FÁBIO MENDES BAYLÃO EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA

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1 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE FÍSICA MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS FÁBIO MENDES BAYLÃO EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Volta Redonda 2017

2 EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Fabio Mendes Baylão Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal Fluminense no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Orientador: Prof. Dr. Renato Pereira de Freitas Volta Redonda/RJ Junho de 2017

3 EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Fabio Mendes Baylão Orientador: Prof. Dr. Renato Pereira de Freitas Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal Fluminense no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Aprovada por: Volta Redonda/RJ Junho de 2017 i

4 FICHA CATALOGRÁFICA B358 Baylão, Fábio Mendes Experimento didático para aprendizagem da conservação da energia mecânica / Fábio Mendes Baylão f. Orientador: Renato Pereira de Freitas Dissertação (Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física) Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda, Ensino de física. 2. Energia (Física). 3. Recurso didático. 4. Aprendizagem significativa. 5. Ensino médio I. Universidade Federal Fluminense. II. Freitas, Renato Pereira de, orientador. III. Título CDD

5 MANUAL DE CONSTRUÇÃO E APLICAÇÃO 36

6 1. Objetivos O desenvolvimento do conhecimento da física traz como consequência o desenvolvimento da tecnologia e a física é fruto da observação da natureza. Além disso, a aprendizagem é facilitada, quando o aluno consegue ver o conhecimento em sua vida cotidiana. Por definição a energia é a capacidade que um corpo possui em realizar um trabalho, e a busca por dominar a energia sempre foi um interesse dos seres humanos. Buscando alternativas para uma aprendizagem mais significativa, neste trabalho foi construído, um artefato, visto na figura 12, com material de baixo custo, com objetivo de facilitar a aprendizagem, de alunos do ensino médio, do princípio da conservação de energia mecânica através das transformações ocorridas entre as energias potencial elástica e potencial gravitacional. A observação experimental desse princípio irá possibilitar os discentes verificar o quanto esse tema, está presente em seu dia a dia. Para facilitar a compreensão da construção do experimento desenvolvido nesta tese, os materiais necessários e os procedimentos de montagem foram divididos em duas partes (construção do artefato de lançamento da esfera de aço e construção da rampa de lançamento), que serão discutidos nos tópicos abaixo. 2. Construção do artefato de lançamento da esfera de aço 2.1. Material necessário 1. Uma mola de carburador de Brasília figura cm de tubo de PVC de ¾ - figura cm de cavilha de 8 mm - figura Cola 5. Broca de 2 mm figura Fotocopia de uma régua 7 cm - figura Uma esfera de aço (junta homocinética) figura 3. Figura 1. Foto ilustrativa dos componentes do dinamômetro. 37

7 Figura 2. Foto ilustrativa de uma broca de 2mm Figura 3. Foto ilustrativa esfera de aço Montagem Caso sejam encontradas dificuldades na montagem ou queiram colaborar com sugestões ou críticas podem entrar em contato pelo Etapas 1. Fazer com uma broca de 2 mm dois furos na cavilha sendo um no meio (10,5 cm) no qual será preso uma das pontas da mola e o outro na ponta (0,5cm) para auxiliar na aferição do dinamômetro, conforme visto na figura 4. 38

8 2. Colar a fotocopia da régua na cavilha marcando 2 cm da ponta, observando o alinhamento com tubo, conforme visto na figura Fixar a mola na cavilha passando pelo furo do meio da cavilha, conforme visto na figura Fazer um furo no tubo considerando o alinhamento da escala e o tubo e a posição em que a ponta da mola livre está no tubo e assim fazer a marcação, conforme figura Fixar a cavilha dentro do tubo passando a extremidade livre da mola pelo furo do tubo conforme visto na figura 5 e alinhando a régua a ponta do tubo, conforme figura 6. Figura 4. Foto ilustrativa do detalhamento da montagem do dinamômetro. Alinhar furo do tubo com a ponta da mola. Alinhar tubo com a ponta da cavilha. Alinhar tubo com escala. 2,0 cm Figura 5. Foto ilustrativa do detalhamento da montagem do dinamômetro. 39

9 Alinhamento escala-tubo Figura 6. Foto ilustrativa do alinhamento final tubo escala do dinamômetro. Para verificar a constante elástica da mola será necessário utilizar a massa de algum objeto conhecido, neste caso foram utilizados: 1,0 kg de açúcar, 0,5 kg de macarrão e 0,5 kg de café. 6. Utilizar uma massa conhecida. 7. Verificar quanto a mola se distendeu e anotar, como visto na figura 7. Não colocar uma massa muito alta, para não estender demais a mola. 8. Efetuar o cálculo da constante elástica, utilizando a Lei de Hooke (Fel = k.x, onde Fel é a força elástica, k é a constante da mola e x e deformação sofrida pela mola). Figura 7. Foto ilustrativa da aferição da mola. 40

10 Para o caso do experimento construído a constante elástica da mola, calculada utilizando a etapa 8 foi: [1] [2] [3] [4] [5] 3. Construção da rampa de lançamento 3.1. Material Necessário 1.Uma calha plástica de 4,5x4,5x200 cm, figura Dois tubos de PVC de ¾ de 105 cm de comprimento, figura 8 e Um tubo de PVC ¾ de 5 cm de comprimento, figura Um parafuso 5 mm de 10 cm com porca, figura Uma broca de 5 mm, figura 10. Figura 8. Foto ilustrativa dos componentes da rampa. Figura 9. Foto ilustrativa de um dos tubos de 105 cm. 41

11 Figura 10. Foto ilustrativa da broca de 5 mm Etapas da construção da rampa 1. Furar a calha a uma distância de 1,0 cm de uma das pontas e a 1,5 cm da base com uma broca de 5mm, conforme a figura Furar os dois tubos de 105 cm de comprimento com a broca de 5mm a 4,0 cm de uma das pontas conforme figura 8; 4. Transpassar o parafuso pelo furo de um dos tubos de 105cm, pelo furo da calha, por dentro do tubo de 5 cm pelo outro furo da calha e pelo outro tubo de 105 cm e colocar a porca no parafuso apertando-os até fixar os componentes. Conforme figura A calha é composta de duas partes: A calha propriamente dita e uma tampa que é bem flexível, a qual devemos encaixar na calha para que a subida da bolinha ao ser lançada pelo dinamômetro seja suave. Conforme figura 12. Figura 11. Foto ilustrativa da montagem da rampa. 42

12 Figura 12. Foto ilustrativa da montagem da rampa. 4. Metodologia de utilização do produto O dispositivo construído tem como intuito ser utilizado para auxiliar a compreensão do tópico conservação da energia mecânica, tradicionalmente abordado no ensino médio, por isso é sugerido que a utilização na integra deste produto deve ser realizado tomando como base 8 horas-aula (50 minutos), sendo preferencial que o docente ministre duas aulas seguidas, conforme as orientações abaixo. Entretanto, é importante ressaltar que de acordo com a sua necessidade e particularidade, o docente pode utilizar somente partes do produto. Aulas 1 e 2 Levantar os conhecimentos prévios dos discentes sobre o tema energia a partir de um pré-teste. A partir dessas informações expor o conceito físico de energia e apresentar suas diversas aplicações no cotidiano. Em seguida formalizar o conceito físico de energia mecânica e apresentar as suas formas. O pré-teste aplicado neste trabalho foi: 1. O que é energia? 2. O que é trabalho segundo a física? 3. Qual o conceito de energia mecânica? 4. Quais os tipos de energia mecânica? 5. Defina: a. Energia potencial gravitacional? b. Energia potencial elástica? c. Energia cinética? 43

13 Aulas 3 e 4 Promover um debate com os discentes, sobre o tópico conservação da energia e sua importância no cotidiano. Em seguida formalizar os conceitos de energia cinética, potencial e conservação da energia mecânica. Nesta etapa o experimento já pode ser utilizado para demostrar o fenômeno. Aulas 5 e 6 Resolver exercícios teóricos, sobre conservação da energia mecânica, com os discentes para auxiliar na compreensão teórica. Aulas 7 e 8 Realizar junto com os discentes o experimento e pedir que eles discutam os fenômenos observados pela realização experimento e de que forma isso foi realizado. Em seguida entregar o experimento e instruir os discentes, a realizar o experimento com base no roteiro abaixo. Roteiro: 1. Cálculo da constante elástica: Usando a massa de 1 kg, calcular a constante elástica da mola. 2. Montar a rampa: 3. Arremessar a esfera de aço de 20g, distendendo a mola em 0,04m. 4. Anotar dados: 5. Descreva os tipos de energia envolvidos no experimento. 6. Em que momento houve trabalho? 7. A inclinação da rampa influencia na energia final do sistema? 8. A energia se conservou? Explique: 9. Usando os dados do roteiro em relação ao sistema, determine: A energia elástica inicial ( ); 10. Usando o teorema da conservação de energia mecânica, qual é a altura que a esfera de 20g alcança ( )? 11. Até que ponto da rampa a bolinha subiu? 44

14 Aplicar novamente as questões do pré-teste. Em seguida promover um debate entre os discentes, para que eles possam explicitar de que forma o aparato auxílio no processo de aprendizagem. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BONJORNO, JOSÉ R., BONJORNO, REGINA F.S.A., BONJORNO, VALTER; RAMOS, CLINTON M.; PRADO, EDUARDO P.; CASEMIRO, RENATO. Física Mecânica, São Paulo, FTD, 2013, 1º ANO 2º edição. KANTOR, Carlos et al. Coleção Quanta Física. Editora PD,