Estudar é uma tarefa naturalmente difícil, mas tarefas difíceis podem ser prazerosas. Então, bora estudar?
Bores Steam
Esse espaço é dedicado aos professores de Física que querem inovar suas aulas numa proposta que estimula o protagonismo dos seus estudantes. Aqui se aprende Física com a mão na massa!
ATIVIDADES
Carrinho Foguete
ProDuração: 6 horas/aula.
Eixos Pedagógicos: Cinemática vetorial, Leis de Newton, Momento Linear.
Aula 1
Construindo o carrinho foguete
Os alunos devem ser divididos em duplas.
O carrinho foguete é um brinquedo de simples construção, feito utilizando materiais baratos, acessíveis e fáceis de se encontrar.
Material
Para a construção de 01 (um) carrinho são necessários:
1 – palito roliço de madeira (28 cm);
1 - canudo plástico;
1 – balão de aniversário
1 – rolo de fita crepe ou durex
4 – tampas de garrafa PET
1 – tesoura
1 – Pedaço de papelão 10cm x 30 cm.
- Cópias de setas (word) com tamanhos variáveis para recortar. Por exemplo 10 setas pequenas, 10 médias e 10 grandes.
Para a construção do carrinho optei por deixar que meus alunos fizessem seguindo a ordem que eles quisessem, deixando um modelo construído para que eles pudessem observar. Neste momento é comum que alguns queiram construir carrinhos muito sofisticados, enquanto outros farão cópias fiéis ao modelo. O negócio é deixar a imaginação deles fluir. Para furar as tampinhas usei um ferro de solda com a ponta quente. Cuidado, os alunos devem ser assistidos nesta etapa. Os furos devem ser suficientes para o palito passar apertado. Algumas dicas irão ajudar a melhorar o desempenho dos carrinhos, tais como: peso do material, rodas de tampas iguais, eixos alinhados e correndo livres, rodas bem presas aos eixos, suporte do balão com abertura suficiente. Nesses casos vale a pena intervir para um melhor resultado. Após a construção é hora de lançar. Vale a pena fazer uma competição com os alunos para ver qual carrinho tem maior alcance. Eu fiz valendo uma caixa de bombom.
Aula 2
Cronometrando o lançamento
Para essa atividade peça aos alunos que coloquem os carrinhos sobre o chão e filmem o lançamento. Durante a filmagem é importante definir alguns instantes que serão utilizados para o registro das grandezas física envolvidas. A marcação do tempo do lançamento será feita utilizando o próprio cronômetro da filmagem. O professor deverá selecionar alguns instantes chave para a determinação destas grandezas. No meu caso, eu filmei o lançamento de um carrinho sobre uma mesa (veja vídeo). Para minha sorte o lançamento durou exatos 4,0 segundos do instante em que o carrinho foi solto até ele parar, exatamente no final da mesa! Dessa forma eu utilizei os instantes t0 = 0s, t = 1s, t = 2s, t = 3s e t = 4s para o registro das grandezas. Pra cada um desses instantes foi feita uma foto do carrinho e entregue para cada grupo de alunos. Essas fotos foram coladas na parede da sala numa sequência que parece o próprio filme do lançamento. A partir daí os alunos irão colar em cada imagem, as setas que irão representar as grandezas vetoriais do movimento.
Aula 3
Velocidade Vetorial Instantânea
Nesta atividade deveremos ter as setas impressas e tesoura para que os alunos possam recortá-las. Podemos deixara as setas já recortadas para agilizar para os alunos e evitar perda de tempo, sujeira e setas cortadas erradas. A tarefa é representar, utilizando as setas as velocidades vetoriais do carrinho e do ar expulso do balão em cada instante. As setas deverão ser coladas sobre cada foto, de cada instante, utilizando fita adesiva. Peça para os alunos colarem as setas em todo o seu comprimento para que elas não fiquem caindo umas sobre as outras. É importante observar que os tamanhos das setas serão indicativos das intensidades dos vetores em cada caso e que a escolha dos alunos é o fator fundamental a ser analisado. Esta orientação sobre os tamanhos das setas deve ser dada aos alunos para que eles considerem isto durante a atividade, refletindo será que a velocidade do carrinho é maior que a do ar?
Aula 4
Forças e acelerações instantâneas
Agora os alunos deverão representar, com as setas as forças trocadas entre o carrinho e o ar, ou seja, a força que o ar exerce sobre o carrinho e a força que o carrinho exerce sobre o ar, e ainda, a força de atrito total aplicada sobre o carrinho em cada instante. Além disso deverão representar a aceleração do carrinho em cada instante. Novamente as questões sobre os tamanhos das setas deverão estar presentes na atividade.
Aula 5
Quantidade de Movimento
Nesta etapa os alunos irão representar as quantidades de movimento do carrinho e do ar em cada um dos instantes analisados, sempre ponderando a respeito dos tamanhos dos vetores.
Aula 6
Avaliação
Finalmente temos todos os vetores colados em cada uma das fotos e todos os instantes devidamente estudados por cada dupla. É hora de revelar o gabarito. A partir da observação do gabarito e da discussão com o professor os alunos poderão observar eventuais erros que tenham cometido e corrigi-los, para que seu histórico do lançamento fique correto. O professor poderá atribuir um valor a cada vetor colocado de forma correta, de acordo com os princípios fundamentais analisado (ação e reação, conservação do momento, etc)
Observações
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O gabarito – Para a construção do gabarito o professor pode fixar as 5 fotos dos instantes e colocar as setas correspondentes a cada uma das grandezas física analisadas e cobrir cada uma com uma cartolina;
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Durante a avaliação o professor deve estar atento aos princípios físicos envolvidos e os alunos devem perceber a relação existente entre as imagens, ou seja, as velocidades irão diminuindo gradativamente, bem como as quantidades de movimento; estas por sua vez são iguais em intensidade a cada instante, para o carrinho e o ar (conservação do momento), etc.
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A duração da atividade pode ser redefinida, caso o professor opte por suprimir alguma das grandezas ou alterar a ordem, conforme melhor lhe convier. Esta modalidade foi muito produtiva quando aplicada em uma oficina de Física, onde o cumprimento das atividades ocorre com maior liberdade de tempo.
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A cooperação da dupla deve ser sempre um fator de avaliação.
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t = 0 s
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t = 3 s
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t = 4 s
Alunos - t = 0 s
Alunos - t = 2 s
Alunos - t = 1 s
Alunos - t = 3 s
Alunos - t = 4 s
ESTUDO DAS ALAVANCAS – TORQUE
O objetivo da aula era que os estudantes construíssem pequenos móbiles utilizando hastes de madeira (palitos de algodão doce -38 cm), barbante e arruelas de metal no intuito de verificar as condições de equilíbrio estável de um objeto extenso e a partir desta construção pudessem determinar as relações matemáticas que levariam à dedução da expressão matemática do torque
.
Materiais básicos
Inicialmente entreguei aos estudantes, em duplas, uma haste de madeira, barbante, régua e caneta e solicitei que eles encontrassem o centro de gravidade (CG) da haste para que pudessem pendurá-la e observar o equilíbrio estável. Neste momento expliquei que havia duas formas de se encontrar o CG: 1) Medindo a haste e determinando seu ponto médio, supondo a haste homogênea; 2) Apoiando a haste horizontalmente sobre os dedos indicadores e lentamente ir aproximando os dedos até que eles se encontrassem próximos ao CG da haste (Figura 1)
Haste em equilíbrio estável
Ao realizar esta demonstração pedi aos estudantes que observassem o comportamento da haste sobre os meus dedos e notassem que, às vezes a haste deslizava sobre um dedo permanecendo fixa sobre e depois este efeito se alternava até que os dedos se encontravam próximos ao meio da haste. Argui os alunos sobre este fenômeno e pedi que eles rentassem explicá-lo. Após alguns minutos um dos alunos me perguntou: Professor, qual é mesmo a fórmula para calcular a força de atrito? Escrevi a fórmula no quadro e falei da importância de se compreender esta fórmula para poder explicar o tal fenômeno.
Na sequência passei para os alunos as seguintes tarefas:
1ª) Pendurar a haste com um pedaço de barbante até que ela ficasse em equilíbrio estável;
2ª) Com o auxílio do barbante pendurar na haste 3 arruelas de tal forma que a haste se mantivesse em equilíbrio. Depois, 4 arruelas e por fim 5 arruelas.
As construções foram bastante diversas entre si. Alguns colocaram uma arruela em cada extremidade da haste e uma centralizada. Outros, mais originais, distribuíram as arruelas ao longo da haste e iam, por tentativa e erro, dispondo-as até atingirem o equilíbrio. Todos, de alguma forma, conseguiram.
Haste em equilíbrio com duas arruelas de um lado e três do outro
(Figura 2)
Uma dupla sugeriu uma explicação para o deslizamento da haste sobre os meus dedos: Professor, como a força de contato entre o dedo e a haste é maior quanto mais próximo do CG, quanto mais próximo o dedo estiver do CG, maior a força de atrito e, portanto, o dedo mais afastado do CG tende a deslizar mais que o outro.
Posteriormente passei para os estudantes a seguinte tarefa:
1ª) Considere cada arruela como uma Unidade de Referência de Massa (1 URM);
2ª) Escolha uma situação de equilíbrio da haste com uma certa quantidade de arruelas distribuídas ao longo do seu comprimento;
3ª) Com a régua, meça as distâncias das massas até o CG.
4ª) Responda: Qual a relação matemática existente entre a quantidade de massa distribuída ao longo da haste e a distância dessas massas ao CG?
Os resultados das medições são os apresentados a seguir, por dupla e lados A e B da haste.
Na tentativa de executar a 4ª tarefa e responder à questão proposta um dos integrantes da dupla nº 2 perguntou: Professor, nas nossas medições observei que a soma dos valores obtidos em cada lado da haste (massa + distância) resultou em 17 e 14. Seria esta a relação esperada? Para ajudar na resposta, anotei todos os valores encontrados por cada dupla (tabela acima) no quadro e pedi para que os alunos pensassem sobre a dúvida e na possibilidade de relação matemática que o aluno havia proposto. Sem muita dificuldade alguns estudantes perceberam que aquela relação, obtida a partir da soma dos valores não revelava nenhuma identificação entre as experiências, mas que outra relação, agora baseada nos quocientes e nos produtos desse valores parecia mais adequada. A partir daí propus a relação do produto das massas pela distância ate o CG, fazendo a comparação entre os dois lados da haste. A partir dai a conceituação de Torque ( T ), tornou-se bastante intuitiva. T = F x d .
Materiais básicos
Figura 1
Figura 2
RELÓGIO DE SOL COM GARRAFA PET
Eixos pedagógicos: Óptica geométrica, Coordenadas geográficas, Medidas de ângulos, Triângulos retângulos.
Grupos de 2 alunos
Carga horária: 3 horas/aula
Material:
1 – garrafa PET lisa e incolor;
1 – placa de isopor 5 mm;
1 – Barbante;
1 – tesoura;
1 – régua;
1 – estilete;
1 – pedaço de papel chamex colorido;
1 – cola para isopor;
1 – Suporte universal de laboratório de Química;
1 – globo terrestre;
1 – transferidor;
1 – régua.
Obs: Esta atividade está disponível em Manual do Mundo https://www.youtube.com/watch?v=onDE_ZAdkkE
1ª Aula
Construindo o marcador
Para preparar os alunos na compreensão do marcador é importante uma breve explanação a respeito da trajetória dos raios solares e uma pequena demonstração de como os raios do Sol chegam praticamente paralelos à superfície da Terra. Isto pode ser feito colocando-se duas hastes verticais sob o Sol e observando as suas sombras.
Inicialmente deve-se perfurar a tampa e o fundo da garrafa de forma bem centralizada. Eu utilizei um ferro de solda quente, pois o fundo da garrafa é de plástico bem rígido. É importante executar essa tarefa para os alunos ou assisti-los de perto. Após esse passo coloca-se o barbante esticado amarrando para que ele permaneça assim após a garrafa ser tampada. É importante que o barbante esteja escurecido para contrastar com a garrafa o que pode ser feito pintando com pincel para quadro branco. Depois corte um pedaço de papel chamex que tenha 10 cm de largura e cujo comprimento seja suficiente para dar meia volta na garrafa. Com uma régua meça o comprimento do papel e divida em 12 partes iguais. Neste intervalo trace 13 retas paralelas à largura do papel e enumere-as de 6 a 18. Com fita durex cole o papel aproximadamente no centro da garrafa, dando a meia volta.
Encontrando o eixo Norte /Sul geográfico
As pessoas, em geral, desconhecem o fato de que os eixos geográficos e magnéticos da Terra não são coincidentes. Por isto o uso de uma bússola, neste caso, não seria adequado. Portanto devemos traçar o eixo geográfico utilizando o Sol. Para esta tarefa lembre-se: é fundamental que o dia não esteja nublado. Tanto no período da manhã quanto da tarde. Conte com isso, pois São Pedro pode atrapalhar seu planejamento. Coloque o suporte universal numa superfície horizontal. Há vários aplicativos com níveis de pedreiro que podem auxiliar nessa etapa. O suporte deverá estar bem fixado, sob o Sol, e não poderá ser movido durante a tarefa. Amarre um pedaço de barbante (aproximadamente 50 cm) na haste do suporte e coloque um marcador na outra extremidade (pode ser um giz de cera ou lápis), simulando um compasso. Em determinada hora da manhã, por exemplo às 10h, trace uma circunferência que passe pela ponta da sombra da haste vertical do suporte, que está projetada no chão. Marque o ponto em que a ponta da sombra “encosta” na circunferência (P1). Esta sombra estará apontando na direção Oeste. Com a aproximação do meio dia a sombra da haste irá diminuindo. Após o meio dia, quando a sombra da haste começar a aumentar, observe o momento em que a ponta da sombra irá “encostar” novamente sobre a circunferência traçada. Marque este ponto (P2). Esta sombra estará apontando na direção Leste. Com o auxílio de uma régua trace uma reta que contenha os pontos P1 e P2. Este é o eixo Leste/Oeste geográfico. Para traçar o eixo Norte/Sul podemos utilizar um esquadro ou a lateral do isopor (que possui 90⁰) e alinhá-lo ao eixo L/O.
2ª aula
Construindo a rampa suporte
Para essa etapa é necessário conversar com os alunos a respeito da instalação do mostrador e questioná-los qual seria a melhor forma disto ser feito. Nesse momento devemos tratar das diferentes posições geográficas de cada localidade e mostrar como a latitude interfere na incidência de radiação solar em determinada hora do dia. Eles devem perceber (se possível deixar que eles deduzam isto sozinhos) que o relógio deverá ser posicionado de forma que o barbante esteja paralelo ao eixo Norte/Sul geográfico e que isto não seria possível simplesmente apontando a garrafa para o Norte, por exemplo, pois a inclinação da superfície da Terra não permitiria que isto fosse feito ( a não ser que estivéssemos sobre o equador!). A presença de um globo terrestre pode auxiliar muito nessa etapa.
Primeiramente deve-se solicitar aos alunos que pesquisem na internet a latitude (α) da localidade onde eles estão. Depois, com o auxílio do estilete (atenção!), vamos cortar o isopor para fazer uma rampa (Dica: ao cortar o isopor com o estilete evite passar o estilete em cortes compridos, pois isto poderá mastigar o isopor. Procure fazer pequenos movimentos de vai e vem). A base da rampa deve ser retangular, com 20 cm de largura e 40 cm de comprimento.
Para a construção das laterais da rampa deve-se observar que o formato triangular deve ter a inclinação da latitude do local, para que possamos, ao instalar o mostrador sobre a rampa, inclinar a garrafa para “desfazer a inclinação que a latitude provocou”; daí então o barbante ficará paralelo ao eixo Norte/Sul. Para se cortar a tampa da rampa podemos sugerir aos alunos que meçam o comprimento da tampa. Este deverá ter o comprimento da hipotenusa das laterais triangulares, ou então, pedir para que eles calculem este comprimento utilizando relações trigonométricas do triângulo retângulo! Com as quatro placas de isopor recortadas é hora de colá-las. Deixe a rampa suporte em repouso até a cola secar.
3ª Aula
Instalando e calibrando o relógio
Para calibrar o relógio devemos instalá-lo de forma a compensar a inclinação da latitude. Portanto a parte alta da rampa suporte deve estar voltada para o sul, pois estamos no hemisfério sul. Procure fazer esta atividade num momento de hora cheia (10h, 11h, por exemplo). Coloque o mostrador sobre a rampa e gire até que a sombra do barbante esteja alinhada com o traço correspondente à hora certa. Sem mexer no mostrador, fixe a garrafa sobre a rampa, com uma fita adesiva por exemplo. Pronto. O relógio de Sol está pronto para ser utilizado, desde que haja Sol!
