A FÍSICA E O UNIVERSO

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A FÍSICA E O UNIVERSO
Guia dos professores
I. Introdução
No endereço eletrônico www.hugo.pro.br/astronomia.htm se encontra disponível a
hipermídia “A Física e o Universo”, onde a física presente no ensino médio é utilizada como
uma ferramenta para a compreensão de questões relacionadas com a astronomia e a
astronáutica. Essa hipermídia foi desenvolvida como produto educacional de uma dissertação
de Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática do CEFET/RJ, e também se encontra
disponível em um CD-ROM, anexado à dissertação de mestrado “Uma Proposta de Ensino de
Física Contextualizado com a Astronomia e a Astronáutica”, de autoria de Hugo Henrique de
Abreu Pinto, com orientação de Sergio Eduardo Silva Duarte.
O objetivo do produto educacional é disponibilizar um material que possa servir de
suporte a professores de física interessados em enriquecer suas aulas com temas relacionados
à astronomia e à astronáutica, além de servir como material didático aos alunos.
Neste Guia dos Professores, apresentaremos:

os conteúdos do hipertexto e suas relações com a física do ensino médio (seção II);

os recursos didáticos do hipertexto (seção III);

algumas sugestões de aplicação em sala de aula (seção IV).
II. Os conteúdos da Hipermídia
A figura abaixo mostra a página inicial da hipermídia, com uma apresentação aos
alunos:
Figura 1 - Página inicial da hipermídia.
2
Os conteúdos foram divididos em duas unidades: “Unidade 1 – qual é o tamanho do
universo” e “Unidade 2 – os corpos celestes se movimentam?”, que podem ser acessados
pelos menus da hipermídia (abaixo do cabeçalho da página e do lado esquerdo dos
conteúdos).
A seguir, descreveremos os conteúdos de cada uma das unidades, e as relações entre
esses conteúdos e os conteúdos tradicionais da física do ensino médio.
II.1 Unidade 1 – Qual é o Tamanho do Universo?
Nesta unidade, é apresentado um “mapa do universo”, de forma a situar o leitor em
qualquer discussão subsequente sobre astronomia e astronáutica. São discutidas as escalas
astronômicas de tamanhos e distâncias, além de estimativas de quantidades de corpos
celestes no universo. A Terra é situada no universo como fazendo parte de um sistema
planetário como outros existentes, orbitando uma estrela como outras que vemos à noite, e
pertencente a uma das muitas de galáxias existentes no universo.
A unidade se inicia com um convite ao leitor para prestar atenção no céu
[1]
, citando
alguns corpos celestes que podem ser observados olho nu. Essa apresentação inicial pretende
fazer um gancho entre aquilo que o leitor provavelmente já sabe e aquilo que se pretende
apresentar.
Em seguida, inicia-se a discussão da Terra inserida no modelo do Sistema Solar
[2]
.
Para começar essa discussão, apresenta-se uma imagem provavelmente conhecida pelo leitor:
o modelo de planetas orbitando em torno do Sol, fora de suas escalas reais de tamanho e
distância (figura 2).
Figura 2 – Representação do Sistema Solar fora de escala de tamanho e distância (fonte:
http://aprenderbrincando.no.sapo.pt/sistema_solar.htm. Acesso: 30/01/2012.)
[1]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.1.htm.
.[2]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.2.htm.
3
Na página seguinte, o modelo do Sistema Solar começa a ser melhorado,
apresentando-se escalas de tamanho entre astros do Sistema Solar
[3]
(figura 3).
Figura 3 – Representação do Sistema Solar em escala de tamanho.
(Fonte: http://arcageografica.blogspot.com/2009/06/aprendendo-fazer-maquetes-do-sistema.html.
Acesso: 30/01/2012.).
Ainda dentro da discussão sobre o Sistema Solar, recorda-se o fato de o Sol ser uma
estrela, servindo de gancho para a discussão sobre as escalas de tamanho entre as estrelas
[4]
(figura 4). Mostra-se a existência de estrelas menores e maiores que o Sol, servindo como uma
primeira evidência de que o Sol não possui nenhuma característica especial em relação a
outras estrelas observadas a noite.
Figura 4 – Algumas estrelas e o planeta Júpiter em escalas de tamanho. (Fonte:
http://www.astro.iag.usp.br/~gastao/PlanetasEstrelas/. Acesso: 30/01/2012.)
Nesta etapa, já foi trabalhado o conceito de escala de tamanho, importante não só
para a física como para outras disciplinas escolares, como a geografia, por exemplo.
[3]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.3.htm.
[4]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.4.htm.
4
Para fazer uma relação entre aquilo que o leitor costuma observar a noite e os
tamanhos reais apresentados, trabalha-se a relação entre os tamanhos observados e as
distâncias
[5]
. Com isso, fica claro que as estrelas observadas a noite se encontram muito mais
distantes de nós do que o Sol e que, consequentemente, a única estrela pertencente ao
Sistema Solar é o Sol.
Nessa discussão, trabalha-se também o conceito de escala de distância.
A discussão anterior serve de gancho para se trabalhar com distâncias astronômicas
[6]
.
Nessa parte, desenvolve-se com o conceito físico de unidade de distância, como os
quilômetros e os anos-luz, e é dado um exemplo do motivo de existirem várias unidades.
Também apresenta-se o método da paralaxe como um exemplo da forma como as
distâncias astronômicas são conhecidas
[7]
. Mas do que isso, o método da paralaxe dá um
exemplo do método científico, que geralmente é discutido como uma introdução à física.
Depois de se demonstrar que o Sol é uma estrela semelhante a outras (pelo menos em
relação à tamanho) também é discutido o fato de o Sol não ser a única estrela a ser orbitada
por planetas
[8]
. Uma notícia de descoberta de planeta fora do Sistema Solar é mostrada e
interpretada, buscando o desenvolvimento de competências relacionadas à interpretação de
notícias de caráter científico.
Também faz-se uma breve discussão sobre a possibilidade de existência de vida fora
da Terra e a possibilidade de viagens espaciais
[9]
. Nesta etapa, o conceito de ano-luz é
reforçado e faz-se uma citação à Teoria da Relatividade, sobre a impossibilidade de viagens
acima da velocidade da luz.
Por último, a discussão sobre a possibilidade de vida fora da Terra serve de gancho
para uma discussão sobre a quantidade de estrelas no universo. Para isso, discute-se o
conceito de galáxia, e, em especial, a Via-Láctea
[10]
. Em seguida, apresenta-se a nossa
galáxia como uma entre bilhões de outras. Com isso, realiza-se uma estimativa de quantidade
de estrelas no universo observável
[11]
. Nesta discussão, deixa-se claro que as quantidades
apresentadas são aproximações, exemplificando o conceito físico de ordem de grandeza.
[5]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.5.htm.
[6]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.6.htm.
[7]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.7.htm.
[8]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.8.htm.
[9]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.9.htm.
[10]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.10.htm.
[11]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_1.11.htm.
5
Como pode ser verificado, esta unidade apresenta conteúdos tradicionais conhecidos
como “introdução à física”. Entre os conceitos físicos trabalhados na unidade, podemos listar:

escalas de tamanho e distancia;

unidades de medida (quilômetros e anos luz);

método científico;

ordens de grandeza.
I.2. Unidade 2 – Os corpos celestes se movimentam?
Nessa unidade, os corpos celestes estudados na Unidade 1 são revisados com foco em
uma característica comum a todos: o movimento. Em especial, são discutidos os movimentos
dos corpos celestes do Sistema Solar, já que muitos desses astros podem ser observados a
olho nu e a Mecânica Newtoniana pode ser aplicada a eles sem muitas exceções. Nesse
ponto, é deixado claro que os princípios que regem os movimentos dos corpos celestes são os
mesmos que regem os movimentos observados na Terra, além de movimentos de satélites
artificiais, de foguetes espaciais etc., fazendo uma ponte para a Astronáutica.
Assim como na Unidade 1, a Unidade 2 é iniciada citando alguns corpos celestes
observados a olho nu. Entretanto, agora a ênfase é dada nas mudanças de posições dos
corpos celestes observadas ao longo do tempo. Deixa-se claro que qualquer mudança de
posição representa um movimento, por mais lenta que seja essa mudança. Dessa forma,
apresenta-se uma definição de movimento. Alguns desses movimentos são representados
por curvas (figura 5), exemplificando o conceito físico de trajetória.
Figura 5 – Trajetória de estrelas no céu, obtida com fotografia de longa exposição. (Fonte: Curso de
aperfeiçoamento de professores da Fundação Planetário do Rio de Janeiro – 2009.)
Em seguida, faz-se uma breve discussão histórica sobre a transição do geocentrismo
para o heliocentrismo
[12]
[12]
, como forma de introdução aos movimentos dos astros do Sistema
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.2.htm.
6
Solar. Faz-se uma revisão sobre os movimentos dos planetas e satélites do Sistema Solar
(figura 6) e, de forma mais específica, sobre os movimentos da Terra e da Lua
[13]
[14]
. Em especial,
cita-se as velocidades dos movimentos da Terra e da Lua, e em km/h e em km/s. Dessa forma,
introduz-se o conceito físico de velocidade e diferentes unidades de velocidade.
Figura 6 – Planeta Júpiter e órbitas de cinco de seus satélites naturais. (Imagem produzida com o
programa Celestia.)
A discussão até esse ponto apresenta uma aparente contradição: enquanto que a olho
nu vemos os astros em movimento, dentro do nosso modelo de Sistema Solar é a Terra quem
se move. Para explicar essa aparente contradição, apresenta-se o conceito físico de
referencial. Ou seja, mostra-se que os movimentos observados na Terra usam a Terra como
referencial, enquanto que os movimentos do modelo de Sistema Solar usam o Sol como
referencial
[15]
. Isso é feito através de uma analogia com os movimentos observados dentro de
um brinquedo de parque de diversão.
Através do conceito de referencial, explica-se também por que não sentimos os
movimentos da Terra
[16]
, fazendo uma analogia com a viagem em veículos em movimento
retilíneo com velocidade constante [17].
Nossa noção de “embaixo” e “em cima” também é trabalhada como uma questão de
referencial
[18]
. Mostra-se que, no meio do espaço, longe de corpos celestes, não existe um
referencial como o solo terrestre, e por isso a noção de “embaixo” e “em cima” é perdida. Com
isso, explica-se porque uma pessoa no hemisfério sul da Terra não se sente de “cabeça para
baixo”. Também cita-se o fato de a gravidade da Terra atrair tudo nas proximidades de sua
superfície em direção ao solo, sem que exista a possibilidade de uma pessoa no hemisfério sul
“cair em direção ao espaço vazio”.
[13]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.3.htm
[14]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2,4.htm
[15]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.5.htm
[16]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.6.htm
[17]
Nessa etapa, deixa-se claro que, apesar de a Terra não apresentar uma trajetória retilínea, podemos considerar sua trajetória,
para nós, como aproximadamente retilínea.
[18]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.7.htm
7
Depois de descritos os movimentos no Sistema Solar, começa-se a discussão sobre as
causas desses movimentos [19]. Para isso, faz-se uma breve introdução sobre o conceito de lei
da natureza e cita-se a as leis de Newton dos movimentos e a Lei da Gravitação Universal.
As três leis de Newton são trabalhadas usando como exemplo os movimentos dos
ônibus espaciais
espacial
[20]
. A Lei da Ação e Reação é exemplificada pelo lançamento do ônibus
[21]
; a Lei da Inércia é demonstrada pelo movimento do ônibus espacial, mesmo após
a ejeção do tanque externo de combustível e dos foguetes propulsores
[22]
(figura 7); o
Principio Fundamental da Dinâmica aparece através das mudanças de movimento do
veículo espacial, como o posicionamento para a reentrada na atmosfera terrestre e a freagem
no solo [23].
Figura 7 – Ônibus espacial ejetando seus foguetes propulsores. (Fonte:
http://profclaudenir.blogspot.com/2011/04/onibus-espacial.html. Acesso: 30/01/2012.)
Durante a apresentação das leis de Newton do movimento, também são feitos paralelos
com os movimentos observados na superfície da Terra, em especial em relação à Lei da
Inércia [24].
A Lei da Gravitação Universal também é descrita
[25]
, lançando-se em seguida a
seguinte questão: por que os satélites (naturais e artificiais) não caem na Terra? Após uma
breve descrição sobre “o que é um satélite”
[26]
, suas órbitas são explicada usando-se o
[19]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.8.htm.
[20]
Apesar da aposentadoria do projeto dos ônibus espaciais (http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/fisica-sem-misterio/o-ultimo-voo-
da-aguia, acesso em 30 jan. 2012) usamos esse exemplo por acreditarmos que os ônibus espaciais ainda representam os veículos
espaciais mais familiares à maioria dos brasileiros. Talvez no futuro seja necessária uma atualização do material produzido.
[21]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.9.htm.
[22]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.10.htm.
[23]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.12.htm.
[24]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.11.htm.
[25]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.13.htm.
[26]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.14.htm.
8
exemplo da “montanha de Newton”, de forma qualitativa
[27]
(figura 8). Deixa-se claro que, sem
a força gravitacional, as órbitas de satélites naturais e artificiais não existiriam, assim como as
órbitas dos planetas.
Figura 8 – a) Satélite lançado com velocidade abaixo da orbital; b) satélite lançado com a velocidade
orbital; c) Satélite lançado com velocidade acima da orbital. (Imagem produzida com o programa
Modellus.)
Para finalizar, explica-se que, devido à Lei da Gravitação Universal, tudo no universo
que possui matéria se movimenta
[28]
. Mostra-se que, em relação à Via-Láctea, o Sol possui
movimento de translação, e as galáxias possuem movimentos umas em relação às outras.
Em resumo, esta unidade apresenta conceitos tradicionalmente trabalhados dentro área
da mecânica, na física do ensino médio. Entre os conceitos trabalhados, podemos listar:

conceito de movimento;

trajetória;

conceito de velocidade e algumas unidades;

referenciais;

conceito de lei da natureza;

leis de Newton do movimento;

Lei da Gravitação Universal;

movimento orbital
III. Recursos Didáticos da Hipermídia
A hipermídia descrita aqui foi pensada para servir de material para alunos e como
suporte a professores. O texto da hipermídia foi escrito em linguagem acessível aos alunos,
mas também pode ser usada por professores como orientação, em relação aos conteúdos e
abordagens a serem trabalhados em sala de aula.
[27]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.15.htm.
[28]
Disponível em www.hugo.pro.br/astronomia_2.16.htm.
9
Além do texto em si, existem recursos didáticos adicionais. A maior parte desses
recursos só existe graças ao formato de hipermídia. A seguir, vamos listar e descrever esses
recursos:
 Links ao longo do texto: frequentemente, uma parte do texto cita outras partes.
Nesses casos, existem links que levam para as páginas citadas. Os menus da
hipermídia, na parte superior abaixo do cabeçalho da página e no lado esquerdo dos
conteúdos (figura 1), também permitem a navegação a qualquer página do texto de
forma simples. Para navegação seqüencial, existe a barra de navegação no final dos
conteúdos (figura 9).
Figura 9 – Página inicial da hipermídia.
 Quadros de “atividades”: são atividades propostas para alunos, como observações
do céu, instalação e utilização de programas em suas casas, observação de vídeos
etc.
 Questões: são perguntas para serem pensadas pelos alunos, onde as respostas
aparecem e desaparecem clicando no link “resposta” (figura 10). Também podem ser
utilizadas por professores para gerar discussões em aula ou como questões
avaliativas.
Figura 10 – Questão com resposta acessada com clique.
10
 Quadros “para o professor”: contêm sugestões e informações adicionais para os
professores. Possuem, por exemplo, os conteúdos tradicionais de física presentes
em cada página. Por interessar apenas aos professores, esse quadro abre e fecha
ao se clicar no link “para o professor”.
 Quadros “saiba mais”: contêm informações mais aprofundadas sobre o texto. Não
são de leitura obrigatória para o entendimento do texto, por isso abrem e fecham ao
se clicar no link “saiba mais” (figura 11). Servem para alunos mais interessados e são
especialmente úteis para professores.
Figura 11 – Quadros “saiba mais” e “para o professor”, acessados com cliques.
 Links para referências: todas as referências do texto foram obtidas pela internet, para
facilitar o acesso. As referências são numeradas e entre chaves, listadas no final de
cada unidade. Ao longo do texto, cada numeração de referencia é um link para a
página da referência. As referências são especialmente úteis para professores, já
que a maioria delas se encontra em um nível de profundidade acima do que seria
recomendado para um aluno de ensino médio.
 Vídeos: ao longo do texto, existem vídeos que podem ser assistido diretamente da
página (figura 12).
11
Figura 12 – Atividade com vídeo.
 Appet: o texto também possui um applet, simulando o experimento mental da
montanha de Newton. Esse applet pode ser operado direto da página, mas também
está
disponível
para
download
livre
em
(http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/more_stuff/Applets/newt/newtmtn.html).
 Página de download: nos menus da hipermídia, existe um link para a página
“downloads” (figura 1), onde podem ser baixados textos em pdf e apresentações em
ppt relativos aos conteúdos das duas unidades. Nessa página também pode ser
baixado um trabalho apresentado no XIX SNEF, descrevendo uma aplicação dos
conteúdos da hipermídia. As apresentações em ppt são especialmente úteis para
professores, para serem usados durante suas aulas. O texto em pdf é útil para ser
impresso por alunos sem acesso a computadores, apesar da ausência de alguns
recursos didáticos. O trabalho do SNEF também é útil na orientação de professores.
IV. Propostas de Aplicação
Sabendo das várias realidades que existem no contexto educacional, pensamos em um
material que fosse flexível para sua utilização. Apesar disso, podemos estabelecer algumas
“regras” e fazer algumas propostas.
Durante a aplicação em sala de aula, o hipertexto poderia servir como material de
estudos aos alunos, em casa, e as aulas deveriam ser apresentadas em ppt, projetadas por
datashow. Isso significa que, para o professor, o hipertexto deveria servir com orientação para
o desenvolvimento das aulas.
12
Alguns tópicos podem ser trabalhados em aula sem a utilização de multimídias, apesar
de isso tirar o potencial didático das imagens. Os vídeos presentes na hipermídia e o applet
citado na seção III se encontrem anexados no PPT, disponível na página de download
[29]
, mas
também podem ser acessadas de seus sites de origem (endereços ao longo da hipermídia),
caso haja computador com acessa a internet em aula.
Conforme já vimos, a Unidade 1 possui conceitos associados à “introdução à física”.
Isso significa que ela poderia ser aplicada nas primeiras aulas de um curso de física de ensino
médio, especialmente para turmas de primeiro ano.
A Unidade 2 possui conceitos de mecânica, o que significa que ela é especialmente útil
ao ser aplicada em cursos de mecânica de ensino médio. A Unidade 1 pode ser apresentada
antes da Unidade 2, como uma introdução, mas a Unidade 2 também foi desenvolvida para ser
trabalhada de forma independente.
Durante uma aplicação dos conteúdos da hipermídia por um dos autores do projeto,
optou-se por discutir todo o seu conteúdo sequencialmente, ao longo de todo o primeiro
bimestre do ano letivo de 2010, em uma turma de ensino noturno da rede estadual do Rio de
Janeiro.
Nessa aplicação, foram necessárias duas aulas de 80 minutos cada para a aplicação da
unidade 1 e mais três aulas de 80 minutos para a aplicação da unidade 2. Esse tempo pode
parecer pouco, mas muitos detalhes da hipermídia foram colocados apenas para tornar o texto
mais preciso. Não devemos nos esquecer que o objetivo principal do material produzido não é
o ensino de astronomia, mas sim a motivação para a aprendizagem de física.
Apesar da aplicação testada em sala de aula, nada impede que a hipermídia seja
utilizada de forma mais flexível. Os conteúdos da Unidade 2 poderiam ser aplicados, por
exemplo, em um curso de mecânica seguindo uma organização tradicional de conteúdos, com
seus tópicos sendo apresentados ao longo do ano como exemplos para os conteúdos
tradicionais. Por exemplo, o tópico “por que não sentimos os movimentos da Terra”
(www.hugo.pro.br/astronomia_2.6.htm) poderia ser aplicado durante a abordagem tradicional
de
referenciais;
ou
o
tópico
sobre
o
lançamento
do
ônibus
especiais
(www.hugo.pro.br/astronomia_2.9.htm) poderia ser aplicado durante a abordagem tradicional
da Lei da Ação e Reação.
[29]
Downloads disponíveis em www.hugo.pro.br/astronomia_2.17.htm.