Conservação de Energia - Propostas para o Ensino de Física

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1) PROBLEMATIZAÇÃO:
Energia é uma palavra freqüentemente usada no diálogo entre pessoas. No dia-adia é comum se ouvir as frases exemplificadas a seguir:
- Essas crianças possuem energia de sobra!
- Coma que esse alimento possui muita energia.
- A solução para o aquecimento global está associada ao uso de fontes
alternativas de energia.
Ou seja, energia é um termo com diversos significados. Mas, no estudo da
natureza e seus fenômenos, particularmente aqueles relacionados à Física, qual seria
o seu significado?
2) PERGUNTAS-CHAVE:
1. Expresse com poucas palavras o significado que a palavra energia tem para
você?
2. Quais são as formas de energia que você conhece?
3. Analise a tira de humor abaixo, e cite que tipo(s) de energia você considera
que nela está(ão) sendo veiculado(s).
4.
Ultimamente, uma das fontes de energia
que está sendo bastante utilizada para o
funcionamento de aparelhos elétricos é a
energia que vem do Sol. Para tanto, são
necessários coletores solares (Figura 1).
Você tem algum conhecimento sobre como
ocorre a transformação da energia solar
em elétrica?
Figura 1: coletor solar2
3) CONCEITOS-CHAVE:
• Energia: “é a propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho”.3
• Tipos de energia: mecânica, elétrica, magnética, atômica, nuclear, etc.
• Energia mecânica (EM): manifesta-se nas formas cinética, potencial
gravitacional e potencial elástica. É a soma da energia cinética com a potencial
(gravitacional e/ou elástica). Sua expressão é dada por:
EM = Ec + Ep
•
9 Cinética (Ec) – está associada a corpos que possuem movimento, ou seja,
com velocidade diferente de zero. Seu valor pode ser determinado pela
seguinte equação:
E = m . v2
c
2
, na qual m representa a massa do
corpo e v a sua velocidade em determinado instante.
9
9
m
Potencial gravitacional (Epg) – está
associada a corpos que estão situados a
uma certa altura (h) em relação a um
h
nível de referência (NR), conforme
ilustra a Figura 2, de modo que seu
valor pode se determinado pela equação
NR
a seguir, na qual g representa a
aceleração da gravidade.
Figura 2: um corpo de massa m, a
uma altura h em relação ao nível
Epg. = m . g . h
de referência (NR).
Potencial elástica (Epel) – está relacionada à deformação de um corpo;
quando se trata de um sistema massa-mola é medida pelo trabalho que a
força elástica realiza, portanto:
Epel. = k . x2
2
, sendo k a constante elástica da mola e x sua
deformação.
• Conservação da energia mecânica – a energia mecânica de um corpo, na
ausência de forças dissipativas1, não se altera, isto é, seu valor se mantém
constante. Assim,
EM inicial = EM final
4) ATIVIDADES EM GRUPO:
4.1) Introdução:
É de conhecimento geral que existem vários tipos de energia e que essa palavra
é utilizada em diversos contextos.
Com o objetivo de entender melhor seu significado, no contexto científico,
sugere-se uma seqüência de atividades que inclui testes de sondagem para favorecer a
explicitação de concepções espontâneas, ou de senso comum, e a realização de uma
atividade experimental.
4.2) Seqüência de atividades:
1ª - Realizar um breve debate com a turma, propondo aos alunos que expliquem o
que entendem por energia. Com isso, o professor pode observar quais são as
concepções deles sobre o tema.
2ª - Usar as perguntas-chave para fomentar o debate inicial e, em seguida, com
a turma dividida em grupos, sugere-se ao professor solicitar que os alunos
discutam entre si e respondam as perguntas do teste de sondagem.
3ª - Utilizar o kit experimental com intuito de motivar o aluno a refletir sobre
as observações e elaborar hipóteses para explicá-las. Essa é uma boa
metodologia para incentivar os alunos a participarem da aula e,
conseqüentemente, agirem como sujeitos da aprendizagem.
4ª - Realizar um debate junto aos alunos sobre as observações e hipóteses, a
fim de que este momento se torne oportuno para a inserção dos conceitos
físicos.
1
A resistência do ar ou, de um modo geral, as forças de atrito são dissipativas; “(...) uma força é conservativa quando,
atuando em um corpo num percurso de ida e volta (mesmo que por caminhos diferentes), faz com que o corpo retorne
ao seu ponto de partida com a mesma energia cinética com que saiu”. (GUIMARÃES, Luiz Alberto Mendes; FONTE
BOA, Marcelo. Física: Mecânica. 2 ed. Niterói-RJ: Futura, 2004.)
5ª - Discutir com os alunos as respostas dos grupos às questões do teste de
sondagem. O professor poderá fazer, novamente, uso do kit experimental,
para levá-los a concluir sobre a transformação dos tipos de energia e sua
conservação.
6ª - Avaliar a aprendizagem, conforme sugestão apresentada no item 6. À
exceção da situação-problema, que deverá ser realizada pelos grupos de
alunos em sala de aula, as demais questões poderão ser feitas
individualmente como atividade extraclasse, de modo a serem retomadas e
discutidas em aula posterior.
7ª- Propor atividade extraclasse, nas perspectivas de aprofundar o conteúdo e
favorecer o enfoque interdisciplinar.
4.3) Sugestão para o teste de sondagem:
1 – A figura 3 ilustra uma usina de geração de energia elétrica. Você sabe qual o
nome deste tipo de usina?
No Brasil, a forma predominante de
geração de energia elétrica é a que ocorre
neste tipo de usina. Discuta com seus
colegas de grupo, procurando lembrar o
que os meios de comunicação têm
divulgado sobre a questão energética no
país e elabore uma breve explicação sobre
“as bases de funcionamento” deste tipo de
usina.
Figura 3: Usina de geração de energia elétrica4
2 – Observe a tira de humor abaixo:
a) Por que ao saltar da montanha o Viking ganha velocidade?
b) O fato de ele carregar passageiros influenciaria na sua velocidade?
3 – A tira de humor a seguir ilustra um brinquedo muito comum em parques e
jardins – o escorrega. Provavelmente, em algum dia da sua vida, você teve a
oportunidade de brincar em um escorrega e perceber que a velocidade no
final da descida é maior do que no início.
Apresente uma explicação para este fato.
4 – Analise a tira de humor a seguir e, com base nos seus conhecimentos sobre
energia, elabore uma explicação para o fato que ela ilustra.
5)
CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DO KIT EXPERIMENTAL:
5.1) Material para construção:
•
•
•
•
•
01 caixa de MDF com dimensões de 13 cm x 9 cm x 6 cm;
01 régua de plástico ou acrílico de 20 cm;
01 tampa de garrafa de refrigerante PET;
02 bolinhas de gude de tamanhos diferentes;
Adesivo instantâneo universal.
5.2) Construção do kit:
Centralize a régua na caixa e, com adesivo
instantâneo universal, fixe-a firmemente.
Em seguida, cole a tampa na extremidade da
régua que não está em contato com a caixa,
conforme a figura 4 ao lado.
5.3) Como funciona o kit:
Figura 4: Ilustração do Kit
Coloque a bolinha de gude menor dentro da tampa, flexione a régua até onde
desejar e solte-a. Repita esse processo, flexionando a régua cada vez mais e
observe que a bolinha atingirá velocidades e alturas cada vez maiores ao sair da
tampa. Tente, agora, retomar o processo com a bolinha maior e veja se ela atinge a
mesma altura atingida pela menor.
6) SUGESTÃO PARA AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM:
Situação-Problema
Observe o dispositivo2 que se encontra
sobre a mesa do professor.
Sem realizar o experimento, assinale a
opção correta para as questões I e II e, em
seguida, elabore uma breve justificativa
para a sua resposta.
Figura 5: Ilustração do dispositivo.
I. Suponha que dois corpos, A e B, de massas diferentes (mA > mB), sejam
abandonados na canaleta, em momentos distintos, porém, de uma mesma altura em
relação à base. Ao final da trajetória:
a)
b)
c)
d)
as velocidades dos corpos A e B são iguais;
a velocidade do corpo A é maior que a do corpo B;
a velocidade do corpo B é maior que a do corpo A;
os corpos não adquirem velocidade.
II. Suponha que o corpo B seja substituído por outro (corpo C) de massa igual à do
corpo A. Tal como na situação exposta na questão I, os dois corpos são
abandonados na calha em momentos distintos, entretanto, a altura em relação à
base em que o corpo A é deixado é menor que a do corpo C. Nesta nova situação,
ao final da trajetória:
a)
b)
c)
d)
as velocidades dos dois corpos são iguais;
a velocidade do corpo A é maior que a do corpo C;
a velocidade do corpo C é maior que a do corpo A;
os corpos não adquirem velocidade.
Agora, utilize o dispositivo e observe o que ocorre quando os corpos são
abandonados na calha, conforme as formas descritas nas questões I e II. Compare
suas observações com suas respostas anteriores. Elas coincidem?
2
A descrição para a montagem do dispositivo se encontra no Anexo 1.
1 - A figura 6 ilustra um dispositivo constituído de um trilho com uma mola elástica
fixada em uma de suas extremidades. Suponha que uma caixa de massa M = 2 kg
seja abandonada no trilho, a partir do repouso, a uma altura h = 1 m em relação
ao solo.
Figura 6
Sabendo-se que a caixa: desce no trilho; comprime a mola; volta a subir no trilho;
e que neste movimento o atrito é desprezível, responda:
a) Qual é a compressão máxima da mola?
Dados: k = 4000 N/m e g = 10 m/s².
b) Qual a altura atingida pela caixa no seu movimento de subida no trilho?
2 - (UERJ – 2008) Desde Aristóteles, o problema da queda dos corpos é um dos
mais fundamentais da ciência. Como a observação e a medida diretas do
movimento de corpos em queda livre eram difíceis de realizar, Galileu decidiu
usar um plano inclinado, onde poderia estudar o movimento de corpos sofrendo
uma aceleração mais gradual do que a gravidade. Observe, a seguir, a reprodução
de um plano inclinado usado no final do século XVIII para demonstrações em
aula.
MICHEL RIVAL. adaptado de Os grandes experimentos científicos . Rio e Janeiro: Jorge Zahar, 1997.
Admita que um plano inclinado M1,
idêntico ao mostrado na figura, tenha
altura igual a 1,0 m e comprimento da base
sobre o solo igual 2,0 m. Uma pequena caixa
é colocada, a partir do repouso, no topo do
plano inclinado M1 e desliza praticamente
sem atrito até à base. Em seguida, essa
mesma caixa é colocada, nas mesmas
condições, no topo de um plano inclinado
M2, com a mesma altura de M1 e
comprimento da base sobre solo igual a 3,0
m. A razão V1/V2 entre as velocidades da
caixa ao alcançar o solo após deslizar,
respectivamente, nos planos M1 e M2, é
igual a:
3 – (ENEM – 2005) Observe a situação descrita na tirinha abaixo. Assim que o menino
lança a flecha, há transformação de um tipo de energia em outra.
A transformação, nesse caso, é de energia:
a) potencial elástica em energia gravitacional.
b) gravitacional em energia potencial.
c) potencial elástica em energia cinética.
d) cinética em energia potencial elástica.
e) gravitacional em energia cinética.
4 –Na ilustração a seguir, é apresentada mais uma fonte de energia – a eólica. Este
tipo de energia tem sido aproveitado “desde a Antigüidade para mover os barcos
impulsionados por velas ou para fazer funcionar a engrenagem de moinhos, ao mover
suas pás. Nos moinhos de vento a energia eólica era transformada em energia
mecânica, utilizada na moagem de grãos ou para bombear água. Os moinhos foram
usados para fabricação de farinhas e ainda para drenagem de canais, sobretudo nos
Países Baixos. Na atualidade utiliza-se a energia eólica para mover aerogeradores grandes turbinas colocadas em lugares de muito vento. Essas turbinas têm a forma de
um cata-vento ou um moinho.” 5
Complete as lacunas da sentença, de modo a
torná-la correta.
O movimento dos aerogeradores ocorre devido à
que advém do vento e produz
energia
, através de um gerador,
energia
para o funcionamento de aparelhos elétricos.
Figura 7: aerogeradores6
7) SUGESTÃO PARA APROFUNDAMENTO DO CONTEÚDO:
Este tema é favorável ao enfoque interdisciplinar, particularmente no que se
refere à CTS (Ciência – Tecnologia- Sociedade). Assim, apresenta-se como
sugestão, o desenvolvimento de uma atividade extraclasse, na qual os alunos
deverão aprofundar o estudo sobre uma das formas de geração de energia elétrica
e seus impactos no meio ambiente. Considera-se importante que esta atividade seja
realizada em grupo, de modo que previamente, seja destinada a cada um deles o
tipo de geração de energia a ser pesquisado. Após um período de tempo
determinado pelo professor, os grupos de alunos apresentariam em sala de aula os
resultados da atividade extraclasse, favorecendo o debate e o enriquecimento
cultural de toda a turma sobre o assunto.
Anexo 13
1. Construção
Material Necessário:
-
80 cm de tubo de PVC de 100 mm;
1 placa de madeira de 40 cm x 10 x 2 cm;
5 parafusos em L;
1 placa de madeira de 4 cm x 10 cm x 1,5 cm;
cola de madeira;
serra de arco;
alicate.
Montagem:
Canaleta
Corte o tubo de PVC ao meio,
longitudinalmente, ficando com duas
calhas. Repita o procedimento com as
calhas para que, ao final, tenha quatro
calhas iguais.
Para possibilitar o encurvamento
da calha e, conseqüentemente, sua
inclinação em relação ao plano horizontal,
faça cortes transversais na calha,
usando uma serra de arco. Faça cortes
paralelos e bem próximos uns dos outros.
3
cortes
A descrição da montagem foi elaborada pelo licenciando Pierre Amorim Soares.
Fixe a calha na placa de madeira de 40 cm x 10 cm x 2 cm, usando os parafusos
em L. Para isso, prenda os parafusos na madeira de modo que a parte encurvada do
parafuso fique por cima da calha prendendo-a à placa.
Cole a placa pequena à placa maior para inclinar a calha, usando cola de madeira.
1
Proposta elaborada pelo licenciando Julien Lopes Pereira do Curso de Graduação em Física da UFF, na disciplina
Atividades Acadêmicas Curriculares – Iniciação à Extensão II, no 1º semestre letivo de 2007.
2
Disponível em: <www.soletrol.com.br>. Acesso em maio de 2007.
3
GUIMARÃES, Luiz Alberto Mendes; FONTE BOA, Marcelo. Física: Mecânica. 2 ed. Niterói-RJ: Futura, 2004.
4
Disponível em: < www.cepa.if.usp.br/energia >. Acesso em maio de 2007.
5
Disponível em: < http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_e%C3%B3lica >. Acesso em: junho de 2007.
6
Disponível em: < www.etfto.gov.br/projetos/gefre>. Acesso em: maio de 2007.