Física do IGCSE

Comprimento e volume

Use uma régua 直尺 para medir comprimento. Leia a escala com o olho diretamente em frente à marca para evitar erro de leitura.

Use um cilindro graduado 量筒 para medir o volume de um líquido. Leia a escala na base da superfície curva (o menisco 弯月面), com o nível dos olhos alinhado a ele.

Medindo tempo

Use a cronômetro 秒表 ou um temporizador digital 数字计时器 para medir um intervalo de tempo. Um relógio é adequado para intervalos longos (minutos ou horas). Um cronômetro é iniciado e parado manualmente, portanto, cada leitura apresenta um erro de tempo de reação 反应时间 de aproximadamente 0.2 s. Para reduzir a influência desse erro, meça um intervalo longo ou realize várias medições repetidas e divida o resultado (veja abaixo).

Medindo pequenas quantidades

Um único pequeno comprimento ou curto tempo é difícil de medir bem. O truque é medir muitos e dividir 测多个再相除:

• Para encontrar a espessura de uma página, meça 100 páginas e divida por 100.
• Para encontrar o tempo de uma oscilação de um pêndulo 摆, meça o tempo de 20 oscilações e divida por 20. Uma oscilação completa é chamada de período 周期.

Isso torna a incerteza 不确定度 (o tamanho do erro) muito menor.

Escalares e vetores

Uma grandeza escalar 标量 tem apenas tamanho (módulo 大小). Uma grandeza vetorial 矢量 tem tamanho e direção.

• Escalares: distância, velocidade escalar, tempo, massa 质量, energia 能量, temperatura 温度.
• Vetores: força 力, peso 重力, velocidade 速度, aceleração 加速度, momento linear 动量, intensidade do campo elétrico 电场强度, intensidade do campo gravitacional 重力场强度.

Para somar dois vetores em ângulo reto (90°), desenhe-os como dois lados de um retângulo. A resultante 合矢量 é a diagonal. Encontre seu módulo com Pitágoras e sua direção com trigonometria.

Velocidade e velocidade escalar

Velocidade escalar 速率 é a distância percorrida por unidade de tempo.

Velocidade é velocidade em uma direção especificada. Portanto, velocidade é um vetor, mas velocidade escalar é um escalar.

Aceleração

Aceleração é a variação da velocidade por unidade de tempo.

Aqui $\Delta v$ significa "a variação da velocidade". Uma desaceleração 减速 (redução de velocidade) é uma aceleração negativa.

Exemplo resolvido. Um carro acelera de $8\ \text{m/s}$ para $20\ \text{m/s}$ em $4.0\ \text{s}$. Encontre sua aceleração.

Gráficos de movimento

Um gráfico de distância-tempo 距离-时间图 mostra até onde um objeto foi:

• Uma linha plana (horizontal) significa que o objeto está parado 静止.
• Uma inclinação reta significa velocidade constante. A inclinação 斜率 (índice) é a velocidade.
• Uma curva que fica mais íngreme significa que o objeto está acelerando.

Um gráfico de velocidade-tempo 速度-时间图 mostra a rapidez com que um objeto se move:

• Uma linha plana indica velocidade constante.
• Uma inclinação reta indica aceleração constante. A inclinação é a aceleração.
• A área sob a linha 线下面积 é a distância percorrida.

Queda livre

Perto da Terra, o campo gravitacional é uniforme 均匀 (mesma intensidade em todos os pontos), então todos os objetos aceleram ao cair na mesma taxa. Esta é a aceleração da queda livre 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.

Quando um objeto cai pelo ar, a resistência do ar 空气阻力 (uma força de arrasto) atua para cima. À medida que ele acelera, a resistência do ar aumenta. Quando a resistência do ar iguala o peso, a força resultante é zero e o objeto deixa de acelerar. Ele então cai a uma velocidade terminal 收尾速度 constante.

Massa é a quantidade de matéria 物质 em um objeto. É medida em quilogramas (kg) e não muda quando você move o objeto.

Peso é a força da gravidade sobre uma massa. É medido em newtons (N). O peso pode mudar: é menor na Lua porque a gravidade lunar é mais fraca.

Intensidade do campo gravitacional é a força por unidade de massa:

Este $g$ tem o mesmo valor da aceleração da queda livre ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Você pode comparar massas com uma balança 天平.

Densidade é a massa por unidade de volume.

O símbolo $\rho$ é a letra grega "rho". A unidade é $\text{kg/m}^3$ ou $\text{g/cm}^3$.

Para encontrar a densidade: meça a massa com uma balança, encontre o volume, depois divida.

• Sólido regular 规则固体 (como uma caixa): meça os lados e calcule o volume.
• Sólido irregular 不规则固体 (uma forma estranha): submerja-o em água em um cilindro graduado. O aumento no nível da água é seu volume. Este é o método de deslocamento 排水法.
• Líquido: coloque um cilindro graduado vazio na balança e leia sua massa. Despeje o líquido, leia o volume no cilindro e leia a massa novamente. A massa do líquido é a diferença entre as duas leituras de massa.

Um objeto flutua 漂浮 se sua densidade for menor que a densidade do líquido. Ele afunda se sua densidade for maior. Da mesma forma, um líquido flutua sobre outro (se os dois não se misturarem) quando sua densidade for menor: óleo flutua sobre água.

Exemplo resolvido. Uma pedra de massa $54\ \text{g}$ é mergulhada em um cilindro graduado. O nível da água sobe de $20\ \text{cm}^3$ para $40\ \text{cm}^3$. Encontre a densidade da pedra.

O volume da pedra é o aumento no nível da água, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, portanto

Uma força é um empurrão ou um puxão. Uma força pode alterar a forma 形状, a velocidade ou a direção de um objeto.

Alongamento (Lei de Hooke)

Quando você pendura uma carga em uma mola, ela alonga. O alongamento é chamado de extensão 伸长量.

Em um gráfico de carga-extensão 载荷-伸长图 a linha é reta inicialmente: a extensão é proporcional à carga. O ponto onde a linha deixa de ser reta é o limite de proporcionalidade 比例极限.

O experimento. Pendure a mola em um suporte e posicione uma régua ao lado. Leia a posição da parte inferior da mola sem carga: este é o comprimento original. Adicione cargas uma de cada vez (por exemplo, 1 N cada) e registre o novo comprimento cada vez. A extensão é o novo comprimento menos o comprimento original. Plote a carga no eixo y contra a extensão no eixo x.

A constante elástica 弹簧常数 é a força por unidade de extensão:

Um $k$ grande significa uma mola rígida.

Força resultante e leis de Newton

Some as forças em uma linha reta para obter a força resultante 合力 (forças em uma direção são positivas, na outra direção negativas).

• Se a força resultante for zero, o objeto permanece parado ou continua se movendo em linha reta com velocidade constante. (Primeira lei de Newton.)
• Se a força resultante não for zero, o objeto acelera na direção da força:

Exemplo resolvido. Um carro de $1200\ \text{kg}$ tem uma força motriz de $3000\ \text{N}$ e $600\ \text{N}$ de atrito. Encontre sua aceleração.

Primeiro encontre a força resultante: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Então

Movimento circular

Uma força resultante perpendicular ao movimento não altera a velocidade. Altera a direção, então o objeto se move em um círculo com velocidade constante. Este é o movimento circular 圆周运动. A força sempre aponta para o centro do círculo: a tração da corda em uma bola giratória, ou a gravidade do Sol em um planeta.

Para um objeto se movendo em um círculo:

• uma força maior é necessária para manter a mesma massa se movendo a uma velocidade maior em um círculo de mesmo raio 半径;
• uma força maior faz a mesma massa, à mesma velocidade, mover-se em um círculo menor (menor raio);
• uma massa maior precisa de uma força maior para manter a mesma velocidade e o mesmo raio.

Atrito

Atrito 摩擦力 é a força entre duas superfícies que se tocam. Ela tenta parar o movimento e gera calor. Arrasto (atrito em líquidos ou gases, como resistência do ar) também desacelera objetos.

Momentos — efeito de rotação

O momento 力矩 de uma força é seu efeito de rotação em torno de um pivô 支点.

A unidade é o newton metro (N m).

Princípio dos momentos 力矩原理: quando um objeto está equilibrado (em equilíbrio 平衡),

Um objeto está em equilíbrio quando não há força resultante e nem momento resultante.

Exemplo resolvido. Um peso de $30\ \text{N}$ está posicionado $0.20\ \text{m}$ à esquerda de um pivô. A que distância à direita deve estar um peso de $20\ \text{N}$ para equilibrar a viga?

Equilibrado, então momento anti-horário $=$ momento horário:

Verificando o princípio experimentalmente. Equilibre uma régua de um metro em seu centro sobre um pivô. Pendure um peso conhecido em cada lado e mova-os até que a régua equilibre novamente. Meça cada distância a partir do pivô. Força × distância à esquerda é igual a força × distância à direita, dentro dos pequenos erros de medição, portanto não há momento resultante em um objeto equilibrado.

Centro de gravidade

O centro de gravidade 重心 é o único ponto onde todo o peso de um objeto parece atuar.

Para uma forma plana (lâmina 薄片), pendure-a por um pino e deixe-a assentar; desenhe uma linha vertical para baixo do pino usando um esquadro. Repita de outro ponto. O centro de gravidade é onde as linhas se cruzam.

A estabilidade 稳定性 de um objeto depende de onde seu centro de gravidade está. Um objeto é mais estável 稳定 quando seu centro de gravidade está baixo e sua base é larga. Ele tomba quando uma linha vertical descendo do centro de gravidade passa para fora da base.

Momento linear é massa vezes velocidade. É um vetor.

Impulso 冲量 é a força vezes o tempo em que atua, e é igual à variação do momento linear:

Então a força resultante é a variação do momento linear por unidade de tempo:

Conservação do momento linear 动量守恒: quando objetos colidem e nenhuma força externa atua, o momento linear total antes é igual ao momento linear total depois.

(Aqui $u$ é uma velocidade antes e $v$ é uma velocidade depois.)

Exemplo resolvido. Um carrinho de $2.0\ \text{kg}$ movendo-se a $3.0\ \text{m/s}$ bate em um carrinho estacionado de $1.0\ \text{kg}$ e eles ficam presos juntos. Encontre sua velocidade comum depois.

O momento linear total é conservado, então

Armazenamento de energia

A energia pode ser armazenada 储存 de diferentes formas: cinética 动能, potencial gravitacional 重力势能, química 化学能, elástica (de deformação) 弹性势能, nuclear 核能, eletrostática 静电能 e interna (térmica) 内能.

A energia é transferida 转移 entre estoques por forças (trabalho mecânico), por correntes elétricas, por aquecimento e por ondas (como luz e som).

Energia cinética e potencial

Energia cinética é a energia de um objeto em movimento:

A variação na energia potencial gravitacional quando um objeto sobe ou desce uma altura $\Delta h$:

Conservação de energia

O princípio da conservação da energia 能量守恒定律 diz que a energia nunca é criada nem destruída; ela apenas se move entre estoques. Um objeto caindo converte energia potencial gravitacional em energia cinética. Um diagrama de Sankey 桑基图 mostra como a energia de entrada se divide em energia útil e energia desperdiçada 浪费.

Exemplo resolvido. Uma bola de $0.50\ \text{kg}$ é solta de uma altura de $1.8\ \text{m}$. Desprezando a resistência do ar, encontre sua velocidade logo antes de tocar o solo. (Considere $g = 10\ \text{m/s}^2$.)

Toda a energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética, então $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. A massa se cancela, restando $v^2 = 2g\,\Delta h$:

Como a massa se cancela, todo objeto solto dessa altura tocará o solo na mesma velocidade.

Trabalho

Trabalho realizado 做功 é igual à energia transferida. Quando uma força move um objeto:

A unidade de trabalho e energia é o joule 焦耳 (J).

Potência

Potência 功率 é o trabalho realizado (ou energia transferida) por unidade de tempo.

A unidade é o watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.

Eficiência

Eficiência 效率 indica quanto da energia de entrada se torna energia útil.

A eficiência é sempre menor que 100% porque alguma energia sempre é desperdiçada (geralmente como calor). A mesma ideia funciona com potência:

Exemplo resolvido. Um motor recebe $200\ \text{J}$ de energia elétrica e levanta uma carga, conferindo a ela $150\ \text{J}$ de energia potencial gravitacional. Encontre sua eficiência.

Recursos energéticos

Geramos eletricidade a partir de vários recursos energéticos. A maioria gira uma turbina que aciona um gerador – geralmente fervendo água para produzir vapor (combustíveis fósseis, combustível nuclear, geotermal, biocombustíveis), ou diretamente movendo água ou ar (hidrelétrico, ondas, marés, vento). Células solares geram eletricidade diretamente da luz solar; painéis solares aquecem água.

Ao comparar recursos, use estes cinco conceitos: renovabilidade 可再生性 (vai acabar?), disponibilidade 可用性 (está sempre lá? o vento pode parar e o Sol se põe), confiabilidade 可靠性 (fornece uma produção estável?), escala 规模 (quanto de energia pode fornecer?) e impacto ambiental 环境影响 (poluição, dióxido de carbono, terras inundadas por uma represa).

A maioria desses remonta ao Sol (combustíveis fósseis são luz solar antiga armazenada; vento e ondas vêm do aquecimento solar) – as exceções são a energia geotermal, nuclear e de maré. O próprio Sol é alimentado por fusão nuclear 核聚变, unindo núcleos de hidrogênio em hélio. Cientistas estão pesquisando como usar a fusão em usinas na Terra, mas nenhum reator de fusão ainda produz mais energia elétrica do que consome.

Pressão é a força por unidade de área.

A unidade é o pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.

Uma pequena área resulta em grande pressão (uma faca afiada corta bem). Uma grande área resulta em pequena pressão (sapatos de neve impedem você de afundar).

Pressão em um líquido

Em um líquido, a pressão aumenta com a profundidade 深度 e com a densidade do líquido:

É por isso que uma barragem é construída mais espessa na base, onde a pressão da água é maior. A pressão em um líquido atua em todas as direções.

Exemplo resolvido. Encontre a pressão extra a uma profundidade de $2.0\ \text{m}$ na água (densidade $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).

• Em um gráfico de distância-tempo, a inclinação é a velocidade; em um gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração e a área sob a linha é a distância percorrida. Nunca leia um gráfico como se fosse o outro.
• Massa (kg) é a quantidade de matéria e é a mesma em qualquer lugar; peso (N) é a força da gravidade, $W = mg$. Na Lua sua massa permanece inalterada, mas seu peso é menor.
• Velocidade é um escalar; velocidade vetorial é um vetor. Algo se movendo a velocidade constante em torno de uma curva ainda está acelerando, porque sua direção continua mudando.
• Na Lei de Hooke, a carga é proporcional à extensão apenas até o limite de proporcionalidade. Use a extensão (comprimento esticado − comprimento original), nunca o comprimento total.
• Momento linear $p = mv$ é conservado em uma colisão. Dê a cada velocidade um sinal $+$ ou $-$ para sua direção antes de somá-las.
• Converta unidades primeiro (cm → m, g → kg). Use $p = F/A$ para um sólido pressionando sobre uma superfície, mas $p = \rho g h$ para a pressão dentro de um líquido — são fórmulas diferentes.

A matéria existe em três estados: sólido 固体, líquido 液体 e gás 气体。

As mudanças de estado são: fusão (sólido → líquido), ebulição/evaporação (líquido → gás), condensação 凝结 (gás → líquido) e solidificação 凝固 (líquido → sólido). Na condensação, as partículas gasosas desaceleram e se aproximam para formar um líquido. Na solidificação, as partículas líquidas perdem energia e se assentam em posições fixas.

Toda a matéria é composta por pequenas partículas 粒子 que estão sempre em movimento. Este é o modelo cinético das partículas.

• Em um sólido, as partículas apenas vibram 振动 em torno de posições fixas.
• Em um líquido, elas ainda estão próximas, mas podem deslizar umas sobre as outras.
• Em um gás, elas estão distantes e se movem rapidamente em direções aleatórias.

Temperatura e energia das partículas

Quando você aquece uma substância, suas partículas se movem mais rápido, tendo mais energia cinética 动能. Temperatura 温度 é uma medida da energia cinética média das partículas.

A temperatura mais baixa possível é o zero absoluto 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. Nesse ponto, as partículas têm a menor energia possível.

Pressão gasosa

Partículas de gás batem nas paredes de seu recipiente. Cada batida é um pequeno empurrão. A pressão 压强 do gás é a força total dessas batidas por unidade de área.

• Aquecer um gás (a volume constante) faz as partículas se moverem mais rápido e baterem com mais força e frequência, então a pressão aumenta.
• Comprimir um gás para um volume menor (a temperatura constante) significa mais batidas por segundo em cada unidade de área, então a pressão aumenta.

Para uma massa fixa de gás a temperatura constante:

Então, se o volume for reduzido pela metade, a pressão dobra.

Exemplo resolvido. Um gás tem volume de $200\ \text{cm}^3$ a uma pressão de $100\ \text{kPa}$. Ele é comprimido para $50\ \text{cm}^3$ a temperatura constante. Encontre a nova pressão.

Como $pV$ permanece constante, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

Movimento browniano

Se você observar fumaça no ar sob um microscópio, verá minúsculos grânulos movendo-se de forma irregular e aleatória. Isso é movimento browniano 布朗运动. Os grânulos são empurrados por partículas de ar rápidas e invisíveis que as atingem. É uma forte evidência para o modelo cinético das partículas.

A escala Kelvin

Cientistas frequentemente usam a escala de temperatura kelvin 开尔文 (K), que começa do zero absoluto. Para converter:

Assim $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Exemplo resolvido. Converta $25\,{}^{\circ}\text{C}$ para kelvin, e $200\ \text{K}$ para graus Celsius.

Quando a matéria é aquecida, suas partículas se movem mais e ocupam mais espaço, então o material expande. Gases expandem mais, seguidos por líquidos, depois sólidos. Essa ordem decorre das forças entre as partículas: em um sólido, as partículas estão presas firmemente em uma rede cristalina 晶格 (um padrão fixo), então elas podem apenas vibrar um pouco mais; em um líquido, elas são mantidas menos fortemente; em um gás, as forças são muito fracas, então as partículas se espalham muito mais.

Exemplos cotidianos: lacunas são deixadas entre trilhos de trem; pontes assentam sobre roletes; uma tampa metálica apertada afrouxa quando aquecida.

A energia interna 内能 de um objeto é a energia total de todas as suas partículas. Aquecer um objeto aumenta sua energia interna e geralmente sua temperatura.

A capacidade térmica específica 比热容 é a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de um material em 1 °C.

Um material com alta capacidade térmica específica (como água) precisa de muita energia para aquecer e esfria lentamente.

Exemplo resolvido. Quanto de energia é necessário para aquecer $2.0\ \text{kg}$ de água de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ para $70\,{}^{\circ}\text{C}$? A capacidade térmica específica da água é $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

Reorganizando $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ obtemos $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, com $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

Medindo a capacidade térmica específica. Para um sólido, use um bloco de metal com dois orifícios: um para um aquecedor elétrico 加热器 e outro para um termômetro 温度计. Meça a massa $m$ do bloco. Ligue o aquecedor por um tempo medido $t$ e registre a corrente $I$ e a tensão $V$, para que a energia fornecida seja $E = IVt$ (ou leia a energia de um joulemeter). Registre o aumento de temperatura $\Delta\theta$. Então $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Para um líquido, aqueça uma massa medida do líquido em um recipiente e mexa-o, para que a temperatura seja igual em toda a extensão. Envolva o bloco ou o recipiente com material isolante 隔热材料, para que menos energia escape para o ar.

Fusão 熔化 e ebulição 沸腾 necessitam de energia, mas a temperatura permanece constante durante a mudança de estado. Essa energia rompe as forças entre as partículas. Para a água à pressão atmosférica normal, a fusão ocorre em $0\,{}^{\circ}\text{C}$ e a ebulição em $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Evaporação 蒸发 é quando um líquido muda para um gás em sua superfície, abaixo do ponto de ebulição. As partículas mais rápidas escapam da superfície. Como as partículas mais rápidas (mais energéticas) saem, a energia média das restantes diminui, então o líquido resfria 冷却. Um objeto que toca um líquido evaporando também resfria, porque o líquido retira energia dele: é por isso que o suor resfria sua pele.

A evaporação é mais rápida quando a temperatura é maior, a área superficial é maior e há mais movimento de ar sobre a superfície.

A energia térmica se move de locais mais quentes para locais mais frios de três maneiras.

Condução

Condução 热传导 é a transferência de energia térmica através de um material sem que o material se mova. As partículas em um sólido estão dispostas em uma rede. Partículas aquecidas vibram mais e transmitem a energia para seus vizinhos. Em metais, elétrons livres (elétrons deslocalizados 自由电子) transportam energia rapidamente, então metais são bons condutores térmicos 热导体.

Materiais que conduzem mal (como ar, madeira e plástico) são isolantes térmicos 热绝缘体.

Testando condutores. Fixe um alfinete de desenho com um pouco de cera em uma extremidade de hastes de cobre, ferro, vidro e madeira, e aqueça as outras extremidades igualmente. O alfinete cai primeiro da haste de cobre, depois da haste de ferro, e por último (ou nunca) do vidro e da madeira: metais são os melhores condutores. Uma haste metálica segurada em uma chama logo fica quente; uma haste de madeira não fica.

Gases e a maioria dos líquidos são maus condutores porque suas partículas estão distantes e só transmitem energia quando colidem acidentalmente. Não há rede cristalina nem elétrons livres.

Convecção

Convecção 对流 ocorre em líquidos e gases. Quando um fluido é aquecido, ele expande, torna-se menos denso e sobe. Fluido mais frio e denso desce para ocupar seu lugar. Esse ciclo de fluido em movimento é uma corrente de convecção.

Mostrando convecção. Coloque um cristal de permanganato de potássio 高锰酸钾 roxo em um béquer de água e aqueça o béquer suavemente abaixo do cristal. Um rastro colorido sobe acima do calor, se espalha pelo topo e desce nas laterais. No ar, uma vela acesa sob uma chaminé de uma caixa de fumaça puxa a fumaça para baixo pela outra chaminé e para cima acima da chama.

A convecção não pode ocorrer em um sólido porque as partículas não podem se mover de um lugar para outro.

Radiação

Radiação térmica 热辐射 é energia transportada por ondas infravermelhas 红外线. Todos os objetos a emitem, e ela não precisa de material para viajar — pode atravessar o vácuo (é assim que a energia chega até nós do Sol).

Uma superfície que é opaca 暗淡 e preta é boa emissora 发射体 e boa absorvedora 吸收体 de infravermelho. Uma superfície brilhante e branca é má emissora e bom refletora 反射体.

Comparando superfícies. Encha duas latas, uma opaca preta e outra prateada brilhante, com água quente na mesma temperatura, e coloque um termômetro em cada uma. A lata preta esfria mais rápido, então é a melhor emissora. Depois, coloque as mesmas duas latas, cheias de água fria, a distâncias iguais de um aquecedor. A lata preta esquenta mais rápido, então é a melhor absorvedora. Um cubo de Leslie 莱斯利立方体 (uma caixa de metal com um lado de cada acabamento) mostra o mesmo fenômeno.

Um objeto mantém temperatura constante quando emite energia na mesma taxa em que absorve energia. A taxa de emissão é maior quando a superfície está mais quente e maior. Se um objeto absorve energia mais rápido do que emite, sua temperatura sobe; se emite mais rápido do que absorve, sua temperatura cai.

A temperatura da Terra. A Terra absorve radiação do Sol e emite radiação infravermelha de volta para o espaço. Sua temperatura média permanece constante apenas quando as duas taxas são iguais. Qualquer coisa que altere esse equilíbrio altera a temperatura. Gases na atmosfera 大气, como dióxido de carbono, absorvem parte do infravermelho emitido e devolvem parte dele para baixo, então mais desses gases aquecem a Terra. Nuvens e gelo refletem a luz solar entrante, então menos gelo significa mais energia absorvida, e a Terra aquece ainda mais.

Exemplos cotidianos

• Uma panela de cozinha tem fundo metálico que conduz energia rapidamente para os alimentos, e cabo de plástico ou madeira que é isolante, para que você possa segurá-la.
• Um radiador 散热器 aquece um ambiente por convecção: o ar próximo a ele aquece, sobe, e ar mais frio entra para ocupar seu lugar, aquecendo todo o ambiente.
• Sentado perto de uma lareira, você sente sua radiação no rosto instantaneamente; o ar entre você e a lareira é mau condutor.
• Uma garrafa térmica 保温瓶 mantém uma bebida quente impedindo as três transferências: o vácuo entre suas paredes duplas impede condução e convecção, e suas superfícies prateadas brilhantes impedem a radiação.

• No modelo cinético das partículas, aquecer um gás faz suas partículas se moverem mais rápido e baterem nas paredes com mais força e frequência, aumentando a pressão. As próprias partículas não ficam maiores.
• Evaporação ocorre apenas na superfície e em qualquer temperatura; ebulição ocorre por todo o líquido a uma temperatura fixa. Evaporação resfria o líquido restante, pois as partículas mais rápidas escapam.
• Durante fusão e ebulição, a temperatura permanece constante embora energia ainda esteja sendo fornecida — essa energia rompe as forças entre as partículas.
• Para capacidade térmica específica usar $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, onde $\Delta\theta$ é a variação de temperatura, não a temperatura final.
• Superfícies opacas pretas são as melhores emissorares e absorvedoras de infravermelho; superfícies brilhantes e claras são as melhores refletoras. Convecção requer um fluido para fluir, então não pode ocorrer em um sólido.

Uma onda 波 transporta energia 能量 de um lugar para outro sem transportar matéria. Por exemplo, uma onda na água faz uma rolha flutuante subir e descer, mas a rolha não viaja junto com a onda. Você pode criar uma onda em uma corda agitando uma extremidade para cima e para baixo, ou em uma mola longa empurrando uma extremidade para frente e para trás. Em uma tanque de ondulação 波纹水槽 (uma bandeja rasa de água com uma luz acima dela), você pode observar ondas na água em uma tela abaixo.

Descrever uma onda

• wavefront 波前: uma linha que une pontos em uma onda que se movem juntos (por exemplo, o topo de uma ondulação)
• comprimento de onda 波长 ($\lambda$): a distância entre duas frentes de onda vizinhas (uma onda completa)
• frequência 频率 ($f$): o número de ondas que passam por um ponto a cada segundo, medido em hertz (Hz)
• crest 波峰 (também chamado de pico 峰, o topo) e trough 波谷 (o fundo)
• amplitude 振幅: a maior distância que um ponto se move em relação à sua posição de equilíbrio
• wave speed 波速 ($v$): a velocidade com que uma frente de onda se propaga

Estas estão ligadas pela equação da onda:

Exemplo resolvido. Uma onda sonora viaja a $340\ \text{m/s}$ e tem uma frequência de $170\ \text{Hz}$. Encontre seu comprimento de onda.

Reorganizando $v = f\lambda$ dá $\lambda = \dfrac{v}{f}$:

Dois tipos de onda

• Em uma onda transversal 横波, as partículas vibram perpendicularmente (90°) à direção de propagação da onda (propagation 传播). Luz, ondas na água e ondas S sísmicas (o tremor lateral em um terremoto) são transversais.
• Em uma onda longitudinal 纵波, as partículas vibram na mesma direção em que a onda viaja. Som e ondas P sísmicas são longitudinais.

Comportamento das ondas

Todas as ondas podem apresentar três comportamentos, que você pode ver em uma tanque de ondas:

• reflection 反射: a onda rebate em uma superfície.
• refraction 折射: a onda muda de velocidade (e geralmente de direção) ao entrar em um material ou profundidade diferente.
• diffraction 衍射: a onda se espalha após passar por uma abertura ou contornar uma borda. O espalhamento é máximo quando a abertura tem tamanho aproximadamente igual ao comprimento de onda.

Reflexão

Quando a luz incide sobre um espelho, ela reflete. Medimos os ângulos a partir da normal 法线 (uma linha a 90° da superfície).

A lei da reflexão: o ângulo de incidência 入射角 é igual ao ângulo de reflexão 反射角.

Um espelho plano 平面镜 forma uma imagem do mesmo tamanho do objeto, à mesma distância atrás do espelho, e virtual (não pode ser capturada em uma tela).

Refração

Quando a luz passa de um material para outro, ela muda de velocidade e desvia. O ângulo no segundo material é o ângulo de refração 折射角.

Observando a refração. Dirija um feixe estreito de uma lâmpada de raios 光线盒 para dentro de um bloco retangular de vidro apoiado em papel. Marque o raio que entra e o que sai, remova o bloco e ligue as marcas para desenhar o raio dentro do vidro. Desenhe a normal onde o raio entra e meça o ângulo de incidência e o ângulo de refração com um transferidor. Repita com um bloco semicircular ou prismático: o raio sempre se desvia em direção à normal ao entrar no vidro e se afasta da normal ao sair.

O índice de refração 折射率 $n$ compara a velocidade da luz nos dois materiais:

Exemplo resolvido. Um raio de luz passa do ar para o vidro. O ângulo de incidência é 60° e o ângulo de refração é 35°. Encontre o índice de refração do vidro. (Considere $\sin i = 0.87$ e $\sin r = 0.57$.)

Quando a luz tenta sair do vidro ou da água e o ângulo é muito grande, ela não consegue sair e, em vez disso, reflete completamente. Isso é reflexão interna total 全反射. Isso ocorre quando o ângulo interno é maior que o ângulo crítico 临界角 $c$:

Este efeito é usado em fibras ópticas 光纤, finos fios de vidro que transportam sinais de luz para telefones e internet.

Lentes

Uma lente convergente 凸透镜 (gorda no meio) desvia raios paralelos para dentro até um ponto chamado foco principal 焦点. O eixo principal 主光轴 é a linha reta que passa pelo centro da lente perpendicularmente a ela; o foco principal jaz sobre este eixo. A distância do centro da lente ao foco principal é a distância focal 焦距. Uma lente divergente 凹透镜 (fina no meio) espalha raios paralelos, como se viessem de um foco no lado de entrada.

Uma lente convergente pode formar uma imagem real 实像 (raios realmente se encontram; pode ser mostrada em uma tela) ou, quando o objeto está muito próximo, uma imagem virtual 虚像 (raios parecem apenas vir dela). Usada próxima ao olho, uma lente convergente é uma lupa 放大镜.

Descreva uma imagem com três pares de palavras: ampliada 放大的 ou reduzida 缩小的 (ou do mesmo tamanho), direita 正立 ou invertida 倒立 (de cabeça para baixo), e real ou virtual. Um objeto longe além do foco dá uma imagem reduzida, invertida e real (como em uma câmera). Um objeto entre o foco e a lente dá uma imagem ampliada, direita e virtual (uma lupa).

Correção da visão. Uma pessoa com miopia 近视 vê objetos próximos claramente, mas objetos distantes ficam desfocados: o olho foca a luz à frente da retina 视网膜 (parte traseira do olho). Uma lente divergente diante do olho espalha os raios primeiro, para que eles fociem na retina. Uma pessoa com hipermetropia 远视 vê objetos distantes claramente, mas objetos próximos ficam desfocados: o olho foca a luz atrás da retina. Uma lente convergente junta os raios um pouco antes de entrarem no olho.

Dispersão

Um prisma 棱镜 de vidro separa a luz branca nas cores do espectro 光谱. Essa separação é chamada de dispersão 色散.

A ordem das cores é vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil, violeta. A luz vermelha tem o maior comprimento de onda e a menor frequência; a violeta é o oposto. Luz de uma única frequência (uma cor pura) é monocromática 单色.

O espectro eletromagnético é uma família de ondas que todas viajam na mesma alta velocidade em um vácuo 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Em ordem do maior comprimento de onda (menor frequência) para o menor:

À medida que passamos de ondas de rádio para raios gama, a frequência aumenta, o comprimento de onda diminui, e a energia (e o perigo) aumentam. A velocidade das ondas eletromagnéticas no ar é quase a mesma que no vácuo.

Satélites. A comunicação com satélites artificiais 人造卫星 usa principalmente micro-ondas, pois elas atravessam a atmosfera. Alguns telefones satelitais usam satélites em órbita baixa 低轨道, próximos à Terra. Outros telefones satelitais e a televisão por satélite de transmissão direta usam satélites em órbita geoestacionária 地球静止轨道, que permanecem acima do mesmo ponto na Terra.

Sinais digitais e analógicos

Ondas de rádio e micro-ondas carregam informações como sinais, e um sinal pode ser analógico 模拟 ou digital 数字. Um sinal analógico varia continuamente e pode assumir qualquer valor; um sinal digital é uma sequência de apenas dois valores, ligado ou desligado (1 ou 0). O som pode ser enviado como qualquer um desses tipos de sinal: um microfone fornece um sinal analógico, que pode ser convertido em um digital.

A comunicação moderna prefere sinalização digital por duas razões que o exame pede:

• uma taxa mais alta de transmissão de dados;
• um alcance maior: um sinal digital fraco pode ser regenerado para limpo 1/0 exatamente, porque apenas dois níveis precisam ser distinguidos, então o ruído coletado ao longo do caminho é removido. Um sinal analógico não pode ser limpo dessa forma, então seu ruído se acumula.

Som é produzido por um objeto vibrante. É uma onda longitudinal: o ar é comprimido em uma compressão 压缩 (partículas próximas) e esticado em uma rarefação 稀疏 (partículas distantes).

• O som precisa de um meio 介质 (um material) para viajar, portanto não pode se propagar no vácuo.
• Os humanos podem ouvir frequências de aproximadamente $20\ \text{Hz}$ a $20\,000\ \text{Hz}$.
• O som viaja muito mais devagar que a luz (cerca de $340\ \text{m/s}$ no ar), e mais rápido em líquidos e sólidos do que em gases.
• Uma amplitude maior produz um som mais alto (maior volume 响度); uma frequência mais alta produz um tonalidade 音调 mais agudo. Portanto, os cliques rápidos de um golfinho são de tonalidade alta, e uma batida forte no tambor (grande vibração) é alta em volume.

Um som refletido é um eco 回声.

Medindo a velocidade do som. Dois alunos ficam a uma distância conhecida entre si, por exemplo 500 m, medidos com uma fita métrica ou roda medidora. Um bate dois blocos de madeira juntos. O outro inicia um cronômetro quando vê os blocos baterem e para quando ouve o barulho. A luz chega quase instantaneamente, então o tempo medido é o tempo que o som leva, e velocidade = distância ÷ tempo. Repita e tire a média para reduzir o erro de tempo de reação. O método do eco precisa de uma pessoa: aplaudir a uma distância conhecida de uma parede grande e cronometrar o som refletido, lembrando que o som vai e volta.

Exemplo resolvido. Um estudante está 85 m de uma parede grande e dá uma palma. O eco retorna 0.50 s depois. Encontre a velocidade do som.

O som viaja até a parede e volta, numa distância de $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, em $0.50\ \text{s}$:

Ultra-som 超声波 é som acima de $20\,000\ \text{Hz}$ – muito alto para os humanos ouvirem. Seus usos dependem da reflexão: sonar mede a profundidade da água, exames médicos geram imagens de um bebê ou tecido mole, e inspeção sem destruição encontra rachaduras dentro de metais sem abri-los. Como um eco, um pulso de ultra-som viaja para lá e de volta, então divida a distância total pela metade para chegar ao objeto.

Exemplo resolvido. Um pulso de sonar retorna do fundo do mar $0.10\ \text{s}$ após ser enviado; o som viaja a $1500\ \text{m/s}$ na água. O pulso percorre $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ para lá e de volta, então o mar tem $150/2 = 75\ \text{m}$ de profundidade.

• Aprenda $v = f\lambda$ e esteja pronto para reorganizá-lo. Meça todos os ângulos de incidência, reflexão e refração a partir da normal (a linha a 90° à superfície), nunca a partir da própria superfície.
• Ondas transversais vibram perpendicularmente à direção de propagação (luz, água); ondas longitudinais vibram paralelamente a ela (som). O som precisa de um meio, logo não pode atravessar um vácuo; a luz pode.
• Reflexão interna total ocorre apenas quando a luz viaja de um material mais denso para um menos denso e o ângulo interno é maior que o ângulo crítico.
• Saiba o espectro eletromagnético em ordem: rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios-X, gama. Todos viajam à mesma velocidade no vácuo; frequência e energia aumentam do rádio ao gama.
• Ao entrar em um material mais denso (ar → vidro) a luz desacelera e se curva em direção à normal; ao sair dele (vidro → ar) a luz acelera e se curva afastando-se dela.

Um ímã 磁体 pode atrair alguns metais. Todo ímã tem duas extremidades, chamadas de polos 磁极: um polo norte 北极 (N pole) e um polo sul 南极 (S pole).

A regra para dois polos é semelhante à regra para cargas:

• Polos iguais (N e N, ou S e S) repelem 排斥 (empurrar para longe): isso é repulsão 排斥力.
• Polos diferentes (N e S) atraem 吸引 (puxar juntos): isso é atração 吸引力.

Um ímã atrai um material magnético 磁性材料, como ferro, aço, cobalto e níquel. Outros materiais (cobre, plástico, madeira) são não-magnéticos e não sentem força.

Magnetização induzida

Coloque um pedaço de ferro perto ou tocando um ímã, e o ferro torna-se um ímã por si só. Isso é magnetização induzida 感应磁性. A extremidade do ferro mais próxima do ímã adquire o polo oposto, então eles então se atraem.

Ímãs temporários e permanentes

• Ferro mole 软铁 é fácil de magnetizar 磁化 mas perde sua magnetização rapidamente. É usado para um ímã temporário 临时磁体.
• Aço 钢 é mais difícil de magnetizar mas mantém sua magnetização. É usado para um ímã permanente 永磁体.

Assim, um pedaço de ferro mole não-magnetizado 未磁化 é o melhor núcleo para um eletroímã, enquanto o aço é ideal para um ímã de barra.

Campos magnéticos

Um campo magnético 磁场 é uma região 区域 onde um polo magnético sente uma força. Desenhamos usando linhas de campo magnético 磁场线:

• As linhas saem do polo N e entram nenhuma polo S.
• A direção do campo em um ponto é a direção da força sobre o polo N de um pequeno ímã teste colocado ali.
• Onde as linhas estão juntas, o campo é forte; onde estão distantes, o campo é fraco.

Você pode mostrar o padrão espalhando limalha de ferro 铁屑 em papel sobre um ímã, ou movendo uma pequena bússola de traçado 指南针 ao redor dele (a agulha aponta ao longo do campo).

Usos dos ímãs

• Ímãs permanentes: fechos de porta de geladeira, agulhas de bússola, alto-falantes.
• Eletroímãs 电磁铁 (magnéticos apenas enquanto há corrente fluindo): guindastes que levantam sucata de ferro, campainhas elétricas, relés. Um eletroímã pode ser ligado e desligado e tornado mais forte, algo que um ímã permanente não pode fazer.

Forças magnéticas ocorrem porque os campos dos dois ímãs empurram e puxam uns aos outros.

Existem dois tipos de carga elétrica 电荷: carga positiva 正电荷 e carga negativa 负电荷. A regra é similar à regra dos polos — cargas iguais se repelem, cargas diferentes se atraem.

Carregamento por atrito

Quando você esfrega dois materiais diferentes juntos, elétrons 电子 (partículas negativas minúsculas) se movem de um para o outro. Isso é carregamento por atrito 摩擦起电.

• O material que ganha elétrons torna-se negativo.
• O material que perde elétrons torna-se positivo.

Apenas os elétrons negativos se movem; a carga positiva permanece no lugar. Por exemplo, uma haste de plástico esfregada com um pano torna-se negativa porque elétrons se movem do pano para a haste, deixando o pano positivo.

Detectando uma carga. Uma haste carregada recolhe pequenos pedaços de papel e desvia um fino jato de água de uma torneira. Pendure uma haste carregada por um fio e aproxime outra haste carregada dela: se as duas tiverem o mesmo tipo de carga, a haste pendurada se afasta. A repulsão é o único teste seguro para uma carga, pois a atração também ocorre com objetos não carregados.

Condutores e isolantes

• Um condutor 导体 (cobre e outros metais) permite que a carga flua facilmente através dele, pois possui elétrons livres que podem se mover.
• Um isolante 绝缘体 (plástico, borracha, vidro) não permite que a carga flua, pois seus elétrons não podem se mover livremente.

Para testar um material, conecte-o em um circuito com uma lâmpada e uma bateria: a lâmpada acende apenas para um condutor.

Campos elétricos e íons

A carga é medida em coulombs 库仑 (C). Um campo elétrico 电场 é uma região onde uma carga elétrica sente uma força. Sua direção em um ponto é a direção da força sobre uma carga positiva. Padrões simples de campo (as setas mostram a direção):

• ao redor de uma carga pontual 点电荷: linhas retas, apontando para longe de uma carga positiva e para uma carga negativa;
• ao redor de uma bola carregada (esfera): o mesmo, espalhando-se uniformemente ao redor;
• entre duas placas paralelas com cargas opostas: linhas retas, uniformemente espaçadas da placa positiva para a placa negativa.

Um átomo normalmente é neutro. Se perder elétrons torna-se um íon 离子 positivo; se ganhar elétrons torna-se um íon negativo.

Uma corrente elétrica 电流 é um fluxo de carga elétrica. É medida em amperes 安培 (A) com um amperímetro 电流表, conectado em série no circuito.

Um amperímetro analógico 模拟 possui uma agulha que se move sobre uma escala; um amperímetro digital 数字 exibe a leitura como um número. Ambos vêm com diferentes faixas 量程. Escolha a faixa logo acima da maior corrente que você espera, para que a leitura seja precisa: uma faixa de 0–1 A para uma corrente de aproximadamente 0.4 A, ou uma faixa de 0–100 mA para alguns miliamperes.

Corrente é a carga que passa por um ponto a cada segundo:

Aqui $I$ é corrente (A), $Q$ é carga (C) e $t$ é tempo (s). Reorganizando, $Q = It$.

Exemplo resolvido. Uma corrente de $3.0\ \text{A}$ flui através de uma lâmpada por $20\ \text{s}$. Quanto de carga passa por ela?

Em um metal, a corrente é um fluxo de elétrons livres 自由电子. Existem duas "direções" para saber:

• Corrente convencional 常规电流 é considerada fluindo de + para − ao redor do exterior da célula.
• Os elétrons livres realmente derivam na outra direção, de − para +.

Uma corrente contínua 直流电 (d.c.) sempre flui em uma única direção, como a de uma bateria. Uma corrente alternada 交流电 (a.c.) inverte sua direção várias vezes por segundo, como a do fornecimento de rede 市电.

Uma célula fornece energia 能量 às cargas que se movem através dela. Duas grandezas descrevem isso, e ambas são medidas em volts 伏特 (V).

• A força eletromotriz 电动势 (f.e.m.) de uma fonte é o trabalho elétrico que ela realiza para impulsionar uma carga unitária ao longo de um circuito 电路 completo.
• A diferença de potencial 电势差 (d.p.) em um componente é o trabalho realizado por uma carga unitária ao passar por esse componente.

Um voltímetro 电压表 mede f.e.m. ou d.p. Ele é conectado em paralelo (sobre o componente). Assim como os amperímetros, os voltímetros são analógicos ou digitais e possuem diferentes faixas: selecione a faixa logo acima da maior tensão que você espera.

Ambos são trabalho realizado por unidade de carga:

onde $W$ é a energia transferida (J) e $Q$ é a carga (C). Por exemplo, se uma célula faz $120\ \text{J}$ de trabalho movendo $60\ \text{C}$ de carga ao redor de um circuito, sua f.e.m. é $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Resistência 电阻 mede quão difícil é para a corrente fluir. Uma resistência maior resulta em uma corrente menor. É medida em ohms 欧姆 (Ω).

Medindo resistência. Conecte o componente em série com uma célula, uma chave, um amperímetro e um resistor variável 可变电阻器, e conecte um voltímetro sobre o componente. Feche a chave, leia $I$ e $V$, depois altere o resistor variável para obter vários pares a mais de leituras. Ou calcule $R = V/I$ para cada par e tire a média, ou plote $V$ contra $I$: para um fio metálico à temperatura constante, o gráfico é uma linha reta que passa pela origem, e sua inclinação é $R$.

Exemplo resolvido. Uma bateria de $12\ \text{V}$ aciona uma corrente de $0.50\ \text{A}$ através de uma lâmpada. Encontre a resistência da lâmpada.

Para um fio metálico à temperatura constante:

• um fio mais longo tem maior resistência — a resistência é diretamente proporcional 成正比 ao comprimento, $R \propto l$;
• um fio mais grosso tem menor resistência — a resistência é inversamente proporcional 成反比 à área da seção transversal 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Portanto, dobrar o comprimento dobra a resistência; dobrar a área a reduz à metade. (A área depende do diâmetro ao quadrado, então uma pequena mudança no diâmetro altera muito a resistência.)

Gráficos de corrente-tensão mostram como três componentes se comportam:

Um circuito transfere energia de uma fonte (uma célula ou a rede) para os componentes, e depois para o ambiente (muitas vezes como calor, luz ou som).

Potência elétrica 电功率 é a energia transferida a cada segundo, medida em watts 瓦特 (W):

A energia elétrica 电能 transferida em um tempo $t$, medida em joules 焦耳 (J), é:

Exemplo resolvido. Um motor $12\ \text{V}$ consome uma corrente de $2.0\ \text{A}$. Encontre sua potência e a energia que ele transfere em $30\ \text{s}$.

O quilowatt-hora

As contas de eletricidade domésticas usam uma unidade de energia maior, o quilowatt-hora 千瓦时 (kWh). Um quilowatt-hora é a energia consumida por um aparelho 电器 de $1\ \text{kW}$ em $1$ hora.

Por exemplo, um aquecedor 加热器 de $2\ \text{kW}$ usado por $3$ horas usa $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Se um kWh custa $20$ centavos, o custo é $6 \times 20 = 120$ centavos.

Componentes de circuito

Você deve conhecer estes componentes e seu comportamento:

Série e paralelo

Em um circuito em série 串联 as partes formam um único laço:

• a corrente é a mesma em todos os pontos;
• a d.p. da fonte é compartilhada entre os componentes;
• células em série somam suas f.e.m.s (quando apontam na mesma direção);
• resistores em série se somam: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

Em um circuito em paralelo 并联 as partes estão em ramos separados:

• cada ramo recebe a d.p. total da fonte;
• a corrente se divide, então a corrente da fonte é maior que a corrente em qualquer único ramo;
• a resistência total 总电阻 é menor que a menor resistência individual.

Lâmpadas em casa são ligadas em paralelo: cada uma recebe a tensão total, e se uma falhar, as outras permanecem acesas.

Para cálculos (com as regras acima):

• em um nó 节点, a corrente total que entra é igual à corrente total que sai;
• em série, a d.p. da fonte é igual à soma das d.p.s sobre os componentes;
• em paralelo, a d.p. sobre cada ramo é a mesma;
• dois resistores em paralelo combinam como

Exemplo resolvido. Um resistor de $6\ \Omega$ e um resistor de $3\ \Omega$ estão conectados em paralelo. Encontre sua resistência combinada.

Observe que a resistência combinada ($2\ \Omega$) é menor que a menor dos dois resistores.

Divisores de potencial

Dois resistores em série dividem a tensão da fonte. Este é um divisor de potencial 分压器. Para a mesma corrente, uma resistência maior tem uma d.p. maior sobre ela, então o resistor maior absorve a maior parte:

Um divisor de potencial variável (ou um resistor variável) permite alterar suavemente a tensão de saída, por exemplo, de $0\ \text{V}$ até a tensão total da fonte. Se você usar um termistor ou um LDR como um dos resistores, a tensão de saída muda com a temperatura ou a luz — útil para ligar e desligar automaticamente um aquecedor ou uma lâmpada.

Uma casa é alimentada pela rede. A rede é perigosa se mal utilizada.

Perigos

Estes são perigos 危险 (riscos) com eletricidade da rede:

• isolamento 绝缘层 danificado — fios nus podem causar choque ou incêndio;
• cabos superaquecidos 过热 — muita corrente torna o cabo quente, o que pode causar incêndio;
• condições úmidas 潮湿 — a água permite que a corrente passe para uma pessoa, aumentando o risco de choque;
• sobrecarga 过载 - conectar muitos aparelhos em uma única tomada 插座 extrai muita corrente.

Fio fase, neutro e terra

Um cabo da rede tem três fios:

• o fio fase 火线 carrega a alta tensão;
• o fio neutro 零线 completa o circuito em cerca de zero voltagem;
• o fio terra 地线 é um fio de segurança ligado ao solo.

Uma chave (e um fusível) devem ser instalados no fio fase. Assim, quando a chave está desligada, o aparelho é desconectado da alta tensão e é seguro tocar.

Fusíveis, disjuntores e aterramento

Um fusível é um fio fino que derrete se a corrente ficar muito grande, abrindo o circuito antes que o cabo superaqueça. Escolha uma corrente nominal do fusível 额定值 logo acima da corrente normal de trabalho — por exemplo, um fusível $13\ \text{A}$ para um aparelho que normalmente consome cerca de $10\ \text{A}$.

Um disjuntor 跳闸开关 (interruptor automático) faz o mesmo trabalho, mas age mais rápido e pode ser rearmado em vez de substituído.

A carcaça metálica 外壳 de um aparelho deve ser tornada segura de uma das duas formas:

• aterrada 接地: a carcaça é ligada ao fio terra. Se um fio fase tocar a carcaça, uma grande corrente flui para o terra e queima o fusível.
• duplamente isolada 双重绝缘: a carcaça é de plástico, então nunca pode ficar energizada. Um tal aparelho não precisa de fio terra; seu fusível ainda protege o cabo.

O efeito magnético da corrente

Uma corrente em um fio cria um campo magnético ao redor dele.

• Ao redor de um fio reto, as linhas de campo são círculos ao redor do fio; o campo é mais forte perto do fio. Inverte-se a corrente e o campo inverte-se.
• Um solenoide 螺线管 (uma bobina longa 线圈 de fio) produz um campo como o de um ímã em barra, com um polo N em uma extremidade e um polo S na outra. O campo interno é forte e uniforme.

Você pode mostrar ambos os padrões com limalhas de ferro ou uma bússola de traçado. O campo fica mais forte se você aumentar a corrente, adicionar mais espiras ou colocar um núcleo de ferro mole dentro.

O efeito magnético é usado em um relé e em um alto-falante. Em um relé, uma pequena corrente em uma bobina magnetiza um núcleo de ferro mole, que puxa um interruptor para fechar um segundo circuito. O segundo circuito pode conduzir uma grande corrente, então um interruptor pequeno ou um sensor pode controlar com segurança um motor ou aquecedor (por exemplo, a chave de ignição de um carro inicia seu motor através de um relé). Em um alto-falante 扬声器, uma corrente variável em uma bobina faz a bobina empurrar e puxar um cone de papel, que move o ar e produz som.

Indução eletromagnética

Quando um fio se move através de um campo magnético, ou o campo através de uma bobina muda, uma f.e.m. é induzida no fio. Se o fio for parte de um circuito completo, essa f.e.m. impulsiona uma corrente. Isso é indução eletromagnética 电磁感应.

Para demonstrar: mova um ímã para dentro e para fora de uma bobina ligada a um medidor sensível, e observe a agulha piscar. A f.e.m. induzida é maior quando você usa um ímã mais forte, move mais rápido, ou usa mais espiras na bobina. A f.e.m. induzida sempre atua para opor-se à mudança que a causa. A direção da corrente induzida é dada pela regra da mão direita de Fleming 弗莱明右手定则: segure o polegar, o primeiro dedo e o segundo dedo da mão direita em ângulos retos entre si; o polegar aponta na direção do movimento do fio, o primeiro dedo ao longo do campo (N para S), e o segundo dedo dá então a corrente induzida.

O gerador de c.a.

Um gerador de c.a. 交流发电机 converte movimento em eletricidade. Uma bobina gira em um campo magnético (ou um ímã gira próximo a uma bobina). À medida que gira, o campo através da bobina continua mudando, então uma f.e.m. alternada é induzida.

• Anéis deslizantes 滑环 e escovas de carbono 电刷 levam a corrente para fora do circuito enquanto a bobina continua girando.
• A f.e.m. é maior quando a bobina está plana (movendo-se mais rápido através do campo) e zero quando a bobina está vertical (movendo-se ao longo do campo). Então o gráfico f.e.m.-tempo é uma onda: pico, zero, pico oposto, zero, para cada volta.

Força sobre um condutor percorrido por corrente

Quando um fio percorrido por corrente repousa em um campo magnético, o campo do fio e o campo do ímã empurram uns aos outros, então o fio sente uma força. Este é o efeito motor.

• Inverte-se a corrente, ou inverte-se o campo, e a força inverte-se.
• Aumenta-se a corrente ou o campo, e a força aumenta.

A força, o campo e a corrente estão em ângulos retos entre si. Você pode encontrar a direção da força com a regra da mão esquerda de Fleming 弗莱明左手定则: polegar = força (movimento), primeiro dedo = campo (N para S), segundo dedo = corrente.

Demonstrando a força. Coloque um fio rígido de cobre (ou uma tira de folha de alumínio) entre os polos de um ímã em U e conecte-o a uma pilha através de um interruptor. Quando a corrente flui, o fio salta para cima ou para baixo. Inverte-se a pilha e o fio salta na outra direção; vira-se o ímã e inverte novamente. Uma corrente maior ou um ímã mais forte dá um salto maior.

Um fluxo móvel de partículas carregadas é uma corrente, então um campo magnético também o empurra lateralmente — ele desvia 偏转 o feixe. (Lembre-se que elétrons fluem em direção oposta à corrente convencional.)

O motor de c.c.

Uma bobina percorrida por corrente em um campo magnético sente um efeito rotativo 转动效应, porque as forças em seus dois lados atuam em direções opostas. Este é um motor de c.c. 直流电动机. O efeito rotativo é maior com mais espiras na bobina, uma corrente maior, ou um campo mais forte.

Um coletor de anel partido 换向器 troca a direção da corrente na bobina a cada meia-volta. Isso mantém a bobina girando na mesma direção em vez de parar após meia-volta.

O transformador

Um transformador altera o tamanho de uma tensão c.a. Ele possui duas bobinas enroladas em um núcleo de ferro mole 软铁芯:

• a bobina primária 原线圈 recebe a tensão c.a.;
• a bobina secundária 副线圈 fornece a tensão alterada.

A c.a. na primária cria um campo magnético variável no núcleo. O núcleo leva este campo para a secundária, onde induz uma f.e.m. c.a. As tensões e os números de espiras estão ligados por:

Exemplo resolvido. Um transformador tem $1200$ espiras na bobina primária e $100$ espiras na bobina secundária. A primária está conectada a uma fonte c.a. de $240\ \text{V}$. Encontre a tensão secundária.

Menos espiras na secundária, então este é um transformador redutor.

Se a secundária tiver mais espiras, é um transformador elevador 升压 (tensão aumenta); menos espiras fazem um transformador redutor 降压 (tensão diminui). Por exemplo, um transformador que muda de $240\ \text{V}$ para $12\ \text{V}$ é do tipo redutor, e a primária tem $20$ vezes mais espiras que a secundária.

Se um transformador for 100% eficiente, a potência de entrada iguala a potência de saída:

Então um transformador elevador aumenta a tensão, mas diminui a corrente.

Por que usamos alta tensão para transmitir energia

A eletricidade é enviada pelo país por transmissão de alta tensão 高压输电. A potência perdida como calor nos cabos é

onde $R$ é a resistência dos cabos. Um transformador elevador aumenta a tensão e assim diminui a corrente para a mesma potência ($P = IV$). Uma menor corrente significa muito menos potência desperdiçada nos cabos. Um transformador redutor então baixa a tensão novamente para um valor seguro antes de chegar às residências.

• A corrente é a mesma em toda parte em um circuito em série; em um circuito em paralelo, ela se divide entre os ramos. Tensão (p.d.) é dividida em série, mas é a mesma em todos os ramos paralelos.
• Adicionar resistores em série aumenta a resistência total ($R_1 + R_2$); adicioná-los em paralelo torna a total menor que o menor resistor individual.
• Um amperímetro vai em série e tem resistência muito baixa; um voltímetro vai em paralelo sobre um componente e tem resistência muito alta.
• Em um transformador $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: mais espiras na secundária elevam a tensão para cima, menos a abaixam para baixo. Transformadores só funcionam com c.a.
• A potência é enviada pelo país em alta tensão para que a corrente — e o calor desperdiçado nos cabos, $P = I^2R$ — seja pequena.
• Instale o interruptor e o fusível no fio fase, e escolha uma corrente nominal do fusível logo acima da corrente normal de trabalho do aparelho.

Um átomo 原子 é composto por um pequeno núcleo central 原子核 com eletrons 电子 orbitando ao redor (em órbita 轨道, como planetas ao redor do Sol).

• O núcleo tem uma carga positiva 电荷.
• Os elétrons têm carga negativa.
• O átomo como um todo é neutro, porque as cargas positivas e negativas são iguais.

Quase toda a massa 质量 está no núcleo, mas o núcleo é muito pequeno em comparação com todo o átomo. Portanto, um átomo é majoritariamente espaço vazio.

Íons

Um átomo é neutro, mas pode ganhar ou perder elétrons para se tornar um íon 离子.

• Perder um ou mais elétrons → íon positivo (agora há mais prótons que elétrons).
• Ganhar um ou mais elétrons → íon negativo.

Experimento de espalhamento alfa

Este experimento forneceu evidências para o modelo nuclear. Partículas alfa α粒子 (pequenas, rápidas e positivas) foram disparadas contra uma fina folha de ouro 金箔, e o espalhamento 散射 (a forma como elas ricochetearam) foi observado.

Os resultados e o que eles nos dizem:

• Quase todas as partículas alfa passaram reto. → O átomo é majoritariamente espaço vazio.
• Algumas foram defletidas 偏转 (curvadas) em pequenos ângulos. → O núcleo tem carga positiva, que repele as partículas alfa positivas.
• Muito poucas voltaram quase diretamente. → O núcleo é muito pequeno e muito pesado, e contém a maior parte da massa do átomo.

O núcleo é composto por dois tipos de partícula, chamados coletivamente de nucleons 核子:

• prótons 质子, que têm uma carga relativa 相对 de $+1$;
• nêutrons 中子, que têm carga relativa de $0$ (são neutros).

Um elétron tem carga relativa de $-1$. Um próton e um nêutron têm cada um uma massa relativa de aproximadamente $1$; um elétron é quase sem massa em comparação.

Dois números descrevem um núcleo:

• o número de prótons 质子数 $Z$ (também chamado número atômico) — o número de prótons;
• o número de nucleons 核子数 $A$ (também chamado número de massa) — o número de prótons mais nêutrons.

Então o número de nêutrons é $A - Z$.

Escrevemos um núcleo em notação de nuclídeo 核素:

onde X é o símbolo químico. Por exemplo, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ tem $79$ prótons e $197 - 79 = 118$ nêutrons. A carga relativa de todo o núcleo é apenas $+Z$ (aqui $+79$), e sua massa relativa é cerca de $A$.

Isótopos

Isótopos 同位素 são átomos do mesmo elemento (o mesmo $Z$) mas com diferentes números de nêutrons (diferente $A$). Eles se comportam da mesma forma na química, mas diferentemente no núcleo. Por exemplo, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ e $^{14}_{\ 6}\text{C}$ são ambos carbono.

Fissão e fusão nuclear

Na fissão nuclear 核裂变, um núcleo pesado absorve um nêutron e depois se divide em dois núcleos menores, liberando dois ou três nêutrons e muita energia 能量:

Os números superiores (números de nucleons) equilibrados em ambos os lados, assim como os números inferiores (números de prótons). Você pode usar isso para encontrar um número faltante — por exemplo, quantos nêutrons são liberados.

Na fusão nuclear 核聚变, dois núcleos leves se unem para formar um mais pesado, também liberando energia. É assim que o Sol produz sua energia, fundindo núcleos de hidrogênio 氢 para fazer hélio 氦. A reação abaixo — duas formas pesadas de hidrogênio (deutério e trítio) se unindo em hélio — é a usada em reatores de fusão na Terra:

Tanto na fissão quanto na fusão, uma pequena quantidade de massa é perdida e convertida em energia.

Um núcleo instável 不稳定 quebrará e emitirá radiação 辐射, seja mais cedo ou mais tarde. Isso é decaimento 衰imento radioativo 放射性. Um núcleo pode ser instável porque tem muitos nêutrons ou porque é muito pesado.

O decaimento é espontâneo 自发 (ocorre sozinho, e você não pode acelerá-lo ou desacelerá-lo) e aleatório 随机 (você não pode dizer qual núcleo decairá a seguir ou exatamente quando).

Radiação de fundo

Alguma radiação está ao nosso redor o tempo todo. Esta é a radiação de fundo 背景辐射. Suas principais fontes são:

• gás rônio 氡 no ar (geralmente a maior fonte);
• rochas e edifícios;
• alimentos e bebidas;
• raios cósmicos 宇宙射线 do espaço.

Medindo radiação

A radiação pode ser medida com um detector 探测器 conectado a um contador 计数器. A taxa de contagem 计数率 é o número de contagens por segundo (ou por minuto).

Para encontrar a taxa de contagem real de uma fonte, primeiro meça a taxa de contagem de fundo sozinha, depois subtraia-a. A resposta é a taxa de contagem corrigida 修正:

Exemplo resolvido. Um detector colocado ao lado de uma fonte lê $250$ contagens/min. Com a fonte removida, a taxa de contagem de fundo é $30$ contagens/min. Encontre a taxa de contagem corrigida.

A radiação pode ser de um dos três tipos. Cada tipo é ionizante 电离, o que significa que pode arrancar elétrons de átomos em seu caminho.

Assim, uma partícula alfa é a mais ionizante, mas a menos penetrante 穿透 (é facilmente absorvida 吸收). Uma partícula beta β粒子 está no meio. A radiação gama γ射线 é a menos ionizante, mas a mais penetrante.

Podemos explicar os efeitos de ionização pela carga e energia cinética 动能: uma partícula alfa tem grande carga ($+2$) e é lenta e pesada, então puxa fortemente os elétrons que passa e ioniza muito. Uma partícula beta tem carga menor e se move mais rápido, então ioniza menos.

Deflexão em campos

Como as partículas alfa e beta possuem carga, elas são defletidas por um campo elétrico 电场 e por um campo magnético 磁场. Elas curvam em direções opostas, porque suas cargas têm sinais opostos, e a partícula beta mais leve curva mais. Raios gama não têm carga, então não são defletidos de forma alguma.