a f ísica no final do s éculo xix: modelos em crise · lord kelvin recomendou que os jovens não...
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A fA f íísica no final do ssica no final do sééculo XIX:culo XIX:modelos em crisemodelos em crise
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Como era a Física do século XIX?
Praticamente tudo o que ensinamos no 2°grau já havia sido descoberto
• mecânica clássica
• óptica
• termologia
• eletricidade e magnetismo
E mais alguma coisa...
A Física do século XIX
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Mecânica
• descoberta de planetas
• piões, giroscópios
• hidrodinâmica e aerodinâmica
• mecânica analítica
e também aplicações técnicas
A Física do século XIX
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Os submarinos começaram a ser utilizados nas guerras.
Transportes
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Os balões dirigíveis pareciam um meio de transporte promissor.
Transportes
Gaston e Albert Tissandier, 1881
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E houve o primeiro vôo bem sucedido E houve o primeiro vôo bem sucedido de uma asade uma asa--delta...delta...
Transportes
Otto Lilienthal, 1891
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Óptica e acústica
• difração e interferência
• teoria ondulatória
• infravermelho e ultravioleta
• formalismo sofisticado
e também aplicações técnicas
A Física do século XIX
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A fotografia foi desenvolvida por Niepce e Daguerre
Fotografia
Daguerre, em 1844
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Utilizando o princípio de interferência luminosa, Gabriel Lippmannconseguiu produzir fotografias em cores que eram, na verdade, precursoras dos atuais hologramas de luz branca.
Fotografia
Gabriel Lippmann
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Da fotografia surgiu, no final do século XIX, o cinema
Cinema
Eadward Muybridge
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O cinema foi utilizado para diversão e como meio de pesquisa
Cinema
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Edison, além de ajudar a desenvolver o cinema, inventou o fonógrafo.
Fonógrafo
Thomas A. Edison
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Termologia
• conversão de trabalho em calor
• conservação da energia
• máquinas térmicas
• 2a. lei da termodinâmica
• entropia
e também aplicações técnicas
A Física do século XIX
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As máquinas a vapor foram aperfeiçoadas e aplicadas aos transportes, em navios e trens
Transportes
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Foram também construídos automóveis movidos a vapor
Transportes
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Eletricidade e magnetismo
• pilha elétrica
• efeitos magnéticos da eletricidade
• efeitos elétricos do magnetismo
• teoria eletromagnética
e também aplicações técnicas
A Física do século XIX
Alessandro Volta
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No final do século XIX, foram construídas grandes usinas para a geração de eletricidade
Energia elétrica
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As lâmpadas elétricas começaram a substituir a iluminação com lampiões e com gás (lâmpada construída por Edison, com filamento de carvão)
Energia elétrica
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Os faróis foram equipados com lâmpadas elétricas, e na Torre Eiffel foram colocados holofotes que iluminavam objetos a 11 quilômetros de distância
Energia elétrica
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A eletricidade permitiu a comunicação à distância, pelo telégrafo
Comunicações
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Foram estendidos cabos de telégrafo através do oceano Atlântico, para comunicação internacional
Comunicações
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No final do século XIX Graham Bell inventou o telefone, e logo se tornou possível fazer ligações interurbanas
Comunicações
Alexander Graham Bell, 1892
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Eletromagnetismo
• previsão: onda eletromagnética
com velocidade igual à da luz
• produção de ondas Hertzianas
• luz = ondas eletromagnéticas
Séc. XIX: grandes sucessos
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Termodinâmica
• teoria cinética dos gases: temperatura = energia cinética das moléculas
• mecânica estatística: leis probabilísticas
Séc. XIX: grandes sucessos
Ludwig Boltzmann
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Época de grandes unificações
• eletricidade e magnetismo
• eletromagnetismo e óptica
• mecânica e termodinâmica
Séc. XIX: grandes sucessos
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Havia um grande otimismo geral com o progresso da humanidade e com o desenvolvimento técnico e científico.
Séc. XIX: grandes sucessos
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Em 1900 alguns físicos pensavam que a física estava praticamente completa.
Lord Kelvin recomendou que os jovens não se dedicassem à física, pois só faltavam alguns detalhes pouco interessantes, como o refinamento de medidas.
1900: O fim da física?
Lord Kelvin
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Lord Kelvin, no entanto, mencionou que havia “duas pequenas nuvens” no horizonte da física: os resultados negativos do experimento de Michelson e Morley, e a dificuldade em explicar a distribuição de energia na radiação de um corpo negro.
1900: O fim da física?
Lord Kelvin
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No final do século XIX existiam vários problemas na física, mas muitos físicos não davam importância a eles.
• Novos fenômenos inexplicados
• Problemas teóricos e conceituais
1900: O fim da física?
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O estudo de descargas elétricas em gases rarefeitos levou à descoberta dos raios catódicos
Descobertas experimentais
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Os raios catódicos levaram àdescoberta dos raios X, que eram úteis mas misteriosos.
Descobertas experimentais
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J. J. Thomson, estudando os raios catódicos, descobriu o elétron. Mas que relação os elétrons tinham com os átomos da matéria?
Descobertas experimentais
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Os estudos de Henri Becquerel e do casal Curie levaram àdescoberta da radioatividade e de estranhos elementos que emitiam energia de origem desconhecida.
Descobertas experimentais
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Os raios X e a luz ultravioleta podiam descarregar eletroscópios, e em alguns casos a luz visível também, mas o fenômeno não era compreendido: por que alguns tipos de luz não conseguem produzir o efeito fotoelétrico?
Descobertas experimentais
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O espectro da luz do Sol, quando analisado com um espectrógrafo, mostra linhas escuras (linhas de Fraunhofer).
Descobertas experimentais
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Descobriu-se que cada elemento químico emitia (ou absorvia) luz com um espectro descontínuo de raias.
A espectroscopia se tornou um importante método de identificação de elementos.
Mas qual era a causa dessas raias?
Descobertas experimentais
carbono
hélio
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No final do século XIX, não se compreendia a estrutura da matéria.
O único estado da matéria que havia sido explicado era o gasoso.
Era incompreensível como os átomos podiam formar corpos sólidos.
Problemas da física - 1900
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Os átomos imaginados pelos químicos eram simples “bolinhas” sem estrutura. Como eles se unem?
De todo tipo de matéria saem elétrons. Como eles se relacionavam com os átomos da matéria?
Problemas da física - 1900
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O que eram os raios X?
Um tipo de onda eletromagnética?
Ou um tipo de partícula, como o elétron?
Problemas da física - 1900
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O que eram as radiações emitidas pelos corpos radioativos?
De onde saia sua energia, que parecia inesgotável?
Problemas da física - 1900
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Nos gases, a energia cinética média das moléculas depende apenas da temperatura.
Numa mistura de gases, a energia se distribui por todos os tipos de moléculas.
Moléculas de menor massa (como hidrogênio) têm maior velocidade média do que as de maior massa.
Problemas da física - 1900
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A teoria previa uma “equipartição de energia”por todos os tipos de partículas e de movimentos possíveis.
Ela previa bem o calor específico dos gases, supondo que as moléculas eram simples “bolinhas”.
Problemas da física - 1900
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Problemas da física - 1900
Mas havia problemas:No caso de sólidos, o calor específico medido era menor do que o previsto.Em vários casos, parecia que nem todas as partículas recebiam energia.
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Dentro de um recipiente com gás aquecido também existe radiação eletromagnética (térmica), e a energia deveria se distribuir entre as moléculas e as ondas luminosas.
A teoria parecia indicar que iriam sendo criadas ondas luminosas, e que elas ficariam com toda a energia.
Problemas da física - 1900
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Um dos grandes problemas teóricos no final do século XIX era compreender a interação entre matéria e radiação.
Como funcionam os materiais luminescentes?
Matéria e radiação
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Por que os sólidos emitem um espectro luminoso contínuo, e os gases emitem espectros descontínuos?
Matéria e radiação
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Se a luz é uma onda eletromagnética, existem cargas elétricas vibrando nos gases, para produzir a luz emitida?
Por que essas vibrações possuem apenas certas freqüências, diferentes de um elemento químico para outro?
Matéria e radiação
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Uma cavidade quente (“corpo negro”) emite radiação contínua.
A teoria previa que ela deveria emitir mais radiação de pequenos comprimento de onda do que de grande comprimento de onda.
Mas não era isso o que se observava.
Matéria e radiação
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No efeito fotoelétrico, a radiação arranca elétrons dos metais.
Esse efeito deveria depender da intensidade da luz (energia), e não da cor ou freqüência.
Matéria e radiação
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No final do século XIX, o estudo de alguns desses problemas e as tentativas de continuar a unificar a física
• a mecânica com o eletromagnetismo
• a termodinâmica com o eletromagnetismo
levaram a problemas teóricos complicados, desencadeando a criação da teoria da relatividade e da teoria quântica.
As tentativas de unificação
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A teoria quântica surgiu da tentativa de compreender os problemas de interação da radiação com a matéria e solucionar alguns desses problemas.
O primeiro passo no desenvolvimento da teoria quântica foi dado por Max Planck, há cem anos.
O surgimento dos quanta
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Nos primeiros anos do século XX, a teoria quântica começou a resolver diversos problemas:
• radiação do corpo negro - Planck
• efeito fotoelétrico - Einstein
• calor específico de sólidos -Einstein
• espectro atômico descontínuo -Bohr
O surgimento dos quanta
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Apenas na década de 1920 a teoria quântica se transformou na Mecânica Quântica, com uma compreensão mais profunda da dualidade onda-partícula, graças a De Broglie, Schrödinger, Heisemberg, Bohr e outros.
O surgimento dos quanta
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A teoria quântica nos permitiu compreender muitos fenômenos importantes:
O surgimento dos quanta
• estrutura de átomos e moléculas
• estrutura de sólidos e suas propriedades
• emissão e absorção de radiações
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As próximas palestras desta Oficina vão apresentar:
A seguir:
• Os primeiros passos da teoria quântica
• Alguns experimentos com efeitos quânticos
• Os passos que levaram à mecânica quântica
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FIM
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Esta apresentação PowerPoint estarádisponível na Internet, para os interessados, no seguinte endereço:
http://ghtc.ifi.unicamp.br/oficina.htm