Física Experimental Básica na Universidade

Editoração de textos Maria do Carmo Leite Ribeiro Revisión e normalização Lidian de Oliveira Revisión de provas Isadora Rodrigues e Priscila Iacomin Felipe Projeto gráfico Eduardo Ferreira Montagem de capa e formatação Luiz Flávio Pedrosa Produção gráfica Warren de M Santos Ilustração Altair José Viana e autores BIBLIOTECA UNIVERSITÁRIA 6 03 09 37590901 oc 455604 2008 os autores 2008 Editora UFMG Este livro ou parte dele não pode ser reproduzido por qualquer meio sem autorização escrita do Editor Campos Agostinho Aurélio Garcia Física experimental básica na universidade Agostinho Aurelio Garcia Campos Elmo Salamo Alves Nivaldo Lúcio Spezali 2ª Edição revista Belo Horizonte Editora UFMG 2008 213 p il Didática ISEN 9788570416636 CDD 530 CDU 53 Elaborado pela Central de Controle de Qualidade da Catalogação da Biblioteca Universitária da UFMG Este livro recebeu o apoio financeiro da PróReitoria de Graduação da UFMG Editora UFMG Av Antônio Carlos 6627 Ala direta da Biblioteca Central Térreo Campus Pampulha CEP 31270901 Belo HorizonteMG Tel 31 34094650 Fax 31 34094768 Email editoraufmgbr wwweditoraufmgbr PróReitoria de Graduação Av Antônio Carlos 6627 Letra A 6 andar Campus Pampulha CEP 31270901 Belo HorizonteMG Tel 31 34094054 Fax 31 34094060 Email infoprogradufmgbr SUMÁRIO Apresentação 07 Introdução ao Laboratório de Física 13 EXPERIMENTOS DE MECÂNICA Densidade de um Líquido 33 Constante Elástica de Molas 35 Colisão Inelástica 37 Pêndulo Simples 41 Oscilação de um Sistema MassaMola 43 Deformação Elástica de uma Haste 45 Módulo de Flexão de uma Haste 47 Deformação Inelástica e Processo Irreversível 49 Atrito Estático 53 Movimento de um Projetil 55 Forças Impulsivas 59 Movimentos Combinados de Translação e de Rotação 63 Momento de Inércia 67 Movimento Harmônico Simples 69 Pêndulo de Torção 73 Tensão Superficial 77 Movimento Retilíneo com Aceleração Constante 83 EXPERIMENTOS DE TERMODINÂMICA Calor Específico da Água 89 Equação de Newton para o Resfriamento 93 Lei de Boyle relação entre a pressão e o volume de um gás 95 Gases Ideais 97 Calibração de um Termopar 101 Calor Específico de um Gás 107 Determinação da Capacidade Térmica de um Calorímetro 111 EXPERIMENTOS DE ELETROMAGNETISMO Elemento Resistivo Linear 115 Resistividade Elétrica 119 Resistência Interna de um Voltmímetro 123 Análise de Circuitos Elétricos Regras de Kirchhoff 125 Campo Magnético da Terra 129 Circuito RC 133 Campo Magnético no Centro de uma Bobina 137 Lei de Indução de Faraday 141 Diodo Semicondutor 145 EXPERIMENTOS DEONDAS Ondas Estacionárias em uma Corda 155 Ondas Estacionárias em um Tubo 161 Velocidade do Som em Metais 165 EXPERIMENTOS DE ÓPTICA Interferência e Difração da Luz 173 Interferômetro de Michelson 181 Lentes e Espelhos 187 Polarização da Luz 193 APÊNDICES Apêndice A Como Redigir um Relatório 201 Apêndice B Valores de Grandezas e Constantes Físicas 203 Apêndice C Código de Cores para Valores de Resistências 204 Apêndice D Constante Elástica em Associações de Molas 205 Apêndice E Velocidade do Som em um Gás Ideal 207 Apêndice F O Efeito Seebeck 208 Apêndice G Módulo de Cisalhamento 209 Apêndice H Medida de Grandezas Dinâmicas com Aparelhos de Leitura Estática Valor Eficiência 211 Sobre os Autores 213 Apresentação Para o acompanhamento de cursos teóricos e conceituais de Física Básica existem vários livrostexto tanto de autores estrangeiros quanto brasileiros Todavia o mesmo não se pode dizer quanto a cursos de laboratório e por isso é comum as instituições de ensino produzirem seus próprios textos geralmente em forma de apostilas que satisfazem as necessidades das disciplinas experimentais ofertadas em uma determinada época A concepção deste livro é consequência de um trabalho realizado durante vários anos nas disciplinas de laboratório por grande parte dos professores do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais A partir de um conjunto de roteiros que vêm sendo elaborados aprimorados e utilizados nesses anos fezse com incentivo do PróReitoria de Graduação da UFMG um trabalho de adaptação dos textos quanto ao conteúdo e formato para a composição da obra Na tarefa de preparação do conjunto dos roteiros escolhidos procurouse dar uma uniformização ao formato e ao estilo de redação mas em alguns deles ainda se observaram características de textos escritos a vários mãos Os roteiros estão escritos de maneira a haver uma independência de conteúdo entre os experimentos permitindose assim que cada um deles possa ser utilizado isoladamente Por esse motivo há casos de experimentos diferentes que abordam um mesmo assunto e consequentemente seus roteiros podem apresentar alguma semelhança especialmente em sua parte introdutória Inicialmente o livro apresenta um texto introdutório cujo objetivo é disponibilizar para o estudante informações básicas sobre medição incertezas nas medições construção e análise de gráficos bem como sobre apresentação de resultados Essas informações são necessárias para que o aluno faça corretamente as medições calcule as incertezas envolvidas faça o tratamento de dados propostos nos roteiros e reduza um relatório com um mínimo de qualidade e rigor científico Em todos os experimentos como prérequisito geral supõese que o estudante tenha domínio dos conceitos de Física no nível do Ensino Médio Nos experimentos mais complexos exigese ainda conhecimento de Cálculo e está estudado na Universidade Entretanto em alguns dos casos procurase usar um formalismo matemático tão simplificado quanto possível Os experimentos estão reunidos de acordo com o assunto abordado em quatro temas Mecânica Termodinâmica Eletromagnetismo Ondas e Óptica Dentro de cada tema eles são apresentados em ordem crescente de complexidade Uma característica comum a todos os roteiros é o fato de que seus textos são autoconstituídos do ponto de vista do conteúdo seja porque os assuntos são tratados usandose apenas conceitos no nível do Ensino Médio seja porque se faz uma introdução e o embasamento necessário para o bom aproveitamento da atividade prática Uma vez ou outra quando se considera que um formalismo mais detalhado ou mais aprofundado possa ser interessante para o aluno remetese o leitor a um Apêndice ou é dada uma referência bibliográfica extra Essa característica permite que os experimentos possam ser realizados sem o prérequisito da disciplina teórica de conteúdo correspondente A vivência nos laboratórios nos últimos anos tem mostrado que embora aulas expositivas e aulas de laboratório sejam complementares no processo de aprendizagem de um assunto a sua ordem não tem necessariamente que priorizar a exposição teórica antes da atividade prática se por um lado a exposição teórica prévia prepara o aluno para uma melhor compreensão do conteúdo abordado em um experimento por outro a realização do experimento antes das abordagens fenomenológicas inicia o aluno no seu estudo formal ao envolvêlo com a aplicação das leis físicas relacionadas Proposta de utilização dos roteiros Como sugestão fazse a seguir uma proposta de utilização dos roteiros O esquema apresentado é aproximadamente o utilizado nas disciplinas de física experimental básico dos cursos de ciências exatas da UFMG quando da edição deste texto As atividades atuais nessas disciplinas estão divididas por conteúdo em cinco módulos de laboratório e podem ser agrupadas em duas unidades com objetivos distintos Unidade introdutória A unidade introdutória é formada por uma disciplina que tem duração de um semestre letivo 15 semanas com aulas semanais de 2 horas e 30 minutos Essa disciplina tem o objetivo de introduzir as técnicas de obtenção tratamento e análise de dados de experimentos de Física bem como a apresentação de resultados na forma de relatório Pretendese que o estudante adquira e desenvolva atitudes corretas frente a um problema experimental dandose ênfase à utilização de instrumentos de medida cuidado na aquisição de dados atenção para incertezas nas medições métodos de tratamento numérico de dados e apresentação final dos resultados O computador é parte integrante do laboratório e é sempre utilizado na construção e análise de gráficos Nessa unidade são realizados experimentos que abrangem conteúdos distintos de Física Básica Mecânica Termodinâmica Eletromagnetismo Ondas e Óptica respeitandose seu nível introdutório Na Tabela 1 os experimentos estão listados numa sequência apropriada a unidade e são agrupados em três conjuntos observandose uma evolução na abordagem e na complexidade de um conjunto para o seguinte TABELA 1 Experimentos propostos para uma unidade introdutória Conjunto I Constante elástica de molas Densidade de um líquido Calor específico da água Análise de circuitos Regras de Kirchhoff Resistividade elétrica Conjunto II Módulo de flexão de uma haste Pêndulo simples Colisão inelástica Oscilação de um sistema massamola Resistência interna de um voltímetro Conjunto III Deformação inelástica e processo irreversível Velocidade do som em metais Os alunos desenvolvem as atividades trabalhando em dupla mas são avaliados individualmente Durante um semestre letivo são realizados geralmente dez experimentos e duas provas que também consistem em experimentos A avaliação é baseada nos relatórios apresentados para cada experimento incluindo os que são realizados nas provas Unidade temática Essa unidade é composta por um conjunto de quatro módulos que abordam os conteúdos de Mecânica Termodinâmica Eletromagnetismo Ondas e Óptica Cada módulo é composto por seis experimentos e uma prova O agrupamento de dos módulos com uma aula de introdução forma uma disciplina com duração de um semestre letivo 15 semanas com aulas semanais de 2 horas e 30 minutos O objetivo dessa unidade é a aprendizagem dos conteúdos de Física envolvidos e o aprimoramento dos conhecimentos do aluno em instrumentação e técnicas de obtenção e tratamento de dados adquiridos na unidade introdutória Os experimentos propostos são mais elaborados e envolvem conteúdos de Física e Matemática em um nível superior ao do Ensino Médio Na Tabela 2 listamse os conjuntos de experimentos mais apropriados para formar cada um dos módulos temáticos TABELA 2 Experimentos propostos para os módulos da unidade temática Mecânica Movimento retilíneo com aceleração constante Movimento de um projétil Forças impulsivas Movimentos combinados de translação e de rotação Pêndulo de torção Movimento harmônico simples Tensão superficial Termodinâmica Equação de Newton para o resfriamento Determinação da capacidade térmica de um calorímetro Gases ideais Calibração de um termômetro Calor específico de um gás Eletromagnetismo Análise de circuitos Regras de Kirchhoff Campo magnético da Terra Circuito RC Campo magnético no centro de uma bobina continua TABELA 2 Experimentos propostos para os módulos da unidade temática conclusão Eletromagnetismo Lei de indução de Faraday Diodo semiconductor Ondas e Óptica Ondas estacionárias em uma corda Ondas estacionárias em um tubo Interferômetro de Michelson Lentes e espelhos Interferência e difração da luz Polarização da luz Dentro de cada conteúdo não existe uma ordem preferencial para a realização dos experimentos Assim cada grupo formado por dois alunos pode realizálos em uma sequência própria Essa condição permite a implementação de um laboratório com montagens fixas para os experimentos pelas quais os alunos vão passando durante o semestre A avaliação da disciplina é feita com base nos relatórios dos experimentos e em provas sobre os conteúdos de física abordados Sobre a elaboração do texto O trabalho de elaboração adequação e preparação dos manuscritos e figuras que deram origem a este livro é de responsabilidade dos autores Entretanto o material utilizado como ponto de partida tem contribuições de um grande número de professores de Departamento de Física da UFMG em que se incluem os próprios autores que podem ser divididos em dois grupos 1 professores que trabalharam recentemente nos conteúdos e roteiros dos laboratórios de ensino de Física Básica portanto têm forte influência na sua forma atual Maria de Fátima Stafut Resende Fernando Augusto Batista Marcus Vinícius Baeta Moreira Maurílio Nunes Vieira e Rogério Magalhães Paniago e 2 professores que em outros momentos se envolveram na elaboração de experimentos e de roteiros em muitos dos textos ou apresentados Arjuna Castelli Panzera Beatriz Alvarenga Alves Carlos Heitor DAvila Domingos Gentil Queirós Fernando Omar Veás José Guilherme Alves Moreira Márcio Quintão Moreno Maria Sylvia Dantas Paulo Sérgio Guimarães Pedro Licínio Barbosa Regina Pinto de Carvalho Sebastião Nascimento de Pádua Túlio Jorge dos Santos Wagner Corraidi Barbosa Vagner Eustáquio de Carvalho Devese registrar ainda a participação de monitores de graduação que durante seu estágio contribuíram para a viabilização de vários dos experimentos propostos neste livro Em particular os monitores Henrique Martins de Andrade e Anderson Augusto Freitas contribuíram recentemente para a implantação de alguns dos experimentos apresentados Os Autores Introdução ao Laboratório de Física AVALIAÇÃO E EXPRESSÃO DE MEDIÇÕES E DE SUAS INCERTEZAS Introdução A Física assim como todas as outras ciências é baseada em observações e medições quantitativas A partir de observações e dos resultados de medições são formuladas teorias que podem prever os resultados de experimentos futuros Os resultados das medições realizadas em um experimento indicam as condições em que uma teoria é satisfatória e até mesmo se ela deve ser reformulada ou não Portanto boa precisão das medições é fundamental para o estabelecimento das leis físicas Medir é um procedimento experimental em que o valor de uma grandeza é determinado em termos do valor de uma unidade estabelecida por um padrão O resultado desse procedimento a medida da grandeza deve conter as seguintes informações o valor da grandeza a incerteza da medição e a unidade Além disso para que qualquer indivíduo saiba avaliar ou mesmo reproduzir uma medição é importante qualificar o tipo da incerteza que foi indicada bem como descrever como foi feita a medição No Brasil o sistema legal de unidades é o Sistema Internacional SI ver Apêndice A e as regras para a expressão dos resultados e das incertezas nas medições são definidas pela ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas e pelo INMETRO Instituto Nacional de Metrologia Normalização e Qualidade Industrial1 Neste texto apresentase um resumo dessa terminologia adaptada para ser utilizada em um laboratório de ensino Resultado e incerteza de uma medição Toda medição está sujeita a incertezas que podem ser devidas ao processo de medição aos equipamentos utilizados à influência de variáveis que não estão sendo medidas e também ao operador Guia para expressão da incerteza de medição 3 ed Rio de Janeiro ABNT INMETRO 2003