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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


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

i


ENERGIA MECÂNICA


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

FICHA CATALOGRÁFICA

B358 Baylão, Fábio Mendes

Experimento didático para aprendizagem da conservação da

energia mecânica / Fábio Mendes Baylão. – 2017. 54 f.

Orientador: Renato Pereira de Freitas

Dissertação (Mestrado Nacional Profissional de Ensino de

Física) – Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal

Fluminense, Volta Redonda, 2017.

1. 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 530.07

iii

Dedico esta dissertação aos amores de minha vida, minha amada esposa Eliane Coelho de Carvalho Baylão e as nossas duas filhas, Júlia Carvalho

Baylão e Laura Carvalho Baylão.

iv

Agradecimentos

Agradeço primeiro a Deus, pela saúde de meu corpo, pela inteligência que

nutre meu espírito, mas principalmente pelos amigos, professores que Ele, permitiu que

estivesse em meu caminho, porque esses, além dos conhecimentos que me transmitiram,

tiveram paciência e sabedoria de me ensinar.

Ao meu orientador Renato Pereira de Freitas, pela sua dedicação ao ensino, o

incentivo, a paciência aos meus erros, para que eu crescesse em conhecimento e

aprendizagem, colocando em prática, também, a metodologia da “aprendizagem

significativa” (AUSUBEL, apud MOREIRA, 1999).

Aos meus pais, Bellarmino Barroso Baylão e Maria de Lourdes Mendes

Baylão, por me permitir a existência.

A minha esposa Eliane de Coelho de Carvalho Baylão, amor da minha vida,

pelo seu incentivo, paciência, e pelo tempo e momentos de família que não pudemos

estar juntos nesses três anos.

As minhas filhas Júlia Carvalho Baylão e Laura Carvalho Baylão, não só pelo

tempo que não pudemos estar juntos, mas pelo incentivo de sempre participarem de

meus experimentos e do orgulho que sentem pela conquista de um sonho, que se tornou

realidade.

A minha avó Adelaide Barroso Baylão, que na falta de minha mãe assumiu a

nossa educação, e nos incutiu o amor ao estudo e a educação, que uma sociedade só há

mudança pela dedicação ao estudo e a educação.

E, a minha sobrinha neta, Manuela Carvalho Malta Ferreira, criança adorável

de inteligência incomum, que na sua inocência me deu o incentivo de saber como

escolher, qual seria o meu produto.

A CAPES, pela ajuda financeira através da bolsa ao programa de mestrado,

com a qual permitiu que reduzíssemos a nossa carga horária e assim dedicássemos o

nosso tempo ao estudo.

A SBF e a dedicação dos Professores da UFF, que criaram um polo de

mestrado profissional em nossa região.

Aos meus alunos e aos alunos do IFRJ de Paracambi pela oportunidade de

participarem dessa dissertação.

v

RESUMO


ENERGIA MECÂNICA


Orientador: prof. Dr. Renato Pereira de Freitas

Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação (nome dado na

instituição) 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

Neste trabalho foi construído um experimento didático, utilizando materiais de baixo

custo, para trabalhar com alunos do ensino médio os conceitos de energia mecânica. O

experimento é composto de um lançador, uma bolinha e uma rampa. O lançador

transmite a sua energia potencial elástica a bolinha, que, ao ser liberada, a transforma

para energia cinética e energia potencial gravitacional. O experimento possibilitou os

discentes observarem os tipos de energia mecânica e o princípio da conservação.

Também foi possível trabalhar com os alunos diferentes modelos matemáticos para

calcular a constante elástica da mola, a energia potencial elástica e a altura que a bolinha

iria atingir. Junto a essa dissertação existe um manual de como construir o produto

didático, assim como todo um roteiro de aplicação para que professores possam fazer

uso.

Palavras-chave: Ensino de Física, Energia, Experimento Didático, Aprendizagem

Significativa.

Volta Redonda/RJ

Julho de 2017

vi

ABSTRACT

DIDACTIC EXPERIMENT FOR LEARNING THE CONSERVATION OF

MECHANICAL ENERGY


Supervisor(s): prof. Dr. Renato Pereira de Freitas

Abstract of master’s thesis submitted to Programa de Pós-Graduação (nome dado na

instituição) no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), in partial

fulfillment of the requirements for the degree Mestre em Ensino de Física.

In this work was constructed a didactic experiment, using materials of low cost, to work

with students of high school the concepts of mechanical energy. The experiment

consists of a launcher, a ball and a ramp. The launcher transmits its elastic potential

energy to the ball which, when released, transforms it into kinetic energy and

gravitational potential energy. The experiment allowed the students to observe the types

of mechanical energy and the principle of conservation. It was also possible to work

with students different mathematical models to calculate the elastic spring constant, the

elastic potential energy and the height that the ball would reach. Together with this

dissertation there is a manual on how to construct the didactic product, as well as an

entire script of application for teachers to make use of.

Keywords: Physics education, Energy, Didactic Experiment, Significant Learning.

Volta Redonda/RJ

June of 2017

vii

Sumário

Capítulo I

Introdução 01

Capítulo II

Fundamentação Teórica 04

2.1. Aprendizagem Significativa 04

2.2. Atividades Experimentais 05

2.3. Revisão Bibliográfica 06

Capítulo III

Metodologia 08

3.1. Proposta e Motivação 08

3.2. Objetivo do experimento 09

3.3. Materiais utilizados na montagem do aparato 09

3.3.1. Construção do artefato de lançamento da esfera de aço 10

3.3.1.1. Material necessário 10

3.3.1.2. Montagem 10

3.3.2. Construção da rampa de lançamento 10

3.3.2.1. Material Necessário 10

3.3.2.2. Montagem da rampa 10

3.4. Metodologia de utilização do produto 11

3.5. Avaliação do produto 11

Capítulo IV

Resultados e discussões 12

4.1. Local de Aplicação 12

4.2. Relato dos encontros 14

4.2.1. Com as turmas do IFRJ-CPAR 14

4.2.2. Com as turmas das escolas da rede Estadual de Ensino 14

4.2.2.1. Primeiro encontro (2 tempos de 50 minutos) 14

4.2.2.2. Segundo encontro (2 tempos de 50 minutos) 15

4.2.2.3. Terceiro encontro (2 tempos de 50 minutos) 15

viii

4.2.2.4. Quarto encontro (2 tempos de 50 minutos) 16

.3. Análise do uso do produto 20

4.3.1. IFRJ campus Paracambi 20

4.3.2. Na rede estadual 26

Capitulo V

Conclusões 31

Referências Bibliográficas 32

Apêndice A: Currículo do segundo ano ensino médio ministrado nas escolas

estaduais do Rio de Janeiro

34

Apêndice B: Manual de Construção e Aplicação 36

1

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

Conhecendo a origem da palavra Física, que vem do Grego “phisis” cujo

significado é natureza, e sabendo que o ser humano, quando tomado por curiosidade,

questiona.

É importante trazer os experimentos para a sala de aula com os objetivos de

instigar o discente a conhecer, a despertar o ânimo experimental e a demonstrar que o

que se estuda em Física são as leis naturais, que nos envolvem no dia a dia, além de

permitir a esse aluno aprender sobre os inventos. Como cita Bonjorno (2013)

A Física é a ciência que estuda o universo e os fenômenos naturais. Os

conhecimentos da Física servem tanto para descrever e fazer previsões de

eventos quanto para desenvolver tecnologias e aplicá-las em produtos para as

necessidades do dia a dia.

Construir conhecimento, desenvolver habilidades a partir de um experimento,

está em consonância com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+ 2002, 237):

Desenvolver a capacidade de investigação física. Classificar, organizar,

sistematizar. Identificar regularidades. Observar, estimar ordens de grandeza,

compreender o conceito de medir, fazer hipóteses e testar.

Como nômades, os seres humanos, tinham a necessidade de buscar lugares em

que a alimentação fosse farta. Tinham que se “deslocar, gastar energia”. Logo após

descobrimos que essa energia poderia ser gasta, para produzir o alimento próximo a as

habitações. Criar recursos que facilitasse o trabalho fez o homem conhecer a natureza.

Assim, desenvolveram a tecnologia desde o domio do fogo ao invento da roda e das

máquinas simples.

Na história das ciências aprendemos que as descobertas não são imediatas, é

fruto de muita observação, testes e mais testes, erros e frustrações. Na Física também

não é diferente, além do que uma descoberta leva a outra, aprimorando, assim, as ideias

e aperfeiçoando as leis.

2

Trazer ao discente um experimento simples, com recurso de baixo custeio, e

fazê-los investigar, comparar com o que já conhecem, observar e tirar dessa

investigação suas próprias conclusões, é um dos objetivos do trabalho docente.

No processo de ensino aprendizagem identificamos que quando o discente

experimenta a ação de uma lei da Física, no concreto, o seu entendimento do fenômeno

é maior. Corroborando com a ideia de um ensino mais significativo, os relatos de

docentes de outras áreas afirmam que teriam aprendido melhor a Física se, na sua época

de aluno, fosse apresentada de forma mais concreta.

Para buscar uma aprendizagem mais significativa, explorando a conservação de

energia mecânica (tema trabalhado no segundo ano do ensino médio – conforme o

currículo mínimo, programa elaborado pela Secretaria de Educação do Estado do Rio de

Janeiro, para nortear as escolas do Estado) nesta dissertação foi construído, com

material de baixo custo, um artefato composto de três peças: uma rampa, um lançador, e

uma esfera de aço. Neste aparato é possível verificar a transformação da energia elástica

em potencial gravitacional.

Segundo Rogers (2012) “seres humanos tem uma potencialidade natural de

aprender”. Contando com essa potencialidade, o artefato permite criar as condições de

simulação da energia mecânica e sua conservação, no qual o aluno deverá perceber as

diferentes manifestações da energia mecânica – energia potencial gravitacional, energia

cinética e a energia elástica –, assim como ter uma ideia da dissipação da energia. Em

um de seus princípios Rogers afirma que “a aprendizagem é facilitada quando o aluno

participa responsavelmente do processo de aprendizagem”, com isso induzindo-os a se

manifestarem e a observarem todo o fenômeno.

Considerando a Lei de diretrizes e Bases (LDB-Brasil-1996) que determina em

seu Artigo 35, inciso IV, “a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos

processos produtivos,” permitindo que seja relacionado “a teoria com a prática, no

ensino de cada disciplina” seja uma das finalidades do ensino, nesta dissertação foi

desenvolvido um produto com o objetivo de permitir ao aluno, através da prática,

reconhecer as diversas formas de energias, fruto de suas próprias observações. Para tal o

produto foi aplicado sustentado por cinco pilares, representados por cinco verbos:

estimular, habilitar, experimentar, refletir e argumentar.

Estimular – a ideia de estimular os discentes a perceber que a energia mecânica

está em várias ações do nosso cotidiano, nos nossos atos mais simples existe energia

mecânica.

3

Habilitar – permitir que os alunos se tornem independentes para executar

tarefas, produzir conceitos e desenvolver modelos matemáticos cientes das suas

finalidades, conscientes de que o uso que fazem de seus saberes.

Experimentar – através da observação do fenômeno ocorrido da realização das

tarefas do produto, desenvolver conceitos e teorias, para ter dessa prática uma

aprendizado significativa, estabelecendo assim as diferenças entre as energias que

compõem a energia mecânica;

Refletir e argumentar – levar o discente, ao executar o produto, a refletir que na

teoria as condições para a situação-problema proposto são ideais e, na prática, ou na

realização do produto, são condições reais, com isso ele perceberá que a lei de

conservação de energia não ocorre em qualquer sistema, possibilitando ao discente ter

argumentos, com base científica, para descrever quais são as causas que interferem na

conservação de energia, utilizando para tais argumento, conceitos da Física.

Neste trabalho, foi utilizado principalmente a teoria de aprendizagem

significativa de Ausubel, apresentada, resumidamente, no capítulo 2. Nesta via,

observamos a relação entre o conhecimento prévio dos alunos sobre energia,

especificamente a energia mecânica. Tais conceitos foram utilizados para ancorar os

novos conceitos apresentados com a execução do experimento.

4

CAPÍTULO II

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Nós vivemos em um momento em que o nosso discente tem acesso a tantas

informações e com muitas opções profissionais, permitindo o desenvolvimento de suas

competências e habilidades. É dar significado ao que se aprende. O PCN+-2002–23

descreve:

“a nova sociedade, decorrente da revolução tecnológica e seus

desdobramentos na produção e na área da informação, apresenta características

possíveis de assegurar à educação uma autonomia ainda não alcançada. Isto ocorre

na medida em que o desenvolvimento das competências cognitivas e culturais

exigidas para o pleno desenvolvimento humano passa a coincidir com o que se

espera na esfera da produção”. Princípios

É preciso analisar a possibilidade de se alcançar a autonomia na educação, para

o discente ter uma aprendizagem significativa, ou seja, para que seja capaz de absorver

novos conhecimentos ancorados em conhecimentos anteriores, que pode ter como um

recurso didático a utilização de experimentos, possibilitando vivenciar os

conhecimentos ali inseridos.

Nos próximos itens abaixo serão apresentados à teoria da aprendizagem

significativa e a importância da experimentação para a mesma. Em seguida serão

apresentados alguns trabalhos que utilizaram experimento para desenvolver a

aprendizagem significativa.

2.1. Aprendizagem Significativa

A aprendizagem significativa é uma teoria da educação desenvolvida por

David Ausubel, descreve que a aprendizagem ocorre de forma significativa quando o

aluno relaciona o que já conhece com novos conhecimentos adquiridos. Sendo, de

acordo com Ausubel, uma aprendizagem desenvolvida, geralmente, em três tipos,

conforme descrito abaixo (AUSUBEL, apud MOREIRA, 1999).

Aprendizagem Cognitiva – aprendizagem que resulta em armazenar na mente do

aluno as informações de forma organizada. É esse conjunto que recebe o nome de

estrutura cognitiva.

5

Aprendizagem Afetiva – resulta de experiências internas no discente tais como

prazer, dor e alegria.

Aprendizagem psicomotora – é o resultado de treino e prática que envolve

respostas musculares.

É claro que,no que tange a aprendizagem, tanto a afetiva quanto a psicomotora se

relacionam com a cognitiva.

Ausubel apresenta a sua teoria de aprendizagem a partir do ambiente de sala de

aula. O pilar da ideia é de que todos nós possuímos algum conhecimento prévio,

chamado de subsunçor, em nossa estrutura cognitiva. É através da relação entre esses

subsunçores com os novos conhecimentos que se dá a aprendizagem significativa, desde

que o conhecimento se ancora em conhecimentos especificamente relevantes,

preexistentes na estrutura cognitiva (MOREIRA, 1997). Ele descreve que as novas

informações ancoram em conceitos e proposições relevantes já presentes na estrutura

cognitiva (AUSUBEL, apud MOREIRA, 2014).

Há a possibilidade de não haver os subsunçores de interesse na estrutura

cognitiva de nossos discentes. Criar esses subsunçores faz parte de nosso dia a dia como

professor. Fazer atividades experimentais pode permitir ao discente deduzir novos

conceitos que passariam a ser os subsunçores que servirão para ancorar novos conceitos,

e assim ter aprendizagem significativa. A aprendizagem significativa é progressista,

acumulativa, ou seja, a cada nova informação se ancora novos conceitos para que o

discente se tornasse pleno em seu conhecer.

Avaliar que um discente teve uma aprendizagem significativa, não é simples,

pois, segundo Ausubel, há discente que é capaz de memorizar até exemplos, na qual

seria uma aprendizagem mecânica.

2.2. Atividades Experimentais

Observa-se nos PCN que na escola, uma das características mais importantes

do processo de aprendizagem é a atitude reflexiva e autocrítica diante dos possíveis

erros. Trazer experiências para a sala de aula é permitir que o aprendiz ganhe essa

característica diante do fenômeno, ele observa, descreve, critica, reflete e aprende.

Executando trabalhos experimentais cria-se a discussão entre a teoria e a

prática, permitindo assim que o próprio aluno tenha as suas conclusões, além de fazê-los

refletir que as descobertas científicas demoram tempo.

6

Para o ensino médio, o PCN descreve que a Física deve assegurar que a

competência investigativa resgate o espírito questionador, o desejo de conhecer o

mundo em que se habita.

2.3. Revisão Bibliográfica

Almeida (2016), com base na teoria do aprendizado significativo de Ausubel

construiu um kit, de quatro experimentos de dilatação para auxiliar o aprendizado de

alunos do ensino médio. O kit tem como proposta potencializar a aprendizagem dos

conceitos de dilatação em duas aulas de 50 minutos.

Boaventura (2015), utilizou o dispositivo de Orrey para auxiliar a

aprendizagem de astronomia em alunos do ensino médio. A partir do dispositivo foi

possível melhorar a compreensão dos discentes acerca do sistema Terra-Lua-Sol.

Diniz (2016), construiu um dispositivo a partir de materiais de fácil acesso,

para auxiliar o aprendizado de óptica geométrica dos aluno do ensino médio. A partir do

dispositivo a aprendizagem de conceitos teóricos como Reflexão da Luz, Espelhos

Planos e Espelhos Esféricos foram potencializados.

Jesus e Sasaki (2014), fizeram a vídeo análise de um experimento de baixo

custo de atrito de rolamento. O vídeo foi gravado em uma câmera de smartphone e a

análise foi realizada com o auxílio do software livre Tracker. Tal experimento permite

trabalhar o conceito de atrito de rolamento, que não é abordado nem mesmo nos livros

textos clássicos adotados nas escolas de ensino médio.

Lüdke et al., (2013), construíram um experimento de baixo custo que permite

verificar conceitos fundamentais de transporte de calor. O dispositivo tem como foco

ser utilizado por estudantes de física experimental, tendo em vista que é possível

verificar a solução da lei de Fourier em coordenadas cilíndricas.

Micha et al., (2011), utilizando materiais de baixo custo e de fácil acesso

construíram um dispositivo que permitiram trabalhar conceitos relativos ao espectro

eletromagnético. O dispositivo tem como foco principal detectar a faixa do

infravermelho.

Oliveira e Paixão (2017), construíram kits de eletrodinâmica a partir de

materiais de baixo custo, para auxiliar a aprendizagem de alunos de escolas secundárias

de Portugal. Os kits, que possuem experimentos com diferentes níveis, permitiram

trabalhar conceitos de geradores, salém disso, a medida que havia assimilação de um

7

determinado experimento, um novo experimento, de maior dificuldade, era realizado

com os discentes.

Silva e Leal (2017) apresentam uma proposta completa de um laboratório

montado a partir de experimentos de baixo custo, para ser implementado nas escolas. O

estudo mostra que a implementação de um laboratório, em uma escola da rede estadual

do Rio de Janeiro, melhorou significativamente a aprendizagem dos conceitos de física

pelos discentes, além de proporcionar uma maior integração social no colégio.

Turchiello e Gomez (2016), construíram um experimento de baixo custo para

ensino de como a luz modifica o índice de refração do meio à qual está incidindo. A

partir desse experimento é possível discutir tópicos atuais do ramo da física, que possui

muitas aplicações tecnológicas.

Vilar et al., (2015), mediram o tempo morto de termômetros utilizados em

aulas experimentais de física. A partir do trabalho é possível discutir conceitos de erros

associados a medidas experimentais.

8

CAPÍTULO III

METODOLOGIA

3.1. Motivação

Vários fatos contribuíram para a escolha do produto, sendo alguns descritos

abaixo:

Questionamento das turmas – perspectiva dos alunos: - no decorrer dos anos as

perguntas são as mesmas. Para que estudar isso? Aonde se aplica isso? Quando eu vou

usar isso? Daí querer algo que pudesse trazer a Física para o dia a dia dos alunos.

O autor, ao preparar uma base para que os alunos participassem da ‘mostra de

foguete’, pela Sociedade Brasileira de Astronomia e Astronáutica, foi questionado por

sua sobrinha curiosa: “- o que é isso?” Após a construção do artefato e os testes de

funcionamento a criança ficou encantada com a experiência, assim como os alunos, que

adoraram participar da ‘mostra’. Estava claro que importava muito a capacidade e a

simplicidade de interagir entre o executar e o prazer de aprender que um experimento

pode proporcionar.

Foi observado, pelo autor, um brinquedo infantil, que consistia em um tabuleiro

de madeira em formato de campo de futebol com uma fenda de um lado e por esta

passava-se uma haste de madeira presa a um elástico, uma bola, uma trave e um goleiro,

o jogo tinha como finalidade cobrança de pênalti. Neste jogo o autor observou que

dentro da física poderia retirar vários conceitos tais como: força elástica, trabalho,

energia elástica energia cinética, impulso quantidade de movimento, choque mecânico.

De uma forma simples, brincando. Retirar o peso e a obrigação de aprender, e incutir

nos alunos o prazer em aprender.

Criar um produto em que os alunos pudessem perceber quando e onde se aplica,

ter o prazer em manusear (brincar), experimentar, sem a preocupação do que é “certo ou

errado”, e nem na influencia em uma nota (valor numérico que qualificasse e

quantificasse o que aprendeu). Um produto com custo baixo, fácil de construir e claro,

dentro do programa do ensino médio, currículo mínimo da rede estadual de educação do

Estado do Rio de Janeiro. Foi escolhido o segundo ano do ensino médio, no qual no

terceiro bimestre trata do assunto energia mecânica.

9

3.2. Proposta

Auxiliar a aprendizagem teórica do conteúdo de energia. Pois, como pode ser

visto no apêndice A, do currículo do segundo ano ensino médio ministrado nas escolas

estaduais do Rio de Janeiro, no terceiro bimestre no campo “Usinas termelétricas e

hidrelétricas – Energia térmica e mecânica – Conservação e transformação de energia”,

encontram-se as habilidades e competências a serem desenvolvidas, das quais destacam-

se: Compreender as diferentes manifestações da energia mecânica na natureza;

identificar transformações de energia e a conservação que dá sentido a essas

transformações, quantificando-as quando necessário. Identificar, também, formas de

dissipação de energia e as limitações quanto aos tipos de transformações possíveis,

impostas pela existência, na natureza, de processos irreversíveis.

3.2. Objetivo do experimento

O desenvolvimento do conhecimento da Física, que é fruto da observação da

natureza, traz como consequência a inovação e o avanço da tecnologia. Além disso, a

aprendizagem é facilitada, quando o aluno consegue observar o conhecimento em sua

vida cotidiana.

Segundo o Aurélio (2010) energia é a propriedade dum sistema que lhe permite

realizar trabalho e a busca pelo domino das diversas formas de energia sempre foi do

interesse da humanidade.

Buscando alternativas para uma aprendizagem mais significativa, neste

trabalho foi elaborado um experimento de baixo custo, com objetivo de facilitar a

aprendizagem do princípio da conservação de energia mecânica através das

transformações ocorridas entre a energia potencial elástica e a energia potencial

gravitacional. A observação experimental desse princípio irá possibilitar que os

discentes possam verificar o quanto esse tema está presente em seu dia a dia.

No próximo tópico serão apresentados os materiais e utilizados para a

construção do aparato e a sua montagem. No apêndice B está descrito com maiores

detalhes instruções de montagem e um roteiro de aplicação do experimento.

3.3. Materiais utilizados na montagem do aparato

Foi utilizado no artefato uma esfera de aço e os demais materiais descritos

abaixo com um custo de setenta reais.

10

3.3.1. Construção do artefato de lançamento da esfera de aço (Lançador)

3.3.1.1. Material necessário

Uma mola de carburador de Brasília (25mm de comprimento por 10mm de

diâmetro)

20 cm de tubo de PVC de ¾” (20mm de diâmetro).

22 cm de cavilha de 8 mm de diâmetro.

Cola branca.

Broca de 2 mm para madeira ou metal.

Fotocopia de uma régua 7 cm.

Uma esfera de aço (junta homocinética).

3.3.1.2. Montagem

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

verificação da constante da mola.

Colar a fotocopia da régua na cavilha marcando 2 cm da ponta, observando o

alinhamento com tubo.

Fixar a mola na cavilha passando pelo furo do meio da cavilha.

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.

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.

3.3.2. Construção da rampa de lançamento

3.3.2.1. Material Necessário

Uma calha plástica de 4,5x4,5x200 cm.

Dois tubos de PVC de 20mm (¾ de polegada) de diâmetro por 105 cm de

comprimento.

Um tubo de PVC de 20mm (¾ de polegada) de diâmetro por 5 cm de comprimento.

Um parafuso 5 mm de 10 cm com porca.

Uma broca de 5 mm de diâmetro.

11

3.3.2.2. Montagem da rampa

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.

Furar os dois tubos de 105 cm de comprimento com a broca de 5mm a 4,0 cm de

uma das pontas.

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.

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 lançador seja suave.

3.4. Metodologia de utilização do produto

O dispositivo construído tem como meta ser utilizado durante 8 horas-aula (50

minutos), sendo preferencial que o docente ministre duas aulas seguidas, conforme as

orientações descritas no manual. Inicialmente o docente deve aplicar um pré-teste de

verificação, sendo a sugestão o que consta no manual do produto. Em seguida é

sugerido o desenvolvimento teórico dos conceitos de trabalho e energia junto com as

demonstrações práticas possibilitadas pelo aparato. Ao final das 8 horas-aulas é

sugerindo novamente a aplicação do Pós-teste.

3.5. Avaliação do produto

A avaliação do produto foi baseada na metodologia desenvolvida por Laurence

Bardin (1979). A metodologia baseia-se na discussão através da verificação de

frequência de certas ocorrências de respostas, que podem ser previamente escolhidas ou

selecionadas a medida que surge.

É um conjunto de técnicas de análise das comunicações visando

obter, por procedimentos sistemáticos e objetivos de descrição

do conteúdo das mensagens, indicadores (quantitativos ou não)

que permitam a inferência de conhecimentos relativos às

condições de produção (variáveis inferidas) desta mensagem

(BARDIN, 1979, p.32).

12

CAPÍTULO IV

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O produto resultante da elaboração desta dissertação se encontra no anexo I.

Onde é apresentado um manual com instruções de montagem do experimento e

sugestões de utilização.

4.1. Teste do produto

Para verificar a utilidade do produto, no auxílio da aprendizagem do conceito

de conservação da energia, o mesmo foi aplicado inicialmente no IFRJ de Paracambi,

com o objetivo de verificar se o produto e a sequência didática (ou roteiro) são

aplicáveis. Ou seja, verificamos a operacionalidade do produto de forma autônoma,

seguindo o roteiro e com interferência mínima do docente.

O resultado desse teste é apresentado abaixo. Participaram trinta e nove alunos,

de duas turmas do IFRJ.

As figuras 1 e 2 mostram os discentes do IFRJ-CPAR utilizando aparato de

forma autônoma, tanto na execução do instrumento como no desenvolvimento do

modelo matemático.

Figura 1. Alunos do IFRJ-CPAR utilizando o produto.

13

Figura 2. Alunos do IFRJ-CPAR, trabalhando em conjunto na utilização do

produto.

4.2. Relato do teste

4.2.1. Com as turmas do IFRJ-CPAR

Os alunos do IFRJ-CPAR acolheram a proposta sem encontrar a menor

dificuldade em executar a sequência do produto. Sendo necessário apenas dois tempos

de 50 minutos para a realizar todo o procedimento. Durante esse tempo eles

responderam o questionário, para análise do grau de conhecimento que possuíam sobre

a lei de conservação de energia. Passando para a parte do experimento, executaram

todas as etapas. Ressalto o esforço e a dedicação com que executaram toda a sequência

para a obtenção dos resultados no manuseio do experimento.

Os alunos realizaram o experimento em grupos, pois só havia dois produtos e

eles se revezaram, para que todos pudessem participar. As turmas se comportaram de

forma disciplinada, não foi necessário fazer qualquer intervenção. Muitos alunos

questionaram sobre a escolha dos materiais e a construção dos componentes do produto,

fora informado que o principal motivo da escolha era o baixo custo.

Durante a aplicação foi verificado, que os alunos conseguiam distinguir o

momento em que o “TRABALHO ”; “ENERGIA ELÁSTICA

”;

“ENERGIA CINÉTICA

” e a “ENERGIA POTENCIAL

GRAVITACIONAL ” acontecia.

.

14

4.2.2. Analise e discussão do teste do produto no IFRJ campus Paracambi

1ª questão:

O que é energia?

Como pode ser visto no gráfico da figura 3 um grupo de 24 alunos

responderam que a energia é a capacidade de promover trabalho. Um outro grupo de 13

alunos responderam que é tudo o que promove ação ou movimento.

Outros dois grupos foram muito evasivos, tendo apresentado as seguintes

respostas:

“Uma coisa que promove outra coisa”;

“É a capacidade de um corpo gerar energia.”

O fato da maior parte dos alunos conseguirem associar energia a movimento

indica que eles conseguem correlacionar energia e trabalho, além de possuírem

conhecimento da energia mecânica. Em conversa com o professor regente o mesmo

disse que realizou um trabalhou intenso com os discentes sobre esse tópico, o que se

reflete nas respostas, pois os conceitos de energia apresentada pelos discentes não se

contém somente a conhecimentos usuais, apresentados no cotidiano, como de energia

elétrica. Entretanto, nenhuma das respostas apresentadas pelos alunos foram elaboradas,

de acordo com os conceitos formais de energia definidos nos livros de física. Junior et

al., (2007), destaca que a “energia é um conceito difícil de ser definido. Apesar disso a

ideia está tão arraigada em nosso cotidiano que praticamente a aceitamos sem definição.

(...). Veremos com muita frequência que a energia está associada ao movimento

(energia cinética). No entanto, mesmo estando em repouso, um corpo pode possuir

energia apenas em função da posição que ocupa (energia potencial). Outra relação

importante a ser apresentada é a que existe entre energia e trabalho. (“a variação da

energia cinética de um corpo entre dois instantes é medida pelo trabalho resultante das

forças entre os instantes considerados” (pp. 282)).

15

Figura 3. Gráfico das respostas da pergunta 1 após a aplicação do produto.

2ª questão:

O que é trabalho?

As respostas que foram apresentadas está entre “força e deslocamento”(“o

trabalho nada mais é do que o deslocamento que ocorre em consequência de uma

força”), sendo que vinte e dois alunos deram essa resposta, como pode ser visto no

gráfico da figura 4, catorze alunos responderam entre “ força e movimento” (“o

trabalho é a força de um corpo que gera movimento”) e 3 não responderam.

As respostas indicam que os discentes têm conhecimento, que o trabalho é

produzido por uma força, que realiza um deslocamento, mas não foram dadas respostas

formais indicando que o trabalho é uma grandeza escalar e que depende do ângulo entre

a força e o deslocamento.

0

5

10

15

20

25

30

Trabalho Movimento outra

O que é Energia?

Quantidade de alunos IFRJ

16


3ª questão:

Qual é o conceito de energia mecânica?

Conforme o gráfico da figura 5, foi observada quatro categorias de respostas:

sendo treze respostas associadas a capacidade de realizar trabalho (“a energia

mecânica é algo que tem a capacidade de realizar trabalho e tem entre elas várias

energias”); onze associando a energia ao movimento ou armazenada a um sistema

físico (“a energia mecânica é aquela que aconteceu devido ao movimento dos corpos

ou armazenada nos sistemas físicos”); onze relacionado a energia mecânica a soma das

energias cinética, potencial gravitacional e elástica (“a energia mecânica é a

concentração da energias gravitacional, elástica e cinética”) e quatro respostas

associadas a outros conceitos (“a energia mecânica é o tipo de energia que pode se

transferir”; outra “a energia mecânica são quais energias que estão atuando em um

corpo e quais emergias estão se conservando”).

0

5

10

15

20

25

Força + Deslocamento Força + Movimento outras

O que é trabalho?

17


A resposta mais satisfatória é que energia mecânica é a soma das energias

cinética, potencial gravitacional e elástica. No gráfico 5 é visualizado que a maior parte

das respostas está relacionada ao trabalho, daí temos duas analises. Sendo a primeira

delas o fato da formalização teórica, que o trabalho resultante pode ser calculado como

a diferença da energia cinética de dois pontos, o que leva os discentes associarem a

energia mecânica ao trabalho. Outro ponto, que as respostas demonstram, é o que

acontece em grande parte dos casos, em que os discentes respondem o questionário de

forma rápida sem a devida atenção, pretendendo somente terminar a tarefa.

4ª questão:

Quais são os tipos de energia mecânica?

Todos responderam corretamente, indicando que os discentes têm o devido

conhecimento sobre os tipos de energia mecânica.

Segue abaixo umas das respostas obtidas.

“Os tipos de energia mecânica são: a energia potencial gravitacional,

energia potencial elástica, energia cinética”.

5ª questão:

a) Definição de Energia potencial gravitacional

0

2

4

6

8

10

12

14

Trabalho Movimento Potencial +Cineticas + Elàstica

Transferência eConservação

Qual é o conceito de Energia Mecânica

18

Como pode ser visto no gráfico da figura 6 as respostas foram: relacionando

um corpo a altura que ele se encontra e um referencial; relacionando a energia ao

trabalho da força peso; relacionando a energia a gravidade entre corpos e outros que

relacionaram trabalho a uma força sem especificar que força é.

Abaixo seguem algumas das respostas:

1. “É a energia obtida quando consideramos o deslocamento de um

corpo na vertical”;

2. “É a energia de um corpo que está associado ao trabalho da força

peso”;

3. “É a energia que a gravidade exerce”;

4. “É a capacidade que corresponde ao trabalho que a força realiza”.

Percebe-se que os discentes, embora tenham suas dificuldades em descrever o

conceito, possuem certo domínio do tópico. Todas as perguntas relacionam a energia

potencial a força peso, um dos possíveis motivos para que as respostas apresentem

visões diferentes de um mesmo conceito.

. Figura 6. Gráfico das respostas da pergunta 5a após a aplicação do produto.

5ª questão:

b) Definição de Energia Potencial Elástica:

Como pode ser visto no gráfico da figura 7, as respostas foram: relacionando

Energia Elástica ao trabalho da força elástica; relacionando a deformação de uma mola;

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Altura Trabalho X Peso Gravitação outros

Energia Potencial Gravitacional

19

a deformação de um corpo e outras que foram evasivos ou não responderam. Segue

abaixo algumas respostas:

1. “corresponde ao trabalho que a força elástica realiza;”

2. “É a energia armazenada numa mola ou elástico deformado;”

3. “É a energia associada a deformação de um corpo;”

4. “É a energia armazenada em um sistema físico”.

Nessa última resposta o aluno houve um equivoco, porém a resposta número 3

caracteriza os que estudam ensaios mecânicos. quando aplicado em um corpo uma força

qual é o limite em que esse corpo é deformado. A primeira e a segunda respostas estão

dentro do conceito da energia elástica, habitualmente trabalhado.

Figura 7. Gráfico das respostas da pergunta 5b após a aplicação do produto.

5ª questão:

c) Conceito de Energia Cinética.

Dos 39 alunos, um não respondeu corretamente ou outro não respondeu.

A resposta equivocada foi a seguinte: “ energia realizada por um corpo”. Essa

resposta demonstra mais uma vez, o que acontece em grande parte dos casos, em que os

alunos respondem o questionário de forma rápida sem a devida a atenção, pretendendo

somente terminar a tarefa. Em contrapartida dentre das respostas correta podemos

destacar: “é a energia ligada ao movimento que os corpos possuem e ela é

proporcional a massa e a velocidade da partícula (corpo) que se move”.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Trabalho + ForçaElástica

Deformação da Mola Deformação de umCorpo

Outros

Conceito de Energial Potencial Elástica

20

4.3. Local de Aplicação: Colégios Estaduais

O produto foi aplicado em três turmas do segundo ano do ensino regular médio

de escolas da rede estadual de ensino, localizada em Volta Redonda. Nas turmas o

produto foi aplicado na integra, conforme descrito no manual. Pois, foi necessário que o

docente, trabalhasse primeiramente os conceitos de energia. Sendo duas turmas do

Colégio Estadual Pedro Magalhães e uma do Colégio Estadual Piauí.

É importante ressaltar que, a aplicação do produto se deu em consonância com

o artigo 35 da LDB no inciso II – a preparação básica para o trabalho e a cidadania do

educando, para continuar aprendendo, de modo a ser capaz de adaptar-se com

flexibilidade a novas condições de ocupação ou aperfeiçoamento posteriores, pois os

discentes tiveram a possibilidade de realizar o procedimento de montagem e execução

do produto.

O produto, ao ser aplicado nessas três turmas do ensino médio, criou a

possibilidade de estabelecer diversas análises, sendo uma delas apoiado no inciso I do

mesmo artigo 35 da LDB, que cita dentre as finalidades do ensino médio: a

consolidação e aprofundamento dos conhecimentos adquiridos no ensino.

4.4. Relatos dos encontros com as turmas.

4.4.1. Com as turmas das escolas da rede Estadual de Ensino

Na rede Estadual de Ensino do Rio de Janeiro o produto foi aplicado numa

sequência didática estabelecida em três etapas: uma diagnóstica, para saber os conceitos

preconcebidos que os alunos trazem; a seguinte foi com a exposição dos conteúdos em

consonância com a matriz curricular; e, na terceira, a aplicação do produto em si,

quando apresentamos um novo questionário, para qualificar o aprendizado.

4.4.2. Primeiro encontro (2 tempos de 50 minutos)

Inicialmente a intenção era levantar o conhecimento prévio dos discentes sobre

o tema energia, através do pré-teste apresentando no manual para este primeiro

encontro. Entretanto, inicialmente a dificuldade foi convencer os alunos a responder um

questionário, o qual eles serão avaliados no grau de conhecimento de um assunto, sem

nenhuma fonte de consulta ou pesquisa prévia desse assunto. Foi explicado que essas

respostas eram para ser comparada na terceira etapa de aplicação do produto, quando

eles voltariam a responder essas mesmas perguntas. E, a partir disso, seria possível

21

verificar a mudança ocorrida na aprendizagem, considerando que eles possuíam algum

conhecimento prévio sobre o assunto energia e com o uso do produto o que mudou em

seus conceitos. Mesmo assim, alguns alunos não quiseram responder.

4.4.3. Segundo encontro (2 tempos de 50 minutos)

Seguindo o manual, neste encontro foi realizado um debate sobre o tema

energia e em seguida foi apresentando o formalismo conceitual de: energia mecânica,

energia potencial, energia cinética, energia elástica e dissipação de energia.

Primeira aula da manhã, inibidos e com sono, foi exclamado pelo professor

regente: Energia jovens!!! E logo após, foi perguntando: Cadê a energia de vocês? Não

comeram hoje? Então o que é energia? Como é produzido a energia? Responderam:

Que é eletricidade, que é força, que vem das hidrelétricas, das pilhas, sol, dos alimentos.

Perguntando: Como funciona uma hidrelétrica? Eles responderam através das águas dos

rios. Não sabiam mais detalhes. E, por que colocamos a caixa d’água na parte mais alta

da casa? “Para água ter mais força”. Foi colocado que energia se encontra em diversas

formas. Eles reafirmaram: - solar, eólica, térmica, elétrica. A partir disso foi explicado,

que essas formas de energias são transformações ou produzidas a partir da energia

mecânica, seja, potencial gravitacional – depende da altura; cinética – depende da

velocidade; que além dessas existe a elástica – forças das molas. Que durante essas

mudanças sempre há perdas de energia. Um aluno que havia feito um trabalho sobre

hidrelétrica: que as hidrelétricas utilizam a energia potencial gravitacional quando

aumentamos a altura das barragens, e a cinética quando a água desce canalizada para

movimentar as pás das turbinas.

4.4.4. Terceiro encontro (2 tempos de 50 minutos)

Neste encontro foram realizados alguns problemas, sobre conservação da

energia mecânica, com os discentes para auxiliar na compreensão teórica.

No primeiro exemplo trabalhado em sala usando as atividades autorreguladas

de física 2ª série do ensino médio 3º bimestre fornecida pela SEEDUC. Temos:

22

Observe a situação descrita na tirinha abaixo.

(Francisco Caruso & Luisa Daou, Tirinhas de Física, vol. 2, CBPF,

Rio de Janeiro, 2000.)

Assim que o menino lança a flecha, há transformação de um tipo de

energia em outra. A transformação, nesse caso, é de energia:

a) potencial elástica em energia gravitacional.

b) gravitacional em energia potencial.

c) potencial elástica em energia cinética.

d) cinética em energia potencial elástica.

e) gravitacional em energia cinética.

Sem saber as opções, os alunos comentaram que no arco e flecha havia energia

elástica, mas alguns alunos argumentaram na existência de energia potencial

gravitacional, por indução do segundo quadro, enquanto outros falaram que ao sair do

arco a flecha se movimenta e, portanto, tem velocidade, logo energia cinética. Ai

mostrando as opções, chamando a atenção para “ assim que o menino lança a flecha”

todos concordaram que houve transformação de energia elástica em energia cinética.

Letra C.

Segundo exemplo:

Em uma montanha russa um menino de 50 kg está sentado em um

carrinho de 500 kg, é abandonado de um ponto a 20 m de altura em

relação ao solo. Sabendo que a aceleração da gravidade é 10 m/s²,

determine a energia mecânica quando o carrinho atinge o solo:

Além da dificuldade em trabalhar os cálculos matemáticos, os discentes

também demonstraram dificuldade em entender a diferença entre “abandonar e jogar um

corpo” um a velocidade é zero e o outro a velocidade é qualquer valor não nulo.

4.4.5. Quarto encontro (2 tempos de 50 minutos)

Neste encontro os alunos utilizaram o produto. Nas turmas do Colégio Estadual

Pedro Magalhães os alunos não apresentaram dificuldade em manusear e responder ao

23

questionário. Já na turma do Colégio Estadual Piauí um grupo, com o desanimo

peculiar, não queria participar, apesar de cumpriram sem muita dificuldade o manuseio

do produto e responderem ao questionário.

As figuras 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14 apresentam os alunos utilizando o produto.

Figura 8. Alunos do Colégio Estadual Pedro Magalhães utilizando o produto.


24



25


Figura 13. Alunos do Colégio Estadual Piauí utilizando o produto.

26

Figura 14. Alunos do Colégio Estadual Piauí utilizando o produto.

4.5. Análise do uso do produto

Nesta seção é avaliada a aplicação do produto, onde são apresentadas as

perguntas dos pré-testes respondidas pelos alunos. Cada pergunta apresenta uma

estatística sobre as respostas mais comuns, onde são discutidos os principais pontos

observados.

Os discentes responderam os pré-testes de forma autônoma, sendo a inferência

do docente realizada somente para facilitar a aplicação do produto. No total foram

respondidos 50 questionários pelos alunos.

4.5.1. Nos Colégios Pedro Magalhães e Piauí

1ª questão:

O que é energia?

A concepção que os alunos trazem de que a energia é geralmente a forma em

que se manifesta no nosso dia a dia, principalmente na forma de luz ou eletricidade, foi

expressa por 20 alunos (“é aquilo que permite ligar a geladeira”) e os outros quinze

comparam a energia com a produção de trabalho (“é aquela coisa que produz algo”).

Outros treze deram suas respostas relacionando a energia ao ato de viver (“é aquilo que

nos faz caminhar viver”) e dois não responderam.

27

Figura 15. Gráfico das respostas da pergunta 1 do pré-teste verso após a aplicação do

produto.

Como pode ser visto no gráfico da figura 15, após a aplicação do produto

vinte e três alunos relacionaram a energia com a produção de trabalho (“capacidade de

um corpo ou uma substancia de um sistema físico tem de realizar trabalho”), vinte

dois relacionaram a energia a qualquer tipo de transformação em outra energia (“é a

capacidade que alguma coisa de se transformar em outra”) e cinco não responderam.

Percebe-se claramente que o aluno tem dificuldade em articular as palavras, ora por

querer se livrar das perguntas, ora por falta de vocabulário.

2ª questão:

O que é Trabalho segundo a Física?

Antes da aplicação do produto os alunos responderam à pergunta: o que é

trabalho segundo a física? Foi percebido que as respostas, apesar diferentes tinham

relação com energia, ou associavam o trabalho a alguma atividade. Abaixo são

apresentadas algumas respostas.

“É alguma forma de propagação de energia.”

“É um ato de perder ou ganhar energia.”

“É tudo aquilo que vai gerar algo ou alguma coisa.”

Como pode ser visto no gráfico da figura 16, após a aplicação do produto dez

alunos relacionaram trabalho a perder ou ganhar energia. Outro dez relacionaram a

atividade, sendo as mais comuns: “realizar uma ação”; “é realizado por tudo aquilo

0

5

10

15

20

25

Tipo de Energia Trabalho outros

O que é Energia?

Antes do Produto

Após o Produto

28

que tem movimento”. Entretanto a maior parte dos discentes respondeu que trabalho é

força vezes distância ou deslocamento.


produto.

3ª Questão:

O que é Energia Mecânica?

Como pode ser visto no gráfico da figura 17, com o conhecimento prévio trinta e

um alunos responderam que a energia mecânica está ligada a força ou ao movimento.

Enquanto treze responderam, que estava ligada a máquinas e seis não responderam.

Abaixo são apresentadas algumas das respostas.

“A energia mecânica é o conjunto de energia que envolve movimento, exemplo

quando levantamos um peso.”

“É a energia que pode ser transferida por meio de força.”

Após ter trabalhado os conceitos e aplicado o produto 47 responderam que é a soma das

energias potencial gravitacional mais a cinética e 3 não responderam.

0

5

10

15

20

25

30

35

O que é Trabalho segundo a Física?

Antes do Produto

Após o Produto

29


produto.

Nas perguntas seguintes do pré-teste, antes de aplicar o produto, os alunos não

responderam ou confundiram com as formas de produção de energia elétrica, daí não

plotar os valores relacionado as perguntas respondidas antes. Só foram plotadas as

perguntas após a aplicação do produto.

4ª questão:

Quais são os tipos de energia mecânica?

Todos responderam corretamente.

5ª questão:

a) Definição de Energia potencial gravitacional

Como visto no gráfico da figura 18, vinte dois alunos responderam que a

energia potencial gravitacional é a relação da energia que um corpo possui com a altura,

que ele se encontra conforme um referencial. Por outro lado, sete relacionaram a energia

ao trabalho da força peso exercida por um corpo. Dezessete alunos relacionaram a

energia proveniente da força gravitacional entre corpos e outros quatro não responderam

ou não foi relevante as suas considerações. Segue algumas das respostas:

“É a energia associada ao estado de separação entre dois objetos que se

atraem mutuamente através da força gravitacional.”

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Força eMovimento

Máquinas Soma deEnergias

outros

O que é Energia Mecânica?

Antes do Produto

Após o Produto

30

Vários questionários apresentaram essa resposta, sendo o conceito acima

apresentado em várias páginas da internet. Logo conclui-se que todos que responderam,

com tal resposta faziam parte do mesmo grupo.

Outras respostas:

“É a energia que se acumula quando se está em uma certa altura; ”

“È a aplicação da massa vezes a gravidade vezes a altura;”.

“peso vezes altura”.

Nas respostas acima é possível verificar, que as mesmas foram dadas

propriamente pelos discentes.

Figura 18. Gráfico das respostas da pergunta 5a após a aplicação do produto.

5ª questão:

b) Definição de Energia Potencial Elástica:

Como pode ser visto no gráfico da figura 19, relacionaram a energia elástica ao

trabalho da força elástica dezessete alunos, e vinte relacionaram a deformação de uma

mola, seis a deformação de um corpo e outros sete foram evasivos ou não responderam.

Segue abaixo algumas das respostas.

“corresponde ao trabalho realizado pela força elástica”

“É a constante elástica vezes a deformação da mola elevado ao quadrado

dividido por 2”.

“é a energia devido a deformação da mola”.

0

5

10

15

20

25

Altura Trabalho do Peso Gravitação outros

Energia Potencial Gravitacional

31

“é a energia que a tem quando é acionada.”

Figura 19. Gráfico das respostas da pergunta 5b após a aplicação do produto.

5ª questão:

c) Conceito de Energia Cinética

Todos os discentes responderam de forma similar a resposta acima, sendo as

respostas mais comuns: “ quando há algum movimento do objeto (carro, bola) ”;

“massa vezes a velocidade elevado ao quadrado dividido por 2”; “ é a relação entre

massa e velocidade”; “é a energia proporcionada pelo movimento”. Apesar da

simplicidade nas respostas nenhuma delas se mostram totalmente equivocadas.

0

5

10

15

20

25

Trabalho da ForçaElástica

Deformação da Mola Deformação de umCorpo

Outros

Energia Potencial Elástica

32

CAPÍTULO V

CONCLUSÃO

O presente trabalho tem a finalidade de apresentar um produto que permita ao

aluno reconhecer os tipos de energia mecânica existente na natureza e a modelagem

matemática definida para essas energias, com material de baixo custo e simples

confecção, utilizando como metodologia educacional “aprendizagem significativa”

(AUSUBEL, apud MOREIRA, 1999).

Foi percebido durante o manuseio do produto, pelos alunos, o domínio, a

alegria, espontaneidade e o prazer em adquirir os saberes.

Estamos convictos que os alunos saíram mais conhecedores, pois disseram de

forma informal que a energia cinética está relacionado ao movimento, ou melhor, a

velocidade. Que após a bolinha percorrer o trajeto, na rampa, ao inverter o movimento

ela adquiriu energia potencial gravitacional. Em relação ao roteiro, todos desenvolveram

o cálculo e responderam com facilidade e segurança as questões. Entenderam que a

energia mecânica existente, dependendo do instante observado, está em uma ou mais

formas: energia potencial elástica, energia cinética e energia potencial gravitacional.

Perceberam, também, a diferença entre a teoria e a prática, pois, na prática há

fatores (dissipação de energia – atrito) que na teoria as vezes são desconsiderados. O

fato foi observado quando um aluno, ao apresentar um trabalho sobre energia em usinas

hidrelétrica, compara os conceitos de energia mecânica (potencial gravitacional e

cinética) que ele havia aprendido com a aplicação do produto com as informações do

funcionamento de uma hidrelétrica, “descrevendo o seguinte”: com a barragem a água

sobe de nível – altura ganhando, aquela massa de água, energia potencial, que desce por

canaletas ganhando energia cinética. Da mesma forma, quando a bolinha de aço retorna

ao ponto mais alto, em virtude do trabalho realizado pelo professor Fabio, tem energia

potencial e quando chega em baixo tem muita velocidade e com certeza energia

cinética.

Os discentes também foram capazes de relacionar a utilização da energia

mecânica em situações de seu convívio, com caixa de água, brinquedo de corda, entre

outros.

33

Com isso, pelas analises, pode-se dizer que houve aprendizagem, o que é

confirmado pelos resultados do pré-teste que mostraram, que o domínio do conteúdo

por parte dos discentes melhorou de forma significativa.

Acredita-se que o produto tenha outras utilidades nas aulas de física, como por

exemplo do cálculo da força elástica, onde é possível fazer um experimento de

calibração da mola. O produto também pode ser utilizado em conjunto, por exemplo,

com software Tracker, que dentre diversas funcionalidades, destaca-se a confecção de

gráficos a partir de dados obtidos por vídeos ou outros recursos.

32

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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experimentos demonstrativos. Tese de MSc., UFF – Universidade Federal Fluminense –

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MOREIRA, Marco Antonio. Teorias de aprendizagem. São Paulo: Editora pedagógica e

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33

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VILAR, A. B. et al. Medição de temperatura: O saber comum ignorado nas aulas

experimentais. Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 37, n. 2, p. 2507, 2015.

34

APÊNDICE A: Currículo do segundo ano ensino médio ministrado nas escolas

estaduais do Rio de Janeiro

36

APÊNDICE B: MANUAL DE CONSTRUÇÃO E APLICAÇÃO

37

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 1

2. 20 cm de tubo de PVC de ¾ - figura 1.

3. 22 cm de cavilha de 8 mm - figura 1.

4. Cola

5. Broca de 2 mm – figura 2.

6. Fotocopia de uma régua 7 cm - figura 1.

7. Uma esfera de aço (junta homocinética) – figura 3.

Figura 1. Foto ilustrativa dos componentes do dinamômetro.

38

Figura 2. Foto ilustrativa de uma broca de 2mm

Figura 3. Foto ilustrativa esfera de aço.

2.2. Montagem

Caso sejam encontradas dificuldades na montagem ou queiram colaborar com

sugestões ou críticas podem entrar em contato pelo e-mail: [email protected]

2.2.1. 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.

mailto:[email protected]

39

2. Colar a fotocopia da régua na cavilha marcando 2 cm da ponta, observando o

alinhamento com tubo, conforme visto na figura 5.

3. Fixar a mola na cavilha passando pelo furo do meio da cavilha, conforme visto na

figura 4.

2. 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 5.

5. 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.

Figura 5. Foto ilustrativa do detalhamento da montagem do dinamômetro.

Alinhar tubo

com escala.

Alinhar furo

do tubo com

a ponta da

mola.

Alinhar tubo

com a ponta

da cavilha.

2,0 cm

40

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.

Alinhamento escala-tubo

41

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 8.

2. Dois tubos de PVC de ¾ de 105 cm de comprimento, figura 8 e 9.

3. Um tubo de PVC ¾ de 5 cm de comprimento, figura 8.

4. Um parafuso 5 mm de 10 cm com porca, figura 8.

5. 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.

42

Figura 10. Foto ilustrativa da broca de 5 mm.

3.2. 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 8.

2. 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 11.

5. 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.

43

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?

44

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?

45

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, 2010.

programa de pÓs-graduaÇÃo em ensino de fÍsica …¡bio mendes... · 2019-12-19 · permitir a...

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