Pssc Parte 1 - o Universo introdução à Física

PHYSICAL SCIENCE STUDY COMMITTEE\nFísica\nParte I\nEDITORA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA\nSERIE DE TEXTOS BÁSICOS DE CIÊNCIA 6\nParte I\nBiblioteca de Educação da Universidade de Brasília\nSérie II — Textos Básicos para o Ensino Médio\nFísica\nParte I\nTexto organizado pelo\nPhysical Science Study Committee\nEdição preliminar\n1963\nEditora Universidade de Brasília APRESENTAÇÃO\nA Ciência vem evoluindo com velocidade crescente. O número de informações disponíveis dobra aproximadamente cada dez anos. Mais rapidamente ainda cresce a aplicação da Ciência e seu impacto na vida diária, tornando cada vez maior o problema do ensino básico de Ciências ao jovem.\nEste grave problema foi relegado pelo Homem de Ciência cult bem recentemente. O ensino de Ciências, quer nas escolas primárias, quer nas escolas médias, e, com o tempo, até os primeiros anos dos cursos superiores, nem sempre foi entregue aos elementos mais capacitados. \"Educadores\" infiltraram-se no ensino de Ciências, e, nada conhecendo de Ciência, da sua evolução e estrutura, tornaram este ensino o mais ineficiente que é possível, na evolução cultural e científica de um povo.\nEm 1950, organizamos o IBEC–UNESCO, Seção de São Paulo, iniciando entre nós um atendimento para a importância do problema, através dos cientistas para liderarem a reforma do ensino de Ciências. Lutando contra a indiferença do Homem de Ciência, preocupado com a marcha de seu setor de investigação, conseguimos lentamente, nos anos seguintes, prosseguir em nossas atividades, e em 1954, desenvolvemos um amplo programa para atacar os problemas mais agudos e características de nossa formação, particularmente em todo o desinteresse pela experimentação.\nEm 1957, fomos aos E. U. A. conhecer um famoso instituto que, com outros colegas, lidava lá um maneirismo semelhante – Prof. Francis L. Friedman, do MIT, trígona e prematuramente desaparecido, justamente na época em que planejava nos visitar. A ele, a nossa comitiva homenageou. Temos conhecimento, então, que o Prof. Friedman, do gigantesco esforço desenvolv\nido pela equipe do PSSC, na qual se destacava o Prof. Jerrold R. Zacharias, também do MIT, e que congregou um grande número de físicos famosos, alguns dos quais Nobelistas, professores de escolas médias, e industriais, tendo realizado um trabalho que revolucionou o ensino da Física e de toda a Ciência.\nQue razão nos levou a escolher o Curso do PSSC para o Brasil? Pois é certamente porque nós dispunhamos de vinte milhões de dólares para realizar um projeto semelhante, ou porque não contássemos com um grupo de físicos de igual envergadura, ou porque não estivéssemos habituados a ensaiar cientificamente projetos e inovações no ensino que acolhessem o futuro de nossa sociedade. Fizemos o projeto no conhecimento de sua evolução nos Estados Unidos, desde seu início, e realizando algumas visitas no Brasil.\nEm 1961, enviamos ao E. U. A. um dos elementos de nossa equipe de professores, para participar um um Curso de Verão, através do qual mantivemos contato direto com o Curso do PSSC.\nEm janeiro de 1962, organizamos o I Curso de Verão, no qual foram preparados quarenta professores, tendo liderando o PSSC na América Latina. Na oportunidade, veio a São Paulo, para dirigir o Curso, entre outros professores dos E. U. A., o Dr. Uri Haber-Schaim, do Educational Services Incorporated, entidade que supervisiona o PSSC. O Curso foi realizado em 1963, devendo-se com caráter nacional, dirigido por um grupo de professores do Brasil, acessível a um professor-visitante dos E. U. A., aos poucos, foram multiplicando os cursos locais, liderados pelos participantes dos I e II Cursos de Verão.\nO PSSC não é um livro-texto, mas uma combinação de texto, guia de laboratório, guia para o professor, equipamento específico, filmes, testes, e literatura complementar, o conjunto representando uma nova filosofia de ensino de Ciência. Hoje, como nós, numerosos países americanos, europeus, asiáticos, e africanos, estão preparando a tradução das publicações do curso do PSSC. Em 1962, lançamos o Guia de Laboratório, primariamente dado mundial. Foi ele usado no I Curso de Verão, bem como em Curso de Iniciação de diversos países da América Latina. Ainda em 1962, através do Plano de Emergência do Ministério da Educação e Cultura, sendo Ministro o Prof. Darci Ribeiro, iniciamos a tradução do livro-texto e dos filmes, tendo a cargo da Editora da Universidade de Brasília a edição preliminar do livro-texto em quatro volumes, correspondentes às quatro partes do original, cada um abordando a respectiva parte do laboratório. Também, com o auxílio da Editora da Universidade de São Paulo, iniciamos a publicação dos livros da Science Study Series, que constituem a literatura complementar do Curso. Fabulamos em nossas ciências, e estamos necessitando, com o planejamento realizado no ESI, o que coincide plenamente com o conceito que temos sobre como deve ser o equipamento para ensino de Física na escola secundária: simples, econômico, permitindo a redescoberta de fenômenos científicos fundamentais, quantitativa mente, ideas através da participação completa e quando pouco um nada estimula um método científico. Não teria sido possível desenvolver tão amplo programa, sem os sorrisos de todos: a Fundação Ford e a Fundação Rockefeller, e a colaboração da National Science Foundation e Pan American Union. O programa não está terminado. Iniciamos a tradução do Guia PSSC para o professor e alunos. No ESI, elemento de nossa equipe colaborou na preparação dos \"Tópicos Avançados\" do PSSC, para nível universitário. Será este o ponto final? A Física continuará crescendo constantemente, e como está se desenvolvendo aqui, no sentido de indicar as introduções que se fazem necessárias e o que desde então deve levar lugar. Dr. ISAÍAS RAW Diretor Científico do IEBCC-UNESCO São Paulo O Physical Science Study Committee é constituído por um grupo de professores de física, de nível universitário e secundário, trabalhando no desenvolvimento de um curso aperfeiçoado de introdução à física. O projeto teve início em 1956 com uma doação da National Science Foundation, a qual forneceu a principal ajuda financeira. A Fundação Ford e a Fundação Alfred P. Sloan contribuíram, também, na manutenção do programa. Este livro-texto é a alma do curso do PSSC: nela a física é apresentada não como um simples conjunto de fatos, mas basicamente como um processo em evolução, por meio do qual os homens procuram compreender a natureza do mundo físico. Além do livro-texto existe, extremamente correlacionados, um guia de laboratório e um conjunto de aparelhos modernos e baratos, um grande número de filmes feitos frequentemente, uma série crescente de publicações preparadas por especialistas nos respectivos campos e um extenso livro do professor, diretamente ligado ao curso. O curso de física do PSSC é o resultado do trabalho realizado, por mais de quatro anos, por algumas centenas de pessoas, em sua maior parte professores de física de colégios e universidades. Há, ao fim do livro, uma resenha desta colaboração. É oportuno destacar, entretanto, o trabalho de dois destes colaboradores. O Professor Jerrold R. Zacharias, do Departamento de Física do Massachusetts Institute of Technology, reuniu um grupo de expoentes em física e em educação, que deram origem ao projeto; ele trabalhou ativamente em todas as fases do projeto. O Professor Francis L. Friedman, também do Departamento de Física do MIT, e membro do Comitê desde o início, desempenhou o papel principal no desenvolvimento do livro-texto, e contri buiu significativamente em todas as partes do programa. Este novo curso difere de forma marcante, sob muitos aspectos, do curso de introdução à física, habitualmente ministrado nos Estados Unidos. Para ter certeza de que este novo sistema era consistente e sucessível de ser aplicado, foi solicitado o auxílio de professores e alunos. Em 1957-58, oito escolas e 500 estudantes experimentaram os primeiros materiais. Seus comentários e sugestões ajudaram a melhorar e ampliar o ram-some do curso, e em 1959-60, aproximadamente 800 escolas e 12.500 estudantes vali-daram-se do curso, e, então, qualificadamente revisto, à luz desta experiência. As reações de professores e alunos mostram que este é um curso, e com bom aproveitamento: Seus conceitos se firmaram por meio de trabalhos no laboratório, análise do texto, e estudo dos filmes. O curso atrai tanto os estudantes inclinados para as humanidades como os que in-teressados em ciência. O Curso do PSSC O curso do PSSC compreende quatro partes estreitamente interligadas. A Parte I consiste numa introdução geral às noções físicas fundamentais de tempo, espaço e matéria: como nós as compreendemos e medimos. Quando o aluno aprende o alcance praticamente limitado das dimensões, do imensamente grande ao infinitamente pequeno, os microssegundos a bilhões de anos, ele verifica como estas grandezas podem ser medidas. Ele aprende que os instrumentos valem damentais são explorados no laboratório – a lei do Coulomb, o campo magnético em volta de uma corrente, a força exercida por um campo magnético sobre um fio condutor percorrido por uma corrente, etc. exemplos.\n\nValemo-nos, a esta altura, do conhecimento adquirido em escala macroscópica para pesquisar a estrutura dos átomos. Acompanhando o trabalho de Rutherford, estabelecemos o modelo nuclear do átomo. Algumas perguntas, entretanto, ficam sem resposta. Por que, por exemplo, é o determinado átomo estável? Por que não se desintegra ao emitir luz? Buscando as respostas, descobrimos que a luz é tanto corpuscular como ondulatória. Percebemos, ainda mais, que, apesar da matéria também se comportar como partículas, em alguns aspectos também se comporta como ondas. Combinando ambas as propriedades, podemos compreender a estabilidade do átomo de hidrogênio e a estrutura de seus níveis de energia. Dado que nesta parte do curso a experimentação direta se torna mais difícil e mais dispendiosa, são filmes que trazem ao estudante experiências como a de Millikan e a da interferência de fótons. No fim do curso, chegamos ao modelo lidonemo de átomos.\n\nFicou patente ser perfeitamente positivo ensino a curso do PSSC tal como é apresentado. É um curso proveitoso para uma ampla variedade de colégios. Os que colaboraram na estruturação deste curso desejam, entretanto, aperfeiçoá-lo progressivamente. Como o Physical Science Study Committee prossegue neste desenvolvimento, suas sugestões serão sempre recebidas.\n\nJAMES R. KILLIAN, JR.\nChairman, Board of Trustees\nEducational Services Incorporated CONTEÚDO\n\nPARTE I O UNIVERSO\n\nCAPÍTULO\n1 Que é física?\n2 Tempo e sua medição\n3 Espaço e sua medição\n4 Funções e escalas\n5 Movimento ao longo de uma trajetória\n6 Vetores\n7 Massa, elementos e átomos\n8 Átomos e moléculas\n9 A natureza de um gás\n10 Mensuração PARTE I O UNIVERSO\n\nColisão de galáxias. Esta fotografia, feita com o telescópio Schmidt de 48 polegadas, em Palomar, mostra dois imensos sistemas de estrelas colidindo no espaço, a uma extraordinária distância da Terra. Se pudéssemos observar tudo que está ocorrendo durante tal colisão, em escalas sucessivamente menores até onde pudéssemos perceber partículas subatômicas, veríamos demonstrados todos os princípios da física. QUE É FÍSICA?\n\nCAPÍTULO 1\n\nA Física é a ciência fundamental da natureza. Ela nos conta o que sabemos a respeito deste mundo, como homens e mulheres descobriram o que conhecemos, e como ainda estão descobrindo nos dias de hoje.\n\nQuando o diâro de um relâmpago corta a escuridão, o rádio produz estalidos, e seus olhos ficam ofuscados por alguns segundos. Um instante depois você ouve o estrondo do trovão, e uma vidraça solta estremece. A milhares de quilômetros de distância, num observatório meteorológico, um rádio-localizador pode acionar o impacto do relâmpago; e na cidade, o meteorologista, ouvindo um estrondo distante, acena com a capa como se estivesse esperando a tempestade.\n\nEis aí uma sequência de fenômenos, de acontecimentos diversos, ocorrendo em lugares e tempos diferentes. Eles estão todos encadeados. Como estão eles interligados e, exatamente, o que está acontecendo à vista, ao ouvido, ao rádio, e à própria atmosfera?\n\nConsidere outro acidente de acontecimentos. Nos laboratórios de emsiao de uma indústria de aço você pode ver uma barra fina de uma nova liga sendo esticada pelas forças pesantes de uma máquina de testar do tamanho de uma casa, acionada por um motor elétrico que gira rapidamente e não maior que uma bola de futebol. A barra compacta cede lentamente ao esforço. Ela se distende como se fosse um caramelo, e cebra, pouco depois, com um ruído. Como funciona tudo isto? O que mantém a barra compacta? Por que ela cede, finalmente? E, a propósito, por que o céu é o aço mais resistente que o vidro? Por que é ele mais pesado que o alumínio? Por que enferruja?\n\nOs homens, antigamente, tinham a \"doença do Sol\", nas ocasiões em que o Sol desaparecia e a Terra escurecia. Conhecemos, mais tarde, o movimento complexo da Lua. Tornou-se muito mais fácil prever os eclipses do que o tempo que fará amanhã. A Lua vem girando em volta de nosso planeta muito antes do primeiro dinossauro andar pela Terra. Um asteroide feito pelo fim pode girar em torno do globo por um longo período sem provocar, tanto, ao us - uma minúscula lua sintética. Como se movimentam os satélites? Como podemos visitar a Lua?\n\nA física nos habilita a responder a tais perguntas. Ela nos dá a capacidade de prever e planejar, e compreender o que nós aventuramos no desconhecido. Novas coisas são feitas a partir do que aprendemos em física. Como novas respostas em física, novas perguntas estão sempre surgindo. Muitas destas perguntas nunca teriam sido formuladas, se a própria física não tivesse sido posta em prática.\n\nAnteriormente a Galileu não havia telescópios astronômicos. Depois de Galileu, que associou lentes para fazer um telescópio astronômico, e, descobriu quatro luas girando em volta de Júpiter, planejamos e conceituamos melhores telescópios e em maior número. Com sua ajuda, descobrimos novos corpos celestes, tais como