1º ano
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S UNIDADE 1 U M Á R I O O mundo da energia.............................................9 1. Uma presença universal............................................... 10 ENERGIA, SEMPRE MUDANDO DE FORMA......................................................................................11 ENERGIA AO LONGO DA HISTÓRIA..................................................................................................16 NA VIDA MODERNA.........................................................................................................................18 Buscando a sustentabilidade.........................................................................................................20 CONEXÃO – A emissão de gases do efeito estufa e o aquecimento global........................... 22 FAÇA PARTE 1. Pirâmide trófica e níveis de alimentação.................................................................... 12 2. Arreios de tração e aproveitamento de energia......................................................... 20 3. Meios de comunicação............................................................................................... 21 4. Informatização e economia energética....................................................................... 23 SUA PARTE 1............................................................................................................................ 14 SUA PARTE 2............................................................................................................................ 20 SUA PARTE 3............................................................................................................................ 23 2. Recursos energéticos naturais...................................... 25 O USO DA ENERGIA SOLAR..............................................................................................................25 O ciclo da água e do ar..................................................................................................................26 CONEXÃO – Correntes de convecção e circulação de fluidos............................................... 28 VEJA MAIS – Transmissão de calor....................................................................................... 29 CONEXÃO – O efeito estufa................................................................................................. 30 CICLO DO CARBONO.........................................................................................................................34 Combustíveis renováveis...............................................................................................................35 CONEXÃO – Cascata energética.......................................................................................... 36 Combustíveis não renováveis........................................................................................................36 CONEXÃO – Petróleo no pré-sal........................................................................................... 37 CONEXÃO – Prospecção e refino de petróleo...................................................................... 38 VEJA MAIS – O Sistema Internacional de Unidades (SI)........................................................ 40 VEJA MAIS – Poder calorífico............................................................................................... 41 COMBUSTÍVEIS NUCLEARES............................................................................................................42 FAÇA PARTE 1. Explorando combustíveis............................................................................................ 44 SUA PARTE 1............................................................................................................................ 31 SUA PARTE 2............................................................................................................................ 44 3. Afinal, o que é energia?............................................... 48 ENERGIA, MUITAS FORMAS E MUITOS NOMES..............................................................................48 CONEXÃO – As radiações eletromagnéticas e os sentidos humanos.................................. 50 ENERGIA MECÂNICA E ENERGIA TÉRMICA......................................................................................51 Força e trabalho............................................................................................................................51 TRABALHO E ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA.................................................................................55 VEJA MAIS – Trabalho e força constante.............................................................................. 56 Princípio universal da conservação da energia...............................................................................57 Energia de agitação.......................................................................................................................58 VEJA MAIS – Dissipação de energia mecânica, conservação da energia total....................... 59 VEJA MAIS – Entenda o bungee jumping.............................................................................. 62 4 COC_FIS_ANO1_iniciais.indd 4 18/05/10 15:18 VEJA MAIS – Trabalho e potência......................................................................................... 64 FAÇA PARTE 1. Identificando radiações.............................................................................................. 50 2. Trabalho e movimento............................................................................................... 54 3. Discurso prático sobre energias e suas transformações.............................................. 60 SUA PARTE 1............................................................................................................................ 50 SUA PARTE 2............................................................................................................................ 64 4. Máquinas e processos térmicos................................... 67 CALOR, TRABALHO, CONSERVAÇÃO E DEGRADAÇÃO DE ENERGIA................................................67 Energia interna..............................................................................................................................67 Calor e trabalho.............................................................................................................................67 VEJA MAIS – Variáveis termodinâmicas............................................................................... 69 VEJA MAIS – Conversões de temperatura entre diferentes escalas termométricas.............. 72 A TURBINA A VAPOR E OS MOTORES A GASOLINA E A DIESEL......................................................74 A turbina a vapor..........................................................................................................................75 O trabalho da máquina térmica.....................................................................................................78 Leis da termodinâmica..................................................................................................................79 VEJA MAIS – Motores de automóvel a gasolina e motores de caminão a óleo diesel........... 80 VEJA MAIS – Transformações gasosas e a 1a lei da termodinâmica...................................... 84 FAÇA PARTE 1. Qual a função dos pelos?........................................................................................... 68 2. O ar no interior do pneu............................................................................................. 71 3. Como fazer um termômetro....................................................................................... 74 4. Como funciona a usina?............................................................................................. 76 5. Aquecer ou refrigerar?............................................................................................... 82 SUA PARTE 1............................................................................................................................ 72 SUA PARTE 2............................................................................................................................ 88 5. Eletricidade, geração e usos......................................... 93 PILHAS, ILUMINAÇÃO E AQUECIMENTO ELÉTRICOS.......................................................................93 Pilhas produzem eletricidade........................................................................................................94 Tensão elétrica..............................................................................................................................94 CONEXÃO – A energia das pilhas e baterias......................................................................... 95 Corrente elétrica...........................................................................................................................96 CONEXÃO – Condução elétrica em distintos materiais......................................................... 98 Pilhas: tipos, vida útil e associações...............................................................................................98 POTÊNCIA ELÉTRICA....................................................................................................................... 100 O trabalho da força elétrica......................................................................................................... 102 Do que depende a intensidade da corrente elétrica?................................................................... 103 Relação entre resistência elétrica, tensão e corrente elétrica – 1ª lei de Ohm..............................103 Do que depende a resistência elétrica – 2ª lei de Ohm............................................................... 103 CONEXÃO – Efeito Joule..................................................................................................... 104 CONEXÃO – Dependência entre resistividade e temperatura............................................ 106 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA................................................................................................. 110 CONEXÃO – A energia elétrica nas residências.................................................................. 112 Instalações elétricas.................................................................................................................... 116 CONEXÃO – Representação de circuitos elétricos.............................................................. 117 CONEXÃO – Tomadas e plugues......................................................................................... 118 Disjuntores e fusíveis................................................................................................................... 118 MAGNETISMO................................................................................................................................ 121 CONEXÃO – Campo magnético terrestre e o funcionamento de bússolas.......................... 121 ELETROMAGNETISMO.................................................................................................................... 124 CONEXÃO – Magnetismo e matéria................................................................................... 124 MOTORES E GERADORES ELÉTRICOS............................................................................................. 129 CONEXÃO – Frequência da corrente elétrica alternada...................................................... 133 5 COC_FIS_ANO1_iniciais.indd 5 18/05/10 15:18 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E TRANSFORMADORES.................................................... 135 FAÇA PARTE 1. Quanto dependemos da energia elétrica?.................................................................. 93 2. Construam sua própria pilha de Volta...................................................................... 100 3. Tensão, potência e corrente elétrica......................................................................... 101 4. Comparando lâmpadas............................................................................................. 107 5. O cálculo da potência elétrica.................................................................................. 112 6. Identificando gastos de energia................................................................................ 113 7. Sobrecarga de circuitos elétricos.............................................................................. 120 8. Como construir um telégrafo e uma campainha....................................................... 126 9. Origem do magnetismo terrestre............................................................................. 128 10.O sentido da corrente induzida................................................................................ 131 11.Montagem de um motor elétrico simples................................................................. 133 SUA PARTE 1............................................................................................................................ 96 SUA PARTE 2.......................................................................................................................... 101 SUA PARTE 3.......................................................................................................................... 102 SUA PARTE 4.......................................................................................................................... 109 SUA PARTE 5.......................................................................................................................... 114 SUA PARTE 6.......................................................................................................................... 120 SUA PARTE 7.......................................................................................................................... 123 SUA PARTE 8.......................................................................................................................... 128 SUA PARTE 9.......................................................................................................................... 134 SUA PARTE 10........................................................................................................................ 135 UNIDADE 2 Transportes, esportes e outros movimentos.....137 1. Abrindo o jogo........................................................... 138 OS MOVIMENTOS NA NATUREZA E OS PRODUZIDOS PELO HOMEM........................................... 138 Um universo em movimento....................................................................................................... 138 A mecânica e o desenvolvimento de transportes e esportes........................................................ 139 Movimento e transformação....................................................................................................... 141 A diversidade de movimentos e as dimensões de tempo............................................................. 142 Do submicroscópico ao astronômico: tudo se move.................................................................... 143 CONEXÃO – Medindo distâncias........................................................................................ 144 Velocidade média e instantânea.................................................................................................. 145 VEJA MAIS – A descrição dos movimentos......................................................................... 147 BOLAS............................................................................................................................................. 151 Deformações e forças de contato................................................................................................. 151 A ação da força gravitacional a distância...................................................................................... 153 Sem contato não há dissipação.................................................................................................... 153 FORÇA NESSA MASSA!................................................................................................................... 155 Força elástica............................................................................................................................... 156 Força peso................................................................................................................................... 158 FAÇA PARTE 1. Movimentos de hoje................................................................................................ 139 2. Tecnologia versus competitividade........................................................................... 141 3. Medindo tempos...................................................................................................... 142 4. Velocidades.............................................................................................................. 146 5. Trocando as bolas..................................................................................................... 152 6. Bolas pingando no chão........................................................................................... 154 7. Massa de bolas e de veículos................................................................................... 155 8. Construa seu dinamômetro...................................................................................... 159 9. Conclusões semelhantes para esportes muito diferentes......................................... 161 SUA PARTE 1.......................................................................................................................... 143 SUA PARTE 2.......................................................................................................................... 145 SUA PARTE 3.......................................................................................................................... 150 SUA PARTE 4.......................................................................................................................... 156 SUA PARTE 5.......................................................................................................................... 157 SUA PARTE 6.......................................................................................................................... 158 SUA PARTE 7.......................................................................................................................... 160 6 COC_FIS_ANO1_iniciais.indd 6 18/05/10 15:18 2. As regras do jogo....................................................... 162 AS LEIS DO MOVIMENTO............................................................................................................... 164 Movimentos compensados e movimentos transmitidos.............................................................. 166 A quantidade de movimento de um objeto e sua conservação.................................................... 167 A conservação da quantidade de movimento de um sistema....................................................... 170 A quantidade de movimento é uma grandeza vetorial................................................................. 172 O princípio da inércia – 1ª lei de Newton..................................................................................... 177 A lei da variação da quantidade de movimento – 2ª lei de Newton.............................................. 177 O princípio da ação e reação – 3ª lei de Newton.......................................................................... 179 Força resultante e aceleração...................................................................................................... 180 VEJA MAIS – Forças constantes ou variáveis...................................................................... 181 VEJA MAIS – Equacionando a queda livre e outros movimentos........................................ 185 ROTAÇÕES TAMBÉM TÊM REGRAS................................................................................................ 190 A velocidade angular................................................................................................................... 191 As rotações também se compensam............................................................................................ 191 VEJA MAIS – Arcos, ângulos e velocidades de rotação....................................................... 192 Quantidade de movimento angular e inércia rotacional.............................................................. 194 CONEXÃO – A inércia rotacional de alguns objetos simples............................................... 195 A conservação da quantidade de movimento angular.................................................................. 196 Torque e aceleração angular........................................................................................................ 197 VEJA MAIS – Correspondências entre rotação e translação............................................... 198 MOVIMENTOS SEM CAUSA IMEDIATA APARENTE........................................................................ 199 CONEXÃO – A mecânica e o mecanicismo.......................................................................... 199 Marés e gravitação...................................................................................................................... 200 Ventos......................................................................................................................................... 200 Som e vibração ........................................................................................................................... 201 Luz e mecânica quântica.............................................................................................................. 201 Curvas e referencial..................................................................................................................... 201 VEJA MAIS – Centrípeta ou centrífuga?............................................................................. 202 FAÇA PARTE 1. Descobrindo e inventando regras desportivas.......................................................... 163 2. Identificando e inventando regras sociais................................................................. 164 3. Perguntas cujas respostas abalaram (e também construíram) o mundo................... 165 4. A conservação da quantidade de movimento em colisões e propulsões................... 171 5. Tempo e força para frear.......................................................................................... 178 6. Em busca das rotações............................................................................................. 193 SUA PARTE 1.......................................................................................................................... 168 SUA PARTE 2.......................................................................................................................... 170 SUA PARTE 3.......................................................................................................................... 175 SUA PARTE 4.......................................................................................................................... 177 SUA PARTE 5.......................................................................................................................... 178 SUA PARTE 6.......................................................................................................................... 180 SUA PARTE 7.......................................................................................................................... 181 SUA PARTE 8.......................................................................................................................... 187 SUA PARTE 9.......................................................................................................................... 193 SUA PARTE 10........................................................................................................................ 196 SUA PARTE 11........................................................................................................................ 199 3. Usando as regras nos esportes e transportes............. 203 A DIVERSIDADE DE ESPORTES E TRANSPORTES............................................................................ 203 PROPULSÕES E RESISTÊNCIAS...................................................................................................... 206 Propulsão nos fluidos.................................................................................................................. 206 Atrito e propulsão em solo firme................................................................................................. 208 Reação normal e força de atrito................................................................................................... 209 7 COC_FIS_ANO1_iniciais.indd 7 18/05/10 15:18 VEJA MAIS – A reação normal e outras forças de contato.................................................. 211 Se há curva, há resultante centrípeta........................................................................................... 216 VEJA MAIS – Resultante e aceleração centrípetas.............................................................. 217 O efeito dissipativo do atrito....................................................................................................... 219 A resistência aplicada por fluidos................................................................................................ 220 VEJA MAIS – Resistência e sustentação.............................................................................. 222 CONEXÃO – Topspin e outros efeitos................................................................................. 223 GRAVIDADE ONIPRESENTE............................................................................................................ 224 Arremessos................................................................................................................................. 224 VEJA MAIS – Arremessos com inclinação de 45° são mais eficientes................................. 226 Equilíbrio e centro de gravidade.................................................................................................. 228 VEJA MAIS – Como evitar um tombo................................................................................. 230 MÁQUINAS SIMPLES...................................................................................................................... 231 Potência e resistência.................................................................................................................. 231 Alavanca..................................................................................................................................... 231 Roldana....................................................................................................................................... 231 Sarilho......................................................................................................................................... 232 Plano inclinado............................................................................................................................ 232 Maior a profundidade, maior a pressão....................................................................................... 235 VEJA MAIS – A experiência de Torricelli e os vasos comunicantes...................................... 238 VEJA MAIS – O princípio de Pascal e a prensa hidráulica.................................................... 240 Empuxo e flutuação..................................................................................................................... 241 VEJA MAIS – A estabilidade de um navio........................................................................... 243 A quantidade de movimento no domínio astronômico................................................................ 245 CONEXÃO – A gravitação na formação dos corpos celestes e na relação entre eles........... 245 ENCONTROS ELÁSTICOS E ENCONTROS PLÁSTICOS..................................................................... 248 Trabalho e energia....................................................................................................................... 248 Colisões e leis de conservação..................................................................................................... 249 VEJA MAIS – Coeficiente de restituição............................................................................. 252 MECÂNICA, A CIÊNCIA DOS MOVIMENTOS................................................................................... 254 CONEXÃO – Enfrentando um problema real...................................................................... 255 FAÇA PARTE 1. Esportes olímpicos................................................................................................... 205 2. Transporte e propulsão............................................................................................ 207 3. Construa sua própria tabela de coeficientes de atrito.............................................. 213 4. Freios e engrenagens............................................................................................... 220 5. Responda novamente............................................................................................... 256 SUA PARTE 1.......................................................................................................................... 205 SUA PARTE 2.......................................................................................................................... 207 SUA PARTE 3.......................................................................................................................... 210 SUA PARTE 4.......................................................................................................................... 214 SUA PARTE 5.......................................................................................................................... 218 SUA PARTE 6.......................................................................................................................... 223 SUA PARTE 7.......................................................................................................................... 227 SUA PARTE 8.......................................................................................................................... 233 SUA PARTE 9.......................................................................................................................... 237 SUA PARTE 10........................................................................................................................ 239 SUA PARTE 11........................................................................................................................ 241 SUA PARTE 12........................................................................................................................ 244 SUA PARTE 13........................................................................................................................ 250 SUA PARTE 14........................................................................................................................ 252 Respostas a questões de múltipla escolha...................... 257 Dados e tabelas de consulta........................................... 258 Siglas de vestibulares..................................................... 261 Sugestões de leitura....................................................... 262 Bibliografia..................................................................... 263 8 COC_FIS_ANO1_iniciais.indd 8 18/05/10 15:18
