EIXO TEMÁTICO II: TRANSFERÊNCIA, TRANSFORMAÇÃO E CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
Tema: Energia Mecânica
Tópico 10 e 11: Energia Potencial Gravitacional e Elástica
Por que ensinar
O armazenamento de energia foi sempre uma necessidade dos homens. A energia potencial gravitacional e a
energia potencial elástica podem ser armazenadas em sistemas para uso posterior. A energia potencial gravitacional
acumulada nas águas das represas se transforma através da queda d’água em energia cinética de rotação das
turbinas que, por sua vez, gera a energia elétrica que utilizamos em nossa sociedade. Em alguns relógios ou
carrinhos de brinquedo, a energia potencial elástica de molas, previamente deformadas pela energia humana,
possibilita o funcionamento desses dispositivos. O estudo da energia potencial coloca a Física como um assunto
importante, pois possibilita aos alunos analisar e compreender algumas tecnologias usadas no cotidiano.
Condições prévias para ensinar
A abordagem desse tema no CBC é diferente da tradicional. Normalmente o estudo de mecânica inicia com
cinemática, introduzindo os conceitos de deslocamento, tempo, velocidade, aceleração. Logo depois são introduzidos
os conceitos de massa, força e trabalho, para então chegar ao conceito de energia.
A proposta de iniciar a mecânica com o estudo da energia aproveita a vivência dos alunos com muitas situações
onde existe armazenamento de energia mecânica em dispositivos elásticos (carrinho de corda, arcos e flecha,
estilingues etc) e gravitacionais (moinhos e hidroelétricas).
O conceito de energia é tratado de forma recursiva no CBC. No Tópico 4, sobre conservação da energia, o conceito
de energia potencial foi apresentado.
A abordagem adotada no CBC utiliza a familiaridade do aluno com fenômenos e equipamentos associado ao
conceito que se quer ensinar. Essa abordagem referenciada ao mundo empírico contrasta com a abordagem
referenciada ao mundo conceitual, tradicionalmente adotada. A abordagem tradicional apresenta a teoria antes de
apresentar os fatos que ela explica. Ao contrário, a abordagem referenciada na vivência apresenta primeiro os fatos
para depois apresentar a teoria que os explica. A abordagem tradicional privilegia os pré-requisitos lógicos. Um
conceito é um pré-requisito lógico para outro conceito quando é logicamente necessário para compreender o
segundo. A abordagem ligada ao mundo empírico privilegia os fenômenos em sua relação com os conceitos.
O que ensinar
No tópico 10, os alunos deverão compreender que energia potencial gravitacional é uma forma de energia associada
à configuração do sistema Terra-corpo e é devida à atração gravitacional entre as massas do sistema. Devem saber
que um corpo colocado numa certa altura próximo à superfície da Terra possui uma forma de energia associada a
essa posição denominada energia potencial gravitacional e que ela é proporcional à massa do corpo e à altura do
corpo em relação a certo nível. Além disso, devem também saber que o valor da energia potencial gravitacional de
um corpo próximo à superfície da Terra é dado pela expressão E=mgh. Os estudantes devem compreender o
conceito de aceleração da gravidade e sua unidade de medida no S.I. Devem aplicar o conceito de energia e suas
propriedades para compreender situações envolvendo corpos que se movimentam de maiores para menores alturas
e vice-versa. Finalmente devem saber analisar situações práticas que ilustram a relação da energia potencial
gravitacional de um corpo com sua altura em relação a um determinado nível e o valor de sua massa.
No tópico 11 os alunos deverão aplicar o conceito de energia e suas propriedades para compreender situações
envolvendo molas ou outros corpos elásticos. Devem saber que um corpo elástico quando deformado, comprimido ou
esticado, possui uma forma de energia associada a essa deformação denominada energia potencial elástica e que
ela depende da deformação produzida e das propriedades elásticas do material. Além disso, devem saber que o
valor da energia potencial elástica de um corpo é dado pela expressão E=½kx². Devem saber analisar situações
práticas que ilustram a relação da energia potencial elástica de um corpo com o valor da sua deformação ao
quadrado e da sua constante elástica. E finalmente devem compreender que a constante elástica é uma propriedade
do corpo e está associada a uma maior ou menor dificuldade de deformar esse corpo.
Como ensinar
A proposta é que cada um desses dois tópicos seja desenvolvido em quatro aulas. O foco deve ser no
desenvolvimento das habilidades previstas para os tópicos.
Sugerimos que se inicie o ensino de cada tópico mostrando o vídeo relacionado a ele, disponível no CRV (no
link Minicursos). Antes de mostrar o vídeo é importante aplicar o pré-teste que acompanha o vídeo. O pré-teste pode
ser aplicado usando uma transparência ou uma folha de cartolina. Faça uma pequena discussão, cerca de 10
minutos, comparando as opiniões dos alunos e produzindo motivação para ver o vídeo. Neste momento você não
deve responder às perguntas. Mostre o vídeo, que durará cerca de 10 minutos. O vídeo dará elementos para que os
alunos verifiquem se responderam corretamente ou não. Após o vídeo, faça uma discussão geral para concluir o
assunto. Existe também junto ao vídeo, no CRV, um pós-teste para verificar o aprendizado dos alunos.
No prosseguimento do ensino do tópico, sugerimos que você use o Módulo Didático deste tópico disponível no CRV
que abrange os dois tópicos de energia potencial. Outros textos que lidem com as habilidades sugeridas para estes
tópicos poderão também ser utilizados. Você pode fazer uma leitura coletiva do Módulo, com cada aluno lendo um
parágrafo e logo depois o explicando com suas próprias palavras. Quando for o caso acrescente outros dados ou
argumentos para salientar os pontos relevantes. Neste módulo são definidos de uma maneira simplificada os
conceitos de aceleração, massa, força e peso, para que o aluno entenda as transformações de energia que ocorrem
na superfície da terra.
Esse tópico gera oportunidade para rever o conceito de aceleração relacionando-o com o conceito de mudança de
velocidade. As equações do movimento uniformemente variado estão no tópico 32 dos Conteúdos Complementares
na 2ª série. O conceito de aceleração deve ser apresentado porque ele aparece na equação da energia potencial
gravitacional.
O conceito de força também deve ser apresentado aqui como a capacidade de deformar corpos elásticos. O peso
deve ser apresentado como uma força gravitacional. Neste momento pode-se chamar atenção para os conceitos de
massa e peso que tanto confundem os alunos.
O Roteiro de Atividades referente ao tópico 10, que se encontra também no CRV, pode ser usado. Ele propõe três
experimentos, utilizando materiais simples: determinar a aceleração gravitacional, pesquisar a relação da energia
potencial gravitacional com a massa e depois com a altura.
O Roteiro de Atividades referente ao tópico 11, que se encontra também no CRV, pode ser usado. Ele propõe duas
atividades experimentais: a primeira sobre a relação entre a constante elástica e deformação de uma mola e a
segunda, sobre a relação entre a constante elástica e a energia potencial elástica.
Devem ser analisadas diversas situações do cotidiano onde os conceitos de energia potencial gravitacional e elástica
aparecem para serem relacionados com a energia cinética, deformações, com estragos ou com transferência da
energia.
Como avaliar
A avaliação da aprendizagem em física pode ser feita de várias formas. Nos livros já existem sugestões de diversas
questões abertas ou de múltipla escola que podem ser utilizadas. Tais questões podem ser utilizadas durante as
aulas onde os alunos individualmente ou em grupos podem discutir a sua solução.
Outra verificação da aprendizagem pode ser feita solicitando aos alunos que realizem experimentos simples
sugeridos no Módulo Didático.
Os estudantes podem realizar projetos relativos aos esportes, nas academias de ginástica relacionando a capacidade
humana com a dos dispositivos que armazenam energia potencial.
Outro projeto pode ser num clube de arco e flecha verificando a energia potencial elástica armazenada nos diversos
tipos de arcos.
A pesquisa da quantidade de energia perdida nos toboáguas pelas pessoas ao deslizarem também pode um projeto
a ser desenvolvido.
Referências
1) Física – Série Brasil - Ensino médio/volume único – Editora Ática - Alberto Gaspar.
2) Física Conceitual - Editora Bookman –Paul G. Hewitt.
3) How Stuff Works (Como as coisas funcionam) - http://hsw.uol.com.br/
4) Experimentos em Física - http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/mec_list.htm
5) www.feiradeciencias.com.br
6) www.saladefisica.com.br
7) www.adorofisica.com.br
8) www.fisica.net
9) www.novaescola.com.br
Orientação Pedagógica
Tópico 10: Energia Potencial Gravitacional
Tópico 11: Energia Potencial Elástica
Física - Ensino Médio - Currículo Básico Comum
Autor: Arjuna C. Panzera
Centro de Referência Virtual do Professor - SEE-MG/2008