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Matérias

Física do IGCSE

Dicas

Física IGCSE (0625) tem seis tópicos: movimento, forças e energia; física térmica; ondas; eletricidade e magnetismo; física nuclear; física espacial.

Confirma o teu nível primeiro. Existem papéis para seis componentes, e qual fazes depende de se estás inscrito para Básico ou Avançado. Conteúdo apenas Avançado é uma grande parte do programa e é revisão desperdiçada se estiveres no Básico.

As marcas perdidas mais comuns são as mais baratas de corrigir: unidades faltando, o número errado de algarismos significativos, e respostas que dão um número sem a fórmula que o produziu. Definições são marcadas contra palavras exatas — aprende-as como escritas, não como lembradas.

  • 1

    Movimento, forças e energia

    Assistir aula
    1.1

    Medição 测量

    Programa
    Central Suplementar
    1 Descrever o uso de réguas e cilindros graduados para encontrar um comprimento ou volume
    2 Descrever como medir uma variedade de intervalos de tempo usando relógios e temporizadores digitais
    3 Determinar um valor médio para uma pequena distância e para um curto intervalo de tempo medindo múltiplos (incluindo o período de oscilação de um pêndulo)
    4 Entender que uma grandeza escalar tem apenas magnitude (tamanho) e que uma grandeza vetorial tem magnitude e direção
    5 Saber que as seguintes grandezas são escalares: distância, velocidade escalar, tempo, massa, energia e temperatura
    6 Saber que as seguintes grandezas são vetoriais: força, peso, velocidade, aceleração, momento linear, intensidade do campo elétrico e intensidade do campo gravitacional
    7 Determinar, por cálculo ou graficamente, a resultante de dois vetores em ângulo reto, limitado apenas a forças ou velocidades

    Fonte: Programa Cambridge International

    Resolver um vetor em componentes

    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.

    Descendo um sólido irregular em um cilindro graduado; a elevação do nível da água é seu volume
    A água que um sólido irregular desloca dá seu volume
    Lendo um cilindro graduado na base do menisco, nível dos olhos com a marca
    Leia um cilindro graduado na base do menisco, com o nível dos olhos

    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.

    $$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
    Dois vetores perpendiculares desenhados como os lados de um retângulo, com o resultante como a diagonal
    Dois vetores em ângulo reto somam-se para formar um resultante $R$, a diagonal do retângulo
    Explorar

    Escalares & vetores

    resultante = a + b

    Some dois vetores ponta-a-ponta para encontrar o resultante.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    mass/mæs/ 质量 zhì liàng
    resultant/rɪˈzʌltənt/ 合矢量 hé shǐ liàng
    motion/ˈməʊʃn/ 运动 yùn dòng
    1.2

    Movimento 运动

    Programa
    Central Suplementar
    1 Definir velocidade escalar como distância percorrida por unidade de tempo; recordar e usar a equação
    $$v = \frac{s}{t}$$
    2 Definir velocidade vetorial como velocidade em uma direção dada
    3 Recordar e usar a equação
    $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$
    9 Definir aceleração como variação de velocidade por unidade de tempo; recordar e usar a equação
    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
    4 Esboçar, plotar e interpretar gráficos de distância-tempo e gráficos de velocidade-tempo
    5 Determinar, qualitativamente, a partir de dados dados ou da forma de um gráfico de distância-tempo ou velocidade-tempo, quando um objeto está: (a) em repouso (b) movendo-se com velocidade constante (c) acelerando (d) desacelerando 10 Determinar a partir de dados dados ou da forma de um gráfico de velocidade-tempo quando um objeto está se movendo com: (a) aceleração constante (b) aceleração variável
    6 Calcular velocidade a partir da inclinação de uma seção de linha reta de um gráfico de distância-tempo 11 Calcular aceleração a partir da inclinação de um gráfico de velocidade-tempo
    7 Calcular a área sob um gráfico de velocidade-tempo para determinar a distância percorrida em movimento com velocidade constante ou aceleração constante
    12 Saber que uma desaceleração é uma aceleração negativa e usar isso em cálculos
    8 Declarar que a aceleração da queda livre $g$ para um objeto próximo à superfície da Terra é aproximadamente constante e é aproximadamente $9.8\text{ m/s}^2$ 13 Descrever o movimento de objetos caindo em um campo gravitacional uniforme com e sem resistência do ar/líquido, incluindo referência à velocidade terminal

    Fonte: Programa Cambridge International

    Velocidade e velocidade escalar

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

    $$v = \frac{s}{t}$$

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

    $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$

    Aceleração

    Aceleração é a variação da velocidade por unidade de tempo.

    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$

    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.

    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$

    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.
    Três linhas de distância-tempo: uma linha plana, uma inclinação reta e uma curva que fica mais íngreme
    A forma de uma linha de distância-tempo: plana indica parado, inclinação reta indica velocidade constante, curva ascendente indica aceleração

    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.
    Um gráfico de velocidade-tempo com uma linha inclinada cuja inclinação é a aceleração e cuja área sombreada é a distância
    Em um gráfico de velocidade-tempo, a inclinação é a aceleração e a área sob a linha 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.

    Um objeto caindo com setas de peso e resistência do ar, mostrado logo após ser solto e na velocidade terminal
    Inicialmente o peso é maior que a resistência do ar, então o objeto acelera; na velocidade terminal os dois são iguais e a velocidade é constante
    Explorar

    Gráfico velocidade–tempo

    Altere u e a. O declive é a aceleração; a área sob a linha é a distância percorrida.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù
    speed/spiːd/ 速率 sù lǜ
    deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 减速 jiǎn sù
    distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ 距离-时间图 jù lí - shí jiān tú
    at rest/æt rest/ 静止 jìng zhǐ
    gradient/ˈɡreɪdɪənt/ 斜率 xié lǜ
    speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ 速度-时间图 sù dù - shí jiān tú
    area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ 线下面积 xiàn xià miàn jī
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ 均匀 jūn yún
    acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ 自由落体加速度 zì yóu luò tǐ jiā sù dù
    air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空气阻力 kōng qì zǔ lì
    terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ 收尾速度 shōu wěi sù dù
    matter/ˈmætə/ 物质 wù zhì
    1.3

    Massa e peso

    Programa
    Central Suplementar
    1 Declarar que massa é uma medida da quantidade de matéria em um objeto em repouso em relação ao observador
    2 Declarar que peso é uma força gravitacional sobre um objeto que possui massa 5 Descrever e usar o conceito de peso como o efeito de um campo gravitacional sobre uma massa
    3 Definir intensidade do campo gravitacional como força por unidade de massa; recordar e usar a equação
    $$g = \frac{W}{m}$$
    e saber que isto é equivalente à aceleração da queda livre
    4 Saber que pesos (e massas) podem ser comparados usando uma balança

    Fonte: Programa Cambridge International

    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:

    $$g = \frac{W}{m}$$

    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.

    Uma balança de laboratório mede a massa; o peso é a força gravitacional sobre essa massa
    Uma balança de laboratório mede a massa; o peso é a força gravitacional sobre essa massa
    Explorar

    Peso e massa

    W = mg

    O peso é proporcional à massa — a inclinação é a intensidade do campo gravitacional g (cerca de 10 N/kg na Terra).

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    balance/ˈbæləns/ 天平 tiān píng
    1.4

    Densidade 密度

    Programa
    Central Suplementar
    1 Definir densidade como massa por unidade de volume; recordar e usar a equação
    $$\rho = \frac{m}{V}$$
    2 Descrever como determinar a densidade de um líquido, de um sólido de forma regular e de um sólido de forma irregular que afunda em um líquido (volume por deslocamento), incluindo cálculos apropriados
    3 Determinar se um objeto flutua com base em dados de densidade 4 Determinar se um líquido flutuará sobre outro líquido com base em dados de densidade, dado que os líquidos não se misturam

    Fonte: Programa Cambridge International

    Densidade é a massa por unidade de volume.

    $$\rho = \frac{m}{V}$$

    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

    $$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
    Um iceberg flutua com a maior parte de seu volume oculto: o gelo é ligeiramente menos denso que a água
    Um iceberg flutua com a maior parte de seu volume oculto: o gelo é ligeiramente menos denso que a água
    Explorar

    Flutuação e densidade

    Altere a densidade do objeto e do líquido: ele flutua se for menos denso, e quanto mais denso, mais fica submerso. O ferro afunda na água mas flutua no mercúrio.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù
    regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 规则固体 guī zé gù tǐ
    irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 不规则固体 bù guī zé gù tǐ
    displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ 排水法 pái shuǐ fǎ
    floats/fləʊts/ 漂浮 piāo fú
    shape/ʃeɪp/ 形状 xíng zhuàng
    extension/ekˈstenʃn/ 伸长量 shēn cháng liàng
    load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ 载荷-伸长图 zài hè - shēn cháng tú
    limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ 比例极限 bǐ lì jí xiàn
    spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 弹簧常数 tán huáng cháng shù
    resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 合力 hé lì
    circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ 圆周运动 yuán zhōu yùn dòng
    radius/ˈreɪdɪəs/ 半径 bàn jìng
    friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì
    1.5

    Forças

    Programa

    1.5.1 Efeitos das forças

    Central Suplementar
    1 Saber que forças podem produzir mudanças no tamanho e forma de um objeto 9 Definir a constante elástica como força por unidade de extensão; recordar e usar a equação
    $$k = \frac{F}{x}$$
    2 Esboçar, plotar e interpretar gráficos de carga-extensão para um sólido elástico e descrever os procedimentos experimentais associados 10 Definir e usar o termo 'limite de proporcionalidade' para um gráfico de carga-extensão e identificar este ponto no gráfico (não é necessário entender o limite elástico)
    3 Determinar a resultante de duas ou mais forças atuando ao longo da mesma linha reta 11 Recordar e usar a equação $F = ma$ e saber que a força e a aceleração estão na mesma direção
    4 Saber que um objeto permanece em repouso ou continua em linha reta com velocidade constante a menos que seja afetado por uma força resultante
    5 Afirme que uma força resultante pode alterar a velocidade de um objeto modificando sua direção de movimento ou sua rapidez 12 Descreva, qualitativamente, o movimento em uma trajetória circular devido a uma força perpendicular ao movimento como: (a) a rapidez aumenta se a força aumentar, com massa e raio constantes (b) o raio diminui se a força aumentar, com massa e rapidez constantes (c) uma massa aumentada exige uma força maior para manter a rapidez e o raio constantes ($F = \frac{mv^2}{r}$ não é necessário)
    6 Descreva atrito sólido como a força entre duas superfícies que pode obstruir o movimento e produzir aquecimento
    7 Saiba que o atrito (arrasto) atua sobre um objeto que se move através de um líquido
    8 Saiba que o atrito (arrasto) atua sobre um objeto que se move através de um gás (ex.: resistência do ar)

    1.5.2 Efeito de rotação de forças

    Central Suplementar
    1 Descreva o momento de uma força como uma medida de seu efeito de rotação e forneça exemplos cotidianos
    2 Defina o momento de uma força como $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$; lembre-se e use esta equação
    3 Aplique o princípio dos momentos a situações com uma força de cada lado do ponto de apoio, incluindo o equilíbrio de uma viga 5 Aplique o princípio dos momentos a outras situações, incluindo aquelas com mais de uma força de cada lado do ponto de apoio
    4 Afirme que, quando não há força resultante e nem momento resultante, um objeto está em equilíbrio 6 Descreva um experimento para demonstrar que não há momento resultante em um objeto em equilíbrio

    1.5.3 Centro de gravidade

    Central Suplementar
    1 Afirme o significado de centro de gravidade
    2 Descreva um experimento para determinar a posição do centro de gravidade de uma lâmina plana irregular
    3 Descreva, qualitativamente, o efeito da posição do centro de gravidade na estabilidade de objetos simples

    Fonte: Programa Cambridge International

    O princípio dos momentos
    Lei de Hooke & limite elástico

    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.

    Um gráfico de carga-extensão: uma linha reta pela origem que se curva após um ponto marcado
    Carga é proporcional à extensão até o limite de proporcionalidade, depois a linha curva

    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:

    $$k = \frac{F}{x}$$

    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:
    $$F = ma$$
    Uma caixa no chão com quatro setas de força rotuladas: força normal para cima, peso para baixo, empurrão para direita, atrito para esquerda
    Um diagrama de corpo livre mostra todas as forças na caixa como setas rotuladas

    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

    $$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$

    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.

    $$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$

    A unidade é o newton metro (N m).

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

    $$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$

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

    Uma viga equilibrada em um pivô central com uma força e distância em cada lado
    A viga equilibra quando o momento horário é igual ao momento anti-horário

    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:

    $$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$

    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.

    Explorar

    Forças & leis de Newton

    F = ma (resultante)

    A força resultante determina a aceleração; forças equilibradas ⇒ nenhuma aceleração.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    force/fɔːs/ 力 lì
    weight/weɪt/ 重力 zhòng lì
    moment/ˈməʊmənt/ 力矩 lì jǔ
    pivot/ˈpɪvət/ 支点 zhī diǎn
    principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ 力矩原理 lì jǔ yuán lǐ
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
    centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ 重心 zhòng xīn
    lamina/ˈlæmɪnə/ 薄片 báo piàn
    stability/stəˈbɪlɪti/ 稳定性 wěn dìng xìng
    stable/ˈsteɪbl/ 稳定 wěn dìng
    1.6

    Momento linear

    Programa
    Central Suplementar
    1 Defina momento linear como massa $\times$ velocidade; lembre-se e use a equação $p = mv$
    2 Defina impulso como força $\times$ tempo durante o qual a força atua; lembre-se e use a equação $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$
    3 Aplique o princípio da conservação do momento linear para resolver problemas simples em uma dimensão
    4 Defina força resultante como a variação do momento linear por unidade de tempo; lembre-se e use a equação $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$

    Fonte: Programa Cambridge International

    Conservação do momento em uma colisão

    Momento linear é massa vezes velocidade. É um vetor.

    $$p = mv$$

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

    $$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$

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

    $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$

    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.

    $$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$

    (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

    $$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
    Explorar

    Momento linear numa colisão

    Defina as massas e velocidades e colida-as. O momento total é conservado.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng
    electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ 电场强度 diàn chǎng qiáng dù
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù
    impulse/ˈɪmpʌls/ 冲量 chōng liàng
    conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ 动量守恒 dòng liàng shǒu héng
    stored/stɔːd/ 储存 chǔ cún
    kinetic/kɪˈnetɪk/ 动能 dòng néng
    gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ 重力势能 zhòng lì shì néng
    chemical/ˈkemɪkl/ 化学能 huà xué néng
    elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ 弹性势能 tán xìng shì néng
    1.7

    Energia, trabalho e potência

    Programa

    1.7.1 Energia

    Central Suplementar
    1 Afirme que a energia pode ser armazenada como cinética, potencial gravitacional, química, elástica (de deformação), nuclear, eletrostática e interna (térmica)
    2 Descreva como a energia é transferida entre estoques durante eventos e processos, incluindo exemplos de transferência por forças (trabalho mecânico), correntes elétricas (trabalho elétrico), aquecimento e por ondas eletromagnéticas, sonoras e outras
    4 Lembre-se e use a equação para energia cinética $E_k = \frac{1}{2}mv^2$
    5 Lembre-se e use a equação para a variação da energia potencial gravitacional $\Delta E_p = mg\Delta h$
    3 Conheça o princípio da conservação de energia e aplique este princípio a exemplos simples, incluindo a interpretação de diagramas de fluxo simples 6 Conheça o princípio da conservação de energia e aplique-o a exemplos complexos envolvendo múltiplas etapas, incluindo a interpretação de diagramas de Sankey

    1.7.2 Trabalho

    Central Suplementar
    1 Entenda que o trabalho mecânico ou elétrico realizado é igual à energia transferida
    2 Lembre-se e use a equação para trabalho mecânico $W = Fd = \Delta E$

    1.7.3 Recursos energéticos

    Central Suplementar
    1 Descreva como a energia útil pode ser obtida, ou a potência elétrica gerada, a partir de: (a) energia química armazenada em combustíveis fósseis (b) energia química armazenada em biocombustíveis (c) água, incluindo a energia armazenada em ondas, marés e em represas hidroelétricas (d) recursos geotérmicos (e) combustível nuclear (f) luz do Sol para gerar eletricidade (células solares) (g) radiação infravermelha e outras ondas eletromagnéticas do Sol para aquecer água (coletores solares) e ser a fonte de energia eólica, incluindo referências a caldeira, turbina e gerador onde são usados 4 Saiba que a radiação solar é a principal fonte de energia para todos os nossos recursos energéticos, exceto geotérmico, nuclear e das marés
    2 Descreva as vantagens e desvantagens de cada método em termos de renovabilidade, disponibilidade, confiabilidade, escala e impacto ambiental 5 Saiba que a energia é liberada pela fusão nuclear no Sol
    6 Saiba que pesquisas estão sendo realizadas para investigar como a energia liberada pela fusão nuclear pode ser usada para produzir eletricidade em grande escala
    3 Entenda, qualitativamente, o conceito de eficiência da transferência de energia 7 Defina eficiência como: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ lembre-se e use essas equações

    1.7.4 Potência

    Central Suplementar
    1 Defina potência como trabalho realizado por unidade de tempo e também como energia transferida por unidade de tempo; lembre-se e use as equações (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$

    Fonte: Programa Cambridge International

    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).

    Uma fileira de turbinas eólicas brancas altas em pé no mar sob um céu azul
    As turbinas eólicas transferem energia do estoque cinético do ar em movimento para eletricidade

    Energia cinética e potencial

    Energia cinética é a energia de um objeto em movimento:

    $$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

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

    $$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$

    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.

    Um pêndulo mostrado em seus dois pontos mais altos e seu ponto mais baixo, com a altura do balanço marcada
    A energia se move entre energia potencial gravitacional (nos pontos mais altos) e energia cinética (no ponto mais baixo)
    Carros de montanha-russa descendo uma pista curva, com uma grande colina ao fundo
    Em uma montanha-russa, a energia potencial gravitacional armazenada no topo da colina torna-se energia cinética à medida que os carros aceleram para baixo

    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 $v^2 = 2g\,\Delta h$:

    $$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$

    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:

    $$W = Fd = \Delta E$$

    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.

    $$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$

    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.

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$

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

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$

    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.

    $$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
    Um diagrama de Sankey com uma faixa larga de entrada dividindo-se em uma faixa útil e uma faixa desperdiçada
    Um diagrama de Sankey para este motor: as larguras das faixas são proporcionais à energia, então a entrada de 200 J divide-se em 150 J úteis e 50 J desperdiçados como calor

    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.

    Recurso Renovável? Notas
    combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás) não confiável, alta produção, mas CO₂ e poluição
    combustível nuclear não enorme produção, sem CO₂, mas resíduos radioativos
    biocombustíveis sim aproximadamente neutro em carbono se replantado
    hidrelétrico sim confiável, mas uma represa inunda terra
    vento sim limpo, mas intermitente
    solar sim limpo, mas apenas durante o dia
    geotermal / maré sim confiável, mas limitado a certos lugares

    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.

    Explorar

    Fluxo de energia & eficiência

    A energia de entrada se divide em saída útil e energia desperdiçada; a eficiência é a fração útil, e o total é sempre conservado.

    Explorar

    Conservação de energia

    Deixe cair o objeto: a EPE converte-se em EC, e o total mantém-se igual quando não há atrito.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    measurement/ˈmeʒəmənt/ 测量 cè liáng
    ruler/ˈruːlə/ 直尺 zhí chǐ
    measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ 量筒 liáng tǒng
    meniscus/ˈmenɪskəs/ 弯月面 wān yuè miàn
    stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ 秒表 miǎo biǎo
    digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ 数字计时器 shù zì jì shí qì
    reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ 反应时间 fǎn yìng shí jiān
    measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ 测多个再相除 cè duō gè zài xiāng chú
    pendulum/ˈpendjʊləm/ 摆 bǎi
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
    uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ 不确定度 bù què dìng dù
    scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ 标量 biāo liàng
    magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大小 dà xiǎo
    vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ 矢量 shǐ liàng
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù
    nuclear/ˈnjuːklɪə/ 核能 hé néng
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电能 jìng diàn néng
    internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ 内能 nèi néng
    transferred/trænsˈfɜːd/ 转移 zhuǎn yí
    principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒定律 néng liàng shǒu héng dìng lǜ
    Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ 桑基图 sāng jī tú
    wasted/ˈweɪstɪd/ 浪费 làng fèi
    work done/wɜːk dʌn/ 做功 zuò gōng
    joule/dʒuːl/ 焦耳 jiāo ěr
    power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ
    watt/wɒt/ 瓦特 wǎ tè
    efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 效率 xiào lǜ
    renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ 可再生性 kě zài shēng xìng
    availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ 可用性 kě yòng xìng
    reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ 可靠性 kě kào xìng
    scale/skeɪl/ 规模 guī mó
    environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ 环境影响 huán jìng yǐng xiǎng
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
    1.8

    Pressão 压强

    Programa
    Central Suplementar
    1 Defina pressão como força por unidade de área; lembre-se e use a equação $p = \frac{F}{A}$
    2 Descreva como a pressão varia com a força e a área no contexto de exemplos cotidianos
    3 Descreva, qualitativamente, como a pressão sob a superfície de um líquido muda com a profundidade e a densidade do líquido 4 Lembre-se e use a equação para a variação de pressão sob a superfície de um líquido $\Delta p = \rho g \Delta h$

    Fonte: Programa Cambridge International

    Pressão é a força por unidade de área.

    $$p = \frac{F}{A}$$

    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:

    $$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$

    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.

    Um tanque de líquido com setas empurrando para fora na parede lateral, mais longas quanto mais profundas estão
    Quanto mais profundo o líquido, maior a pressão, então o empurrão para fora na parede aumenta com a profundidade
    A imensa parede curva de concreto da Barragem Hoover segurando um reservatório
    Uma barragem real é construída muito mais espessa na base, porque a água empurra com mais força onde é mais profunda

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

    $$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
    Explorar

    Pressão

    p = ρg·h

    A pressão em um líquido é proporcional à profundidade.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
    pascal/ˈpæskl/ 帕斯卡 pà sī kǎ
    depth/depθ/ 深度 shēn dù
    1.8

    Dicas de prova

    • 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.
  • 2

    Física térmica

    Assistir aula
    2.1

    Estados da matéria 物态

    Programa

    2.1.1 Estados da matéria

    Central Suplementar
    1 Conheça as propriedades distintivas de sólidos, líquidos e gases
    2 Conheça os termos para as mudanças de estado entre sólidos, líquidos e gases (transferências de gás para sólido e sólido para gás não são necessárias)

    2.1.2 Modelo de partículas

    Central Suplementar
    1 Descreva a estrutura de partículas de sólidos, líquidos e gases em termos de disposição, separação e movimento das partículas e represente esses estados usando diagramas simples de partículas 6 Saiba que as forças e distâncias entre partículas (átomos, moléculas, íons e elétrons) e o movimento das partículas afetam as propriedades de sólidos, líquidos e gases
    2 Descreva a relação entre o movimento das partículas e a temperatura, incluindo a ideia de que existe uma temperatura mínima possível ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), conhecida como zero absoluto, onde as partículas têm menor energia cinética
    3 Descreva a pressão e as variações de pressão de um gás em termos do movimento de suas partículas e de suas colisões com uma superfície 7 Descreva a pressão e as variações de pressão de um gás em termos das forças exercidas por partículas colidindo com superfícies, criando uma força por unidade de área
    4 Saiba que o movimento aleatório de partículas microscópicas em uma suspensão é evidência do modelo cinético das partículas da matéria 8 Saiba que partículas microscópicas podem ser movidas por colisões com moléculas rápidas e corretamente use os termos átomos ou moléculas distintos de partículas microscópicas
    5 Descreva e explique esse movimento (às vezes conhecido como movimento browniano) em termos de colisões aleatórias entre as partículas microscópicas em uma suspensão e as partículas do gás ou líquido

    2.1.3 Gases e a escala absoluta de temperatura

    Central Suplementar
    1 Descreva qualitativamente, em termos de partículas, o efeito sobre a pressão de uma massa fixa de gás de: (a) uma mudança de temperatura a volume constante (b) uma mudança de volume a temperatura constante 3 Lembre-se e use a equação $pV = \text{constant}$ para uma massa fixa de gás a temperatura constante, incluindo uma representação gráfica dessa relação
    2 Converta temperaturas entre kelvin e graus Celsius; lembre-se e use a equação $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$

    Fonte: Programa Cambridge International

    Teoria cinética: pressão de um gás

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

    Estado Forma Volume Partículas
    Sólido fixa fixa próximas umas das outras, em padrão regular, vibrando
    Líquido assume a forma do recipiente fixo próximas umas das outras, sem padrão, podem passar umas pelas outras
    Gás preenche o recipiente variável distantes, rápidas, movimento aleatório

    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.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    states of matter/steɪts ɒv ˈmætə/ 物态 wù tài
    solid/ˈsɒlɪd/ 固体 gù tǐ
    liquid/ˈlɪkwɪd/ 液体 yè tǐ
    gas/ɡæs/ 气体 qì tǐ
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 凝结 níng jié
    solidification/səˌlɪdɪfɪˈkeɪʃn/ 凝固 níng gù
    kinetic particle model/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈmɒdl/ 分子动理论 fèn zǐ dòng lǐ lùn
    2.1

    Modelo cinético das partículas 分子动理论

    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.
    Três caixas de partículas: uma grade ordenada para um sólido, um amontoado próximo para um líquido e poucas partículas em movimento rápido para um gás
    As mesmas partículas em três estados: fixas e ordenadas em um sólido, próximas mas desordenadas em um líquido, distantes e rápidas em um gás

    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.

    Um termômetro digital branco com longa sonda metálica e pequena tela, ao lado de sua estojo de armazenamento
    Um termômetro digital mede a temperatura detectando a energia cinética das partículas que toca

    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.

    Partículas de gás movendo-se em todas as direções dentro de uma caixa, atingindo as paredes
    A pressão do gás é a força total de inúmeras batidas de partículas em cada unidade de área da parede
    • 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:

    $$pV = \text{constant}$$

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

    Uma curva de pressão contra volume que cai abruptamente e depois nivelada, com pontos mostrando que reduzir o volume pela metade dobra a pressão
    A temperatura constante, o gráfico de pressão-volume é uma curva: reduza o volume pela metade e a pressão dobra, então $pV$ permanece constante

    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, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

    $$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

    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.

    Um grande grânulo de fumaça em um trajeto em zigue-zague, cercado por pequenas partículas de ar rápidas colidindo com ele
    Colisões aleatórias de partículas de ar rápidas empurram um grânulo de fumaça ao longo de um trajeto irregular e aleatório

    A escala Kelvin

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

    $$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

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

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

    $$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
    Explorar

    Comprima um gás (Lei de Boyle)

    Deslize o êmbolo para dentro para reduzir o volume. As mesmas partículas são empurradas para menos espaço, então elas colidem com as paredes com mais frequência e a pressão aumenta — enquanto a pressão × volume permanece constante.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    particle/ˈpɑːtɪkl/ 粒子 lì zi
    vibrate/vaɪˈbreɪt/ 振动 zhèn dòng
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù
    absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ 绝对零度 jué duì líng dù
    pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
    Brownian motion/ˈbraʊnɪən ˈməʊʃn/ 布朗运动 bù lǎng yùn dòng
    kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén
    thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ 温度计 wēn dù jì
    insulating material/ˈɪnsjuːleɪtɪŋ məˈtɪərɪəl/ 隔热材料 gé rè cái liào
    melting/ˈmeltɪŋ/ 熔化 róng huà
    boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 沸腾 fèi téng
    evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ 蒸发 zhēng fā
    cools down/kuːlz daʊn/ 冷却 lěng què
    transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能传递 rè néng chuán dì
    2.2

    Expansão térmica 热膨胀

    Programa

    2.2.1 Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases

    Central Suplementar
    1 Descreva, qualitativamente, a expansão térmica de sólidos, líquidos e gases a pressão constante 3 Explique, em termos do movimento e disposição das partículas, a ordem relativa de magnitudes da expansão de sólidos, líquidos e gases conforme suas temperaturas aumentam
    2 Descreva algumas aplicações e consequências cotidianas da expansão térmica

    2.2.2 Calor específico

    Central Suplementar
    1 Saiba que um aumento na temperatura de um objeto aumenta sua energia interna 2 Descreva um aumento na temperatura de um objeto em termos de um aumento nas energias cinéticas médias de todas as partículas do objeto
    3 Definir capacidade térmica específica como a energia necessária por unidade de massa por unidade de aumento de temperatura; recordar e usar a equação
    $$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
    4 Descreva experimentos para medir o calor específico de um sólido e de um líquido

    2.2.3 Fusão, ebulição e evaporação

    Central Suplementar
    1 Descreva fusão e ebulição em termos de fornecimento de energia sem mudança de temperatura 6 Descreva as diferenças entre ebulição e evaporação
    2 Conheça as temperaturas de fusão e ebulição da água à pressão atmosférica padrão
    3 Descreva condensação e solidificação em termos de partículas
    4 Descreva evaporação em termos da saída de partículas mais energéticas da superfície de um líquido 7 Descreva como temperatura, área de superfície e movimento do ar sobre uma superfície afetam a evaporação
    5 Saiba que a evaporação causa resfriamento de um líquido 8 Explique o resfriamento de um objeto em contato com um líquido evaporando

    Fonte: Programa Cambridge International

    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.

    Dois trilhos ferroviários com uma pequena lacuna quando frios, expandidos e tocando quando quentes
    Uma pequena lacuna é deixada entre os trilhos quando frios, para que, ao expandirem com o calor, a lacuna feche em vez de deformar o trilho
    Explorar

    Aquecimento e capacidade calorífica específica

    Q = mcΔT

    A energia térmica necessária é proporcional ao aumento de temperatura para uma dada massa de material.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ 热膨胀 rè péng zhàng
    lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
    Assistir aula
    2.2

    Energia interna e capacidade térmica específica

    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.

    $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

    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 $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

    $$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

    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.

    Água fervente: a energia interna aumenta com a temperatura; a capacidade térmica específica é energia por kg por °C
    Água fervente: a energia interna aumenta com a temperatura; a capacidade térmica específica é energia por kg por °C
    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng
    specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 比热容 bǐ rè róng
    heater/ˈhiːtə/ 加热器 jiā rè qì
    2.2

    Fusão, ebulição e evaporação

    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 $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

    Uma curva de aquecimento de temperatura contra o tempo, com platôs planos durante a fusão e durante a ebulição
    Enquanto a substância derrete e enquanto ferve, a temperatura permanece plana, mesmo que energia continue sendo adicionada

    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.

    Explorar

    A curva de aquecimento — observe a pausa da temperatura

    Enquanto a substância está fundindo ou fervendo, a temperatura permanece plana, embora o calor ainda esteja entrando — a energia quebra ligações em vez de aquecê-la.

    2.3

    Transferência de energia térmica 热能传递

    Programa

    2.3.1 Condução

    Central Suplementar
    1 Descreva experimentos para demonstrar as propriedades de bons condutores térmicos e maus condutores térmicos (isolantes térmicos) 2 Descreva a condução térmica em todos os sólidos em termos de vibrações da rede atômica ou molecular e também em termos do movimento de elétrons livres (deslocalizados) em condutores metálicos
    3 Descreva, em termos de partículas, por que a condução térmica é ruim em gases e na maioria dos líquidos
    4 Saiba que existem muitos sólidos que conduzem energia térmica melhor que isolantes térmicos, mas menos bem que bons condutores térmicos

    2.3.2 Convecção

    Central Suplementar
    1 Saiba que a convecção é um método importante de transferência de energia térmica em líquidos e gases
    2 Explique a convecção em líquidos e gases em termos de mudanças de densidade e descreva experimentos para ilustrar a convecção

    2.3.3 Radiação

    Central Suplementar
    1 Saber que a radiação térmica é radiação infravermelha e que todos os objetos emitem essa radiação
    2 Saber que a transferência de energia térmica por radiação térmica não requer um meio 4 Saber que, para que um objeto esteja a uma temperatura constante, ele precisa transferir energia para fora na mesma taxa em que recebe energia
    3 Descrever o efeito da cor da superfície (preto ou branco) e da textura (mate ou brilhante) na emissão, absorção e reflexão da radiação infravermelha 5 Saber o que acontece com um objeto se a taxa em que recebe energia for menor ou maior do que a taxa em que transfere energia para fora
    6 Saber como a temperatura da Terra é afetada por fatores que controlam o equilíbrio entre a radiação incidente e a radiação emitida pela superfície da Terra
    7 Descrever experimentos para distinguir bons e maus emissores de radiação infravermelha
    8 Descrever experimentos para distinguir bons e maus absorvedores de radiação infravermelha
    9 Descrever como a taxa de emissão de radiação depende da temperatura da superfície e da área superficial de um objeto

    2.3.4 Consequências da transferência de energia térmica

    Central Suplementar
    1 Explicar algumas das aplicações cotidianas básicas e consequências da condução, convecção e radiação, incluindo: (a) aquecimento de objetos como panelas de cozinha (b) aquecimento de um ambiente por convecção 2 Explicar algumas das aplicações complexas e consequências da condução, convecção e radiação onde mais de um tipo de transferência de energia térmica é significativo, incluindo: (a) uma fogueira queimando madeira ou carvão (b) um radiador de carro

    Fonte: Programa Cambridge International

    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.

    Uma barra de metal aquecida em uma extremidade, suas partículas vibrando e transmitindo energia em direção à extremidade fria
    Na condução, as partículas vibrantes transmitem energia para seus vizinhos, então a energia flui da extremidade quente para a fria

    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.

    Um béquer de água aquecido de baixo, com uma seta circular mostrando a água quente subindo e a fria descendo
    O fluido aquecido sobe e o fluido mais frio desce, estabelecendo 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.

    Uma superfície opaca negra emitindo muitas ondas infravermelhas ao lado de uma superfície brilhante emitindo poucas
    Uma superfície opaca negra emite (e absorve) infravermelho muito melhor do que uma brilhante e branca

    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.

    Três imagens de uma mão: em luz comum, depois quente e amarelada em uma câmera térmica, depois mais fria e escura
    Uma câmera térmica (infravermelha) transforma o infravermelho emitido por uma mão quente em uma imagem; quanto mais brilhante, mais quente

    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.
    Explorar

    Laboratório de transferência de calor

    Compare as rotas pelas quais a energia térmica se move.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    conduction/kənˈdʌkʃn/ 热传导 rè chuán dǎo
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 自由电子 zì yóu diàn zi
    thermal conductor/ˈθɜːml kənˈdʌktə/ 热导体 rè dǎo tǐ
    thermal insulator/ˈθɜːml ˈɪnsjuːleɪtə/ 热绝缘体 rè jué yuán tǐ
    convection/kənˈvekʃn/ 对流 duì liú
    potassium permanganate/pəˈtæsɪəm pəˈmæŋɡəneɪt/ 高锰酸钾 gāo měng suān jiǎ
    thermal radiation/ˈθɜːml ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 热辐射 rè fú shè
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn
    dull/dʌl/ 暗淡 àn dàn
    emitter/ɪˈmɪtə/ 发射体 fā shè tǐ
    absorber/əbˈsɔːbə/ 吸收体 xī shōu tǐ
    reflector/rɪˈflektə/ 反射体 fǎn shè tǐ
    Leslie cube/ˈlesli kjuːb/ 莱斯利立方体 lái sī lì lì fāng tǐ
    atmosphere/ˈætməsfɪə/ 大气 dà qì
    radiator/ˈreɪdɪeɪtə/ 散热器 sàn rè qì
    vacuum flask/ˈvækjuːm flæsk/ 保温瓶 bǎo wēn píng
    2.3

    Dicas de prova

    • 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.
  • 3

    Ondas

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    3.1

    Propriedades gerais das ondas

    Programa
    Central Suplementar
    1 Saber que as ondas transferem energia sem transferir matéria
    2 Descrever o que se entende por movimento ondulatório ilustrado por vibrações em cordas e molas, e por experimentos usando ondas de água
    3 Descrever as características de uma onda em termos de frente de onda, comprimento de onda, frequência, crista (pico), vale, amplitude e velocidade da onda
    4 Lembrar e usar a equação para velocidade da onda $v = f \lambda$
    5 Saber que, para uma onda transversal, a direção da vibração é perpendicular à direção de propagação e entender que radiação eletromagnética, ondas de água e ondas sísmicas S (secundárias) podem ser modeladas como transversais
    6 Saber que, para uma onda longitudinal, a direção da vibração é paralela à direção de propagação e entender que ondas sonoras e ondas sísmicas P (primárias) podem ser modeladas como longitudinais
    7 Descrever como as ondas podem sofrer: (a) reflexão em uma superfície plana (b) refração devido a uma mudança de velocidade (c) difração através de uma abertura estreita 9 Descrever como o comprimento de onda e o tamanho da abertura afetam a difração através de uma abertura
    8 Descrever o uso de um tanque de ondulação para mostrar: (a) reflexão em uma superfície plana (b) refração devido a uma mudança de velocidade causada por uma mudança de profundidade (c) difração devido a uma abertura (d) difração devido a uma borda 10 Descrever como o comprimento de onda afeta a difração em uma borda

    Fonte: Programa Cambridge International

    Ondas transversais versus longitudinais

    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
    Uma onda com o comprimento de onda, amplitude, crista e vale rotulados
    As partes de uma onda: comprimento de onda, amplitude, crista e vale

    Estas estão ligadas pela equação da onda:

    $$v = f\lambda$$
    Uma onda transversal com o comprimento de onda, amplitude, crista, vale e direção de propagação rotulados
    O comprimento de onda é a distância entre duas cristas; a amplitude é a altura da posição de equilíbrio até uma crista

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

    $$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$

    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.
    Uma onda transversal acima de uma onda longitudinal, mostrando como as partículas se movem em cada uma
    Em uma onda transversal as partículas vibram transversalmente à direção de propagação; em uma onda longitudinal elas vibram ao longo dela, formando compressões e rarefações

    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.
    Frentes de onda retas atingindo uma barreira com uma fenda estreita e se espalhando em frentes curvas além dela
    Ondas planas passando por uma fenda estreita se espalham em ondas curvas — a difração é mais forte quando a fenda tem cerca de um comprimento de onda de largura
    Ondas planas de água em um tanque de ondas refletindo em uma barreira reta
    Ondas planas em um tanque de ondas refletem em uma barreira reta: as frentes de onda refletidas saem no mesmo ângulo em que chegaram
    Explorar

    Propriedades de ondas

    y = a sin(bx + c)

    Uma onda: a é amplitude, b define o comprimento de onda.

    Explorar

    Ondas transversais e longitudinais

    Alternne entre uma onda transversal (partículas sobem e descem, como água e luz) e uma longitudinal (partículas deslizam para frente e para trás, formando compressões, como som). A onda se move; as partículas ficam no lugar.

    Explorar

    Duas ondas sobrepostas

    Altere a segunda onda. Onde as ondas se encontram elas somas — às vezes reforçando, às vezes cancelando.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    wave/weɪv/ 波 bō
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ 波纹水槽 bō wén shuǐ cáo
    wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ 波前 bō qián
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng
    frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
    crest/krest/ 波峰 bō fēng
    peak/piːk/ 峰 fēng
    trough/trɒf/ 波谷 bō gǔ
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú
    wave speed/weɪv spiːd/ 波速 bō sù
    transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ 横波 héng bō
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 传播 chuán bō
    longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ 纵波 zòng bō
    reflection/rɪˈflekʃn/ 反射 fǎn shè
    refraction/rɪˈfrækʃn/ 折射 zhé shè
    diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射 yǎn shè
    light/laɪt/ 光 guāng
    3.2

    Luz 光

    Programa

    3.2.1 Reflexão da luz

    Central Suplementar
    1 Definir e usar os termos normal, ângulo de incidência e ângulo de reflexão
    2 Descrever a formação de uma imagem óptica por um espelho plano e dar suas características, ou seja, mesmo tamanho, mesma distância do espelho, virtual
    3 Enunciar que, para a reflexão, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão; lembrar e usar essa relação 4 Usar construções simples, medições e cálculos para reflexão por espelhos planos

    3.2.2 Refração da luz

    Central Suplementar
    1 Definir e usar os termos normal, ângulo de incidência e ângulo de refração
    2 Descrever um experimento para mostrar a refração da luz por blocos transparentes de diferentes formas 6 Definir índice de refração, $n$, como a razão entre as velocidades de uma onda em duas regiões diferentes
    3 Descrever a passagem da luz através de um material transparente (limitado às fronteiras entre dois meios apenas) 7 Lembrar e usar a equação
    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
    4 Enunciar o significado de ângulo crítico 8 Lembrar e usar a equação
    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    5 Descrever a reflexão interna e a reflexão total interna usando exemplos tanto experimentais quanto do cotidiano 9 Descrever o uso de fibras ópticas, especialmente em telecomunicações

    3.2.3 Lentes finas

    Central Suplementar
    1 Descrever a ação de lentes finas convergentes e lentes finas divergentes sobre um feixe paralelo de luz
    2 Definir e usar os termos distância focal, eixo principal e foco principal (ponto focal)
    3 Desenhar e usar diagramas de raios para a formação de uma imagem real por uma lente convergente 6 Desenhar e usar diagramas de raios para a formação de uma imagem virtual por uma lente convergente
    4 Descrever as características de uma imagem usando os termos aumentada/mesmo tamanho/diminuída, direita/invertida e real/virtual 7 Descrever o uso de uma única lente como lupa
    5 Saber que uma imagem virtual é formada quando raios divergentes são extrapolados para trás e não forma uma projeção visível em uma tela
    8 Descrever o uso de lentes convergentes e divergentes para corrigir a hipermetropia e a miopia

    3.2.4 Dispersão da luz

    Central Suplementar
    1 Descrever a dispersão da luz ilustrada pela refração da luz branca por um prisma de vidro
    2 Saber as sete cores tradicionais do espectro visível em ordem de frequência e em ordem de comprimento de onda 3 Lembrar que a luz visível de uma única frequência é descrita como monocrômatica

    Fonte: Programa Cambridge International

    Uma lente convergente forma uma imagem
    Reflexão interna total

    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).

    Um raio incidente e um raio refletido encontrando-se em um espelho, com ângulos iguais de ambos os lados da normal
    Num espelho plano, o ângulo de incidência $i$ é igual ao ângulo de reflexão $r$, ambos medidos a partir da normal

    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.

    Um raio passando do ar para o vidro, curvando-se em direção à normal
    Passando do ar para o vidro, a luz desacelera e desvia-se em direção à normal, então $i > r$

    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:

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$

    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 $\sin r = 0.57$.)

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{0.87}{0.57} = 1.5$$

    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 $c$:

    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    Dois blocos de vidro: em um o raio refrata para fora, no outro ele é totalmente refletido internamente
    Abaixo do ângulo crítico a luz refrata para fora; acima dele a luz é totalmente refletida internamente

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

    Um feixe de fibras finas segurado em uma mão, cada uma brilhando intensamente em sua ponta em um ambiente escuro
    A reflexão interna total mantém a luz saltitando ao longo de cada fibra até que ela brilhe na ponta

    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.

    Raios paralelos passando por uma lente convergente e se encontrando no foco principal
    Uma lente convergente desvia raios paralelos para se encontrar no foco principal; a distância focal $f$ é a distância da lente ao foco

    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.

    Uma mão segurando uma lente convexa redonda, através da qual as casas ao fundo aparecem de cabeça para baixo
    Segurada longe do olho, uma lente convergente forma uma imagem real – aqui as casas ao fundo aparecem de cabeça para baixo

    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.

    Um prisma dividindo um feixe de luz branca num leque de cores do vermelho ao violeta
    Um prisma refrata mais a luz violeta e menos a vermelha, então a luz branca se espalha em um espectro

    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.

    Um feixe estreito de luz branca entrando em um prisma de vidro e se expandindo em uma faixa brilhante de cores do arco-íris sobre um fundo preto
    Luz branca entrando em um prisma de vidro real espalha-se em todo o espectro de cores
    Explorar

    Dobre um raio de luz

    Ilumine luz em água, vidro ou diamante e alterne o ângulo. O raio desacelera e se curva em direção à normal — quanto mais denso o material (maior n), mais ele se curva. Essa curvura é por que um palito parece quebrado em um copo e por que diamantes brilham.

    Explorar

    Formação de imagem por uma lente convergente

    Trace os três raios especiais vindos do objeto — onde eles se encontram é a imagem. Mova o objeto mais perto que o ponto focal para virá-lo em uma lupa.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    normal/ˈnɔːml/ 法线 fǎ xiàn
    angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ 入射角 rù shè jiǎo
    angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ 反射角 fǎn shè jiǎo
    plane mirror/pleɪn ˈmɪrə/ 平面镜 píng miàn jìng
    angle of refraction/ˈæŋɡl ɒv rɪˈfrækʃn/ 折射角 zhé shè jiǎo
    ray box/reɪ bɒks/ 光线盒 guāng xiàn hé
    refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ 折射率 zhé shè lǜ
    total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ 全反射 quán fǎn shè
    critical angle/ˈkrɪtɪkl ˈæŋɡl/ 临界角 lín jiè jiǎo
    optical fibre/ˈɒptɪkl ˈfaɪbə/ 光纤 guāng xiān
    converging lens/kənˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 凸透镜 tū tòu jìng
    principal focus/ˈprɪnsɪpl ˈfəʊkəs/ 焦点 jiāo diǎn
    principal axis/ˈprɪnsɪpl ˈæksɪs/ 主光轴 zhǔ guāng zhóu
    focal length/ˈfəʊkl leŋθ/ 焦距 jiāo jù
    diverging lens/daɪˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 凹透镜 āo tòu jìng
    real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ 实像 shí xiàng
    virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ 虚像 xū xiàng
    magnifying glass/ˈmæɡnɪfaɪɪŋ ɡlæs/ 放大镜 fàng dà jìng
    enlarged/enˈlɑːdʒd/ 放大的 fàng dà de
    diminished/dɪˈmɪnɪʃt/ 缩小的 suō xiǎo de
    upright/ˈʌpraɪt/ 正立 zhèng lì
    inverted/ɪnˈvɜːtɪd/ 倒立 dào lì
    short-sightedness/ʃɔːt ˈsaɪtɪdnəs/ 近视 jìn shì
    retina/ˈretɪnə/ 视网膜 shì wǎng mó
    long-sightedness/lɒŋ ˈsaɪtɪdnəs/ 远视 yuǎn shì
    prism/ˈprɪzəm/ 棱镜 léng jìng
    dispersion/dɪˈspɜːʃn/ 色散 sè sàn
    monochromatic/ˌmɒnəʊkrəʊˈmætɪk/ 单色 dān sè
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ
    vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng
    radio waves/ˈreɪdɪəʊ weɪvz/ 无线电波 wú xiàn diàn bō
    microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 微波 wēi bō
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn
    3.3

    Espectro eletromagnético 电磁波谱

    Programa
    Central Suplementar
    1 Saber as principais regiões do espectro eletromagnético em ordem de frequência e em ordem de comprimento de onda
    2 Saber que todas as ondas eletromagnéticas viajam à mesma alta velocidade no vácuo 6 Saber que a velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ e é aproximadamente a mesma no ar
    3 Descrever usos típicos das diferentes regiões do espectro eletromagnético, incluindo: (a) ondas de rádio; transmissões de rádio e televisão, astronomia, identificação por radiofrequência (RFID) (b) micro-ondas; televisão via satélite, telefones celulares, micro-ondas (c) infravermelho; grelhas elétricas, comunicações de curto alcance como controles remotos para televisores, alarmes de intrusão, termografia, fibras ópticas (d) luz visível; visão, fotografia, iluminação (e) ultravioleta; marcação de segurança, detecção de notas falsas, esterilização de água (f) Raios-X; exames médicos, scanners de segurança (g) Raios gama; esterilização de alimentos e equipamentos médicos, detecção e tratamento do câncer
    4 Descrever os efeitos nocivos às pessoas devido à exposição excessiva à radiação eletromagnética, incluindo: (a) micro-ondas; aquecimento interno das células do corpo (b) infravermelho; queimaduras na pele (c) ultravioleta; danos nas células superficiais e nos olhos, levando ao câncer de pele e condições oculares (d) Raios-X e raios gama; mutação ou dano às células do corpo
    5 Saber que a comunicação com satélites artificiais ocorre principalmente por micro-ondas: (a) alguns telefones satelitais usam satélites orbitantes baixos (b) alguns telefones satelitais e televisão por transmissão direta via satélite usam satélites geoestacionários 7 Saber que muitos sistemas importantes de comunicação dependem de radiação eletromagnética, incluindo: (a) telefones celulares e internet sem fio usam micro-ondas porque as micro-ondas podem penetrar algumas paredes e exigem apenas uma antena curta para transmissão e recepção (b) Bluetooth usa ondas de rádio porque as ondas de rádio passam pelas paredes, mas o sinal é enfraquecido ao fazê-lo (c) fibras ópticas (luz visível ou infravermelha) são usadas para TV a cabo e banda larga de alta velocidade porque o vidro é transparente à luz visível e a algum infravermelho; a luz visível e o infravermelho de comprimento de onda curto podem transportar altas taxas de dados
    8 Saber a diferença entre um sinal digital e analógico
    9 Saber que um som pode ser transmitido como um sinal digital ou analógico
    10 Explicar os benefícios da sinalização digital, incluindo aumento da taxa de transmissão de dados e aumento do alcance devido à regeneração precisa do sinal

    Fonte: Programa Cambridge International

    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:

    Região Uso típico Perigo por excesso
    ondas de rádio 无线电波 sinais de rádio e TV, astronomia, tags RFID —
    micro-ondas 微波 telefones celulares, TV via satélite, cozimento aquecimento de células corporais
    infravermelho 红外线 controles remotos, imagens térmicas, grelhadeiras, fibras ópticas queimaduras na pele
    luz visível visão, fotografia —
    ultravioleta 紫外线 esterilização de água, verificação de notas bancárias câncer de pele, danos aos olhos
    raios-X X射线 exames médicos e de segurança dano às células
    raios gama 伽马射线 esterilização de equipamentos, tratamento de câncer mutação de células

    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.

    Uma faixa colorida do espectro eletromagnético, das ondas de rádio aos raios gama
    De ondas de rádio para raios gama, o comprimento de onda diminui enquanto a frequência e a energia aumentam

    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.
    Explorar

    Deslize ao longo do espectro

    Ondas de rádio, luz visível e raios gama são a mesma onda — apenas o comprimento de onda muda, e com ele a frequência, a energia do fotão e a aplicação quotidiana.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    spectrum/ˈspektrəm/ 光谱 guāng pǔ
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn
    X-rays/eks reɪz/ X射线 X shè xiàn
    gamma rays/ˈɡæmə reɪz/ 伽马射线 gā mǎ shè xiàn
    artificial satellites/ˌɑːtɪˈfɪʃl ˈsætəlaɪts/ 人造卫星 rén zào wèi xīng
    low orbit/ləʊ ˈɔːbɪt/ 低轨道 dī guǐ dào
    geostationary orbit/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri ˈɔːbɪt/ 地球静止轨道 dì qiú jìng zhǐ guǐ dào
    analogue/ˈænəlɒɡ/ 模拟 mó nǐ
    digital/ˈdɪdʒɪtl/ 数字 shù zì
    3.4

    Som 声音

    Programa
    Central Suplementar
    1 Descrever a produção de som por fontes vibrantes
    2 Descrever a natureza longitudinal das ondas sonoras 10 Descrever compressão e rarefação
    3 Enunciar a faixa aproximada de frequências audíveis pelos humanos como 20Hz a 20000Hz
    4 Saber que um meio é necessário para transmitir ondas sonoras
    5 Saber que a velocidade do som no ar é aproximadamente 330–350m/s 11 Saber que, em geral, o som viaja mais rápido em sólidos do que em líquidos e mais rápido em líquidos do que em gases
    6 Descrever um método envolvendo a medição de distância e tempo para determinar a velocidade do som no ar
    7 Descrever como as mudanças na amplitude e na frequência afetam o volume e o tonalidade das ondas sonoras
    8 Descrever um eco como a reflexão de ondas sonoras
    9 Definir ultrassom como som com uma frequência superior a 20kHz 12 Descrever os usos do ultrassom em testes não destrutivos de materiais, exames médicos de tecidos moles e sonar, incluindo o cálculo de profundidade ou distância a partir do tempo e da velocidade da onda

    Fonte: Programa Cambridge International

    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 $0.50\ \text{s}$:

    $$v = \frac{s}{t} = \frac{170}{0.50} = 340\ \text{m/s}$$

    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.

    Um microfone converte vibrações sonoras no ar em um sinal elétrico
    Um microfone converte vibrações sonoras no ar em um sinal elétrico
    Explorar

    Som

    y = a sin(bt + c)

    Mais alto = maior amplitude; tom mais agudo = maior frequência.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    sound/saʊnd/ 声音 shēng yīn
    compression/kəmˈpreʃn/ 压缩 yā suō
    rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ 稀疏 xī shū
    medium/ˈmiːdɪəm/ 介质 jiè zhì
    loudness/ˈlaʊdnəs/ 响度 xiǎng dù
    pitch/pɪtʃ/ 音调 yīn diào
    echo/ˈekəʊ/ 回声 huí shēng
    Ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ 超声波 chāo shēng bō
    3.4

    Dicas de prova

    • 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.
  • 4

    Eletricidade e magnetismo

    Assistir aula
    4.1

    Magnetismo

    Programa
    Central Suplementar
    1 Descrever as forças entre polos magnéticos e entre ímãs e materiais magnéticos, incluindo o uso dos termos polo norte (polo N), polo sul (polo S), atração e repulsão, magnetizado e não magnetizado 10 Explicar que as forças magnéticas devem-se a interações entre campos magnéticos
    2 Descrever magnetismo induzido
    3 Enunciar as diferenças entre as propriedades de ímãs temporários (feitos de ferro mole) e as propriedades de ímãs permanentes (feitos de aço)
    4 Enunciar a diferença entre materiais magnéticos e não magnéticos
    5 Descrever um campo magnético como uma região em que um polo magnético experimenta uma força
    6 Desenhar o padrão e a direção das linhas de campo magnético ao redor de um ímã em barra 11 Saber que a intensidade relativa de um campo magnético é representada pelo espaçamento das linhas de campo magnético
    7 Afirme que a direção de um campo magnético em um ponto é a direção da força sobre o polo N de um ímã naquele ponto
    8 Descreva o mapeamento das linhas de campo magnético com uma bússola ou limalhas de ferro e o uso de uma bússola para determinar a direção do campo magnético
    9 Descreva os usos de ímãs permanentes e eletroímãs

    Fonte: Programa Cambridge International

    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).

    Dois ímãs: N voltado para S atraem; N voltado para N repelem
    Polos iguais se repelem; polos diferentes se atraem

    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.
    Um ímã de barra com linhas de campo circulares do polo norte ao polo sul
    As linhas de campo de um ímã de barra saem do polo N e entram no polo S

    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).

    Pequenas limalhas de ferro em papel branco alinhando-se em linhas curvas ao redor de um ímã de barra vermelho e azul
    Limalhas de ferro alinham-se ao longo das linhas de campo, mostrando o padrão do campo de um ímã de barra

    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.

    Explorar

    Tornar o campo magnético visível

    Agulhas de bússola traçam o campo de N para S; alterne entre atrair e repelir e observe todo o padrão se reorganizar, com um ponto neutro aparecendo para polos iguais.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    magnet/ˈmæɡnɪt/ 磁体 cí tǐ
    poles/pəʊlz/ 磁极 cí jí
    north pole/nɔːθ pəʊl/ 北极 běi jí
    south pole/saʊθ pəʊl/ 南极 nán jí
    repel/rɪˈpel/ 排斥 pái chì
    repulsion/rɪˈpʌlʃn/ 排斥力 pái chì lì
    attract/əˈtrækt/ 吸引 xī yǐn
    attraction/əˈtrækʃn/ 吸引力 xī yǐn lì
    magnetic material/mæɡˈnetɪk məˈtɪərɪəl/ 磁性材料 cí xìng cái liào
    induced magnetism/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪtɪzəm/ 感应磁性 gǎn yìng cí xìng
    soft iron/sɒft ˈaɪən/ 软铁 ruǎn tiě
    magnetise/ˈmæɡnɪtaɪz/ 磁化 cí huà
    temporary magnet/ˈtemprəri ˈmæɡnɪt/ 临时磁体 lín shí cí tǐ
    steel/stiːl/ 钢 gāng
    permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ 永磁体 yǒng cí tǐ
    unmagnetised/ʌnˈmæɡnɪtaɪzd/ 未磁化 wèi cí huà
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng
    region/ˈriːdʒn/ 区域 qū yù
    magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ 磁场线 cí chǎng xiàn
    iron filings/ˈaɪən ˈfaɪlɪŋz/ 铁屑 tiě xiè
    compass/ˈkʌmpəs/ 指南针 zhǐ nán zhēn
    electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ 电磁铁 diàn cí tiě
    electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè
    positive charge/ˈpɒzɪtɪv tʃɑːdʒ/ 正电荷 zhèng diàn hè
    negative charge/ˈneɡətɪv tʃɑːdʒ/ 负电荷 fù diàn hè
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ 摩擦起电 mó cā qǐ diàn
    conductor/kənˈdʌktə/ 导体 dǎo tǐ
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 绝缘体 jué yuán tǐ
    4.2

    Eletricidade estática

    Programa

    4.2.1 Carga elétrica

    Central Suplementar
    1 Afirme que existem cargas positivas e negativas 7 Afirme que a carga é medida em coulombs
    2 Afirme que cargas positivas repelem outras cargas positivas, cargas negativas repelem outras cargas negativas, mas cargas positivas atraem cargas negativas 8 Descreva um campo elétrico como uma região em que uma carga elétrica experimenta uma força
    3 Descreva experimentos simples para mostrar a produção de cargas eletrostáticas por atrito e para mostrar a detecção de cargas eletrostáticas 9 Afirme que a direção de um campo elétrico em um ponto é a direção da força sobre uma carga positiva naquele ponto
    4 Explique que o carregamento de sólidos por atrito envolve apenas a transferência de carga negativa (elétrons) 10 Descreva padrões simples de campo elétrico, incluindo a direção do campo: (a) ao redor de uma carga pontual (b) ao redor de uma esfera condutora carregada (c) entre duas placas condutoras paralelas com cargas opostas (efeitos de borda não serão cobrados)
    5 Descreva um experimento para distinguir entre condutores e isolantes elétricos
    6 Lembre-se e use um modelo simples de elétron para explicar a diferença entre condutores e isolantes elétricos e dê exemplos típicos

    4.2.2 Corrente elétrica

    Central Suplementar
    1 Saiba que a corrente elétrica está relacionada ao fluxo de carga 5 Defina corrente elétrica como a carga que passa por um ponto por unidade de tempo; lembre-se e use a equação $I = \frac{Q}{t}$
    2 Descreva o uso de amperímetros (analógicos e digitais) com diferentes faixas
    3 Descreva a condução elétrica em metais em termos do movimento de elétrons livres 6 Afirme que a corrente convencional vai do positivo para o negativo e que o fluxo de elétrons livres vai do negativo para o positivo
    4 Saiba a diferença entre corrente contínua (c.c.) e corrente alternada (c.a.)

    4.2.3 Força eletromotriz e diferença de potencial

    Central Suplementar
    1 Defina força eletromotriz (f.e.m.) como o trabalho elétrico realizado por uma fonte ao mover uma unidade de carga ao longo de um circuito completo 6 Lembre-se e use a equação para f.e.m. $E = \frac{W}{Q}$
    2 Saiba que a f.e.m. é medida em volts (V)
    3 Defina diferença de potencial (d.p.) como o trabalho realizado por uma unidade de carga passando por um componente 7 Lembre-se e use a equação para d.p. $V = \frac{W}{Q}$
    4 Saiba que a d.p. entre dois pontos é medida em volts (V)
    5 Descreva o uso de voltímetros (analógicos e digitais) com diferentes faixas

    4.2.4 Resistência

    Central Suplementar
    1 Lembre-se e use a equação para resistência $R = \frac{V}{I}$ 4 Esboce e explique os gráficos de corrente–tensão para um resistor de resistência constante, uma lâmpada de filamento e um diodo
    2 Descreva um experimento para determinar a resistência usando um voltímetro e um amperímetro e faça os cálculos apropriados
    3 Afirme, qualitativamente, a relação da resistência de um fio metálico com seu comprimento e sua área transversal 5 Lembre-se e use a seguinte relação para um condutor elétrico metálico: (a) a resistência é diretamente proporcional ao comprimento (b) a resistência é inversamente proporcional à área transversal

    4.2.5 Energia elétrica e potência elétrica

    Central Suplementar
    1 Entenda que circuitos elétricos transferem energia de uma fonte de energia elétrica, como uma pilha ou rede elétrica, para os componentes do circuito e depois para o ambiente
    2 Lembre-se e use a equação para potência elétrica $P = IV$
    3 Lembre-se e use a equação para energia elétrica $E = IVt$
    4 Defina o quilowatt-hora (kWh) e calcule o custo de uso de aparelhos elétricos onde a unidade de energia é o kWh

    Fonte: Programa Cambridge International

    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.

    Uma menina tocando a cúpula de um gerador de Van de Graaff com o cabelo erizado e empurrando para fora
    Cada fio capta a mesma carga da cúpula, e cargas iguais se repelem — então os fios se empurram para fora

    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.
    Linhas de campo saindo de uma carga positiva, entrando em uma carga negativa e retas para baixo entre duas placas carregadas
    As linhas de campo elétrico apontam para longe de uma carga positiva e para uma negativa; entre placas paralelas o campo é uniforme

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

    Explorar

    Esfregue um balão e veja ele carregar

    A fricção move elétrons para o balão, tornando-o negativo — então ele atrai uma parede neutra ou seu cabelo, mas repele outro balão negativo.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    coulomb/ˈkuːlɒm/ 库仑 kù lún
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
    point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ 点电荷 diǎn diàn hè
    Assistir aula
    4.2

    Corrente elétrica

    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:

    $$I = \frac{Q}{t}$$

    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?

    $$Q = It = 3.0 \times 20 = 60\ \text{C}$$

    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 linha horizontal constante para corrente contína ao lado de uma onda que cruza zero para corrente alternada
    Corrente contínua é estável em uma direção; corrente alternada continua invertendo de direção, cruzando zero muitas vezes a cada segundo
    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú
    ampere/ˈæmpeə/ 安培 ān péi
    ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo
    analogue/ˈænəlɒɡ/ 模拟 mó nǐ
    digital/ˈdɪdʒɪtl/ 数字 shù zì
    ranges/ˈreɪndʒɪz/ 量程 liáng chéng
    free electrons/friː ɪˈlektrɒnz/ 自由电子 zì yóu diàn zi
    conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ 常规电流 cháng guī diàn liú
    direct current/daɪˈrekt ˈkʌrənt/ 直流电 zhí liú diàn
    alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ 交流电 jiāo liú diàn
    mains supply/meɪnz səˈplaɪ/ 市电 shì diàn
    4.2

    f.e.m. e diferença de potencial

    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.

    Um circuito com um voltímetro sobre a célula lendo a f.e.m. e um voltímetro sobre a lâmpada lendo a diferença de potencial
    Um voltímetro sobre a célula lê a f.e.m. (energia dada a cada coulomb); um voltímetro sobre a lâmpada lê a d.p. (energia gasta por cada coulomb lá).

    Ambos são trabalho realizado por unidade de carga:

    $$E = \frac{W}{Q}, \qquad V = \frac{W}{Q}$$

    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 $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    volt/vəʊlt/ 伏特 fú tè
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì
    circuit/ˈsɜːkɪt/ 电路 diàn lù
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo
    resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ
    4.2

    Resistência

    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).

    $$R = \frac{V}{I}$$

    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.

    $$R = \frac{V}{I} = \frac{12}{0.50} = 24\ \Omega$$

    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:

    Componente Formato do gráfico I–V O que diz
    resistor 电阻器 (fixo) linha reta pela origem a resistência é constante, então $I \propto V$
    lâmpada de filamento 灯丝灯泡 forma de S, ficando mais plana conforme $V$ aumenta o fio esquenta, então sua resistência sobe
    diodo 二极管 corrente apenas num sentido resistência muito alta no sentido "errado"
    Três gráficos de corrente-tensão: uma linha reta para um resistor, uma curva em forma de S para uma lâmpada de filamento e uma curva unidirecional para um diodo
    Um resistor dá uma linha reta; uma lâmpada de filamento curva-se ao esquentar; um diodo permite a passagem de corrente apenas num sentido
    Explorar

    Lei de Ohm

    V = IR

    Para um condutor ôhmico, a corrente é proporcional à tensão — a inclinação é 1/resistência.

    Explorar

    Características I–V

    Um resistor dá uma linha reta; uma lâmpada de filamento e um diodo não. Escolha um componente e leia I e R na curva.

    Explorar

    Resistência

    V = R·I

    Lei de Ohm: a tensão é proporcional à corrente — a inclinação é a resistência R.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    ohm/əʊm/ 欧姆 ōu mǔ
    variable resistor/ˈveərɪəbl rɪˈzɪstə/ 可变电阻器 kě biàn diàn zǔ qì
    directly proportional/daɪˈrektli prəˈpɔːʃənl/ 成正比 chéng zhèng bǐ
    inversely proportional/ɪnˈvɜːsli prəˈpɔːʃənl/ 成反比 chéng fǎn bǐ
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī
    resistor/rɪˈzɪstə/ 电阻器 diàn zǔ qì
    filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ 灯丝灯泡 dēng sī dēng pào
    diode/ˈdaɪəʊd/ 二极管 èr jí guǎn
    electrical power/ɪˈlektrɪkl ˈpaʊə/ 电功率 diàn gōng lǜ
    4.2

    Energia elétrica e potência

    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):

    $$P = IV$$

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

    $$E = IVt$$

    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 $30\ \text{s}$.

    $$P = IV = 2.0 \times 12 = 24\ \text{W}$$
    $$E = Pt = 24 \times 30 = 720\ \text{J}$$

    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.

    $$\text{energy (kWh)} = \text{power (kW)} \times \text{time (h)}$$
    $$\text{cost} = \text{energy (kWh)} \times \text{price per kWh}$$

    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.

    Um medidor moderno de eletricidade doméstica com visor digital marcando zero quilowatt-horas
    Um medidor de eletricidade doméstica conta a energia usada, em quilowatt-horas (kWh) — o número que ele mostra é o que você paga
    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    watt/wɒt/ 瓦特 wǎ tè
    electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ 电能 diàn néng
    joule/dʒuːl/ 焦耳 jiāo ěr
    kilowatt-hour/ˈkɪləwɒt ˈaʊə/ 千瓦时 qiān wǎ shí
    appliance/əˈplaɪəns/ 电器 diàn qì
    heater/ˈhiːtə/ 加热器 jiā rè qì
    cell/sel/ 电池 diàn chí
    battery/ˈbætəri/ 电池组 diàn chí zǔ
    power supply/ˈpaʊə səˈplaɪ/ 电源 diàn yuán
    switch/swɪtʃ/ 开关 kāi guān
    fuse/fjuːz/ 保险丝 bǎo xiǎn sī
    thermistor/ˈθɜːmɪstə/ 热敏电阻 rè mǐn diàn zǔ
    light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ 光敏电阻 guāng mǐn diàn zǔ
    light-emitting diode/laɪt ɪˈmɪtɪŋ ˈdaɪəʊd/ 发光二极管 fā guāng èr jí guǎn
    relay/ˈriːleɪ/ 继电器 jì diàn qì
    4.3

    Circuitos

    Programa

    4.3.1 Diagramas de circuitos e componentes de circuitos

    Central Suplementar
    1 Desenhe e interprete diagramas de circuitos contendo pilhas, baterias, fontes de alimentação, geradores, divisores de potencial, interruptores, resistores (fixos e variáveis), aquecedores, termistores (apenas NTC), fotoresistores (LDRs), lâmpadas, motores, campainhas, amperímetros, voltímetros, bobinas de magnetização, transformadores, fusíveis e relés e saiba como esses componentes se comportam no circuito 2 Desenhe e interprete diagramas de circuitos contendo diodos e diodos emissores de luz (LEDs) e saiba como esses componentes se comportam no circuito

    4.3.2 Circuitos em série e paralelo

    Central Suplementar
    1 Saiba que a corrente em cada ponto de um circuito em série é a mesma 8 Lembre-se e use em cálculos, o fato de que: (a) a soma das correntes entrando em um nó em um circuito paralelo é igual à soma das correntes que saem do nó (b) a d.p. total nos componentes de um circuito em série é igual à soma das d.p.s individuais em cada componente (c) a d.p. em um arranjo de resistências em paralelo é a mesma que a d.p. em um dos ramos do arranjo de resistências em paralelo
    2 Saiba como construir e usar circuitos em série e paralelo
    3 Calcule a f.e.m. combinada de várias fontes em série
    4 Calcule a resistência combinada de dois ou mais resistores em série
    5 Afirme que, para um circuito em paralelo, a corrente da fonte é maior do que a corrente em cada ramo 9 Explique que a soma das correntes entrando em um nó é a mesma que a soma das correntes saindo do nó
    6 Afirme que a resistência combinada de dois resistores em paralelo é menor do que a de qualquer resistor sozinho 10 Calcule a resistência combinada de dois resistores em paralelo
    7 Afirme as vantagens de conectar lâmpadas em paralelo em um circuito de iluminação

    4.3.3 Ação e uso de componentes de circuitos

    Central Suplementar
    1 Saiba que a d.p. através de um condutor elétrico aumenta à medida que sua resistência aumenta para uma corrente constante 2 Descreva a ação de um divisor de potencial variável
    3 Lembre-se e use a equação para dois resistores usados como divisor de potencial
    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

    Fonte: Programa Cambridge International

    Componentes de circuito

    Você deve conhecer estes componentes e seu comportamento:

    Componente O que faz
    célula 电池 / bateria 电池组 aciona a corrente ao redor do circuito (uma bateria é duas ou mais células)
    fonte de alimentação 电源 uma fonte de c.c. ou c.a.
    chave 开关 interrompe ou completa o circuito
    resistor (fixo) oferece uma resistência fixa
    resistor variável uma resistência que você pode alterar, para controlar a corrente
    fusível 保险丝 derrete e interrompe o circuito se a corrente for muito grande
    lâmpada / aquecedor converte energia elétrica em luz / em calor
    termistor 热敏电阻 sua resistência diminui quando esquenta
    resistor dependente de luz 光敏电阻 (LDR) sua resistência diminui quando a luz fica mais brilhante
    diodo / diodo emissor de luz 发光二极管 (LED) permite corrente apenas num sentido; um LED também emite luz
    relé 继电器 uma chave acionada por um eletroímã (pequena corrente controla uma grande)
    motor 电动机 converte energia elétrica em movimento
    sinaleiro 电铃 produz um som
    transformador 变压器 altera a magnitude de uma tensão CA
    Um gráfico de símbolos padrão de circuitos: célula, bateria, chave, lâmpada, resistor, resistor variável, fusível, amperímetro, voltímetro, diodo, termistor, LDR, LED, motor, gerador, fonte c.a., divisor de potencial, relé, transformador e bobina de magnetização
    Os símbolos padrão usados para desenhar diagramas de circuitos
    Linhas de pequenos resistores presos em fita de papel, cada um com bandas coloridas e duas pernas de arame
    Resistores reais: as bandas coloridas indicam a resistência de cada um em ohms

    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.

    Um circuito em série com duas lâmpadas em um loop ao lado de um circuito em paralelo com duas lâmpadas em ramos separados
    Em um circuito em série os componentes compartilham um único loop; em um circuito em paralelo cada lâmpada tem seu próprio ramo

    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
    $$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$$

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

    $$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{6} + \frac{1}{3} = \frac{1}{6} + \frac{2}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} \quad\Rightarrow\quad R_{\text{total}} = 2\ \Omega$$

    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:

    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

    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.

    Explorar

    Construa a corrente com a lei de Ohm

    Aumente a tensão e os elétrons aceleram e a lâmpada brilha mais; adicione resistência e a corrente cai. I = V/R, brilho = potência.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    motor/ˈməʊtə/ 电动机 diàn dòng jī
    bell/bel/ 电铃 diàn líng
    series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián
    parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián
    total resistance/ˈtəʊtl rɪˈzɪstəns/ 总电阻 zǒng diàn zǔ
    junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 节点 jié diǎn
    potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ 分压器 fēn yā qì
    hazard/ˈhæzəd/ 危险 wēi xiǎn
    insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ 绝缘层 jué yuán céng
    overheating/ˌəʊvəˈhiːtɪŋ/ 过热 guò rè
    damp/dæmp/ 潮湿 cháo shī
    overloading/ˌəʊvəˈləʊdɪŋ/ 过载 guò zài
    socket/ˈsɒkɪt/ 插座 chā zuò
    live wire/laɪv ˈwaɪə/ 火线 huǒ xiàn
    neutral wire/ˈnjuːtrəl ˈwaɪə/ 零线 líng xiàn
    earth wire/ɜːθ ˈwaɪə/ 地线 dì xiàn
    fuse rating/fjuːz ˈreɪtɪŋ/ 额定值 é dìng zhí
    trip switch/trɪp swɪtʃ/ 跳闸开关 tiào zhá kāi guān
    casing/ˈkeɪsɪŋ/ 外壳 wài ké
    earthed/ɜːθt/ 接地 jiē dì
    double-insulated/ˈdʌbl ˈɪnsjuːleɪtɪd/ 双重绝缘 shuāng chóng jué yuán
    Assistir aula
    4.4

    Segurança elétrica

    Programa
    Central Suplementar
    1 Afirme os perigos de: (a) isolamento danificado (b) superaquecimento de cabos (c) condições úmidas (d) excesso de corrente devido a sobrecarga de plugues, extensões, tomadas simples e múltiplas ao usar a rede elétrica
    2 Saiba que um circuito de rede consiste em um fio fase (fio de linha), um fio neutro e um fio terra e explique por que um interruptor deve ser conectado ao fio fase para que o circuito seja desligado com segurança
    3 Explique o uso e funcionamento de disjuntores e fusíveis e escolha classificações adequadas de fusível e configurações de disjuntor
    4 Explique por que a carcaça externa de um aparelho elétrico deve ser não condutora (duplo isolamento) ou aterrada
    5 Afirme que um fusível sem fio terra protege o circuito e a fiação para um aparelho de duplo isolamento

    Fonte: Programa Cambridge International

    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.

    Um plugue trifásico com fios, com o fio terra verde/amarelo no topo, o fio neutro azul à esquerda e o fio fase marrom à direita com o fusível instalado nele
    Em um plugue de três pinos, o fase (marrom) e o neutro (azul) conduzem a corrente, o terra (verde/amarelo) é o fio de segurança, e o fusível sempre fica no fio fase.

    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 interior de um quadro de distribuição residencial mostrando uma fileira de disjuntores miniatura e dois disjuntores diferenciais
    Um quadro de distribuição residencial: cada MCB é um disjuntor que desliga seu circuito quando a corrente fica muito grande; o RCD (80 A, 30 mA) desliga ainda mais rápido se detectar uma falha para o terra
    Explorar

    Rota de segurança elétrica

    Siga a corrente de falha e veja como dispositivos de segurança protegem pessoas.

    4.5

    Efeletromagnetismo

    Programa

    4.5.1 Indução eletromagnética

    Central Suplementar
    1 Saiba que um condutor movendo-se através de um campo magnético ou um campo magnético variável ligando-se a um condutor pode induzir uma f.e.m. no condutor 4 Saiba que a direção de uma f.e.m. induzida se opõe à mudança que a causou
    2 Descreva um experimento para demonstrar indução eletromagnética 5 Afirme e use as direções relativas de força, campo e corrente induzida
    3 Afirme os fatores que afetam a magnitude de uma f.e.m. induzida

    4.5.2 O gerador c.a.

    Central Suplementar
    1 Descreva uma forma simples de gerador c.a. (bobina giratória ou ímã giratório) e o uso de anéis deslizantes e escovas quando necessário
    2 Esboce e interprete gráficos de f.e.m. contra tempo para geradores c.a. simples e relacione a posição da bobina do gerador aos picos, vales e zeros da f.e.m.

    4.5.3 Efeito magnético de uma corrente

    Central Suplementar
    1 Descreva o padrão e a direção do campo magnético devido a correntes em fios retos e em solenoides 4 Afirme a variação qualitativa da intensidade do campo magnético ao redor de fios retos e solenoides
    2 Descreva um experimento para identificar o padrão do campo magnético (incluindo a direção) devido a correntes em fios retos e em solenoides
    3 Descreva como o efeito magnético de uma corrente é usado em relés e alto-falantes e dê exemplos de suas aplicações 5 Descreva o efeito na mudança da magnitude e direção da corrente no campo magnético ao redor de fios retos e solenoides

    4.5.4 Força sobre um condutor percorrido por corrente

    Central Suplementar
    1 Descreva um experimento para mostrar que uma força atua sobre um condutor percorrido por corrente em um campo magnético, incluindo o efeito de inverter: (a) a corrente (b) a direção do campo 2 Lembre-se e use as direções relativas de força, campo magnético e corrente
    3 Determine a direção da força sobre feixes de partículas carregadas em um campo magnético

    4.5.5 O motor c.c.

    Central Suplementar
    1 Saiba que uma bobina percorrida por corrente em um campo magnético pode experimentar um efeito rotativo e que o efeito rotativo é aumentado ao aumentar: (a) o número de espiras na bobina (b) a corrente (c) a intensidade do campo magnético 2 Descreva o funcionamento de um motor elétrico, incluindo a ação de um comutador de anel dividido e escovas

    4.5.6 O transformador

    Central Suplementar
    1 Descreva a construção de um transformador simples com núcleo de ferro mole, usado para transformações de tensão 6 Explique o princípio de operação de um transformador simples com núcleo de ferro
    2 Use os termos primário, secundário, elevador e redutor
    3 Lembre-se e use a equação
    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$
    onde p e s referem-se ao primário e secundário
    7 Lembre-se e use a equação para 100% de eficiência em um transformador
    $$I_p V_p = I_s V_s$$
    onde p e s referem-se ao primário e secundário
    4 Descreva o uso de transformadores na transmissão de eletricidade em alta tensão
    5 Enuncie as vantagens da transmissão de alta tensão 8 Lembre-se e use a equação
    $$P = I^2 R$$
    para explicar por que as perdas de potência nos cabos são menores quando a tensão é maior

    Fonte: Programa Cambridge International

    O transformador: relação de espiras
    Indução eletromagnética

    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.

    Um fio reto com linhas de campo circulares ao redor, ao lado de um solenoide com campo semelhante ao de um ímã em barra
    Uma corrente cria linhas de campo circulares ao redor de um fio reto, e um campo semelhante ao de um ímã em barra para um solenoide

    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.
    Uma bobina girando entre polos de ímã, conectada através de anéis deslizantes e escovas, com saída de c.a. em onda senoidal
    Girar a bobina induz uma f.e.m. alternada; os anéis deslizantes levam o c.a. para fora do circuito

    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 fio percorrido por corrente entre dois polos de ímã, com a força em ângulo reto em relação ao campo e à corrente
    Um fio percorrido por corrente em um campo magnético sente uma força em ângulo reto tanto em relação ao campo quanto à corrente

    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.

    Uma bobina entre polos de ímã com forças opostas em seus dois lados, um coletor de anel partido, escovas e uma bateria
    As forças nos dois lados da bobina formam um binário; o coletor de anel partido o mantém girando em uma única direção
    Close-up de escovas de carbono sob molas pressionando contra as barras de cobre de um coletor de máquina de c.c.
    Em uma máquina real de c.c., escovas de carbono pressionam contra as barras do coletor de cobre para alimentar corrente na bobina giratória

    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:

    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$

    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.

    $$\frac{240}{V_s} = \frac{1200}{100} = 12 \quad\Rightarrow\quad V_s = \frac{240}{12} = 20\ \text{V}$$

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

    Um transformador: uma bobina primária e uma secundária enroladas em um núcleo de ferro mole, com uma fonte c.a. na primária
    O campo variável no núcleo liga as duas bobinas; a razão de tensão iguala a razão de espiras
    Um transformador metálico cinza fixado em um poste de eletricidade de madeira, com cabos grossos isolados correndo até ele
    Um transformador real em um poste de energia reduz a alta tensão nos cabos para uma tensão mais segura para residências

    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:

    $$I_p V_p = I_s V_s$$

    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

    $$P = I^2 R$$

    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.

    Torres de aço treliçadas transportando muitos cabos pelo campo aberto
    Torres seguram os cabos que levam eletricidade em muito alta tensão, o que mantém a corrente — e a potência desperdiçada — baixa
    Explorar

    A força que faz um motor girar

    Uma corrente em um campo magnético é empurrada perpendicularmente a ambos — inverta a corrente ou vire o ímã e ele empurra na outra direção. É isso que faz um motor girar.

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    O gerador

    V = a sin(bt)

    Uma espira giratória induz uma tensão senoidal — a saída de CA.

    Explorar

    Transformador

    Adicione voltas ao secundário para elevar a tensão, menos para reduzi-la — Vs/Vp = Ns/Np, exatamente como a rede transfere energia eficientemente.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    transformer/trænsˈfɔːmə/ 变压器 biàn yā qì
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ 螺线管 luó xiàn guǎn
    coil/kɔɪl/ 线圈 xiàn quān
    loudspeaker/ˈlaʊdspiːkə/ 扬声器 yáng shēng qì
    electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ 电磁感应 diàn cí gǎn yìng
    Fleming's right-hand rule/ˈflemɪŋz raɪt hænd ruːl/ 弗莱明右手定则 fú lái míng yòu shǒu dìng zé
    a.c. generator/ˌeɪ ˈsiː ˈdʒenəreɪtə/ 交流发电机 jiāo liú fā diàn jī
    slip rings/slɪp rɪŋz/ 滑环 huá huán
    brushes/ˈbrʌʃɪz/ 电刷 diàn shuā
    Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ 弗莱明左手定则 fú lái míng zuǒ shǒu dìng zé
    deflect/dɪˈflekt/ 偏转 piān zhuǎn
    turning effect/ˈtɜːnɪŋ ɪˈfekt/ 转动效应 zhuǎn dòng xiào yìng
    d.c. motor/ˌdiː ˈsiː ˈməʊtə/ 直流电动机 zhí liú diàn dòng jī
    split-ring commutator/splɪt rɪŋ ˈkɒmjuːteɪtə/ 换向器 huàn xiàng qì
    soft-iron core/sɒft ˈaɪən kɔː/ 软铁芯 ruǎn tiě xīn
    primary coil/ˈpraɪməri kɔɪl/ 原线圈 yuán xiàn quān
    secondary coil/ˈsekəndəri kɔɪl/ 副线圈 fù xiàn quān
    step-up/step ʌp/ 升压 shēng yā
    step-down/step daʊn/ 降压 jiàng yā
    high-voltage transmission/haɪ ˈvəʊltɪdʒ trænˈsmɪʃn/ 高压输电 gāo yā shū diàn
    Assistir aula
    4.5

    Dicas de prova

    • 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.
  • 5

    Física nuclear

    Assistir aula
    5.1

    O átomo

    Programa

    5.1.1 O átomo

    Central Suplementar
    1 Descreva a estrutura de um átomo em termos de um núcleo com carga positiva e elétrons com carga negativa orbitando ao redor do núcleo 3 Descreva como o espalhamento de partículas alfa ($\alpha$) por uma lâmina fina de metal sustenta o modelo nuclear do átomo, fornecendo evidências para: (a) um núcleo muito pequeno rodeado por grande espaço vazio (b) um núcleo contendo a maior parte da massa do átomo (c) um núcleo que possui carga positiva
    2 Saiba como os átomos podem formar íons positivos perdendo elétrons ou íons negativos ganhando elétrons

    5.1.2 O núcleo

    Central Suplementar
    1 Descreva a composição do núcleo em termos de prótons e nêutrons
    6 Descreva os processos de fissão nuclear e fusão nuclear como a divisão ou união de núcleos, incluindo a equação do nuclídeo e descrição qualitativa das mudanças de massa e energia sem valores
    2 Enuncie as cargas relativas dos prótons, nêutrons e elétrons como +1, 0 e –1, respectivamente
    3 Defina os termos número atômico (número de prótons) $Z$ e número de massa (número nucleônico) $A$ e seja capaz de calcular o número de nêutrons em um núcleo 7 Saiba a relação entre o número atômico e a carga relativa do núcleo
    8 Saiba a relação entre o número nucleônico e a massa relativa do núcleo
    4 Use a notação do nuclídeo $^{A}_{Z}\text{X}$
    5 Explique o que se entende por isótopo e enuncie que um elemento pode ter mais de um isótopo

    Fonte: Programa Cambridge International

    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.

    Um núcleo central de prótons e nêutrons com elétrons se movendo em órbitas circulares ao redor dele
    O átomo nuclear: um minúsculo núcleo denso de prótons e nêutrons, com elétrons em órbitas ao seu redor

    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.
    Partículas alfa disparadas contra uma folha de ouro: a maioria passa reto, algumas defletem, muito poucas rebatem
    A maioria das partículas alfa passa reto; algumas são defletidas e muito poucas rebatem no minúsculo núcleo denso
    Explorar

    Dentro do átomo

    Um pequeno núcleo denso fica no centro com elétrons em camadas ao redor — arraste o número de prótons e veja as camadas se preencherem para fora.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
    orbit/ˈɔːbɪt/ 轨道 guǐ dào
    charge/tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè
    mass/mæs/ 质量 zhì liàng
    scattering/ˈskætərɪŋ/ 散射 sǎn shè
    deflected/dɪˈflektɪd/ 偏转 piān zhuǎn
    5.1

    Dentro do núcleo

    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:

    $$^{A}_{Z}\text{X}$$

    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.

    Dois núcleos de carbono: carbono-12 com seis prótons e seis nêutrons, carbono-14 com seis prótons e oito nêutrons
    Isótopos de carbono têm os mesmos seis prótons, mas diferentes números de nêutrons, então são o mesmo elemento com massa diferente

    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:

    $$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
    Um nêutron atingindo um núcleo U-235, que se divide em Ba e Kr mais nêutrons e energia
    Um nêutron divide um núcleo U-235 em dois núcleos menores, liberando mais nêutrons e energia

    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:

    $$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$
    Dois pequenos núcleos de hidrogênio a uniarem-se para formar um núcleo de hélio mais um nêutron e energia
    Na fusão dois núcleos leves unem-se num mais pesado, libertando um nêutron e energia — a reação deutério-trítio usada em reatores de fusão

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

    Duas grandes torres de resfriamento de uma usina nuclear ao lado de um rio, emitindo nuvens brancas de vapor
    Uma usina nuclear usa a energia da fissão para gerar eletricidade; as torres liberam calor residual na forma de vapor
    Explorar

    A reação em cadeia de fissão

    Um nêutron divide um núcleo de urânio, que libera energia E mais nêutrons — esses dividem mais núcleos, e assim por diante.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ α粒子 α lì zi
    gold foil/ɡəʊld fɔɪl/ 金箔 jīn bó
    nucleon/ˈnjuːklɪən/ 核子 hé zǐ
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
    nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ 核裂变 hé liè biàn
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
    hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 氢 qīng
    helium/ˈhiːlɪəm/ 氦 hài
    unstable/ʌnˈsteɪbl/ 不稳定 bù wěn dìng
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 辐射 fú shè
    5.2

    Radioatividade

    Programa

    5.2.1 Detecção de radioatividade

    Central Suplementar
    1 Saiba o que se entende por radiação de fundo
    2 Conheça as fontes que contribuem significativamente para a radiação de fundo, incluindo: (a) gás radônio (no ar) (b) rochas e edifícios (c) alimentos e bebidas (d) raios cósmicos
    3 Saiba que a radiação nuclear ionizante pode ser medida usando um detector conectado a um contador
    4 Use a taxa de contagem medida em contagens / s ou contagens / minuto 5 Use medições de radiação de fundo para determinar uma taxa de contagem corrigida

    5.2.2 Os três tipos de emissão nuclear

    Central Suplementar
    1 Descreva a emissão de radiação de um núcleo como espontânea e aleatória em direção
    2 Identificar emissões alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) e gama ($\gamma$) do núcleo recordando: (a) sua natureza (b) seus efeitos de ionização relativos (c) suas capacidades de penetração relativas ($\beta^+$ não estão incluídos, as partículas $\beta$ serão consideradas referindo-se a $\beta^-$) 3 Descrever a deflexão de partículas $\alpha$, partículas $\beta$ e radiação $\gamma$ em campos elétricos e campos magnéticos
    4 Explique seus efeitos de ionização relativos com referência a: (a) energia cinética (b) carga elétrica

    5.2.3 Decaimento radioativo

    Central Suplementar
    1 Saber que o decaimento radioativo é uma mudança em um núcleo instável que pode resultar na emissão de partículas $\alpha$ ou partículas $\beta$ e/ou radiação $\gamma$ e saber que essas mudanças são espontâneas e aleatórias 3 Saber que isótopos de um elemento podem ser radioativos devido a um excesso de nêutrons no núcleo e/ou ao núcleo ser muito pesado
    2 Declarar que durante o decaimento $\alpha$ ou o decaimento $\beta$, o núcleo muda para o de um elemento diferente 4 Descrever o efeito do decaimento $\alpha$, decaimento $\beta$ e emissões $\gamma$ no núcleo, incluindo um aumento na estabilidade e uma redução no número de nêutrons em excesso; a seguinte mudança no núcleo ocorre durante a emissão $\beta$: nêutron $\rightarrow$ próton + elétron
    5 Usar equações de decaimento, usando notação nuclídea, para mostrar a emissão de partículas $\alpha$, partículas $\beta$ e radiação $\gamma$

    5.2.4 Vida meia

    Central Suplementar
    1 Defina a vida meia de um isótopo específico como o tempo necessário para metade dos núcleos desse isótopo em qualquer amostra decair; lembre-se e use essa definição em cálculos simples, que podem envolver informações em tabelas ou curvas de decaimento (cálculos não incluirão radiação de fundo) 2 Calcule a vida meia a partir de dados ou curvas de decaimento das quais a radiação de fundo não foi subtraída
    3 Explique como o tipo de radiação emitida e a vida meia de um isótopo determinam qual isótopo é usado em aplicações incluindo: (a) alarmes de incêndio domésticos (detetores de fumaça) (b) irradiação de alimentos para matar bactérias (c) esterilização de equipamentos usando raios gama (d) medição e controle de espessuras de materiais com a escolha de radiações ligadas à penetração e absorção (e) diagnóstico e tratamento de câncer usando raios gama

    5.2.5 Precauções de segurança

    Central Suplementar
    1 Enuncie os efeitos das radiações nucleares ionizantes sobre seres vivos, incluindo morte celular, mutações e câncer
    2 Descreva como materiais radioativos são movidos, usados e armazenados de forma segura 3 Explique precauções de segurança para toda radiação ionizante em termos de reduzir o tempo de exposição, aumentar a distância entre a fonte e os tecidos vivos e usar blindagem para absorver a radiação

    Fonte: Programa Cambridge International

    Decaimento radioativo & meia-vida

    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:

    $$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

    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.

    $$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
    Um contador Geiger portátil com um tubo detector e uma pequena tela que mostra a taxa de contagem
    Um contador Geiger portátil detecta radiação ionizante e mostra a taxa de contagem em sua tela
    Explorar

    Decaimento radioativo

    N = N₀·bᵗ

    O número de núcleos instáveis decai exponencialmente.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ 放射性 fàng shè xìng
    decay/dɪˈkeɪ/ 衰变 shuāi biàn
    spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ 自发 zì fā
    random/ˈrændəm/ 随机 suí jī
    background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 背景辐射 bèi jǐng fú shè
    radon/ˈreɪdɒn/ 氡 dōng
    cosmic rays/ˈkɒzmɪk reɪz/ 宇宙射线 yǔ zhòu shè xiàn
    detector/dɪˈtektə/ 探测器 tàn cè qì
    counter/ˈkaʊntə/ 计数器 jì shù qì
    count rate/kaʊnt reɪt/ 计数率 jì shù lǜ
    corrected/kəˈrektɪd/ 修正 xiū zhèng
    ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ 电离 diàn lí
    aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ 铝 lǚ
    electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ 电磁波 diàn cí bō
    lead/liːd/ 铅 qiān
    penetrating/ˈpenɪtreɪtɪŋ/ 穿透 chuān tòu
    absorbed/əbˈsɔːbd/ 吸收 xī shōu
    beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ β粒子 β lì zi
    gamma radiation/ˈɡæmə ˌreɪdɪˈeɪʃn/ γ射线 γ shè xiàn
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng
    stable/ˈsteɪbl/ 稳定 wěn dìng
    sample/ˈsæmpl/ 样品 yàng pǐn
    Assistir aula
    5.2

    Os três tipos de radiação

    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.

    Tipo O que é Efeito ionizante Parado por
    alfa (α) um núcleo de hélio: 2 prótons + 2 nêutrons, carga $+2$ mais forte uma folha de papel ou alguns cm de ar
    beta (β) um elétron em movimento rápido, carga $-1$ médio alguns mm de alumínio 铝
    gama (γ) uma onda eletromagnética de alta energia 电磁波, sem carga mais fraco chumbo 铅 espesso ou concreto (apenas reduzido, nunca totalmente parado)

    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.

    Alfa parado por papel, beta parado por alumínio, gama apenas reduzido por chumbo
    Papel para alfa, alguns milímetros de alumínio para beta e chumbo espesso apenas reduzem o gama

    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.

    Alfa curvando para um lado, beta curvando para o outro e mais, gama indo reto entre duas placas carregadas
    Alfa e beta curvam em direções opostas; a beta mais leve curva mais, e o gama sem carga não é defletido
    5.2

    Equações de decaimento

    Quando um núcleo decai, os números de nucleons e prótons devem equilibrar em ambos os lados.

    Decaimento alfa — o núcleo perde 2 prótons e 2 nêutrons, então $A$ cai em $4$ e $Z$ cai em $2$. Ele se torna um elemento diferente:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

    Exemplo resolvido. Um núcleo de rádio $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ emite uma partícula alfa. Encontre o número de nucleons e o número de prótons do novo núcleo.

    O decaimento alfa diminui $A$ em $4$ e $Z$ em $2$:

    $$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

    Então o novo núcleo (radônio) tem número de nucleons $222$ e número de prótons $86$.

    Decaimento beta — dentro do núcleo, um nêutron se transforma em um próton mais um elétron:

    $$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

    O elétron rápido sai como a partícula beta. Então $A$ permanece o mesmo, mas $Z$ aumenta em $1$, resultando em um elemento diferente:

    $$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

    Emissão gama — o núcleo perde apenas energia, então $A$ e $Z$ não mudam. O decaimento alfa e beta deixam o núcleo mais estável 稳定; a gama é frequentemente emitida ao mesmo tempo para levar embora a energia excedente.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
    relative/ˈrelətɪv/ 相对 xiāng duì
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ 中子 zhōng zǐ
    proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ 质子数 zhì zǐ shù
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 核子数 hé zǐ shù
    nuclide/ˈnjuːklaɪd/ 核素 hé sù
    5.2

    Meia-vida

    Como o decaimento é aleatório, não podemos acompanhar um único núcleo. Em vez disso, descrevemos uma grande amostra 样品 usando sua meia-vida.

    A meia-vida 半衰期 de um isótopo é o tempo necessário para que metade dos núcleos instáveis em uma amostra decaia. Após cada meia-vida, a taxa de contagem (ou o número de núcleos instáveis restantes) cai à metade.

    Por exemplo, se uma fonte tem uma taxa de contagem de $800$ contagens/min e uma meia-vida de $3$ horas:

    Tempo / horas 0 3 6 9
    Taxa de contagem / (contagens/min) 800 400 200 100

    Após $6$ horas (duas meias-vidas), a taxa de contagem caiu à metade duas vezes: $800 \to 400 \to 200$. Você pode ler uma meia-vida em um gráfico de decaimento encontrando o tempo para a taxa de contagem cair de qualquer valor para a metade dele. Se as leituras incluírem radiação de fundo, subtraia a taxa de contagem de fundo de cada leitura primeiro, depois encontre a meia-vida a partir dos valores corrigidos.

    Exemplo resolvido. A atividade de uma fonte cai de $800$ contagens/min para $100$ contagens/min. Sua meia-vida é $5$ dias. Quanto tempo levou?

    Conte as divisões ao meio: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ são três meias-vidas, então o tempo é $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

    Uma curva de decaimento da taxa de contagem em função do tempo, dividindo-se ao meio a cada meia-vida
    A cada meia-vida $T$, a taxa de contagem divide-se ao meio: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
    Explorar

    Meia-vida — assista aos núcleos decaírem

    Cada núcleo tem uma chance fixa de decair, aleatoriamente. Avance o tempo: cerca de metade dos núcleos restantes decai a cada meia-vida — então a contagem cai pela metade, depois cai novamente pela metade.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī
    smoke alarm/sməʊk əˈlɑːm/ 烟雾报警器 yān wù bào jǐng qì
    bacteria/bækˈtɪərɪə/ 细菌 xì jūn
    sterilise/ˈsterəlaɪz/ 消毒 xiāo dú
    medical tracer/ˈmedɪkl ˈtreɪsə/ 医用示踪剂 yī yòng shì zōng jì
    cancer/ˈkænsə/ 癌症 ái zhèng
    living cells/ˈlɪvɪŋ selz/ 细胞 xì bāo
    mutation/mjuːˈteɪʃn/ 突变 tū biàn
    5.2

    Aplicações da radioatividade

    O isótopo escolhido para uma tarefa depende do seu tipo de radiação e da sua meia-vida:

    • alarmes de incêndio 烟雾报警器 usam uma fonte alfa (a alfa é facilmente bloqueada, sendo segura fora do alarme, e uma longa meia-vida significa que dura anos);
    • usar radiação em alimentos ou equipamentos mata bactérias 细菌 e germes — isso precisa de raios gama penetrantes para esterilizar 消毒 o item selado;
    • medir e controlar a espessura de folhas de papel ou metal usa uma fonte beta (a quantidade que passa através muda com a espessura);
    • um traçador médico 医用示踪剂 é uma pequena quantidade de um isótopo emissor de gama com curta meia-vida, injetado no corpo: um detector fora do corpo segue onde ele vai, os raios gama escapam facilmente do corpo, e a atividade cai rapidamente para um nível seguro;
    • os raios gama são usados para encontrar e tratar câncer 癌症 dentro do corpo, porque podem passar para fora (ou para dentro) do corpo.
    Um paciente imobilizado por uma máscara de malha sob uma máquina de radioterapia, com lasers verdes de alinhamento cruzando a máscara
    Radioterapia: uma máscara de malha mantém o paciente imóvel enquanto lasers de alinhamento direcionam raios gama precisamente num tumor para tratar o câncer
    5.2

    Segurança

    A radiação ionizante danifica células vivas 细胞. Pode causar morte celular, mutações 突变 (alterações nos genes) e câncer.

    Ao trabalhar com fontes radioativas, mantenha a dose 剂量 (a quantidade de radiação recebida) baixa fazendo:

    • reduzir o tempo de exposição 照射 — passe o mínimo possível de tempo perto da fonte;
    • aumentar a distância entre si e a fonte;
    • usar blindagem 屏蔽, como chumbo, entre a fonte e o seu corpo.

    As fontes radioativas devem ser manuseadas com pinças (não com as mãos nuas), mantidas apontando para longe das pessoas e guardadas numa caixa forrada de chumbo.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    dose/dəʊs/ 剂量 jì liàng
    exposure/ekˈspəʊʒə/ 照射 zhào shè
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 屏蔽 píng bì
    5.2

    Dicas de prova

    • O número nucleônico (em cima) é prótons + neutrões; o número protónico (em baixo) é apenas prótons. Número de neutrões = número nucleônico − número protónico.
    • Isótopos têm o mesmo número protónico mas números nucleónicos diferentes — o mesmo elemento com um número diferente de neutrões.
    • Classifique as radiações de duas formas: a alfa é a mais ionizante mas menos penetrante (bloqueada por papel); a gama é a menos ionizante mas mais penetrante (precisa de chumbo espesso). A beta está no meio (bloqueada por alguns mm de alumínio).
    • Em toda equação de decaimento, os números de cima devem equilibrar e os números de baixo devem equilibrar. Decaimento alfa: $A-4$, $Z-2$. Decaimento beta: $A$ inalterado, $Z+1$.
    • Sempre subtraia a taxa de contagem de fundo antes de usar as leituras de uma fonte. Após $n$ meias-vidas, a taxa de contagem dividiu-se ao meio $n$ vezes — conte as divisões ao meio em vez de adivinhar pelo tempo total.
  • 6

    Física espacial

    Assistir aula
    6.1

    A Terra, o Sol e a Lua

    Programa

    6.1.1 A Terra

    Central Suplementar
    1 Saiba que a Terra é um planeta que gira em seu eixo, que está inclinado, uma vez em aproximadamente 24 horas, e use isso para explicar observações do movimento diário aparente do Sol e do ciclo periódico de dia e noite
    2 Saiba que a Terra orbita o Sol uma vez em aproximadamente 365 dias e use isso para explicar a natureza periódica das estações 4 Defina a velocidade orbital média a partir da equação $v = \frac{2\pi r}{T}$ onde $r$ é o raio médio da órbita e $T$ é o período orbital; lembre-se e use essa equação
    3 Saiba que leva aproximadamente um mês para a Lua orbitar a Terra e use isso para explicar a natureza periódica do ciclo de fases da Lua

    6.1.2 O Sistema Solar

    Central Suplementar
    1 Descreva o Sistema Solar como contendo: (a) uma estrela, o Sol (b) os oito planetas nomeados e saiba sua ordem a partir do Sol (c) planetas menores que orbitam o Sol, incluindo planetas anões como Plutão e asteroides no cinturão de asteroides (d) luas, que orbitam os planetas (e) corpos menores do Sistema Solar, incluindo cometas e satélites naturais 7 Saiba que planetas, planetas menores e cometes têm órbitas elípticas, e lembre-se de que o Sol não está no centro da órbita elíptica, exceto quando a órbita é aproximadamente circular
    8 Analise e interprete dados planetários sobre distância orbital, duração orbital, densidade, temperatura superficial e intensidade do campo gravitacional uniforme na superfície do planeta
    2 Saiba que, em comparação uns com os outros, os quatro planetas mais próximos do Sol são rochosos e pequenos e os quatro planetas mais distantes do Sol são gasosos e grandes, e explique essa diferença referindo-se a um modelo de acreção para a formação do Sistema Solar, incluindo: (a) a dependência do modelo na gravidade (b) a presença de muitos elementos em nuvens interestelares de gás e poeira (c) a rotação do material na nuvem e a formação de um disco de acreção
    3 Saiba que a intensidade do campo gravitacional (a) na superfície de um planeta depende da massa do planeta (b) ao redor de um planeta diminui à medida que a distância do planeta aumenta
    4 Calcule o tempo que a luz leva para percorrer uma distância significativa, tal como entre objetos no Sistema Solar
    5 Saiba que o Sol contém a maior parte da massa do Sistema Solar e isso explica por que os planetas orbitam o Sol
    6 Saiba que a força que mantém um objeto em órbita ao redor do Sol é a atração gravitacional do Sol 9 Saiba que a intensidade do campo gravitacional do Sol diminui e que as velocidades orbitais dos planetas diminuem à medida que a distância do Sol aumenta
    10 Saiba que um objeto em uma órbita elíptica viaja mais rápido quando está mais próximo do Sol e explique isso usando a conservação de energia

    Fonte: Programa Cambridge International

    A Terra gira (rotaciona 自转) sobre o seu eixo 轴 uma vez em cerca de $24$ horas. O eixo está inclinado 倾斜 (não é vertical). Esta rotação causa o dia e a noite, e faz com que o Sol 太阳 pareça mover-se pelo céu todos os dias.

    A Terra também se move à volta do Sol numa órbita 轨道, uma vez em cerca de $365$ dias (um ano). Como o eixo está inclinado, diferentes partes da Terra se inclinam em direção ao Sol em momentos diferentes do ano. Isso dá as estações 季节: é verão na metade da Terra que se inclina em direção ao Sol.

    A Terra inclinada em dois pontos da sua órbita: o norte inclinado em direção ao Sol, e meio ano depois inclinado para longe
    O eixo mantém a mesma inclinação durante todo o ano, assim cada hemisfério se inclina em direção ao Sol durante metade da órbita e para longe durante a outra

    A Lua 月球 orbita a Terra uma vez em cerca de um mês. À medida que orbita, vemos diferentes quantidades do seu lado iluminado, o que dá as fases 月相 da Lua (lua nova, lua cheia, lua minguante/mingüante).

    A Lua em quatro pontos ao redor de sua órbita da Terra, cada um com a metade virada para o Sol iluminada
    A metade iluminada da Lua sempre encara o Sol, assim ao orbitar vemos diferentes quantidades dela: uma lua nova entre nós e o Sol, uma lua cheia oposta ao Sol, e luas intermediárias no meio

    Assim, do menor para o maior: um dia (rotação da Terra) < um mês (órbita da Lua) < um ano (órbita da Terra).

    O disco cinzento cheio da Lua, coberto de manchas escuras e crateras brilhantes, contra o espaço preto
    A Lua cheia, satélite natural da Terra
    Explorar

    Por que a Lua muda de forma

    O Sol ilumina sempre metade da Lua; a fase é simplesmente quanto dessa metade iluminada fica voltada para nós à medida que a Lua orbita — não é a sombra da Terra.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    seasons/ˈsiːznz/ 季节 jì jié
    Moon/muːn/ 月球 yuè qiú
    phases/ˈfeɪzɪz/ 月相 yuè xiàng
    circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ 周长 zhōu cháng
    orbital speed/ˈɔːbɪtl spiːd/ 轨道速率 guǐ dào sù lǜ
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
    6.1

    Velocidade orbital

    Para um objeto a girar num círculo, a distância para uma órbita completa é a circunferência 周长 $2\pi r$, onde $r$ é o raio da órbita. A velocidade orbital 轨道速率 é esta distância dividida pelo período 周期 $T$ (o tempo para uma órbita):

    $$v = \frac{2\pi r}{T}$$

    A mesma equação funciona para planetas, luas e satélites.

    Exemplo resolvido. Uma estação espacial orbita a Terra a um raio de $r = 7000\ \text{km}$ e leva $T = 5800\ \text{s}$ para uma órbita. Encontre a sua velocidade orbital.

    Primeiro converta o raio para metros: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Então

    $$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
    A ISS em órbita: a velocidade orbital é a velocidade que mantém um satélite em movimento circular em queda livre
    A ISS em órbita: a velocidade orbital é a velocidade que mantém um satélite em movimento circular em queda livre
    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    orbit/ˈɔːbɪt/ 轨道 guǐ dào
    6.1

    O Sistema Solar

    O Sistema Solar 太阳系 tem uma estrela, o Sol, no centro. À volta dele movem-se os oito planetas 行星. Em ordem a partir do Sol são: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

    • Os quatro planetas mais próximos do Sol são pequenos e rochosos 岩石.
    • Os quatro planetas mais distantes do Sol são grandes e gasosos 气态 — são feitos principalmente de gás 气体, sem superfície sólida para pisar.
    • Os dois gigantes mais próximos, Júpiter e Saturno, são gigantes gasosos 气态巨行星. Os dois gigantes externos, Urano e Netuno, são gigantes de gelo 冰巨行星: retêm muito mais gelo, logo não são verdadeiros gigantes gasosos.
    O Sol com Mercúrio, Vênus, Terra e Marte, depois o cinturão de asteroides, depois Júpiter, Saturno, Urano e Netuno
    O Sol e seus oito planetas em ordem: quatro pequenos planetas rochosos, depois o cinturão de asteroides, depois quatro grandes planetas gasosos — os gigantes gasosos Júpiter e Saturno e os gigantes de gelo Urano e Netuno (não à escala)
    O disco vermelho cheio de Marte contra o espaço preto, com marcações de superfície mais escuras e uma névoa polar fina
    Marte, o planeta vermelho, um dos planetas rochosos internos
    O disco cheio de Júpiter mostrando faixas de nuvens castanhas e brancas e a Grande Mancha Vermelha laranja
    Júpiter, o maior planeta, com suas faixas giratórias de gás
    Saturno com seu amplo e plano sistema de anéis, fotografado de perfil pela sonda Cassini
    Saturno e seus anéis, fotografados pela sonda Cassini

    O Sistema Solar também contém:

    • planetas menores, como planetas anãs 矮行星 como Plutão, e asteroides 小行星 (a maioria fica no cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter);
    • luas (satélites naturais 卫星) que orbitam os planetas;
    • cometas 彗星 e outros corpos pequenos.

    Órbitas e gravidade

    O Sol detém a maior parte da massa do Sistema Solar. Sua gravidade 引力 (atração gravitacional) estende-se e mantém os planetas em suas órbitas. Esta força é a atração gravitacional do Sol.

    A intensidade do campo gravitacional 重力场强度 diz-lhe quão forte é a gravidade:

    • na superfície de um planeta, é maior para um planeta com mais massa;
    • ao redor de um planeta, diminui à medida que você se afasta.

    Da mesma forma, a gravidade do Sol enfraquece mais para fora, então os planetas externos movem-se mais devagar (menor velocidade orbital) que os internos.

    Dados planetários

    As questões de exame frequentemente fornecem uma tabela como esta e pedem para ler um padrão dela.

    Planeta Distância do Sol / milhão km Período orbital Densidade / g/cm³ Temperatura superficial / °C Campo gravitacional superficial $g$ / N/kg
    Mercúrio 58 88 dias 5.4 170 3.7
    Vênus 108 225 dias 5.2 460 8.9
    Terra 150 365 dias 5.5 15 9.8
    Marte 228 687 dias 3.9 −60 3.7
    Júpiter 779 11.9 anos 1.3 −110 23
    Saturno 1430 29.5 anos 0.7 −140 9.0
    Urano 2870 84 anos 1.3 −195 8.7
    Netuno 4500 165 anos 1.6 −200 11

    Padrões a notar: quanto mais distante um planeta está do Sol, maior é o seu período orbital e menor é a sua temperatura superficial. Os quatro planetas internos são densos (rocha e metal), enquanto os quatro planetas externos têm baixas densidades (gás e gelo). A intensidade do campo gravitacional na superfície depende da massa e tamanho do planeta, não da sua distância do Sol.

    Órbitas elípticas

    A maioria das órbitas não são círculos perfeitos, mas elipses 椭圆 (círculos alongados), e o Sol não está no centro da elipse. Um cometa tem uma órbita muito alongada. Um objeto numa órbita elíptica move-se mais rápido quando está mais próximo do Sol. Explicamos isto com a conservação de energia 能量守恒 — a energia 能量 total permanece a mesma, assim à medida que a energia potencial gravitacional 重力势能 do objeto cai (aproximando-se), a sua energia cinética 动能 aumenta (ele acelera).

    Uma órbita elíptica com o Sol em um dos focos, o planeta movendo-se rápido quando próximo e lento quando distante
    O Sol está em um dos focos da elipse; o planeta acelera ao aproximar-se e desacelera ao afastar-se

    Tempo de viagem da luz

    As distâncias no espaço são enormes, assim frequentemente calculamos quanto tempo a luz leva para atravessá-las. A luz viaja a $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Usando $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$, a luz do Sol (a cerca de $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ de distância) leva cerca de $500\ \text{s}$, que são aproximadamente $8$ minutos, para chegar à Terra.

    Explorar

    Assista aos planetas correrem

    Quanto mais próximo um planeta está do Sol, mais rápido ele orbita — Mercúrio em 88 dias, Júpiter em 12 anos — porque a gravidade do Sol é mais forte perto dele.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    Solar System/ˈsəʊlə ˈsɪstəm/ 太阳系 tài yáng xì
    planet/ˈplænɪt/ 行星 xíng xīng
    rocky/ˈrɒki/ 岩石 yán shí
    gaseous/ˈɡeɪsɪəs/ 气态 qì tài
    gas/ɡæs/ 气体 qì tǐ
    gas giant/ɡæs ˈdʒaɪənt/ 气态巨行星 qì tài jù xíng xīng
    ice giant/aɪs ˈdʒaɪənt/ 冰巨行星 bīng jù xíng xīng
    dwarf planet/dwɔːf ˈplænɪt/ 矮行星 ǎi xíng xīng
    asteroid/ˈæstərɔɪd/ 小行星 xiǎo xíng xīng
    satellite/ˈsætəlaɪt/ 卫星 wèi xīng
    comet/ˈkɒmɪt/ 彗星 huì xīng
    gravity/ˈɡrævɪti/ 引力 yǐn lì
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù
    ellipse/ɪˈlɪps/ 椭圆 tuǒ yuán
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力势能 zhòng lì shì néng
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
    dust/dʌst/ 尘埃 chén āi
    star/stɑː/ 恒星 héng xīng
    hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 氢 qīng
    helium/ˈhiːlɪəm/ 氦 hài
    6.1

    Como o Sistema Solar se formou

    Os planetas se formaram a partir de uma enorme nuvem de gás e poeira 尘埃 no espaço, que continha muitos elementos químicos elementos 元素. Este é o modelo de acreção 吸积:

    • a gravidade puxou a nuvem para dentro;
    • a nuvem estava girando, assim ela achatou-se formando um disco de acreção 吸积盘 giratório;
    • a maior parte da matéria caiu para o centro e tornou-se o Sol, enquanto os planetas cresceram a partir do material restante no disco.

    Perto do Sol jovem e quente, apenas rochas e metais podiam permanecer sólidos, por isso os planetas internos são rochosos. Mais longe, onde estava frio, gases também puderam se acumular, por isso os planetas externos cresceram grandes e gasosos.

    Um disco brilhante de poeira laranja ao redor de uma estrela jovem, cruzado por anéis escuros onde planetas estão varrendo material
    Um disco de acreção real ao redor da estrela jovem HL Tauri: as lacunas escuras são onde novos planetas estão reunindo o pó — nosso Sistema Solar começou dessa mesma forma
    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    element/ˈelɪmənt/ 元素 yuán sù
    accretion/əˈkreʃn/ 吸积 xī jī
    accretion disc/əˈkreʃn dɪsk/ 吸积盘 xī jī pán
    6.2

    O Sol como uma estrela

    Programa

    6.2.1 O Sol como uma estrela

    Central Suplementar
    1 Saiba que o Sol é uma estrela de tamanho médio, composta principalmente de hidrogênio e hélio, e que ele irradia a maior parte de sua energia nas regiões infravermelho, luz visível e ultravioleta do espectro eletromagnético 2 Saiba que as estrelas são alimentadas por reações nucleares que liberam energia e que em estrelas estáveis as reações nucleares envolvem a fusão de hidrogênio em hélio

    6.2.2 Estrelas

    Central Suplementar
    1 Enuncie que: (a) galáxias são compostas cada uma por muitas bilhões de estrelas (b) o Sol é uma estrela na galáxia conhecida como Via Láctea (c) outras estrelas que compõem a Via Láctea estão muito mais longe da Terra do que o Sol está da Terra (d) distâncias astronômicas podem ser medidas em anos-luz, onde um ano-luz é a distância percorrida no (vácuo do) espaço pela luz em um ano
    2 Saiba que um ano-luz é igual a $9.5 \times 10^{15}$ m
    3 Descreva o ciclo de vida de uma estrela: (a) uma estrela é formada a partir de nuvens interestelares de gás e poeira que contêm hidrogênio (b) uma protoestrela é uma nuvem interestelar colapsando e aumentando de temperatura como resultado de sua atração gravitacional interna (c) uma protoestrela se torna uma estrela estável quando a força interna de atração gravitacional é equilibrada por uma força externa devido à alta temperatura no centro da estrela (d) todas as estrelas eventualmente esgotam o hidrogênio como combustível para a reação nuclear (e) a maioria das estrelas expande para formar gigantes vermelhas e estrelas mais massivas expandem para formar supergigantes vermelhos quando a maior parte do hidrogênio no centro da estrela foi convertida em hélio (f) uma gigante vermelha de uma estrela menos massiva forma uma nebulosa planetária com uma anã branca em seu centro (g) uma supergigante vermelha explode como supernova, formando uma nebulosa contendo hidrogênio e novos elementos mais pesados, deixando para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro em seu centro (h) a nebulosa de uma supernova pode formar novas estrelas com planetas orbitando

    6.2.3 O Universo

    Central Suplementar
    1 Saiba que a Via Láctea é uma de muitas bilhões de galáxias que compõem o Universo e que o diâmetro da Via Láctea é de aproximadamente 100 000 anos-luz
    2 Descreva o desvio para o vermelho como um aumento no comprimento de onda observado da radiação eletromagnética emitida por estrelas e galáxias que se afastam
    3 Saiba que a luz emitida por galáxias distantes aparece desviada para o vermelho em comparação com a luz emitida na Terra
    4 Saiba que o desvio para o vermelho na luz de galáxias distantes é evidência de que o Universo está se expandindo e apoia a Teoria do Big Bang
    5 Saiba que radiação micro-ondas de uma frequência específica é observada em todos os pontos do espaço ao nosso redor e é conhecida como radiação cósmica de fundo de micro-ondas (CMBR)
    6 Explique que a CMBR foi produzida pouco depois da formação do Universo e que essa radiação foi expandida para a região de micro-ondas do espectro eletromagnético à medida que o Universo se expandiu
    7 Saiba que a velocidade $v$ com que uma galáxia se afasta da Terra pode ser encontrada a partir da mudança no comprimento de onda da luz estelar dessa galáxia devido ao desvio para o vermelho
    8 Saiba que a distância $d$ de uma galáxia distante pode ser determinada usando o brilho de uma supernova nessa galáxia
    9 Defina a Constante de Hubble $H_0$ como a razão entre a velocidade com que a galáxia se afasta da Terra e sua distância dela; lembre-se e use a equação
    $$H_0 = \frac{v}{d}$$
    10 Saiba que a estimativa atual para $H_0$ é $2.2 \times 10^{-18}$ por segundo
    11 Saiba que a equação
    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
    representa uma estimativa para a idade do Universo e que isso é evidência da ideia de que toda a matéria no Universo estava presente em um único ponto

    Fonte: Programa Cambridge International

    O Sol é uma estrela 恒星 de tamanho médio, composta principalmente por hidrogênio 氢 e hélio 氦. Ele irradia a maior parte de sua energia nas partes infravermelha, luz visível e ultravioleta 紫外线 do espectro eletromagnético 电磁波谱.

    Uma estrela é alimentada por reações nucleares 核反应 em seu núcleo. Em uma estrela estável, a reação é fusão nuclear 核聚变: núcleos de hidrogênio se unem para formar hélio, liberando enormes quantidades de energia.

    O Sol mostrado como um disco laranja brilhante com uma proeminência brilhante na borda, imageado em luz ultravioleta pelo Observatório Dinâmico Solar da NASA
    O Sol, nossa estrela mais próxima, visto na luz ultravioleta
    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    rotate/rəʊˈteɪt/ 自转 zì zhuàn
    axis/ˈæksɪs/ 轴 zhóu
    tilted/ˈtɪltɪd/ 倾斜 qīng xié
    Sun/sʌn/ 太阳 tài yáng
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ
    nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 核反应 hé fǎn yìng
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
    6.2

    Estrelas, galáxias e o Universo

    Uma galáxia 星系 é um grupo de muitas bilhões de estrelas mantidas juntas pela gravidade. Nosso Sol é uma estrela na galáxia chamada Via Láctea 银河系. Todas as outras estrelas da Via Láctea estão muito mais distantes da Terra do que o Sol está.

    Uma galáxia espiral vista de frente, com braços curvos de estrelas se enrolando a partir de um centro brilhante e uma galáxia companheira menor na borda
    Uma galáxia espiral: bilhões de estrelas unidas pela gravidade

    As distâncias entre estrelas são tão grandes que as medimos em anos-luz 光年. Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano (no vácuo do espaço), que é aproximadamente $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.

    A Via Láctea tem cerca de $100\,000$ anos-luz de largura (seu diâmetro 直径). É apenas uma das muitas bilhões de galáxias. Todas essas galáxias juntas formam o Universo 宇宙.

    Um grande telescópio em uma montanha à noite dispara um laser amarelo fino diretamente para cima em direção à faixa brilhante da Via Láctea *Um telescópio gigante estuda o céu noturno; o laser ajuda a criar imagens nítidas de estrelas distantes

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    galaxy/ˈɡæləksi/ 星系 xīng xì
    Milky Way/ˈmɪlki weɪ/ 银河系 yín hé xì
    light-year/laɪt jɪə/ 光年 guāng nián
    diameter/daɪˈæmɪtə/ 直径 zhí jìng
    6.2

    O ciclo de vida de uma estrela

    Uma estrela nasce, vive e morre ao longo de um tempo muito longo:

    1. Uma estrela se forma a partir de uma nuvem interestelar 星际云 de gás e poeira que contém hidrogênio.
    2. A gravidade puxa a nuvem para dentro, e ela aquece. Essa nuvem colapsando e aquecendo é uma protostrela 原恒星.
    3. A protostrela se torna uma estrela estável 稳定 quando a atração interna da gravidade é equilibrada por uma pressão externa causada pela temperatura muito alta em seu centro.
    4. Com o tempo, toda estrela fica sem o combustível 燃料 de hidrogênio para fusão.

    O que acontece depois depende da massa da estrela:

    • Uma estrela média (como o Sol) incha-se para se tornar uma gigante vermelha 红巨星. Ela então expulsa suas camadas externas como uma nuvem brilhante chamada nebulosa 星云 planetária, deixando uma pequena anã branca 白矮星 quente no centro.
    • Uma estrela muito mais pesada incha-se para se tornar uma supergigante vermelha 红超巨星 e depois explode como uma supernova 超nova. Essa explosão espalha uma nebulosa contendo hidrogênio e novos elementos mais pesados, e deixa para trás uma estrela de nêutrons 中子星 ou um buraco negro 黑洞.

    Um fluxograma da vida de uma estrela, ramificando pela massa nos caminhos da gigante vermelha e supergigante vermelha *Toda estrela começa em uma nebulosa; como termina depende de sua massa

    A nebulosa de uma supernova pode posteriormente formar novas estrelas, com planetas orbitando-as — então nosso próprio Sistema Solar veio de estrelas anteriores.

    Explorar

    O ciclo de vida de uma estrela

    A gravidade puxa uma nuvem de gás para dentro; a fusão acende a estrela; quando seu combustível acaba, ela incha e finalmente desvanece.

    Explorar

    O ciclo de vida de uma estrela semelhante ao Sol

    Passe por como uma estrela como o nosso Sol nasce, vive e morre.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    supernova/ˌsuːpəˈnəʊvə/ 超新星 chāo xīn xīng
    neutron star/ˈnjuːtrɒn stɑː/ 中子星 zhōng zi xīng
    black hole/blæk həʊl/ 黑洞 hēi dòng
    receding/rɪˈsiːdɪŋ/ 退行 tuì xíng
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng
    6.2

    O Universo em expansão

    Quando uma estrela ou galáxia se afasta de nós (ela está recuando 退行), a luz que recebemos dela tem um comprimento de onda 波长 maior do que o normal — está deslocada para o extremo vermelho do espectro. Isso é deslocamento para o vermelho 红移.

    Dois espectros: as linhas de uma galáxia distante deslocadas para o extremo vermelho em comparação com uma próxima *As linhas escuras no espectro de uma galáxia distante estão deslocadas para o extremo vermelho — isso é deslocamento para o vermelho

    A luz de galáxias distantes sofre deslocamento para o vermelho, e quanto mais distante uma galáxia está, maior é seu deslocamento para o vermelho. Isso nos diz que as galáxias estão se afastando: o Universo está expandindo 膨胀. Fazendo isso ao contrário, tudo já esteve junto em um único ponto — esta é a evidência para a teoria do Big Bang 大爆炸.

    Galáxias ao redor de cada uma com uma seta apontando para fora, setas maiores para as galáxias mais distantes
    Toda galáxia está se afastando de nós, e as mais distantes se afastam mais rápido — o Universo está expandindo

    Mais evidências e a idade do Universo

    Fraca radiação 微波 micro-ondas 辐射 vem de todas as direções no espaço. Esta é a radiação de fundo micro-ondas cósmica 宇宙微波背景辐射 (CMBR). Foi produzida como radiação de alta energia logo após o Big Bang, e foi esticada para a parte micro-onda do espectro à medida que o Universo se expandiu.

    Um mapa oval de todo o céu pontilhado de azul e vermelho, mostrando pequenas diferenças de temperatura no fundo micro-onda *Todo o céu mapeado em micro-ondas: esse brilho fraco chega até nós de todas as direções como o calor residual do Universo jovem — forte evidência para o Big Bang

    Para uma galáxia distante:

    • sua velocidade $v$ de se afastar pode ser encontrada a partir do deslocamento para o vermelho de sua luz estelar;
    • sua distância $d$ pode ser encontrada a partir do brilho de uma supernova 超新星 vista nela.

    A constante de Hubble 哈勃常数 $H_0$ liga essas duas:

    $$H_0 = \frac{v}{d}$$

    Seu valor hoje é de cerca de $2.2 \times 10^{-18}$ por segundo. Invertendo isso, obtém-se uma estimativa para a idade do Universo:

    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

    Exemplo resolvido. A constante de Hubble é de cerca de $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ por segundo. Estime a idade do Universo.

    $$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

    Isso equivale a aproximadamente $14$ bilhões de anos.

    Isso funciona porque toda galáxia parece ter começado do mesmo ponto único ao mesmo tempo — mais suporte para o Big Bang.

    Explorar

    O Universo em expansão

    v = H₀·d

    As galáxias se afastam mais rápido quanto mais distantes estão — a velocidade é proporcional à distância.

    Vocabulário Treinar
    Inglês Chinês Pinyin
    Universe/ˈjuːnɪvɜːs/ 宇宙 yǔ zhòu
    interstellar cloud/ˌɪntəˈstelə klaʊd/ 星际云 xīng jì yún
    protostar/ˈprəʊtəʊstɑː/ 原恒星 yuán héng xīng
    stable/ˈsteɪbl/ 稳定 wěn dìng
    fuel/ˈfjuːəl/ 燃料 rán liào
    red giant/red ˈdʒaɪənt/ 红巨星 hóng jù xīng
    nebula/ˈnebjʊlə/ 星云 xīng yún
    white dwarf/waɪt dwɔːf/ 白矮星 bái ǎi xīng
    red supergiant/red ˈsuːpədʒaɪənt/ 红超巨星 hóng chāo jù xīng
    redshift/ˈredʃɪft/ 红移 hóng yí
    expanding/ekˈspændɪŋ/ 膨胀 péng zhàng
    Big Bang/bɪɡ bæŋ/ 大爆炸 dà bào zhà
    microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 微波 wēi bō
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 辐射 fú shè
    cosmic microwave background radiation/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 宇宙微波背景辐射 yǔ zhòu wēi bō bèi jǐng fú shè
    Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ 哈勃常数 hā bó cháng shù
    6.2

    Dicas de prova

    • Em $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, $r$ é o raio da órbita e $T$ é o tempo para uma órbita completa em segundos — converta km para m e horas para segundos primeiro.
    • Planetas mais próximos do Sol sentem gravidade mais forte, então orbitam mais rápido e levam menos tempo. Em uma órbita elíptica, um corpo acelera ao se aproximar do Sol (energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética).
    • Um ano-luz é uma distância, não um tempo — quão longe a luz viaja em um ano.
    • Uma estrela é estável 稳定 quando a atração interna da gravidade é equilibrada pela pressão externa da energia liberada pela fusão 核聚变 em seu núcleo. O que ela se torna quando seu combustível acaba depende de sua massa 质量.
    • Deslocamento para o vermelho — luz de galáxias distantes deslocada para comprimentos de onda mais longos (mais vermelhos), com maior deslocamento quanto mais distante — é a evidência de que o Universo está expandindo 膨胀, o que apoia o Big Bang.

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