Os Princípios básicos de Física estudados até o presente momento

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Ouro Preto, 17 de março de 2014.

Semestre: Primeiro Semestre Letivo de 2014

Prof.: Carlos Joel Franco (Teoria e Laboratório) – Sala 84, Laboratório 81.  (Laboratório)

Disciplina: Física IV. FIS134. Turmas 11.

Horário: Terça feira e quinta feira de 13:30 h às 15:10 h.

Revisão dos princípios básicos de Física estudados até o presente momento.

Nesta atividade espera-se que o aluno(a) faça uma revisão dos princípios básicos da física estudados, anteriormente, em Física I e III.

As respostas devem ser claras e objetivas e o trabalho só pode ser feito em dupla e escrito à mão.

A qualquer momento, durante o semestre, após a entrega do trabalho a dupla deve ser convidada para responder durante 10 minutos a uma questão sorteada por outro(a) aluno(a).

Assim antes de entregar a sua atividade faça uma cópia da mesma e tenha ela consigo em todas as aulas até o final do semestre, pois ao ser sorteada a dupla só poderá consultar o seu trabalho.

Quando uma dupla for sorteada e não estiver presente na sala de aula ela perderá a pontuação relativa a esta atividade. Caso apenas um dos membros esteja presente no dia do sorteio só ele receberá a nota da atividade. (Ressalvados os casos previstos na legislação)

Esta atividade deve ser entregue até o dia 15 de abril de 2014. A sua nota será dividida em duas partes sendo a metade atribuída ao trabalho escrito e a outra metade à apresentação oral da dupla que deve estar preparada para responder também a uma pergunta elaborada por mim ou por um aluno(a) da turma. Caso o aluno(a) escolhido para fazer a pergunta não conseguir seu objetivo sua dupla perderá 10% da avaliação desta atividade. A pergunta poderá inclusive abordar conteúdos que estão sendo discutidos na Física IV e que seja relacionado com o tema da questão sorteada.

A nota atribuída a esta atividade bem como a sua contribuição para a totalização da nota final só será conhecida na penúltima semana de aula. Esta estratégia visa motivar os alunos(as) para esta atividade pois ela tem um papel integralizador dos conteúdos estudados. O outro aspecto é motivar o(a) aluno(a) a estar sempre alerto(a) durante o semestre letivo.

Algumas das questões colocadas a seguir fazem parte do conteúdo de Física II, mesmo assim peço tentem responder pois alguns assuntos serão abordados no início deste curso de Física IV. Para facilitar me disponho a acompanhar vocês naquilo for necessário para um bom entendimento da matéria.

1. Defina as sete grandezas físicas fundamentais com suas unidades no Sistema Internacional de Unidades.

1. Defina grandezas extensivas e grandezas intensivas citando pelo menos seis exemplos de cada. Mostre que, em geral, a grandeza física energia é definida com o produto de uma grandeza intensiva por uma extensiva. Escreva o trabalho e a primeira lei da termodinâmica para as variáveis escolhidas. Mostre, também, que uma grandeza intensiva é proporcional a uma extensiva. A constante de proporcionalidade entre um par intensivo extensivo é uma constante ou um tensor. Defina uma grandeza tensorial e mostre para o caso elétrico como fica a relação entre o campo elétrico e a densidade de fluxo elétrico.

1. A descrição dos princípios físicos, de um modo geral, é feita com o uso de equações diferenciais de segunda ordem. Cite cinco situações onde isto se observa, apresentando o problema a ser resolvido a equação diferencial resultante aplicação do modelo matemático e a solução geral da equação. Veja com isto que um profissional de engenharia aprende Cálculo, Física e métodos computacionais por um imperativo natural, qual seja, se apropriar de conhecimentos necessários para a prática profissional.

1. O estudo do movimento de uma partícula pode ser feito pelo método das forças (segunda lei de Newton) ou pelo método da energia (conservação da energia mecânica). Escolha um exemplo e mostre como isto é feito, seja detalhista nestas demonstrações.

1. As grandezas físicas podem ser escalares como o trabalho de uma força que atua sobre uma partícula ou vetoriais como a força que age sobre uma partícula em movimento retilíneo, por exemplo. Procure argumentos para explicar como o trabalho (uma grandeza escalar) pode ser definido a partir de duas grandezas vetoriais (força e deslocamento). Procure, também, argumentos para se explicar como o torque (uma grandeza vetorial) é definido a partir de duas grandezas vetoriais (força e distância). Pesquise mais dois exemplos de situações onde isto se verifica. Pesquise como Isaac Newton introduziu os conceitos de derivação e integração para calcular as grandezas mecânicas. Utilize neste caso a obra original do Newton.

1. Analise as condições de equilíbrio de um corpo rígido e um fluido incompressível. Como estas questões afetam o projeto de grandes estruturas como prédios, barragens, etc.

1. O movimento em uma dimensão de uma partícula é descrito pelas leis de Newton. Podemos generalizar isto para mais dimensões como no caso de movimento de projéteis, do movimento pendular e do movimento em uma trajetória curva qualquer.

A) Enuncie estas leis e apresente uma aplicação de cada lei.

B) Defina referencial inercial e massa inercial.

C) Conceitue a força gravitacional e o peso.

D) Defina velocidade e aceleração e mostre como estes conceitos estão relacionados ao conceito de derivada estudado no cálculo.

E) Mostre que a segunda lei de Newton é na verdade uma equação diferencial de segunda ordem. Aplique este conceito para obter as equações do movimento de uma partícula em queda livre.

F) Analise o movimento de queda de uma partícula na presença de forças resistivas dependentes da velocidade em primeira e segunda ordem, citando exemplos, e apresentando as respectivas equações diferenciais e as soluções em cada caso.

G) Conceitue as quatro forças fundamentais da natureza (força gravitacional, força eletromagnética, força forte e força fraca) e faça uma comparação entre a distância de atuação de cada uma delas, bem como a as intensidades.

F) Defina a velocidade de escape da Terra e explique porque isto é importante. Como isto afeta os lançamentos espaciais?

H) Descreva o movimento de um projétil lançado em uma direção formando um ângulo teta genérico com a tangente à superfície da Terra.

1. Conceitue trabalho e potência de uma força, fornecendo suas respectivas unidades no Sistema Internacional de Unidades.

1. Defina trabalho de uma força constante e de uma força variável, citando exemplos de aplicações.
2. Defina o teorema do trabalho e da e da energia cinética.
3. Defina sistema. Quando um sistema é considerado isolado e quando é considerado não isolado. Lembre-se que fizemos uso destes conceitos quando estudamos os princípios de termodinâmica.
4. Conceitue força de atrito estático e cinético
5. Conceitue forças conservativas e não conservativas citando exemplos de cada uma.
6. Defina energia potencial.
7. Escreva esta expressão para a força gravitacional e a força elétrica.
8. Enuncie o princípio de conservação de energia mecânica e explique em que condições ele é válido ou não.
9. Mostre com o conceito de trabalho de uma força, variável ou não, está relacionado ao conceito de integral estudado no cálculo.

1. Conceitue momento e quantidade de movimento de uma partícula.

1. Enuncie o princípio de conservação da quantidade de movimento.
2. Defina impulso e forneça sua unidade no Sistema Internacional de Unidades
3. Mostre como a força está relacionada com a quantidade de movimento.
4. Defina centro de massa de um conjunto de partículas.
5. Analise a dinâmica de um sistema de partículas, isto é, escreva a segunda lei de Newton relacionando força aceleração e quantidade de movimento.

1. Considere um corpo que se move segundo uma trajetória curva qualquer.

1. Defina os análogos rotacionais de posição, velocidade e aceleração e mostre como estes estão relacionadas com as grandezas translacionais. Faça o mesmo para força e quantidade de movimento.
2. Defina energia cinética rotacional de um corpo rígido e torque de uma força, apresentando, suas unidades no SI.
3. Defina momento de inércia de um corpo rígido e mostre como isto está associado ao conceito de integral de volume.
4. Defina momento angular, sua unidade, e o principio de conservação de momento angular. Mostre como o momento angular total de um sistema está relacionado ao torque esterno resultante agindo sobre o sistema.
5. Descreva o movimento de precessão dos giroscópios, fazendo uma explicação conceitual e formal.

1. Defina a lei de gravitação universal e as leis de Kepler. Mostre que as leis de Kepler estão de acordo com a lei de gravitação de Newton.

1. Definir pressão e massa especifica com as respectivas unidades no SI de unidades.

1. Demonstre como varia a pressão em um fluido em repouso e em função da altitude no ar e da profundidade na água.

1. Enuncie os princípios de Pascal e Arquimedes e descreva uma aplicação de cada.

1. Descreva os conceitos gerais de escoamento de fluidos. Escreva a equação de Bernoulli e mostre que ela é obtida a partir da aplicação da lei de conservação da energia mecânica. Explique o significado de cada termo presente nela.

1. Obtenha as equações de onda para a onda propagando em uma corda. Faça o mesmo para a propagação de uma onda sonora. Escreva a solução de cada uma e discuta os seus resultados. Estas equações são equações diferenciais de segunda ordem mas fazem parte de uma classe diferente de equações diferenciais denominadas equações diferenciais parciais. Pesquise sobre estas equações em particular sobre aquelas que descrevem a propagação das ondas mecânicas em uma corda e em uma película plana como no caso de um tambor.

1. Explique a partir dos princípios termodinâmicos porque a velocidade do som varia quando este se propaga no ar ou em um meio material como um metal, por exemplo. Certamente você já viu um filme mostrando uma pessoa falando enquanto aspira gás hélio. Como se explica isto?

1. Faça um paralelo entre as oscilações mecânicas forçadas e as oscilações eletromagnéticas forçadas também. Explique o modelo conceitualmente. Obtenha a equação diferencial geral do problema e discuta as soluções.

1. Conceitue processos isotérmicos, adiabáticos e expansão livre.

1. Enuncie as leis da Termodinâmica. Mostre que a segunda lei pode ser definida a partir do conceito de máquinas térmicas e a partir do conceito de entropia. Explique porque embora a segunda lei tenha sido originada do conceito de máquinas térmicas, portanto antes da primeira, só no final do século XIX é que ela se consolidou.

1. Descreva o ciclo de Carnot e explique a sua importância para a termodinâmica. Como ele é utilizado para explicar a impossibilidade de se obter o zero absoluto. Diga qual a menor temperatura já alcançada e em qual local (laboratório, equipe, etc)

1. Defina força elétrica e força magnética. Conceitue campo elétrico e campo magnético. Mostre como podemos verificar que o campo elétrico possui natureza divergente e o campo magnético possui natureza rotacional.

1. Defina a lei de Gauss para a eletricidade e para o magnetismo. Mostre como o conceito de divergência de um campo vetorial se aplica a estes casos.

1. Mostre como a lei de Coulomb pode ser obtida a partir da lei de Gauss.

1. Defina trabalho realizado pelo campo elétrico para levar uma carga de um ponto inicial até um ponto final. Explique como isto se relaciona ao conceito de integral de caminho. Explique o que ocorre quando o ponto inicial coincide com o ponto final de chegada da carga.

1. Defina condutores, isolantes, semicondutores e supercondutores, fazendo um breve histórico da evolução do estudo destes materiais. Caracterize um condutor ôhmico e um não ôhmico. Caracterize as classes de materiais supercondutores e diga qual o supercondutor que exibe a maior temperatura de transição do estado de condutor normal para supercondutor.

1. Defina a lei de Ampére e a de Faraday-Lenz. Mostre como a lei Ampére está relacionada ao conceito de rotacional de um campo vetorial.

1. Conceitue capacitância e indutância. Mostre com argumentos qualitativos o fato de que a energia elétrica é armazenada no campo elétrico em um capacitor e a energia magnética no campo magnético em um indutor. Neste sentido analise um circuito RC e um circuito RL descrevendo as suas principais funções num circuito elétrico.

1. Analise o fluxo de energia em um circuito elétrico RLC forçado, bem como em um sistema massa mola com atrito e forçado. No caso de um circuito RLC ele pode funcionar para detectar a energia de uma onda eletromagnética. Explique como.

Bons estudos e mantenha sempre atualizado.

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