ISBN 978-85-8015-053-7
Cadernos PDE
VOLUME I I
Versão Online
2009
O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOS
DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE
Produção Didático-Pedagógica
FRANCISCO GUERRERO GARCIA
UNIDADE DIDÁTICA
Experimentos de Física: Uma Forma de Motivar para o
Aprendizado de Física
Londrina
2010
FRANCISCO GUERRERO GARCIA
UNIDADE DIDÁTICA
Experimentos de Física: Uma Forma de Motivar para o
Aprendizado de Física
Produção
Didática
Pedagógica
apresentado
ao
Programa
de
Desenvolvimento Educacional – PDE,
Secretaria de Estado da Educação e a
Universidade Estadual de Londrina –
Centro de Ciências Exatas.
Orientador: Prof. Dr. Avacir Casanova
Andrello
Londrina
2010
SUMÁRIO
1 APRESENTAÇÃO.................................................................................................03
2 EXPERIMENTO I- PLANO INCLINADO................................................................05
3 MOVIMENTO CIRCULAR......................................................................................08
4 FORÇA...................................................................................................................11
5 EXPERIMENTO II – FORÇA CENTRÍPETA...........................................................13
6 ACELERAÇÃO CENTRÍPETA...............................................................................16
7 O MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME E AS LEIS DE NEWTON.....................17
REFERENCIAS..........................................................................................................18
3
1 APRESENTAÇÃO
O projeto “Experimentos, uma forma de motivar as aulas de Física
para uma aprendizagem satisfatória” propõe para o Ensino Médio uma série de
experimentos como forma de motivação e maior compreensão nas aulas de Física.
É uma tentativa de socializar os conhecimentos dos professores, oportunizando-os a
praticarem aquilo que aprenderam em sua formação acadêmica e, sobretudo
partilhar com os colegas suas próprias experiências pessoais.
A produção didática pedagógica aqui apresentada representa apenas
uma amostragem básica das práticas que serão desenvolvidas em consonância com
o projeto em questão. Embora esteja coerente com o referido projeto, muitas
inserções ainda serão feitas, para o que, você cursista, possa dar sugestões,
apresentar outros modelos e até discordar da forma como está sendo apresentado.
O próprio projeto é um caminho que poderá sofrer alterações, e essas
possíveis mudanças poderão implicar em novas estratégias de ação e, por
extensão, na produção didático pedagógica. A intenção do projeto é que ele se
estenda por todo o espaço da escola e por um tempo além do cronograma básico e
que a sua disseminação pelas escolas dos cursistas venha trazer aprimoramento,
inserção de novas idéias e supressão daquelas que, pela prática, não se mostrarem
viáveis.
2ª lei de Newton
A segunda Lei de Newton ou ainda também conhecida com Princípio
Fundamental da Dinâmica, estabelecida pelo cientista inglês Isaac Newton, ao
pesquisar a causa dos movimentos dos corpos, descreve o que acontece quando
uma força age sobre um ponto material. Todo corpo sujeito a ação de uma força
experimenta uma variação em sua velocidade, ou seja, uma aceleração, que é
inversamente proporcional à sua massa. Portanto, a referida lei consiste em que
todo ponto material em repouso precisa de uma força para se movimentar e todo
ponto material em movimento precisa de uma força para parar Isso se refere a 1ª.
Lei, Lei da Inércia. Acho melhor cortar isso. O ponto material adquire a velocidade e
sentido de acordo com a força aplica, isto é, quanto mais intensa for a força
resultante, maior será a aceleração adquirida pelo ponto material, desde que sua
massa permaneça constante. Logo, podemos afirmar que um ponto material, sob a
4
ação de uma força, adquire, na direção e no sentido dessa força, uma aceleração
que é diretamente proporcional à força aplicada e inversamente proporcional à sua
massa.
Nota:
•
A força resultante aplicada a um móvel é igual ao produto entre
a massa inercial e a aceleração adquirida pelo móvel.
Cinemática
A cinemática é parte da mecânica que se ocupa da descrição do
movimento e não de suas causas, as quais são estudadas na segunda lei de
Newton.
O movimento de um móvel é descrito por meio de três funções do
tempo: a posição em relação a um ponto de referência, a velocidade e a aceleração.
Em princípio dada a aceleração do móvel, podemos determinar sua velocidade e
sua posição em qualquer instante tempo. Os movimentos encontrados na natureza
são, na maioria das vezes, combinações extremamente complexas de translações e
rotações. Movimentos deste tipo exigem uma descrição matemática sofisticada,
muitas vezes só é possível com auxílio de computadores de grande capacidade de
processamento. Enquanto, alguns movimentos, são relativamente simples e podem
ser trabalhados com métodos simples. É o caso, por exemplo, do movimento
retilíneo uniforme (MRU), do movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV), ou
do movimento circular uniforme (MUC).
5
2 EXPERIMENTO I
PLANO INCLINADO
Objetivos:
1. Apresentar o conceito de força aos alunos. A partir do conceito
de força, mostrar que quanto maior a força aplicada sobre o
corpo, maior será a velocidade adquirida pelo mesmo e introduzir
o conceito de aceleração. Apresentar então a 2ª lei de Newton.
2. Depois de apresentar a 2a Lei de Newton aos alunos, determinar
e comparar a aceleração obtida através da 2ª lei de Newton com
a obtida cinematicamente através da variação de velocidade do
carrinho.
Material: carrinho, tábua ou trilho, blocos de madeira, cronômetro.
Construção:
Use uma tábua lisa de aproximadamente 1 metro de comprimento
como um plano inclinado, apoiando uma das extremidades em blocos de madeira.
O carrinho deve deslizar livremente pelo plano inclinado. Admitindo que
praticamente não há atrito entre o carrinho e o plano, a única força responsável pela
descida
do
carrinho
(de
massa
m)
A projeção dessa força na direção do movimento é
. A força
e
é
a
força
, cujo módulo
peso
.
, onde
tem a direção e o sentido do movimento, como mostra a figura 1.
têm a direção vertical e sentido para baixo.
6
Procedimento:
o Meça o ângulo θ com o auxílio de um transferidor.
o Varie o ângulo θ de 0 até 50° e discuta com os alunos o que
aconteceu. Mudou o movimento do carrinho com o aumento
do ângulo? O que mudou?
o Porque o carrinho desce a rampa? Discuta a força peso que
age sobre o carrinho. A força peso que age sobre o carrinho
varia com a variação do ângulo?
o Introduza o conceito de força usando a 2a. Lei de Newton.
o Discuta o significado de aceleração como a variação da
velocidade do carrinho.
o Introduza o conceito de aceleração gravitacional.
o Calcule a aceleração do carrinho
.
o Marque uma posição da rampa com um traço. Solte o
carrinho desse ponto, com velocidade inicial nula. Alinhe a
parte frontal do carrinho com o traço e use a parte frontal
como referência. (Para facilitar, você pode usar algum outro
ponto mais definido do carrinho como referência).
o Cronometre o intervalo de tempo de descida t. Use a parte
frontal do carrinho (ou outro ponto escolhido), observando o
movimento numa posição adequada para evitar erros. Se for
possível, observe bem por cima. Organize os dados em uma
tabela.
o Calcule o valor médio do tempo de descida t.
o Se for colocada uma massa adicional sobre o carrinho, o que
acontece com a aceleração? Discuta e observe.
7
Figura 1. Esboço da montagem experimental carrinho/plano inclinado.
Sugestões de outros temas que podem ser explorados utilizando o experimento
apresentado acima.
-
Pode-se utilizar o mesmo experimento para mostra
transformação de energia potencial em energia cinética de
movimento.
-
Aplicando-se um pequeno atrito entre o carrinho e o plano
inclinado, pode-se trabalhar os conceitos de trabalho
realizado no sistema na presença de força conservativa e
força não conservativa.
-
Aplicando os dois itens acima citados, pode-se introduzir o
conceito de conservação de energia mecânica total do
sistema, na presença de forças conservativas e não
conservativas.
8
3 MOVIMENTO CIRCULAR
Introdução
O Movimento Circular é um movimento em que a trajetória do ponto
material é uma circunferência, e podemos citar, por exemplo, a trajetória descrita por
uma válvula do pneu de um carro em movimento. Quando o valor da velocidade
angular permanecer constante, o movimento recebe o nome de Movimento
Circular Uniforme. No Movimento Circular Uniforme, vetor velocidade linear tem
módulo constante, mas a direção deste vetor varia continuamente devido a
velocidade angular.
A figura mostra a variação de direção do vetor velocidade linear em
alguns pontos na circunferência.
O Movimento Circular Uniforme é um movimento bidimensional ( é
quando um ponto material se desloca em duas dimensões simultaneamente ),
resultante de dois movimentos acelerados, aceleração está que só muda a direção
do vetor velocidade linear,
nas direções x e y.
Devido a variação do vetor
velocidade há uma aceleração agindo sobre o objeto, essa aceleração é conhecida
como aceleração centrípeta, que atua perpendicular à direção de propagação do
objeto, causando simplesmente a variação na sua direção e não no módulo da
velocidade linear.
9
MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME
O movimento circular é um movimento cíclico, a certos intervalos de
tempos específicos ele começa a repetir as posições. O tempo gasto para completar
uma rotação, isto é, uma volta completa de movimento, é definido como o período
do movimento. Outra grandeza importante do Movimento Circular Uniforme é o
inverso do período, que representa o número de voltas que o ponto material
completa num intervalo de tempo igual a 1 segundo. Esta grandeza é conhecida
como frequência. Portanto, podemos dizer que um corpo realiza um movimento
circular e uniforme quando a sua trajetória é uma circunferência e o módulo de sua
velocidade linear permanece sempre constante, mas a direção deste vetor varia
continuamente.
No Movimento Circular Uniforme a força resultante que atua sobre o
corpo causando a variação da direção da velocidade é chamada de força centrípeta,
sendo esta a geradora da aceleração centrípeta necessária para alterar a direção
da velocidade, aceleração esta, que sempre aponta para o centro do círculo e por
isso normalmente denominada de componente radial da aceleração. Portanto,
podemos dizer que a aceleração centrípeta é responsável pela trajetória circular e
aponta para o centro do círculo. Qualquer movimento circular que não seja um
movimento circular uniforme apresenta além da aceleração centrípeta, que é a
componente radial, uma outra componente, que é a aceleração tangencial que é
responsável pela variação do módulo da velocidade linear.
OBJETIVO
Estudar o movimento circular uniforme e as grandezas a ele
relacionado como: velocidade angular, período e frequência.
10
PERÍODO E FREQUÊNCIA NO MCU
Período (T): é o tempo que um ponto material em movimento
circular uniforme necessita para dar uma volta completa na circunferência.
Frequência (f): é o número de voltas que um ponto material em
movimento circular uniforme realiza em um segundo. A frequência é uma grandeza
física ondulatória, ou seja, relacionada normalmente ao movimento de ondas, que
indica o número de ocorrência de eventos em um determinado intervalo de tempo.
Por isso, o movimento circular uniforme é muitas vezes tratado como um fenômeno
ondulatório, ou seja, que se repete no tempo.
Nota:
•
Período: a sua unidade de medida no SI é o segundo
•
Frequência: a sua unidade de medida no SI é o Hertz (hz), o
qual representa o número de ciclos dado em um segundo.
•
Relação entre período e frequência é f= 1/T.
No Movimento Circular Uniforme, os vetores força resultante (Fc) e
aceleração
centrípeta
(Ac)
possuem
módulos
constantes
e
orientam-se
perpendiculares à velocidade do ponto material, ambos com sentido voltado para o
centro da curva.
11
4 FORÇA
A força (F) é uma grandeza física que está associada à alteração do
movimento ou estado de repouso, em um mesmo referencial, de um corpo material.
A Força é definida através da segunda Lei de Newton como o produto da
aceleração, gerada no corpo pela atuação desta força, pela massa do corpo. A
unidade de força é o Newton (N) que é definido no sistema internacional (MKS)
como kg.m/s2.
A força é detectada por meio de seus efeitos, ou seja, como a
variação da velocidade do ponto material Podemos citar como exemplo, um chute
em uma bola de futebol em repouso, que gera uma alteração na direção e sentido
do movimento do corpo material, ou seja a bola. Neste tipo de aplicação de força,
pode-se ter dois diferentes efeitos resultantes da aplicação da força, um o qual pode
ser no próprio movimento circular uniforme da bola em torno de seu centro e outro
no efeito no vôo da bola, ou seja movimento linear. Além desses dois efeitos pode
haver deformação momentânea no corpo material (neste caso a bola) em que foi
aplicada a força.
A segunda Lei de Newton fala que o efeito de uma força é produzir
aceleração, que significa variação de velocidade. Como sabemos que a velocidade é
uma grandeza vetorial, logo têm três características: módulo, direção e sentido.
Portanto, quando há variação de velocidade, significa que houve variação de uma,
duas ou três dessas características, como é o caso do movimento circular uniforme
onde temos a variação da direção e sentido da velocidade, porém seu módulo
permanece constante no tempo.
FORÇA RESULTANTE
A força resultante é a somatória vetorial de todas as forças que
atuam em um ponto material. Portanto, a força resultante representa o efeito
resultante da aplicação de todas as forças que atuam sobre o corpo material, sendo
a responsável pela aceleração do corpo.
12
FORÇA CENTRÍPETA
A força centrípeta não é uma nova força, mais sim a resultante das
forças que atuam sobre o corpo material. Portanto, num movimento circular a força
resultante que atua sobre o corpo material pode ter uma componente radial (que
atua na direção e sentido do centro de curvatura da trajetória do corpo material) e
uma componente tangencial que atua na direção e sentido de movimento do corpo
material). No movimento circular uniforme, existe uma condição especial, na qual a
força resultante só tem a componente radial, ou seja, é a própria força centrípeta.
Desse modo, no movimento circular uniforme, em cada situação, a força resultante
exerce o papel de força centrípeta. Portanto, a força centrípeta pode ser o peso do
corpo material, a força de atrito entre o corpo material e o plano de movimento, a
tração num fio, etc. Podemos citar como exemplos de movimento circular uniforme,
os quais as forças resultantes exercem o papel de força centrípeta os seguintes
movimentos:
•
Satélite de telecomunicações que executa uma órbita circular em
torno da Terra. Neste caso a força centrípeta é a força de atração que a Terra
exerce sobre o Satélite.
•
Quando um carro faz uma curva numa estrada plana e
horizontal, nesta situação a força centrípeta é a força de atrito entre os pneus e a
rodovia.
•
Uma patinadora realizando um movimento circular uniforme
numa superfície plana e horizontal. A força centrípeta é a força resultante de duas
forças, isto é, o peso da patinadora e a reação do plano sobre a patinadora.
13
5 EXPERIMENTO II
FORÇA CENTRÍPETA
Objetivo:
•
Mostrar que, quando um ponto material gira num movimento
circular uniforme, age sobre ele uma aceleração dirigida para o centro que mantém
o movimento curvo.
•
Mostrar como um satélite pode girar em torno da Terra sem cair.
Material:
•
Pilha grande de lanterna usada
•
Rolha de borracha ou borracha escolar, grande
•
Fio de náilon ( corda de pesca fina) de 15cm
•
Vidro de anestésico de dentista, vazio
•
Cano de plástico fino, de 10cm
•
Fita durex
•
Arame fino, de 10cm
Construção:
•
Acomode os 10cm de arame para fazer uma alça na pilha e
segure-a com fita durex - figura 1
•
Acomode o vidro no cano de plástico, de tal modo que apareça
apenas 0,5cm, utilizando papel e cola, se for necessário, para que fique firme –
figura 2
•
Enfie o fio de náilon - figura 4, no tubo e segure a pilha – figura
3, numa das extremidades – a inferior – e, na outra extremidade – a superior - , a
rolha ou borracha – figura 5; use uma agulha.
1- Arame
2- vidro de anestésico de dentista, vazio
3- pilha de lanterna
4- fio de náilon
5- rolha de borracha ou borracha escolar
14
Procedimento:
•
Coloque o tubo na vertical com os dois corpos ( pilha e rolha ou
borracha ) à mesma altura.
•
Solte o fio e observe o que acontece, apontando o motivo.
•
Comece a fazer girar horizontalmente e devagar a rolha de
borracha ou borracha escolar.
•
Os alunos deverão observar que a rolha ou borracha girando é
capaz de puxar a pilha.
•
Aumente a velocidade de giro e faça-os observarem o efeito
sobre a pilha e sobre a rolha ou borracha.
•
A pilha exerce uma força ( igual ao seu peso ) sobre a rolha a
chamada força centrípeta e é responsável pelo movimento
curvo da rolha ou
borracha.
•
A rolha ou borracha girando faz também uma força sobre a pilha
(através do fio)
capaz de mantê-la sem cair.
•
Faça girar a rolha ou a borracha a diferentes raios a partir do
tubo, procurando estabelecer uma relação entre raio e velocidade de giro, para que
a pilha fique em equilíbrio.
•
Relacione o raio de giro e a força que a mão tem de fazer para
•
Faça uma associação entre esta experiência e os satélites
segurar o cano.
( naturais ou artificiais) girando em torno da Terra.
15
•
Que aconteceria com um satélite se diminuísse sua velocidade
tangencial? Se não encontrar resposta, tente o aparelho, começando com uma
velocidade e deixando que diminua.
Experimento tirado do livro: Experiências de Física ao alcance de todas as
escola/Santos Diez Arribas. – 1. ed. – Rio de Janeiro: FAE, 1988.
16
6 ACELERAÇÃO CENTRÍPETA
A aceleração centrípeta apesar de ter sempre o mesmo valor
numérico, essa velocidade não é constante porque sua direção e sentido variam
continuamente. Como a velocidade é sempre tangente a trajetória, é fácil ver que ela
tem uma direção e sentido diferentes em cada ponto. Portanto, no movimento
circular uniforme, embora o valor numérico da velocidade seja sempre o mesmo, ela
não é constante porque sua direção e sentido variam continuamente. Logo,
podemos definir a aceleração centrípeta, como uma aceleração atuando sobre o
ponto material, isto é, a variação da velocidade com o tempo.
Nota:
•
Centrípeta, como o próprio nome indica, ela está sempre
orientada para o centro da circunferência descrita pelo ponto móvel.
•
A aceleração centrípeta só contribui para o carro fazer a curva,
pois não altera o valor numérico da velocidade.
17
7 O MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME E AS LEIS DE NEWTON
Das três leis de Newton duas tem relação direta com o movimento
circular uniforme.
•
A primeira lei afirma que, para um ponto material tenha
velocidade constante em trajetória retilínea, a força resultante sobre ele deve ser
nula. Como no movimento circular uniforme a trajetória não é retilínea, logo a força
resultante não é nula.
•
A segunda lei estabelece uma relação entre força resultante e
aceleração, (F= m.a) . Se a força resultante é proporcional à aceleração, existindo
aceleração existe força resultante. Porém, se a aceleração é centrípeta, orientada
para o centro da circunferência, a força resultante também será orientada para o
centro da circunferência, ou seja, a força resultante é uma força centrípeta.
Nota: O movimento circular uniforme a Segunda Lei de Newton
pode ser expressa pela expressão matemática:
Fc = m . ac
18
REFERÊNCIAS
Disponível em: <http:www.vestibular1.com.br>. Acesso em 26 abr.2010.
Disponível em: <http:www.colegiodasirmas.com.br/.../apostila%20provao%20fisica
%20ens-%20medio.pdf>. Acesso em 26 abr.2010.
Disponível em: <www.fontedosaber.com/fisica/isaac-newton-e-suas-leis.html>.
Acesso em 26 abr.2010.
Disponível em: <http:www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/sbef/xviii/sys/resumos/to8261.pdf>. Acesso em 10 jan.2010.
Disponível em: <http:www.ie.ufmt.br/sesemiedu2009/gts/do%200de%20lima.pdf>.
Acesso em 15 fev.2010.
SAMPAIO, J. L. Universo da física, 1: mecânica / José Luiz Sampaio, Caio Sérgio
Calçada, - 2ª ed. – São Paulo : Saraiva, 2005.
ARRIBAS, S. D. Experiências de física ao alcance de todas as escolas. 1ª ed. Rio de
Janeiro: FAE, 1988.
MARINO, D. Série Compacta, Física, 1. 2ª ed. São Paulo : Ática, 1981.
CHIQUETTO, M. J. Física na escola de hoje. 2ª ed. São Paulo : Scipione, 1988.
FÍSICA/vários autores. – SEED – Pr – 2ª ed. – Curitiba : editoração eletrônica, 2007
Disponível em: <http://www.cursodefisica.com.br>. Acesso em 17 mai.2010.
Disponível em: <http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2002/circular/parte 1.htm>.
Acesso em 21 mai.2010.
Disponível em: <http://www.scribd.com/doc/3370616/fisica - aula-07>. Acesso em 23
mai.2010.
Disponível em: <http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2002/circular/parte 1.htm>.
Acesso em 24 mai.2010.
19
http://www.cocemsuacasa.com.br/ebook/pages/7099.htm - a cesso em 24/05/2010