{GW}$ durante um ano converte $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$ de massa, pelo que o combustível pesa quase o mesmo depois.
$$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$Na física nuclear, as massas são mínimas, mas $c^{2}$ é enorme, então uma pequena variação de massa significa uma grande quantidade de energia. Uma variação de massa de $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) corresponde a $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. Isso fornece uma conversão que você usará repetidamente:
$$1\ \text{u} \ \longleftrightarrow\ 931\ \text{MeV}.$$23.1
Reações nucleares
Uma reação nuclear 核反应 escreve-se como
$$^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H},$$com número de nucleões 核子数 conservado (números superiores: $14 + 4 = 17 + 1$) e carga conservada (números inferiores: $7 + 2 = 8 + 1$) — isto é conservação da carga 电荷守恒. Use estes para preencher uma incógnita: identifique a espécie, depois equilibre os números superiores e inferiores.
As equações de decaimento. O decaimento alfa remove $^{4}_{2}\text{He}$, logo $A$ desce em 4 e $Z$ em 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. O decaimento beta menos transforma um neutrão num protão, emitindo um eletrão e um antineutrino: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ inalterado, $Z$ sobe em 1). O decaimento beta mais transforma um protão num neutrão, emitindo um pósitron 正电子 e um neutrino 中微子: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ desce em 1). A emissão gama não altera nenhum número. numa cadeia de decaimentos basta fazer as contas: um núcleo W que emite $\beta^{-}$, depois $\alpha$, depois $\beta^{-}$ termina com $A - 4$ e $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, um isótopo de W. Verifique ambas as linhas de cada equação que completa, e lembre-se do neutrino: o modelo de correção inclui-o.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ 中微子 zhōng wēi zǐ 23.1
Defeito de massa e energia de ligação
A massa de um núcleo 原子核 é menor que a massa total dos seus protões 质子 e neutroes 中to separados. A diferença é o defeito de massa 质量亏损 $\Delta m$:
$$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$Pelo $E = mc^{2}$, essa massa "ausente" foi libertada como energia quando o núcleo se formou. Para desmontar o núcleo completamente tem de voltar a colocar essa energia — a energia de ligação 结合能 $B$:
$$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$
O núcleo montado tem menos massa que os seus nucleões separados; a massa ausente é libertada como energia de ligação Exemplo resolvido. Um núcleo de hélio-4 tem um defeito de massa de $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. Encontre a sua energia de ligação. ($1\ \text{u}$ corresponde a $931\ \text{MeV}$.)
$$B = \Delta m \cdot c^{2} = 0.0304 \times 931 \approx 28\ \text{MeV}.$$Um núcleo mais fortemente ligado tem maior defeito de massa e maior energia de ligação. A energia de ligação por nucleão 比结合能 é $B/A$ (geralmente em MeV por nucleão) — uma medida de quão firmemente cada nucleão está mantido, útil para comparar nuclídeos.
As definições de dois pontos. O defeito de massa de um núcleo é a diferença entre a massa total dos seus nucleões separados e a massa do núcleo. A energia de ligação é a energia mínima necessária para separar o núcleo nos seus nucleões individuais (ou equivalentemente, a energia libertada quando o núcleo é formado a partir de nucleões separados). Diga "nucleões separados" ou "protões e neutroes individuais"; "a energia que mantém o núcleo unido" não pontua. A energia de ligação é libertada, não armazenada: o núcleo tem menos energia que as suas partes.
Exemplo resolvido. As massas são: protão $1.007\,276\ \text{u}$, neutrão $1.008\,665\ \text{u}$, núcleo de polónio-212 $211.945\,4\ \text{u}$. Encontre o defeito de massa e a energia de ligação por nucleão de $^{212}_{84}\text{Po}$.
$Z = 84$ protões e $N = 212 - 84 = 128$ neutroes: total $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. Defeito de massa $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. Energia de ligação $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, logo por nucleão $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, na parte descendente da curva. Mantenha todas as casas decimais até à subtração: o defeito é uma pequena diferença entre dois números grandes.
Energia de ligação por nucleão vs número de nucleões
Um gráfico de $B/A$ contra $A$ tem uma forma típica:
- para núcleos leves ($A < 20$), $B/A$ sobe rapidamente (com um pico no muito estável $^{4}_{2}\text{He}$).
- em torno de $A \sim 56$ (ferro), $B/A$ atinge o seu máximo de cerca de $8.8\ \text{MeV}$. O ferro-56 é o núcleo mais estável.
- para núcleos pesados ($A > 100$), $B/A$ desce lentamente, para cerca de $7.5\ \text{MeV}$ no urânio.
Assim a curva tem formato de cúpula, sobe até ao ferro depois desce.
Desenhando a curva. A prova fornece eixos em branco ($A$ de 1 a 250, $B/A$ até cerca de $9\ \text{MeV}$) e marca: um aumento íngreme perto de zero em $A = 1$, um máximo próximo a $A = 56$ em cerca de $8.8\ \text{MeV}$, seguido por uma queda lenta e suave até cerca de $7.5\ \text{MeV}$ em $A = 238$. Não comece a curva exatamente na origem (o hidrogênio-1 não tem energia de ligação, mas é um ponto único), não faça a queda tão íngreme quanto o aumento e não deixe a curva atingir zero à direita. Se solicitado a marcar um núcleo que sofre decaimento alfa, coloque X no extremo direito, $A > 200$; um núcleo que sofre fusão fica no extremo esquerdo, $A < 10$; ambos estão em baixos $B/A$, subindo pela curva quando reagem.

A energia de ligação por nucleão atinge o máximo perto do ferro ($A \approx 56$); núcleos mais leves e mais pesados estão menos fortemente ligados ExplorarLaboratório de energia do defeito de massa
E = delta m c^2
Altere o defeito de massa e veja a energia de ligação subir com E = mc^2.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin mass-energy equivalence/mæs ˈenədʒi ɪˈkwɪvələns/ 质能等价 zhì néng děng jià energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ 光度 guāng dù nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 核反应 hé fǎn yìng nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 核子数 hé zǐ shù conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ 电荷守恒 diàn hè shǒu héng neutron/ˈnjuːtrɒn/ 中子 zhōng zǐ proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi positron/ˈpɒzɪtrɒn/ 正电子 zhèng diàn zi nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé mass defect/mæs ˈdiːfekt/ 质量亏损 zhì liàng kuī sǔn binding energy/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi/ 结合能 jié hé néng binding energy per nucleon/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi pɜː ˈnjuːklɪən/ 比结合能 bǐ jié hé néng nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ 核裂变 hé liè biàn kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电 jìng diàn strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ 强核力 qiáng hé lì 23.1
Fusão e fissão nucleares

Uma central nuclear liberta energia através da fissão nuclear. A energia é libertada quando os núcleos se movem em direção ao pico do ferro — ao unir núcleos leves ou dividir os pesados.

A fusão une núcleos leves; a fissão divide um núcleo pesado — ambas libertam energia movendo-se em direção ao pico do ferro Fusão nuclear
Fusão nuclear 核聚变 une dois núcleos leves num só mais pesado:
$$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$O produto tem maior energia de ligação por nucleão que os reagentes, logo a energia é libertada. A fusão alimenta estrelas. Precisa de temperaturas muito elevadas (milhões de kelvin) para que os núcleos tenham suficiente energia cinética 动能 para vencer a sua repulsão eletrostática 静电 e se aproximarem o suficiente para a força nuclear forte 强核力 assumir.
Fissão nuclear
Fissão nuclear 核裂变 divide um núcleo pesado em dois mais leves:
$$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$Os produtos têm maior energia de ligação por nucleão que $^{235}$U, logo a energia é libertada. Os neutroes extras podem causar mais fissões — uma reação em cadeia 链式 reação numa massa suficientemente grande de combustível (a massa crítica 临界质量). Isto é a base da energia nuclear e das armas.
"Descreva as diferenças entre fissão e fusão." Fissão: um núcleo pesado (grande $A$) divide-se em dois núcleos mais leves de massa aproximadamente semelhante, geralmente após absorver um neutrão, libertando novos neutroes. Fusão: dois núcleos leves (pequeno $A$) juntam-se para formar um só núcleo mais pesado; precisa de temperatura e pressão muito elevadas para vencer a repulsão eletrostática entre os núcleos. Ambas libertam energia, mas por quilograma de combustível a fusão liberta mais.
"Explique, com referência à curva, por que a energia é libertada." Em ambos os processos os produtos ficam mais altos na curva de energia de ligação por nucleão que os reagentes: cada nucleão acaba mais firmemente ligado, logo a energia de ligação total aumenta. A energia de ligação extra é libertada (como a energia cinética dos produtos e como fotões), e a massa total dos produtos é menor que a dos reagentes em $\Delta E/c^{2}$. Um núcleo próximo do pico (ferro) não pode libertar energia por nenhum dos processos, pelo que a fusão das estrelas para no ferro.

Numa reação em cadeia descontrolada cada fissão de urânio-235 liberta neutroes que causam mais fissões Cálculo da energia libertada
- encontre a massa total dos reagentes.
- encontre a massa total dos produtos.
- mudança de massa $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (positiva quando a energia é libertada).
- energia libertada $\Delta E = c^{2} \Delta m$.
Em kg isso dá joules; em unidades de massa atômica use $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$.
Exemplo resolvido. Numa reação nuclear a massa total diminui em $0.020\ \text{u}$. Encontre a energia libertada.
$$\Delta E = \Delta m\ (\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 19\ \text{MeV}.$$Exemplo resolvido (fusão). O defeito de massa do deutério $^{2}_{1}\text{H}$ é $0.002\,388\ \text{u}$ e o do hélio-4 é $0.030\,377\ \text{u}$. Encontre a energia libertada quando dois núcleos de deutério fundem para formar um núcleo de hélio-4.
Energia libertada $=$ (energia de ligação dos produtos) $-$ (energia de ligação dos reagentes) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). Os defeitos de massa podem ser usados diretamente assim porque o número de nucleões é o mesmo de ambos os lados; a diferença nos defeitos é a massa convertida. Por quilograma de deutério isso é $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$, cerca de um milhão de vezes um combustível químico.
Exemplo resolvido (fissão). $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. Massas: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. Encontre a energia liberada.
Reagentes: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. Produtos: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, logo $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ por fissão. Conte os três neutroes à direita e o um à esquerda: esquecer um muda a resposta pela massa de todo um nucleão.

Decaimento alfa a partir do repouso: momentos iguais e opostos, logo a partícula alfa leve transporta cerca de 98% da energia libertada e o núcleo pesado mal recua Exemplo resolvido (decaimento alfa e momento). Um núcleo $^{238}_{92}\text{U}$ estacionário decai para $^{234}_{90}\text{Th}$ emitindo uma partícula $\alpha$; a energia cinética total libertada é $4.27\ \text{MeV}$. Encontre a energia cinética da partícula $\alpha$.
O momento é conservado e o pai estava em repouso, logo a partícula $\alpha$ e o núcleo de tório têm momentos iguais e opostos $p$. Com $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, as energias estão na razão inversa das massas: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. Assim a partícula $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ e o tório recuam 反冲 e levam apenas $0.07\ \text{MeV}$. As partículas $\alpha$ de um dado decaimento são sempre emitidas com esta única energia, que é o sinal de que a energia é partilhada entre apenas dois corpos.
Exemplo resolvido (fonte de potência radioativa). Uma sonda espacial é alimentada por $0.874\ \text{kg}$ de plutónio-238, meia-vida $87.7$ anos, cada decaimente liberando $5.59\ \text{MeV}$. Encontre a potência disponível no lançamento.
Número de núcleos: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. Constante de decaimento: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. Atividade: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. Potência $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, caindo pela metade após $87.7$ anos. Um nuclídeo com meia-vida mais curta forneceria mais potência por quilograma, mas não duraria a missão; o polônio-210 ($138$ dias) seria muito mais potente inicialmente e inútil em dois anos.
ExplorarReação em cadeia de fissão nuclear
Um nêutron divide um núcleo pesado, liberando energia e mais nêutrons — que dividem mais núcleos.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ 链式反应 liàn shì fǎn yìng critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ 临界质量 lín jiè zhì liàng recoil/rɪˈkɔɪl/ 反冲 fǎn chōng half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī decay constant/dɪˈkeɪ ˈkɒnstənt/ 衰变常数 shuāi biàn cháng shù activity/ækˈtɪvɪti/ 活度 huó dù random/ˈrændəm/ 随机 suí jī spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ 自发 zì fā 23.2
Decaimento radioativo
Programa
- compreender que flutuações na taxa de contagem fornecem evidências para a natureza aleatória do decaimento radioativo
- compreender que o decaimento radioativo é tanto espontâneo quanto aleatório
- definir atividade e constante de decaimento, e recordar e usar $A = \lambda N$
- definir vida média
- usar $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
- compreender a natureza exponencial do decaimento radioativo, e esboçar e usar a relação $x = x_0 e^{-\lambda t}$, onde $x$ pode representar atividade, número de núcleos não decaídos ou taxa de contagem recebida
Fonte: Programa Cambridge International
Decaimento radioativo & meia-vida Aleatório e espontâneo
O decaimento radioativo é:
- espontâneo 自发 — ocorre sem gatilho externo, e a taxa não é alterada por temperatura, pressão ou estado químico; e
- aleatório 随机 — você não pode prever quando um dado núcleo decairá, apenas a probabilidade de que ele decaia em um tempo.
Evidência de aleatoriedade: a taxa de contagem flutua. Um contador Geiger 盖革计数器 ao lado de uma fonte emite cliques em intervalos irregulares — nunca um fluxo constante — embora a taxa média de longo prazo esteja bem definida.

As contagens em intervalos de tempo iguais da mesma fonte nunca são as mesmas duas vezes: a flutuação é a evidência de que o decaimento é aleatório, enquanto a média estável mostra que a probabilidade é constante As definições de duas marcas. O decaimento radioativo é a emissão espontânea e aleatória de uma partícula ($\alpha$ ou $\beta$) ou um fóton ($\gamma$) de um núcleo instável. Espontâneo significa que o decaimento não é afetado por fatores externos: temperatura, pressão, estado químico ou a presença de outros núcleos. Aleatório significa que é impossível prever qual núcleo decaerá a seguir ou quando um determinado núcleo decairá; apenas uma probabilidade pode ser dada. Evidência de aleatoriedade: a taxa de contagem flutua de um intervalo para o seguinte, mesmo para uma fonte cuja atividade não está mudando durante o experimento.

Cada partícula beta da fonte deixa um traço fino em uma câmara de nuvens -- evidência direta de decaimentos separados e aleatórios Atividade e constante de decaimento
Para $N$ núcleos não decaídos de um radioisótopo 放射性核素, a taxa de decaimento é
$$A = \lambda N.$$- $A$ é a atividade 活度 — decaimentos por unidade de tempo. Unidade: becquerel 贝克勒尔 (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
- $\lambda$ é a constante de decaimento 衰变常数 — a probabilidade por unidade de tempo de que um núcleo decaia. Unidade: $\text{s}^{-1}$.
$\lambda$ é fixo para um nuclídeo; uma amostra maior (maior $N$) tem atividade proporcionalmente maior.
As definições de um ponto. Atividade é o número de decaimentos (de núcleos) por unidade de tempo, ou a taxa de decaimento. A constante de decaimento é a probabilidade por unidade de tempo de que um (dado) núcleo decaia. Não "a taxa de decaimento": isso é a atividade. Note que as unidades são as mesmas, $\text{s}^{-1}$, mas $A$ conta eventos e $\lambda$ é uma probabilidade por segundo.
Exemplo resolvido. O Flúor-18 tem meia-vida de $110$ minutos. Mostre que sua constante de decaimento é $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$, e encontre a atividade de $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ de flúor-18.
$\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. O número de núcleos é a massa dividida pela massa de um único núcleo: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. Portanto $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. Uma massa minúscula resulta em uma atividade enorme porque a meia-vida é curta; a mesma massa de urânio-238 (meia-vida $4.5 \times 10^{9}$ anos) resultaria em aproximadamente $10^{-5}\ \text{Bq}$.
Decaimento exponencial
Como $\lambda$ é a taxa de decaimento fracionária, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, cuja solução é um decaimento exponencial 指数衰减:
$$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$Porque $A = \lambda N$, a atividade (e qualquer taxa de contagem 计数率 proporcional a ela) decai da mesma forma:
$$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$Por que exponencial? Para cada núcleo, $\lambda$ é uma probabilidade fixa por unidade de tempo, independente dos outros e da idade do núcleo. Assim, a mesma fração decai em cada intervalo de tempo, o que resulta em decaimento exponencial.
Escrevendo a explicação (três pontos). (1) A constante de decaimento é a probabilidade por unidade de tempo de decaimento e é a mesma para todo núcleo do nuclídeo, independentemente de sua idade. (2) Portanto, a taxa de decaimento, a atividade, é proporcional ao número de núcleos não decaídos presentes: $A = \lambda N$. (3) Uma taxa de mudança proporcional à própria quantidade resulta em uma mudança exponencial; equivalentemente, a mesma fração dos núcleos restantes decai em cada intervalo de tempo igual, então o número nunca atinge zero, mas cai pela metade em cada meia-vida.
Meia-vida
A meia-vida 半衰期 $t_{1/2}$ é o tempo para o número de núcleos não decaídos (ou a atividade, ou a taxa de contagem) cair até metade. De $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ com $N = N_{0}/2$:
$$\ln 2 = \lambda t_{1/2}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \approx \frac{0.693}{t_{1/2}}.$$Exemplo resolvido. Um isótopo radioativo tem meia-vida de $6.0$ horas. Encontre sua constante de decaimento.
Converta a meia-vida para segundos: $6.0\ \text{h} = 21\,600\ \text{s}$. Então
$$\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{21\,600} \approx 3.2 \times 10^{-5}\ \text{s}^{-1}.$$Uma constante de decaimento maior significa uma meia-vida menor. Após $n$ meias-vidas, a fração sobrevivente é $(1/2)^{n}$; após 5 meias-vidas, restam cerca de 3%.
A definição de meia-vida. O tempo necessário para que o número de núcleos não decaídos (ou a atividade) de uma amostra caia até a metade de seu valor inicial. "Metade dos átomos decae" é aceito; "metade da amostra desaparece" não é, pois os núcleos decaídos ainda estão lá como produto filho.

Um pai decaindo em um filho estáável: o que X perde, Y ganha, então as curvas se cruzam após uma meia-vida e a meia-vida pode ser lida no cruzamento Lendo um gráfico de dois isótopos. Quando X decai para um Y estável, $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. A meia-vida é o momento em que as curvas se cruzam ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), ou o tempo para $N_{\text{X}}$ cair pela metade. Se o gráfico fornece o número inicial $N_{0}$ e a massa inicial $m$, o número nucleônico segue-se de $m = N_{0} A u$: para $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ e $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.
Exemplo resolvido. Uma amostra de um único isótopo radioativo tem uma atividade de $180\ \text{Bq}$ em $t = 0$ e $45\ \text{Bq}$ em $t = 8.4$ minutos. Encontre a meia-vida e a constante de decaimento, e a atividade após mais $8.4$ minutos.
$45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: duas meias-vidas em $8.4$ minutos, logo $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ e $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. Após outras duas meias-vidas, a atividade é $45/4 = 11\ \text{Bq}$. Quando a razão não é uma potência inteira de dois, use $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: para a atividade cair de $180$ para $50\ \text{Bq}$ leva $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. Sempre converta a meia-vida para segundos antes de encontrar $\lambda$ se a atividade estiver em becquerels.

O número de núcleos não decaídos cai pela metade em cada meia-vida Encontrando $\lambda$ a partir de dados
Dado $A_{0}$ e $A$ no tempo $t$:
$$\lambda = \frac{1}{t} \ln\frac{A_{0}}{A}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}.$$Tirando logaritmos de $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ dá $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, então um gráfico de $\ln A$ contra $t$ é uma linha reta com inclinação $-\lambda$. Use isso com vários pontos de dados.
Taxa de contagem não é atividade. Um detector registra apenas a radiação que chega a ele e é absorvida por ele: uma fração determinada pelo ângulo sólido que cobre, pela absorção no ar e na própria fonte, e por sua eficiência. Portanto, a taxa de contagem medida é menor que a atividade, mas proporcional a ela, e a meia-vida obtida de um gráfico de taxa de contagem está correta. Subtraia a radiação de fundo 本底辐射 (medida com a fonte removida) de cada leitura antes de tirar razões ou logaritmos; um fundo não subtraído faz a curva achatar e a meia-vida parecer mais longa.
Traçadores na medicina. Flúor-18 e oxigênio-15 são emissores de $\beta^{+}$ usados como traçadores 示踪剂 em tomografia por emissão de pósitrons (Tópico 24): o pósitron aniquila com um elétron, produzindo dois fótons gama que saem em direções opostas e revelam onde está o traçador. Uma meia-vida curta ($110$ minutos, $2$ minutos) é escolhida para que a atividade caia rapidamente após a varredura e a dose ao paciente permaneça pequena, à custa de ter que produzir o isótopo perto do hospital e usá-lo imediatamente.

Um gráfico de $\ln A$ contra o tempo é uma linha reta de inclinação $-\lambda$ ExplorarEquações de decaimento (α, β, γ)
Escolha um tipo de decaimento; o nuclídeo filho é fixo, então o número de nucleons A e o número de prótons Z ambos se equilibram.
ExplorarMeia-vida — assista aos núcleos decaírem
Cada núcleo tem uma chance fixa de decair, aleatoriamente. Avance o tempo: cerca de metade dos núcleos restantes decai a cada meia-vida — então a contagem cai pela metade, depois cai novamente pela metade.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin count rate/kaʊnt reɪt/ 计数率 jì shù lǜ Geiger counter/ˈɡaɪɡə ˈkaʊntə/ 盖革计数器 gài gé jì shù qì radionuclide/ˌreɪdiəʊˈnjuːklaɪd/ 放射性核素 fàng shè xìng hé sù becquerel/ˈbekwərəl/ 贝克勒尔 bèi kè lēi ěr exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ 指数衰减 zhǐ shù shuāi jiǎn background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 本底辐射 běn dǐ fú shè tracers/ˈtreɪsəz/ 示踪剂 shì zōng jì 23.2
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição defeito de massa a diferença entre a massa total dos nucleons separados e a massa do núcleo energia de ligação a energia mínima necessária para separar um núcleo em seus nucleons individuais (a energia liberada quando ele se forma a partir deles) fusão nuclear dois núcleos leves combinam para formar um único núcleo mais pesado fissão nuclear um núcleo pesado se divide em dois núcleos mais leves de massa semelhante (geralmente depois de absorver um nêutron) decaimento radioativo a emissão espontânea e aleatória de radiação α, β ou γ de um núcleo instável espontâneo não afetado por fatores externos como temperatura, pressão ou estado químico aleatório não se pode prever qual núcleo decairá, ou quando um dado núcleo decairá atividade o número de núcleos decaindo por unidade de tempo constante de decaimento a probabilidade por unidade de tempo de que um núcleo decaia meia-vida o tempo para o número de núcleos não decaídos (ou a atividade) cair até a metade de seu valor inicial 23.2
Dicas de prova
- $E = mc^{2}$ com $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: trabalhe em u e MeV para reações, depois converta para joules apenas se solicitado ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
- Energia liberada $=$ (massa total antes $-$ massa total depois) $\times c^{2}$, ou (energia de ligação depois $-$ energia de ligação antes). Os defeitos de massa podem ser subtraídos diretamente quando a contagem de nucleons não muda.
- A curva: subida íngreme, pico $8.8\ \text{MeV}$ próximo a $A = 56$, queda suave. Produtos mais altos na curva significam energia liberada; fusão à esquerda, fissão (e decaimento alfa) à direita.
- Equilibre cada equação duas vezes: números nucleons na parte superior, números de prótons na parte inferior; decaimentos β carregam um neutrino ou antineutrino.
- $A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ com $t_{1/2}$ em segundos; $N$ a partir da massa: $N = m/(A u)$. Razões de $1/2$, $1/4$, $1/8$ significam meias-vidas inteiras; caso contrário, use $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
- As explicações são marcadas nas palavras: probabilidade constante, taxa proporcional ao número, mesma fração por intervalo; taxa de contagem flutuante para aleatoriedade; inalterado por condições externas para espontâneo.
Erros comuns
- Definir energia de ligação como "a energia que mantém o núcleo unido" ou "a energia armazenada no núcleo"; é a energia necessária para separar os nucleons.
- Subtrair massas na ordem errada e relatar uma liberação de energia negativa, ou esquecer o(s) nêutron(s) de um lado da equação de fissão.
- Desenhar a curva de energia de ligação caindo com a mesma inclinação íngreme em que sobe, ou atingindo zero em grandes $A$.
- Usar meia-vida em minutos ou anos com atividade em becquerels; converter para segundos primeiro.
- Confundir a constante de decaimento (uma probabilidade por segundo) com a atividade (decaimentos por segundo).
- Dizer "metade da amostra desaparece" para meia-vida, ou que após duas meias-vidas não resta nada.
- Dar "aleatório" como "ocorre em qualquer momento" sem "não se pode prever qual núcleo ou quando", ou "espontâneo" sem "independente de fatores externos".
- Tratar a taxa de contagem como a atividade, ou esquecer subtrair o fundo.
- Assumir que a partícula α e o núcleo de recuo compartilham a energia igualmente; eles compartilham o momento igualmente.
-
24
Física médica
Assistir aula24.1
Ultrassom
Programa
- compreender que um cristal piezelétrico muda de forma quando uma d.p. é aplicada através dele e que o cristal gera uma f.e.m. quando sua forma muda
- compreender como ondas de ultrassom são geradas e detectadas por um transdutor piezelétrico
- compreender como a reflexão de pulsos de ultrassom em fronteiras entre tecidos pode ser usada para obter informações diagnósticas sobre estruturas internas
- definir a impedância acústica específica de um meio como $Z = \rho c$, onde $c$ é a velocidade do som no meio
- usar $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ para o coeficiente de reflexão de intensidade de uma fronteira entre dois meios
- recordar e usar $I = I_0 e^{-\mu x}$ para a atenuação do ultrassom em matéria
Fonte: Programa Cambridge International
Efeito piezoelétrico
Um cristal 压电 piezoelétrico altera ligeiramente sua forma quando uma d.d.p. é aplicada através dele, e o inverso: ele gera uma força eletromotriz 电动势 (f.e.m.) através dele quando sua forma é alterada. Quartzo e PZT são exemplos comuns. Dois efeitos vinculados:

Aplicar uma d.d.p. deforma o cristal; apertá-lo gera uma d.d.p. - aplicar uma d.d.p. → o cristal muda de forma (usado para gerar vibrações).
- mudar a forma (uma onda o aperta) → surge uma f.e.m. (usado para detectar vibrações).
Transdutor piezoelétrico
Um transdutor 换能器 usa esse efeito para tanto gerar quanto detectar ultrassom 超声波.
- uma d.d.p. alternada (alguns MHz) faz o cristal vibrar na mesma frequência, emitindo ondas longitudinais 纵波 acima de $20\ \text{kHz}$ ($1$–$10\ \text{MHz}$ para imagens médicas).
- o mesmo cristal então detecta: o ultrassom de retorno o faz vibrar e produzir uma f.e.m.
Gerando ultrassom (três pontos). (1) Uma d.d.p. alternada é aplicada através do cristal. (2) O cristal muda de forma, expandindo e contraindo na frequência da d.d.p., assim ele vibra. (3) A d.d.p. é escolhida na frequência ressonante do cristal, assim a vibração é grande e as faces do cristal empurram o tecido, emitindo uma onda longitudinal dessa frequência. Detectando ultrassom (dois pontos). As variações de pressão da onda de retorno mudam a forma do cristal; uma forma variável gera uma f.e.m. através dele, alternada na frequência da onda, que é amplificada e registrada. O mesmo cristal é usado para ambos, alternando entre transmissão e recepção.
Assim, um transdutor é tanto emissor quanto detector, alternando entre enviar e ouvir.

Um transdutor piezoelétrico envia e detecta ultrassom usando um cristal vibrante Imagem por pulso-eco
Para ver o interior do corpo (imagem 脉冲回波 pulse-echo):
- o transdutor envia um pulso curto para dentro do corpo.
- em cada interface de tecido, parte do pulso é refletida e parte continua.
- o transdutor detecta cada pulso refletido.
- o atraso de tempo dá a profundidade: $d = c t / 2$ (ida e volta). A amplitude do eco dá a intensidade da reflexão.
Exemplo resolvido. Um pulso de ultrassom retorna ao transdutor $60\ \mu\text{s}$ depois de ser enviado. A velocidade do som no tecido é $1500\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a profundidade da interface refletora.
O pulso viaja até lá e volta, então $d = \dfrac{ct}{2}$:
$$d = \frac{1500 \times 60 \times 10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m}\ (= 4.5\ \text{cm}).$$- varrendo o corpo constrói uma imagem 2-D.

Uma imagem real de ultrassom — a forma de leque vem do transdutor varrendo o corpo. Cada ponto brilhante é um eco de uma interface entre tecidos, e sua profundidade foi calculada a partir do atraso de tempo do eco, exatamente como no exemplo resolvido acima Um gel de acoplamento 耦合剂 é colocado entre o transdutor e a pele para expulsar o ar; sem ele, quase todo o ultrassom seria refletido na interface pele-ar e nunca entraria no corpo.

Um A-scan mostra o pulso transmitido e os ecos de cada interface de tecido "Descreva o uso do ultrassom para obter informações diagnósticas" (quatro pontos). (1) Um pulso de ultrassom é enviado para dentro do corpo pelo transdutor, que está acoplado à pele com gel. (2) Em cada interface entre tecidos parte do pulso é refletida; o pulso refletido retorna ao transdutor e é detectado. (3) O atraso de tempo entre emissão e eco, com a velocidade do som, dá a profundidade da interface ($d = ct/2$). (4) A intensidade do eco, determinada pela mudança na impedância acústica na interface, mostra que tipo de interface é. Varrendo o transdutor, ou usando uma matriz, constrói-se uma imagem.
Por que pulsos, e por que megahertz. O transdutor envia um pulso curto e depois ouve: o eco de cada interface deve chegar antes do próximo pulso sair, caso contrário os ecos de diferentes pulsos não poderiam ser distinguidos, e o cristal não pode transmitir e receber ao mesmo tempo. A frequência é um compromisso: uma frequência mais alta significa um comprimento de onda menor e, portanto, detalhes mais finos (resolução 分辨率), mas é atenuada mais fortemente, assim um órgão profundo precisa de uma frequência mais baixa do que um superficial. A varredura médica típica usa $1$–$15\ \text{MHz}$, comprimentos de onda de uma fração de milímetro no tecido.
Impedância acústica específica
A impedância acústica específica 声阻抗 de um meio é
$$Z = \rho c,$$onde $\rho$ é a densidade 密度 e $c$ a velocidade do som. Unidade: $\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Ossos têm grande $Z$; ar tem pequena $Z$; tecidos moles estão no meio.
Exemplo resolvido. Encontre a impedância acústica específica de tecidos moles. (Densidade $1060\ \text{kg m}^{-3}$, velocidade do som $1540\ \text{m s}^{-1}$.)
$$Z = \rho c = 1060 \times 1540 \approx 1.6 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}.$$A definição (dois pontos). A impedância acústica específica de um meio é o produto de sua densidade e a velocidade do som nela. Ambas as quantidades devem ser nomeadas; "o quão difícil o som encontra para passar" não pontua. Como $Z$ combina densidade e velocidade, dois meios com densidades muito diferentes ainda podem ter similar $Z$ (água e tecido mole), e é $Z$, não apenas a densidade, que decide quanto som reflete.
Reflexão em uma interface
Em uma interface entre meios de impedância $Z_{1}$ e $Z_{2}$, o coeficiente de reflexão de intensidade 强度反射系数 (fração refletida) é
$$\frac{I_{\text{R}}}{I_{0}} = \left(\frac{Z_{1} - Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}}\right)^{2}.$$- impedâncias muito diferentes: quase tudo é refletido (pele/ar — daí o gel).
- impedâncias muito similares: quase nada é refletido, então a interface não pode ser vista.
- ideal para imageamento: diferente o suficiente para dar um eco, mas não tão diferente que nada passe adiante.

Em uma interface, parte do pulso reflete e parte transmite — uma maior diferença de impedância dá um eco maior Exemplo resolvido (por que usar gel). Ar: densidade $1.29\ \text{kg m}^{-3}$, velocidade do som $343\ \text{m s}^{-1}$. Gel: $Z = 1.50 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Tecido mole: $Z = 1.63 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Encontre o coeficiente de reflexão de intensidade em uma interface ar-tecido e em uma interface gel-tecido.
$Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Ar-tecido: $\left(\dfrac{442 - 1.63 \times 10^{6}}{442 + 1.63 \times 10^{6}}\right)^{2} = 0.9989$: $99.9\%$ da intensidade reflete e apenas $0.1\%$ entra no corpo. Gel-tecido: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^{2} = 0.0017$: apenas $0.2\%$ reflete. Assim o gel, cuja impedância é próxima à da pele, substitui a camada de ar que altrimenti refletiria quase tudo, e quase todo o pulso entra no corpo (e os ecos podem voltar pelo mesmo caminho).
Exemplo resolvido. Água: densidade $1000\ \text{kg m}^{-3}$, velocidade $1480\ \text{m s}^{-1}$. Vidro: densidade $2500\ \text{kg m}^{-3}$, velocidade $5600\ \text{m s}^{-1}$. Que fração da intensidade é refletida em uma interface água-vidro?
$Z_{\text{water}} = 1.48 \times 10^{6}$, $Z_{\text{glass}} = 1.40 \times 10^{7}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Coeficiente $= \left(\dfrac{1.48 - 14.0}{1.48 + 14.0}\right)^{2} = 0.65$: dois terços refletidos, um terço transmitidos. Trabalhar em unidades de $10^{6}$ mantém a aritmética limpa, já que a razão é o que importa. Um implante de aço no tecido ($Z_{\text{steel}} = 4.7 \times 10^{7}$) dá $0.87$: quase todo o pulso reflete em sua superfície, então nada atrás dele pode ser imageado, mas o implante aparece muito brilhante.
Atenuação
À medida que o ultrassom passa pelo tecido, sua intensidade diminui com a distância:
$$I = I_{0} e^{-\mu x},$$onde $\mu$ é o coeficiente de atenuação 衰减系数 (unidade $\text{m}^{-1}$). A mesma forma se aplica aos raios-X.

Intensidade cai exponencialmente com a espessura; um maior coeficiente de atenuação (osso) cai mais rápido 
Um eco, três fatores: atenuação interna, reflexão, atenuação externa. O tecido é cruzado duas vezes, então o expoente dobra Exemplo resolvido (intensidade de um eco). Um pulso de intensidade $I_{0}$ passa por $4.0\ \text{cm}$ de tecido com coeficiente de atenuação $0.50\ \text{cm}^{-1}$ até uma interface cujo coeficiente de reflexão de intensidade é $0.010$. Encontre a intensidade do eco retornando ao transdutor, como fração de $I_{0}$.
Até a fronteira: $e^{-\mu x} = e^{-0.50 \times 4.0} = 0.135$. Refletido: $\times 0.010$. De volta através do mesmo $4.0\ \text{cm}$: $\times 0.135$ novamente. Eco: $I/I_{0} = 0.135 \times 0.010 \times 0.135 = 1.8 \times 10^{-4}$, cerca de $0.02\%$. Duas coisas que o examinador verifica: o tecido é cruzado duas vezes, e o coeficiente de reflexão multiplica a intensidade na fronteira, não $I_{0}$. É por isso que os ecos de fronteiras profundas são amplificados mais do que os rasos antes da exibição.
ExplorarRota de exame por ultrassom
Siga um pulso do transdutor até a imagem de eco.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ 超声波 chāo shēng bō piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ 压电 yā diàn electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì transducer/trænsˈdjuːsə/ 换能器 huàn néng qì longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ 纵波 zòng bō pulse-echo/pʌls ˈekəʊ/ 脉冲回波 mài chōng huí bō coupling gel/ˈkʌplɪŋ dʒel/ 耦合剂 ǒu hé jì resolution/ˌrezəˈluːʃn/ 分辨率 fēn biàn lǜ specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ 声阻抗 shēng zǔ kàng density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 强度反射系数 qiáng dù fǎn shè xì shù attenuation coefficient/əˌtenjuːˈeɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 衰减系数 shuāi jiǎn xì shù X-ray tube/eks reɪ tjuːb/ X射线管 X shè xiàn guǎn cathode/ˈkæθəʊd/ 阴极 yīn jí electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi thermionic emission/ˌθɜːmɪˈɒnɪk ɪˈmɪʃn/ 热电子发射 rè diàn zi fā shè vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng target/ˈtɑːɡɪt/ 靶 bǎ anode/ˈænəʊd/ 阳极 yáng jí tungsten/ˈtʌŋstn/ 钨 wū kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng photon/ˈfəʊtɒn/ 光子 guāng zi 24.2
Raios-X
Programa
- explicar que raios-X são produzidos pelo bombardeamento de um alvo metálico por elétrons e calcular o comprimento de onda mínimo de raios-X produzidos a partir da d.p. aceleradora
- compreender o uso de raios-X em imagens de estruturas internas do corpo, incluindo a compreensão do termo contraste em imagens de raios-X
- recordar e usar $I = I_0 e^{-\mu x}$ para a atenuação de raios-X em matéria
- compreender que a tomografia computadorizada (TC) produz uma imagem 3D de uma estrutura interna combinando primeiramente múltiplas imagens de raios-X tiradas na mesma seção de diferentes ângulos para obter uma imagem 2D da seção, depois repetindo esse processo ao longo de um eixo e combinando imagens 2D de várias seções
Fonte: Programa Cambridge International
Produção
Os raios-X provêm de um tubo de raios-X X射线管:
- um cátodo aquecido 阴极 emite elétrons por emissão termiônica 热电子发射.
- uma alta d.p. (de dezenas a centenas de kV) acelera os elétrons através de um vácuo 真空 até um alvo metálico 靶 (o ânodo 阳极, geralmente tungstênio 钨).
- os elétrons atingem o alvo e desaceleram abruptamente. A maior parte de sua energia cinética 动能 torna-se calor; uma pequena parte é emitida como fótons de raios-X 光子 (Bremsstrahlung 轫致辐射, "radiação de frenagem"). Alguns elétrons ejetam elétrons internos dos átomos do metal, e o preenchimento dessa lacuna emite linhas de raios-X características 特征.

Em um tubo de raios-X, elétrons do cátodo aquecido são acelerados contra um ânodo-alvo metálico "Explique como os raios-X são produzidos" (quatro pontos). (1) Elétrons são emitidos de um filamento aquecido (cátodo) por emissão termiônica. (2) Eles são acelerados através de uma alta diferença de potencial (dezenas de kV) através de um tubo evacuado em direção a um alvo metálico (o ânodo). (3) Eles desaceleram rapidamente ao atingirem o alvo, e (4) a energia cinética perdida é emitida como fótons de raios-X (com a maior parte tornando-se calor no alvo, pelo qual o ânodo é resfriado ou rotacionado).
Controle do feixe. A intensidade (energia por unidade de área por segundo) é definida pelo número de elétrons atingindo o alvo por segundo, portanto é controlada pela corrente do filamento (um filamento mais quente emite mais elétrons); a dureza 硬度, significando o poder de penetração, é definida pelas energias dos fótons, portanto é controlada pela d.p. de aceleração: uma d.p. maior fornece raios-X de maior energia, menor comprimento de onda e mais penetrantes. Um filtro metálico remove os raios-X mais suaves, que seriam absorvidos na pele do paciente sem atingir o detector.
Exemplo resolvido (aquecimento do alvo). Em um tubo operando a $75\ \text{kV}$, a corrente do feixe de elétrons é $30\ \text{mA}$ e $99\%$ da energia dos elétrons se transforma em calor em um alvo de tungstênio de massa $15\ \text{g}$ (capacidade térmica específica $134\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$). Encontre a taxa de elevação da temperatura se nenhum calor fosse perdido.
Potência fornecida $= IV = 0.030 \times 75\,000 = 2250\ \text{W}$; potência de aquecimento $= 0.99 \times 2250 = 2230\ \text{W}$. Então $mc\,\Delta\theta/\Delta t = 2230$, logo $\Delta\theta/\Delta t = 2230/(0.015 \times 134) = 1.1 \times 10^{3}\ \text{K s}^{-1}$. Um alvo derreteria em segundos, pelo quais as exposições são curtas e os ânodos rotacionam para espalhar o calor.
Comprimento de onda mínimo
A maior energia que um único fóton de raios-X pode ter é toda a energia cinética de um elétron acelerado, perdida em um único evento. Para d.p. de aceleração $V$, a E.C. é $eV$, logo
$$h f_{\text{max}} = e V, \qquad \lambda_{\text{min}} = \frac{h c}{e V}.$$Este é o corte de comprimento de onda curto. O espectro contínuo de Bremsstrahlung diminui acima de $\lambda_{\text{min}}$, com picos característicos agudos definidos pelo metal do alvo.

Um espectro típico de raios-X — uma curva contínua de Bremsstrahlung cortada em $\lambda_0$, com picos característicos agudos Exemplo resolvido (comprimento de onda mínimo). Elétrons são acelerados através de $75\ \text{kV}$. Encontre a energia máxima do fóton e o comprimento de onda mínimo dos raios-X.
Energia máxima $= eV = 75\ \text{keV} = 75\,000 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ (ou $0.075\ \text{MeV}$). Então $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV) = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(1.2 \times 10^{-14}) = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{m}$. O momento máximo do fóton é $p = E/c = 4.0 \times 10^{-23}\ \text{N s}$. Dobrar a d.p. reduz à metade o comprimento de onda mínimo.
Explicando a forma do espectro. O espectro é contínuo porque cada elétron pode perder qualquer fração de sua energia em uma ou várias desacelerações, produzindo fótons de todas as energias até a máxima. Tem um corte agudo em $\lambda_{\text{min}}$ porque um fóton não pode carregar mais energia do que um elétron possui, $eV$, e isso ocorre apenas quando um elétron perde toda a sua energia em um único evento. Os picos são característicos do metal do alvo: um elétron incidente ejeta um elétron interno de um átomo do alvo, e um elétron externo cai na lacuna, emitindo um fóton cuja energia é a diferença entre os dois níveis (Tópico 22).
Imagem com raios-X
Raios-X passam pelo paciente para um detector. Tecidos que atenuam 衰减 mais (osso, alta $Z$) projetam uma sombra mais forte e parecem mais claros; tecidos que atenuam menos (tecido mole, pulmão) parecem mais escuros.
O contraste 对比度 é a diferença de atenuação entre tecidos. Um meio de contraste 造影剂 (ex. um enema de bário) pode ser administrado para destacar tecidos moles.

Uma radiografia real do tórax: ossos densos absorvem mais raios-X e parecem brancos; os pulmões cheios de ar deixam passar raios-X e parecem escuros Nitidez e contraste. Nitidez 清晰度 é quão bem definidos são os bordos das estruturas na imagem: uma fonte de raios-X pequena (uma mancha pequena no alvo), um paciente estacionário e um detector próximo ao paciente melhoram isso. Contraste é a diferença no grau de escurecimento (ou brilho) entre regiões vizinhas da imagem, produzido por uma diferença na atenuação. As duas são independentes: uma imagem pode ser nítida mas ter mau contraste, ou vice-versa.

O contraste é uma diferença na atenuação: o osso atenua cerca de três vezes mais fortemente que o tecido mole por centímetro, então espessuras iguais dão exposições muito diferentes "Explique por que as imagens de raios-X de estruturas internas têm bom contraste." Osso e tecido mole têm coeficientes de atenuação muito diferentes, então espessuras iguais transmitem intensidades muito diferentes e o detector é exposto muito diferentemente atrás de cada um. Onde dois tecidos moles têm coeficientes semelhantes (o estômago e seus arredores), um meio de contraste com alto coeficiente de atenuação, como o bário, é engolido ou injetado para delimitar um deles. Usar uma d.p. mais baixa (raios-X mais suaves) também aumenta o contraste, às custas de uma dose maior.
Exemplo resolvido. Raios-X passam por $3.0\ \text{cm}$ de tecido mole ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) em uma região do corpo e $3.0\ \text{cm}$ de osso ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) em outra. Compare as intensidades transmitidas.
Tecido mole: $I/I_{0} = e^{-0.20 \times 3.0} = e^{-0.60} = 0.55$. Osso: $e^{-0.60 \times 3.0} = e^{-1.80} = 0.17$. A região de tecido mole recebe mais de três vezes a exposição da região óssea, logo o osso aparece branco e o tecido escuro. A razão das exposições, $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, cresce com a espessura: o contraste melhora para estruturas mais espessas, mas também a atenuação total aumenta.
Lei de atenuação
$$I = I_{0} e^{-\mu x}.$$Raios-X de maior energia penetram mais profundamente (menor $\mu$); o osso tem um $\mu$ muito maior do que o tecido mole. Para encontrar a espessura para uma dada fração, tire logaritmos: $x = \dfrac{1}{\mu} \ln\dfrac{I_{0}}{I}$. A espessura semiválida 半值厚度 $x_{1/2} = \ln 2 / \mu$ reduz a intensidade pela metade (como a meia-vida no decaimento).
Exemplo resolvido. Raios-X passam por $3.0\ \text{cm}$ de tecido com coeficiente de atenuação $\mu = 40\ \text{m}^{-1}$. Encontre a fração da intensidade que passa.
$$\frac{I}{I_{0}} = e^{-\mu x} = e^{-40 \times 0.030} = e^{-1.2} \approx 0.30.$$Exemplo resolvido (porcentagem absorvida). Raios-X passam por $2.8\ \text{cm}$ de um meio com coeficiente de atenuação $1.4\ \text{cm}^{-1}$. Qual porcentagem da energia dos raios-X é absorvida?
Fração transmitida $e^{-1.4 \times 2.8} = e^{-3.92} = 0.020$, logo $98\%$ é absorvida. A pergunta pede o que é absorvido, não o que passa: leia duas vezes. A espessura de valor médio aqui é $\ln 2/\mu = 0.50\ \text{cm}$, logo $2.8\ \text{cm}$ é $5.6$ espessuras de valor médio e $(1/2)^{5.6} = 0.02$ verifica a resposta.
Exemplo resolvido (duas camadas). Um feixe de intensidade $I_{0}$ passa por $2.0\ \text{cm}$ do material P ($\mu = 0.35\ \text{cm}^{-1}$) e depois por $1.5\ \text{cm}$ do material Q ($\mu = 0.90\ \text{cm}^{-1}$). Encontre a intensidade transmitida.
Os exponenciais se multiplicam: $I = I_{0}\, e^{-0.35 \times 2.0}\, e^{-0.90 \times 1.5} = I_{0}\, e^{-(0.70 + 1.35)} = I_{0}\, e^{-2.05} = 0.13\, I_{0}$. Some os expoentes ($\mu_{1}x_{1} + \mu_{2}x_{2}$); nunca some as espessuras ou os coeficientes. A ordem das camadas não faz diferença para a intensidade transmitida total.
Tomografia computadorizada (TC)
Uma tomografia computadorizada 计算机断层扫描 (TC) constrói uma imagem 3-D:
- o tubo e os detectores giram ao redor do paciente, capturando muitas imagens de uma fina fatia de ângulos diferentes.
- um computador combina essas em uma secção transversal 2-D da fatia.
- o paciente é movido ao longo, e a próxima fatia é imageada.
- as fatias são empilhadas em uma imagem 3-D.
A TC mostra muito mais que uma única radiografia, porque tecidos moles sobrepostos são separados pela reconstrução de múltiplos ângulos.

Em uma TC, o tubo de raios-X e os detectores giram ao redor do paciente para imagear uma fatia de vários ângulos "Explique como a tomografia computadorizada produz uma imagem tridimensional" (cinco pontos). (1) O tubo de raios-X (e um anel de detectores) gira ao redor do paciente, de modo que (2) muitas imagens de raios-X de uma única fatia (seção) são tiradas de ângulos diferentes. (3) Um computador combina them para produzir uma imagem bidimensional daquela fatia. (4) O paciente é movido e o processo é repetido para fatias sucessivas. (5) As fatias são combinadas para construir uma imagem 3-D, que pode ser rotacionada e vista de qualquer ângulo. Propósito: imagear uma seção do corpo sem a sobreposição de estruturas que uma única radiografia sofre, revelando estruturas que estariam ocultas e suas posições em profundidade. O preço é uma dose muito maior que uma única radiografia.
ExplorarRota de produção de raios-X
Siga os eletrões do cátodo aos fotões de raios-X.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin Bremsstrahlung/ˈbremʃtrɑːlʊŋ/ 轫致辐射 rèn zhì fú shè characteristic/ˌkærɪktəˈrɪstɪk/ 特征 tè zhēng hardness/ˈhɑːdnəs/ 硬度 yìng dù momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng attenuate/əˈtenjuːeɪt/ 衰减 shuāi jiǎn contrast/ˈkɒntræst/ 对比度 duì bǐ dù contrast medium/ˈkɒntræst ˈmiːdɪəm/ 造影剂 zào yǐng jì sharpness/ˈʃɑːpnəs/ 清晰度 qīng xī dù half-value thickness/hɑːf ˈvæljuː ˈθɪknəs/ 半值厚度 bàn zhí hòu dù computed tomography/kəmˈpjuːtɪd təˈmɒɡrəfi/ 计算机断层扫描 jì suàn jī duàn céng sǎo miáo tracer/ˈtreɪsə/ 示踪剂 shì zōng jì 24.3
escaneamento PET
Programa
- compreender que um traçador é uma substância contendo núcleos radioativos que podem ser introduzidos no corpo e são então absorvidos pelo tecido sendo estudado
- recordar que um traçador que decai por decaimento $\beta^+$ é usado em tomografia por emissão de pósitrons (PET)
- compreender que a aniquilação ocorre quando uma partícula interage com seu antipartícula e que massa-energia e momento são conservados no processo
- explicar que, na tomografia PET, pósitrons emitidos pelo decaimento do traçador aniquilam ao interagirem com elétrons no tecido, produzindo um par de fótons de raios-gama viajando em direções opostas
- calcular a energia dos fótons de raios-gama emitidos durante a aniquilação de um par elétron-pósitron
- compreender que os fótons de raios-gama de um evento de aniquilação viajam para fora do corpo e podem ser detectados, e uma imagem da concentração do traçador no tecido pode ser criada processando os tempos de chegada dos fótons de raios-gama
Fonte: Programa Cambridge International
Traçador
Um traçador 示踪剂 é uma substância com núcleos radioativos introduzida no corpo. Ela é absorvida mais pelos tecidos sendo estudados (ex. um tumor absorve mais traçador marcado com glicose devido à sua alta metabolismo 代谢). Seu decaimento é detectado de fora.
Na tomografia por emissão de pósitrons 正电子发射断层扫描 (PET), o traçador é um emissor de $\beta^{+}$ — ele emite um pósitron 正电子. Um comum é flúor-18 em um análogo de glicose (FDG).
"Explique o que se entende por traçador e como ele é utilizado" (três marcas). Um traçador é uma substância contendo núcleos radioativos (para PET, um emissor $\beta^{+}$ como o flúor-18) que é introduzido no corpo (injetado ou ingerido), geralmente ligado a uma molécula como a glicose, e é absorvido pelo tecido em estudo; a radiação emitida sai do corpo e é detectada, mostrando sua distribuição onde esse tecido está ativo. O nuclídeo é escolhido com meia-vida curta, para que a atividade seja alta durante a varredura e a dose ao paciente depois seja pequena, mas não tão curta que decaia antes de chegar ao tecido: flúor-18 ($110$ minutos) e oxigênio-15 ($2$ minutos, produzido e usado no local) são típicos.
Aniquilação
Quando uma partícula encontra seu antipartícula 反粒子, eles aniquilam 湮灭: sua massa se transforma em energia eletromagnética. Em PET:
- um pósitron percorre alguns mm antes de encontrar um elétron 电子.
- eles se aniquilam. Energia e momento linear 动量 são conservados.
- como o momento total é aproximadamente zero, dois fótons são produzidos indo em direções opostas, cada um com $511\ \text{keV}$ ($= m_{e} c^{2}$).

PET: a aniquilação produz dois fótons de 511 keV em direções opostas; uma coincidência fixa a linha Energia dos fótons da aniquilação
Pela conservação de energia, a energia total do fóton é igual à energia de repouso 能量 do par:
$$2 h f = 2 m_{e} c^{2}, \qquad h f = m_{e} c^{2}.$$Cada fóton tem $h f = m_{e} c^{2} \approx 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J} \approx 0.51\ \text{MeV}$, com $\lambda \approx 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$.
Explicando a aniquilação (quatro marcas). (1) O pósitron emitido pelo traçador percorre uma curta distância e encontra um elétron no tecido. (2) O par se aniquila: sua massa é convertida em energia, (3) emitida como dois fótons de raios gama, pois (4) o momento linear deve ser conservado: o par tinha quase nenhum momento, então os dois fótons devem viajar em direções opostas com momentos iguais. Cada fóton carrega a energia de repouso de uma partícula, $0.51\ \text{MeV}$; um único fóton não poderia conservar o momento.
Exemplo resolvido. Encontre a energia total liberada quando um pósitron e um elétron, ambos movendo-se lentamente, se aniquilam, e o comprimento de onda de cada fóton.
$E = 2m_{\text{e}}c^{2} = 2 \times 9.11 \times 10^{-31} \times (3.00 \times 10^{8})^{2} = 1.64 \times 10^{-13}\ \text{J}$ ($1.02\ \text{MeV}$), dividido igualmente: $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ cada. $\lambda = hc/E = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(8.2 \times 10^{-14}) = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, um raio gama. Se em vez disso o elétron e o pósitron se movem cada um a $4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ em direções opostas, cada um tem energia cinética $\tfrac{1}{2}mv^{2} = 1.1 \times 10^{-15}\ \text{J}$, cerca de $1\%$ de sua energia de repouso, e os fótons carregam $8.3 \times 10^{-14}\ \text{J}$ cada: a energia de repouso domina, razão pela qual os fótons da aniquilação têm sempre muito próximo a mesma energia.
Reconstruindo a imagem
Os dois fótons saem do corpo em direções opostas e atingem anel de detectores ao redor do paciente. Registrar as duas chegadas simultâneas (uma "coincidência") fixa a linha sobre a qual ocorreu a aniquilação. Muitas coincidências de muitos ângulos permitem que o computador construa um mapa 3-D do traçador — mostrando tecidos com alta atividade metabólica. Comparar os dois tempos de chegada pode refinar a posição ao longo dessa linha (PET por tempo de voo).
*Uma imagem finalizada de PET do cérebro: cores quentes (vermelho, amarelo) marcam onde o traçador se acumulou — o tecido mais ativo
Localizando uma aniquilação: dois fótons detectados juntos fixam a linha, e a diferença em seus tempos de chegada fixa onde na linha "Explique como os fótons gama são usados para formar uma imagem" (quatro marcas). (1) Os dois fótons saem do corpo em direções opostas e são detectados pelo anel de detectores. (2) Dois fótons chegando em (quase) mesmo tempo são tomados como vindo de uma única aniquilação, que portanto jaz sobre a linha unindo os dois detectores. (3) A pequena diferença nos tempos de chegada dá a posição ao longo dessa linha ($d = c\,\Delta t/2$ do ponto médio; uma diferença de $1\ \text{ns}$ é $15\ \text{cm}$, então o temporização deve ser muito precisa). (4) Um computador coleta muitos desses eventos e mapeia a concentração do traçador no tecido, produzindo uma imagem; maior concentração significa tecido mais ativo, como um tumor. Fótons que chegam sozinhos (seu parceiro absorvido no corpo) são rejeitados.
ExplorarRota de escaneamento PET
Siga a emissão de positrões até a um anel de fotões detetados.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin metabolism/məˈtæbəlɪzəm/ 代谢 dài xiè positron emission tomography/ˈpɒzɪtrɒn ɪˈmɪʃn təˈmɒɡrəfi/ 正电子发射断层扫描 zhèng diàn zi fā shè duàn céng sǎo miáo positron/ˈpɒzɪtrɒn/ 正电子 zhèng diàn zi antiparticle/ˌæntɪˈpɑːtɪkl/ 反粒子 fǎn lì zi annihilate/əˈnaɪəleɪt/ 湮灭 yān miè 24.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição efeito piezoelétrico um cristal muda de forma quando uma d.d.p. é aplicada através dele, e gera uma f.e.m. quando sua forma é alterada impedância acústica específica o produto da densidade de um meio e a velocidade do som nele, $Z = \rho c$ coeficiente de reflexão de intensidade a fração da intensidade incidente refletida em uma fronteira, $(Z_{1} - Z_{2})^{2}/(Z_{1} + Z_{2})^{2}$ coeficiente de atenuação a constante $\mu$ em $I = I_{0}e^{-\mu x}$; quanto maior for, mais rapidamente a intensidade cai com a espessura dureza (dos raios-X) o poder de penetração do feixe, definido pelas energias dos fótons (a d.d.p. aceleradora) contraste a diferença no grau de escurecimento entre regiões vizinhas de uma imagem nitidez quão bem definidas são as bordas das estruturas em uma imagem tomografia computadorizada (TC) imagens de raios-X de uma seção tomadas de vários ângulos são combinadas por computador em uma imagem 2-D da fatia; fatias sucessivas dão uma imagem 3-D traçador uma substância contendo núcleos radioativos que é introduzida no corpo e absorvida pelo tecido em estudo aniquilação uma partícula e sua antipartícula interagem e sua massa é convertida em energia (fótons), com massa-energia e momento linear conservados 24.3
Dicas de prova
- Ultrassom: pulso entra, eco volta; profundidade $= ct/2$ (há e volta); $Z = \rho c$; coeficiente de reflexão das duas impedâncias; gel ajusta a impedância à pele. A atenuação é exponencial e um eco cruza o tecido duas vezes.
- Raios-X: produção é filamento aquecido, alta d.d.p., desaceleração súbita no alvo; intensidade por corrente do filamento, dureza por d.d.p.; $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$; $I = I_{0}e^{-\mu x}$ com expoentes adicionados para camadas; contraste é uma diferença em $\mu$.
- TC: vários ângulos, uma fatia, computador, fatias sucessivas, 3-D. Cite todas as cinco.
- PET: $\beta^{+}$ traçador, aniquilação com um elétron, dois $0.51\ \text{MeV}$ fótons em direções opostas (momento linear), coincidência dá a linha, cronometragem dá a posição.
- Saiba as três respostas "explique" palavra por palavra: como o cristal gera e detecta, como os raios-X são produzidos, como os fótons localizam o traçador.
- Escreva unidades com toda impedância ($\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$) e coeficiente ($\text{cm}^{-1}$ ou $\text{m}^{-1}$), e converta $\text{cm}$ para $\text{m}$ apenas se $\mu$ estiver em $\text{m}^{-1}$.
Erros comuns
- Esquecer o fator de 2 na profundidade de uma fronteira refletora, ou a segunda passagem pelo tecido na intensidade de um eco.
- Definir impedância acústica como "a resistência ao som" em vez de densidade vezes velocidade do som.
- Citando o coeficiente de reflexão para gel-pele como "zero"; é pequeno, e esse é o ponto.
- Dizer que a d.d.p. controla a intensidade do feixe de raios-X, ou que a corrente do filamento controla a dureza; é o contrário.
- Explicar o comprimento de onda mínimo sem dizer que um elétron dá toda a sua energia cinética a um único fóton.
- Somar espessuras de materiais diferentes antes de aplicar $e^{-\mu x}$; adicione os produtos $\mu x$ em vez disso.
- Descrever TC como "um raio-X de vários ângulos" sem a reconstrução por computador, a fatia, ou as fatias sucessivas.
- Dar um fóton para aniquilação, ou dois fótons na mesma direção; a conservação do momento linear exige dois em direções opostas.
- Confundir o raciocínio da meia-vida do traçador: curto para que a dose seja pequena, mas longo o suficiente para atingir o tecido e ser varrido.
-
25
Astronomia e cosmologia
Assistir aula25.1
Luminosidade e fluxo radiante
Programa
- compreender o termo luminosidade como a potência total de radiação emitida por uma estrela
- recordar e usar a lei do inverso do quadrado para a intensidade de fluxo radiante $F$ em termos da luminosidade $L$ da fonte $F = L / (4\pi d^2)$
- compreender que um objeto de luminosidade conhecida é chamado de vela padrão
- compreender o uso de velas padrão para determinar distâncias até galáxias
Fonte: Programa Cambridge International
A luminosidade 光度 $L$ de uma estrela é a potência 功率 total de radiação que ela emite — a energia 能量 irradiada por segundo em todas as direções. Unidade: watt (W).
A definição de uma marca. A luminosidade de uma estrela é a potência total de radiação emitida pela estrela (ou a energia total emitida por unidade de tempo). É uma propriedade da estrela sozinha; como ela parece brilhante da Terra depende também de quão longe está. Perguntado por duas razões pelas quais algumas estrelas parecem mais brilhantes que outras, dê exatamente essas duas: uma maior luminosidade e uma menor distância (o fluxo cai conforme $1/d^{2}$).
À distância $d$, essa potência se espalhou sobre uma esfera de área $4\pi d^{2}$. A intensidade de fluxo radiante 辐射通量密度 $F$ (potência por unidade de área) à distância $d$ é
$$F = \frac{L}{4\pi d^{2}}.$$Exemplo resolvido. A luminosidade do Sol é $L = 3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$. Encontre a intensidade de fluxo radiante na Terra, a uma distância $d = 1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$.
$$F = \frac{L}{4\pi d^{2}} = \frac{3.8 \times 10^{26}}{4\pi (1.5 \times 10^{11})^{2}} \approx 1.4 \times 10^{3}\ \text{W m}^{-2}.$$Unidade: $\text{W m}^{-2}$. Esta é a lei do inverso do quadrado 平方反比定律 para o fluxo: dobrar a distância reduz o fluxo a um quarto. Um telescópio mede $F$; se $L$ é conhecido, a distância segue:
$$d = \sqrt{\frac{L}{4\pi F}}.$$
*As quatro unidades do Telescópio Very Large do ESO no Chile, usadas para medir o fluxo de estrelas distantes
*A mesma potência se espalha sobre uma área maior à medida que a distância aumenta, então o fluxo cai conforme $1/d^{2}$
*Plot $F$ contra $1/d^{2}$ e a lei do inverso do quadrado torna-se uma linha reta pela origem; sua inclinação é $L/4\pi$Lendo o gráfico. Um gráfico de $F$ contra $1/d^{2}$ para uma estrela é uma linha reta passando pela origem com inclinação $L/4\pi$, então $L = 4\pi \times \text{gradient}$; uma estrela mais luminosa dá uma linha mais íngreme. Uma estrela cuja galáxia se afasta ainda obedece à lei do inverso do quadrado, mas a luz que recebemos está desviada para o vermelho, então o fluxo em cada comprimento de onda é deslocado ao longo do espectro, e um detector sensível a uma faixa pode ver uma fração diferente.
Exemplo resolvido. O Sol tem raio $6.96 \times 10^{8}\ \text{m}$ e temperatura de superfície $5780\ \text{K}$. Uma sonda espacial com um painel solar $2.0\ \text{m}^{2}$ está $4.5 \times 10^{10}\ \text{m}$ do centro do Sol. Encontre a potência incidente no painel quando este estiver voltado para o Sol.
Luminosidade: $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4} = 4\pi(5.67 \times 10^{-8})(6.96 \times 10^{8})^{2}(5780)^{4} = 3.85 \times 10^{26}\ \text{W}$. Fluxo na sonda: $F = L/(4\pi d^{2}) = 3.85 \times 10^{26}/[4\pi(4.5 \times 10^{10})^{2}] = 1.5 \times 10^{4}\ \text{W m}^{-2}$, onze vezes o fluxo na Terra. Potência no painel: $P = FA = 1.5 \times 10^{4} \times 2.0 = 3.0 \times 10^{4}\ \text{W}$. O fluxo é potência por unidade de área perpendicular à radiação; um painel inclinado recebe $FA\cos\theta$.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin inverse-square law/ɪnˈvɜːs skweə lɔː/ 平方反比定律 píng fāng fǎn bǐ dìng lǜ 25.1
Velas padrão
Uma vela padrão 标准烛光 é um objeto cuja luminosidade é conhecida pelo seu tipo. Uma vez que encontra uma num galáxias distantes e mede o seu fluxo $F$, obtém a sua distância de $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$.
Exemplos:
- Variáveis Cefeidas 造父变星 (estrelas pulsantes) — o período de pulsação está fortemente ligado à luminosidade, portanto o período fornece $L$.
- Supernovas do Tipo Ia 超新星 — uma anã branca que atinge uma massa crítica e explode tem sempre aproximadamente a mesma luminosidade de pico.
Uma vela padrão fornece $L$ sem precisar saber a distância previamente, permitindo alcançar galáxias muito além da parallaxe 视差.
A definição. Uma vela padrão é um objeto (uma estrela ou uma supernova) de luminosidade conhecida. A luminosidade é conhecida porque é fixada por uma propriedade que pode ser medida de qualquer distância: o período de pulsação de uma variável Cefeide, ou o tipo de uma supernova.

As duas receitas deste tópico: uma distância a partir de uma vela padrão, e um raio a partir de um espectro e de um fluxo. Todo cálculo no exame é um deles, ou um passo de um "Explique como uma vela padrão é usada para determinar a distância de uma galáxia" (três marcas). (1) Identifica-se uma vela padrão na galáxia (uma variável Cefeide, cujo período dá a sua luminosidade, ou uma supernova do Tipo Ia) para que a sua luminosidade $L$ seja conhecida. (2) Mede-se a intensidade do fluxo radiante $F$ da sua luz ao chegar à Terra. (3) A distância deriva da lei do inverso do quadrado, $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$. A ordem importa: a luminosidade vem do tipo da vela, não da distância, que é o que se pretende encontrar.
Exemplo resolvido. Uma supernova do Tipo Ia, com luminosidade $1.0 \times 10^{36}\ \text{W}$ no seu pico, é observada com um fluxo de pico de $2.0 \times 10^{-14}\ \text{W m}^{-2}$. A que distância está a sua galáxia?
$d = \sqrt{L/(4\pi F)} = \sqrt{1.0 \times 10^{36}/(4\pi \times 2.0 \times 10^{-14})} = 6.3 \times 10^{24}\ \text{m}$, cerca de $670$ milhões de anos-luz 光年 ($1\ \text{ly} = 9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$). Uma Cefeide, com uma luminosidade da ordem de $10^{30}\ \text{W}$, não poderia ser vista a essa distância; as supernovas são as velas para o Universo distante.

A Galáxia de Andrômeda, nossa galáxia grande mais próxima, a cerca de 2.5 milhões de anos-luz de distância — as Cefeidas nela são velas padrão 
Para as variáveis Cefeides, o período de pulsação define a luminosidade, tornando-as velas padrão Explorarlaboratório de distância de velas padrão
brilho proporcional a 1 / distância^2
Mova a distância e veja por que o brilho cai rapidamente.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ 光度 guāng dù power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng parallax/ˈpærəlæks/ 视差 shì chā light years/laɪt jɪəz/ 光年 guāng nián 25.2
Temperatura de superfície estelar
Programa
- recordar e usar a lei de deslocamento de Wien $\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$ para estimar a temperatura superficial máxima de uma estrela
- usar a lei de Stefan–Boltzmann $L = 4\pi\sigma r^2 T^4$
- usar a lei de deslocamento de Wien e a lei de Stefan–Boltzmann para estimar o raio de uma estrela
Fonte: Programa Cambridge International
Lei do deslocamento de Wien
Um corpo quente emite um espectro contínuo (corpo negro 黑体) com um pico num comprimento de onda 波长 $\lambda_{\text{max}}$ determinado pela sua temperatura 温度. Lei do deslocamento de Wien 维恩位移定律:
$$\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}, \qquad b \approx 2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}.$$Exemplo resolvido. O espectro de corpo negro de uma estrela tem um pico em $\lambda_{\text{max}} = 500\ \text{nm}$. Encontre a sua temperatura de superfície. ($b = 2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}$.)
$$T = \frac{b}{\lambda_{\text{max}}} = \frac{2.90 \times 10^{-3}}{500 \times 10^{-9}} \approx 5800\ \text{K}.$$Estrelas mais quentes têm picos em comprimentos de onda mais curtos: uma estrela vermelha fria ($\sim 3000\ \text{K}$) tem pico no infravermelho; o Sol ($\sim 5800\ \text{K}$) tem pico próximo de $500\ \text{nm}$; uma estrela azul-branca quente ($\sim 20{,}000\ \text{K}$) tem pico no ultravioleta. Medir $\lambda_{\text{max}}$ dá a temperatura de superfície.
"Enuncie a lei do deslocamento de Wien" (duas marcas). O comprimento de onda em que a intensidade da radiação de um corpo negro é máxima é inversamente proporcional à sua temperatura termodinâmica: $\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$, ou $\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}$ ($2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}$). Diga "comprimento de onda de máxima intensidade", não apenas "o comprimento de onda", e a temperatura deve estar em kelvin. A lei descreve o pico da curva contínua do corpo negro, não as linhas espectrais.

Os Pilares da Criação na Nebulosa da Águia — nuvens de gás e poeira iluminadas por estrelas calientes recém-formadas 
Um corpo negro mais quente irradia mais, e o seu comprimento de onda de pico desloca-se para o azul (lei de Wien) Lei de Stefan–Boltzmann
Uma estrela, tratada como uma esfera de corpo negro de raio $r$ e temperatura de superfície $T$, tem luminosidade
$$L = 4\pi \sigma r^{2} T^{4},$$onde $\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\ \text{K}^{-4}$ é a constante de Stefan–Boltzmann 斯特藩-玻尔兹曼常量 (a lei de Stefan–Boltzmann 斯特藩-玻尔兹曼定律). Duas fortes dependências:
- $L \propto r^{2}$ — dobro do raio, quatro vezes a luminosidade (mesmo $T$).
- $L \propto T^{4}$ — dobro da temperatura, dezesseis vezes a luminosidade (mesmo $r$).
Exemplo resolvido. Uma estrela tem raio $r = 7.0 \times 10^{8}\ \text{m}$ e temperatura de superfície $T = 5800\ \text{K}$. Encontre a sua luminosidade. ($\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\ \text{K}^{-4}$.)
$$L = 4\pi\sigma r^{2} T^{4} = 4\pi (5.67 \times 10^{-8})(7.0 \times 10^{8})^{2}(5800)^{4} \approx 3.9 \times 10^{26}\ \text{W}.$$Estimativa do raio de uma estrela
Combine as duas leis:
- meça $\lambda_{\text{max}}$ → obtenha $T$ da lei de Wien.
- encontre $L$ (ex. a partir do fluxo $F$ e da distância $d$: $L = 4\pi d^{2} F$).
- resolva a lei de Stefan–Boltzmann para $r$: $r = \sqrt{L/(4\pi \sigma T^{4})}$.
É assim que os astrônomos estimam raios de estrelas que não podem ver como discos.
Exemplo resolvido (o raio do Sol). A intensidade do fluxo radiante da luz solar na Terra é $1370\ \text{W m}^{-2}$ a uma distância de $1.50 \times 10^{11}\ \text{m}$, e o espectro do Sol tem um pico em $500\ \text{nm}$. Estime o raio do Sol.
Luminosidade: $L = 4\pi d^{2}F = 4\pi(1.50 \times 10^{11})^{2}(1370) = 3.87 \times 10^{26}\ \text{W}$. Temperatura: $T = b/\lambda_{\text{max}} = 2.90 \times 10^{-3}/(500 \times 10^{-9}) = 5800\ \text{K}$. Raio: $r = \sqrt{L/(4\pi\sigma T^{4})} = \sqrt{3.87 \times 10^{26}/[4\pi(5.67 \times 10^{-8})(5800)^{4}]} = 6.9 \times 10^{8}\ \text{m}$. Três passos, cada um uma fórmula de uma linha; mantenha a precisão total de $L$ e $T$ até ao final, pois $T$ está elevado à quarta potência.
Exemplo resolvido. Uma estrela numa galáxia distante tem uma intensidade de fluxo radiante de $2.52 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}$ na Terra, a uma distância de $4.16 \times 10^{17}\ \text{m}$, e uma temperatura de superfície de $9500\ \text{K}$. Encontre o seu raio.
$L = 4\pi d^{2}F = 4\pi(4.16 \times 10^{17})^{2}(2.52 \times 10^{-8}) = 5.48 \times 10^{28}\ \text{W}$. Então $r = \sqrt{5.48 \times 10^{28}/[4\pi(5.67 \times 10^{-8})(9500)^{4}]} = 3.1 \times 10^{9}\ \text{m}$, cerca de quatro vezes o raio do Sol. Verifique o sentido: uma estrela $140$ vezes mais luminosa que o Sol mas apenas $1.6$ vezes mais quente deve ser consideravelmente maior, já que $L \propto r^{2}T^{4}$.
Porque $T^{4}$ importa tanto. Duas estrelas do mesmo raio a $3000\ \text{K}$ e $6000\ \text{K}$ diferem em luminosidade por $2^{4} = 16$ vezes; um pequeno erro na temperatura é um grande erro na luminosidade, razão pela qual o comprimento de onda de pico deve ser lido cuidadosamente e, para uma galáxia em recuo, corrigido por redshift (abaixo).
ExplorarLuminosidade e raio de uma estrela
L ∝ r²
Para uma dada temperatura superficial, a luminosidade de uma estrela cresce com o QUADRADO de seu raio (lei de Stefan).
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin blackbody/ˈblækbɒdi/ 黑体 hēi tǐ wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù Wien's displacement law/viːnz dɪˈspleɪsmənt lɔː/ 维恩位移定律 wéi ēn wèi yí dìng lǜ Stefan–Boltzmann constant/ˈstefən ˈbɒltsmən ˈkɒnstənt/ 斯特藩-玻尔兹曼常量 sī tè fān - bō ěr zī màn cháng liàng Stefan–Boltzmann law/ˈstefən ˈbɒltsmən lɔː/ 斯特藩-玻尔兹曼定律 sī tè fān - bō ěr zī màn dìng lǜ spectral lines/ˈspektrəl laɪnz/ 谱线 pǔ xiàn 25.3
Redshift, lei de Hubble e Big Bang
Programa
- compreender que as linhas nos espectros de emissão e absorção de objetos distantes mostram um aumento no comprimento de onda em relação aos seus valores conhecidos
- usar $\Delta\lambda / \lambda \approx \Delta f / f \approx v / c$ para o desvio para o vermelho de radiação eletromagnética de uma fonte movendo-se relativamente a um observador
- explicar por que o desvio para o vermelho leva à ideia de que o Universo está expandindo
- recordar e usar a Lei de Hubble $v \approx H_0 d$ e explicar como isso leva à teoria do Big Bang (os candidatos só serão exigidos a usar unidades SI)
Fonte: Programa Cambridge International
Redshift cosmológico
As linhas espectrais 谱线 da luz de galáxias distantes são vistas em comprimentos de onda mais longos do que os seus valores laboratoriais conhecidos — todo o espectro é esticado em direção ao vermelho. Este é o redshift 红移.

As linhas de absorção de hidrogênio de uma estrela distante estão deslocadas para comprimentos de onda mais longos — um redshift Lendo-o como um desvio Doppler, a galáxia está a mover-se para longe. Para $v \ll c$:
$$\frac{\Delta \lambda}{\lambda} \approx \frac{v}{c},$$onde $\Delta\lambda = \lambda_{\text{observed}} - \lambda_{\text{emitted}}$ e $v$ é a velocidade de recessão 退行. Exemplo: luz emitida em $4.62 \times 10^{-7}\ \text{m}$ mas vista em $4.91 \times 10^{-7}\ \text{m}$ dá $\Delta\lambda = 0.29 \times 10^{-7}\ \text{m}$ e
$$v \approx \frac{\Delta\lambda}{\lambda_{\text{em}}} c \approx 1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}.$$Por que o redshift significa um Universo em expansão
Quase toda a galáxia distante tem redshift (algumas próximas têm blueshift 蓝移 por movimento local). Assim, as galáxias estão, em média, a afastar-se — não só de nós mas umas das outras. O Universo está em expansão, com o espaço entre galáxias a esticar-se. Galáxias mais distantes têm redshift maior.
"Enuncie o que se entende por redshift." O comprimento de onda observado da radiação (as suas linhas espectrais) de uma fonte é maior do que o comprimento de onda emitido, porque a fonte está a afastar-se do observador. É o efeito Doppler 多普勒效应 para a luz: a variação fracional no comprimento de onda iguala a variação fracional na frequência e, para $v \ll c$, a razão $v/c$.
Exemplo resolvido. Uma linha de hidrogênio medida no laboratório em $656.3\ \text{nm}$ é observada na luz de uma galáxia em $660.9\ \text{nm}$. Encontre a velocidade de recessão da galáxia e, usando $H_{0} = 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$, a sua distância.
$\Delta\lambda = 660.9 - 656.3 = 4.6\ \text{nm}$, logo $v = c\,\Delta\lambda/\lambda = (3.00 \times 10^{8})(4.6/656.3) = 2.1 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. Distância: $d = v/H_{0} = 2.1 \times 10^{6}/2.3 \times 10^{-18} = 9.1 \times 10^{23}\ \text{m}$ (cerca de $100$ milhões de anos-luz). Divida pelo comprimento de onda emitido (laboratorial) e mantenha os nanómetros consistentes na razão.
Exemplo resolvido (ao contrário). Uma galáxia em Corona Borealis recede a $21\,400\ \text{km s}^{-1}$. Em que comprimento de onda é observada a sua linha de hidrogênio $656.3\ \text{nm}$?
$\Delta\lambda = \lambda v/c = 656.3 \times (2.14 \times 10^{7}/3.00 \times 10^{8}) = 46.8\ \text{nm}$, logo a linha aparece em $703\ \text{nm}$, movida do vermelho quase para o infravermelho. Cada linha e todo o espectro contínuo são esticados pelo mesmo fator $(1 + v/c) = 1.071$.

O espectro contínuo de uma galáxia em recuo mantém a sua forma mas desliza para comprimentos de onda mais longos. A lei de Wien aplicada ao pico observado dá uma temperatura que é demasiado baixa Uma armadilha que o exame coloca. Se o comprimento de onda de pico do espectro de uma galáxia em recessão for introduzido diretamente na lei de Wien, a temperatura sai demasiado baixa, porque o $\lambda_{\text{max}}$ observado é maior do que o emitido. Corrija o pico primeiro: $\lambda_{\text{emitted}} = \lambda_{\text{observed}}/(1 + v/c)$. Pedido para esboçar o espectro observado nos mesmos eixos que o emitido, desenhe a mesma forma deslocada para comprimentos de onda mais longos, incluindo o pico.
"Explique como o desvio para o vermelho leva à ideia de que o Universo está em expansão" (três marcas). (1) As linhas espectrais de (quase) todas as galáxias distantes estão deslocadas para comprimentos de onda maiores, então (2) pelo efeito Doppler, as galáxias estão se afastando de nós, e (3) quanto mais distante uma galáxia, maior é seu desvio para o vermelho e, portanto, sua velocidade: isso seria visto de qualquer galáxia se o espaço entre todas as galáxias estivesse se expandindo, então o Universo como um todo está em expansão, não apenas se afastando da Terra.

O Campo Ultra Profundo do Hubble — quase todos os pontos de luz são galáxias inteiras, a maioria delas com desvio para o vermelho e se afastando Lei de Hubble
A relação entre a velocidade de recessão $v$ e a distância $d$ é a Lei de Hubble 哈勃定律:
$$v \approx H_{0} \cdot d,$$onde $H_{0}$ é a constante de Hubble 哈勃常数 ($\approx 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$). Use sempre unidades SI. Exemplo: uma galáxia com recessão a $1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ está a $d = v/H_{0} \approx 8.3 \times 10^{24}\ \text{m}$.
"Enuncie a lei de Hubble" (duas marcas). A velocidade de recessão de uma galáxia é (diretamente) proporcional à sua distância da Terra (do observador): $v = H_{0}d$, onde $v$ é a velocidade de recessão, $d$ a distância e $H_{0}$ a constante de Hubble. Identifique cada símbolo quando solicitado. O valor de $H_{0}$ é citado na prova em unidades SI ($\text{s}^{-1}$), então $v$ deve estar em $\text{m s}^{-1}$ e $d$ em metros, nunca quilômetros por segundo por megaparsec.
Exemplo resolvido. Uma estrela em uma galáxia distante emite radiação cuja intensidade pico está em $4.62 \times 10^{-7}\ \text{m}$; o pico na luz recebida na Terra está em $4.91 \times 10^{-7}\ \text{m}$. Encontre a temperatura da superfície da estrela, a velocidade de recessão da galáxia e sua distância ($H_{0} = 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$).
Temperatura a partir do pico emitido: $T = 2.90 \times 10^{-3}/4.62 \times 10^{-7} = 6300\ \text{K}$. Velocidade: $v = c\,\Delta\lambda/\lambda = (3.00 \times 10^{8})(0.29/4.62) = 1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$, cerca de $6\%$ de $c$. Distância: $d = v/H_{0} = 1.9 \times 10^{7}/2.3 \times 10^{-18} = 8.2 \times 10^{24}\ \text{m}$ (cerca de $870$ milhões de anos-luz). Usar o pico observado para a temperatura teria dado $5900\ \text{K}$, $400\ \text{K}$ demasiado baixo.

Lei de Hubble: a velocidade de recessão de uma galáxia é proporcional à sua distância, $v = H_0 d$ Da Lei de Hubble ao Big Bang
A Lei de Hubble significa que as galáxias estiveram juntas. Correndo a expansão para trás, todas as distâncias encolhem a zero em $t = -1/H_{0}$ — o Universo já foi um ponto minúsculo, extremamente denso e quente. Isso é o Big Bang 大爆炸. A idade do Universo (para expansão constante) é aproximadamente
$$T_{\text{age}} \approx \frac{1}{H_{0}} \approx 4.3 \times 10^{17}\ \text{s} \approx 14 \text{ billion years}.$$A expansão, o desvio para o vermelho das galáxias, a radiação cósmica de fundo micro-ondas 宇宙微波背景, e as abundâncias de hidrogênio/hélio são as principais evidências para o Big Bang.
"Explique como a Lei de Hubble leva à teoria do Big Bang" (três marcas). (1) As galáxias estão se afastando com velocidades proporcionais às suas distâncias, então (2) se o tempo for invertido, cada galáxia, independentemente da distância, chega ao mesmo ponto no mesmo momento, $t = d/v = 1/H_{0}$ atrás; (3) então o Universo deve ter começado como um único ponto de enorme densidade e temperatura que tem se expandido desde então. A estimativa de idade: $1/H_{0} = 1/(2.3 \times 10^{-18}) = 4.3 \times 10^{17}\ \text{s}$, e dividindo por $3.16 \times 10^{7}\ \text{s}$ por ano dá $1.4 \times 10^{10}$ anos. Isso assume que a taxa de expansão não mudou; é uma estimativa, não uma medição.
Escada de distâncias
Os astrônomos combinam métodos, cada um calibrado pelo método abaixo:
- parallax — para estrelas próximas.
- velas padrão (Cefeidas, supernovas tipo Ia) — para galáxias.
- Lei de Hubble ($d = v/H_{0}$, com $v$ do desvio para o vermelho) — para galáxias muito distantes.

A escada de distâncias: cada método é calibrado pelo método abaixo e alcança mais longe ExplorarLei de Hubble
v = H₀·d
A velocidade de recessão é proporcional à distância — a inclinação é a constante de Hubble.
Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin redshift/ˈredʃɪft/ 红移 hóng yí recession/rɪˈseʃn/ 退行 tuì xíng blueshifted/ˈbluːʃɪftɪd/ 蓝移 lán yí Doppler effect/ˈdɒplə ɪˈfekt/ 多普勒效应 duō pǔ lè xiào yìng Big Bang/bɪɡ bæŋ/ 大爆炸 dà bào zhà cosmic microwave background/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd/ 宇宙微波背景 yǔ zhòu wēi bō bèi jǐng supernovae/ˌsuːpəˈnəʊviː/ 超新星 chāo xīn xīng 25.3
Definições aceitas pelo examinador
Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.
Termo Definição luminosidade a potência total de radiação emitida por uma estrela radiant flux intensity a potência de radiação recebida por unidade de área (em ângulo reto em relação à radiação), $F = L/(4\pi d^{2})$ standard candle um objeto de luminosidade conhecida, do qual uma distância pode ser encontrada medindo-se o fluxo recebido lei do deslocamento de Wien o comprimento de onda de máxima intensidade de um corpo negro é inversamente proporcional à sua temperatura termodinâmica, $\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}$ lei de Stefan–Boltzmann a luminosidade de um corpo negro de raio $r$ é $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4}$ redshift o aumento no comprimento de onda observado da radiação de uma fonte se afastando do observador Lei de Hubble a velocidade de recessão de uma galáxia é proporcional à sua distância do observador, $v = H_{0}d$ Hubble constant a constante de proporcionalidade na Lei de Hubble, em $\text{s}^{-1}$; $1/H_{0}$ estima a idade do Universo Big Bang theory o Universo começou de um único ponto de densidade e temperatura muito altas e tem se expandido desde então Vocabulário TreinarInglês Chinês Pinyin radiant flux intensity/ˈreɪdɪənt flʌks ɪnˈtensɪti/ 辐射通量密度 fú shè tōng liàng mì dù standard candle/ˈstændəd ˈkændl/ 标准烛光 biāo zhǔn zhú guāng Cepheid variables/ˈsefiɪd ˈveərɪəblz/ 造父变星 zào fù biàn xīng Type Ia supernovae/taɪp wʌn ˈeɪ ˌsuːpəˈnəʊviː/ 超新星 chāo xīn xīng Hubble's law/ˈhʌblz lɔː/ 哈勃定律 hā bó dìng lǜ Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ 哈勃常数 hā bó cháng shù 25.3
Dicas de prova
- Duas receitas: distância = $L$ da vela, $F$ medida, $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$; raio = $T$ de $\lambda_{\text{max}}$, $L$ de $F$ e $d$, $r$ de $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4}$. Escreva cada etapa como sua própria fórmula.
- $F$ é um fluxo (por metro quadrado), $L$ uma potência; $L = 4\pi d^{2}F$ os conecta e $4\pi$ faz parte de ambas as leis.
- Wien: $\lambda_{\text{max}}$ em metros, $T$ em kelvin. Stefan–Boltzmann: $r^{2}$ e $T^{4}$; um erro de $10\%$ em $T$ é um erro de $46\%$ em $L$.
- Redshift: $\Delta\lambda/\lambda_{\text{emitted}} = v/c$; depois $d = v/H_{0}$ em unidades SI. Corrija o comprimento de onda pico de uma galáxia em recessão antes de usar a lei de Wien.
- As três respostas "explique" (vela padrão para distância, desvio para o vermelho para expansão, Lei de Hubble para o Big Bang) são marcadas ponto a ponto: três afirmações cada, em ordem.
- A idade do Universo é $1/H_{0}$, cerca de $14$ bilhões de anos; enuncie a suposição de uma taxa de expansão constante.
Erros comuns
- Definir luminosidade como brilho, ou como potência por unidade de área; isto é o fluxo.
- Encontrar a luminosidade de uma vela padrão a partir de sua distância, o que é circular; a luminosidade vem de seu tipo.
- Usar graus Celsius nas leis de Wien ou Stefan, ou esquecer a quarta potência.
- Dividir $\Delta\lambda$ pelo comprimento de onda observado em vez do emitido, ou misturar nanômetros e metros em uma mesma razão.
- Usar $H_{0}$ com $v$ em $\text{km s}^{-1}$; converter para $\text{m s}^{-1}$.
- Alimentar um comprimento de onda pico com desvio para o vermelho na lei de Wien e relatar uma temperatura demasiado baixa.
- Enunciar a Lei de Hubble sem "proporcional" ou sem dizer o que $v$ e $d$ são.
- Explicar o Big Bang sem o argumento de reversão temporal de que todas as galáxias estavam juntas em $t = 1/H_{0}$ atrás.