Ensino de Física com Experimentos de Baixo Custo

De Vivian Machado de Menezes

O livro Ensino de Física com experimentos de baixo custo apresenta uma alternativa para a experimentação de Física como forma de auxiliar professores e estudantes na elaboração/execução de aulas práticas que não necessitam de equipamentos sofisticados ou, até mesmo, de laboratório didático. A obra envolve o conhecimento teórico sobre assuntos relacionados à Física Geral e propõe um guia prático e roteiros com o passo a passo para a montagem dos experimentos, bem como materiais auxiliares para análise de resultados.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Appris
• Data de lançamento: 18 de jun. de 2019
• ISBN: 9788547311919

Pré-visualização do livro

COMITÊ CIENTÍFICO DA COLEÇÃO ENSINO DE CIÊNCIAS

Aos nossos pais e familiares,

por todo amor, apoio e compreensão.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos à UFFS, à Fundação Araucária e ao CNPq pelos auxílios financeiros com bolsas de iniciação científica PRO-ICT/UFFS (Editais n. 281/UFFS/2015 e 599/UFFS/2016), Pibic/Fundação Araucária (Edital n. 848/UFFS/2016) e Pibic/CNPq (Edital n. 398/UFFS/2017).

Agradecemos também à Marcenaria Oliveira, que nos forneceu gratuitamente todos os suportes de madeira para confecção dos experimentos.

E um agradecimento especial à Editora Appris, por acreditar no nosso trabalho.

APRESENTAÇÃO

Um dos maiores desafios do ensino de Física é a conexão entre o conhecimento científico adquirido pelos estudantes e o mundo cotidiano. Atualmente é grande a preocupação dos professores em introduzir atividades práticas em suas aulas a fim de despertar o interesse dos estudantes e facilitar a compreensão dos fenômenos da natureza. Mas para isso ser possível é necessário dispor de um laboratório didático, e muitas vezes essa não é a realidade das escolas brasileiras.

Laboratórios didáticos acarretam um alto custo para as escolas, uma vez que demandam infraestrutura adequada, equipamentos, manutenção e funcionários especializados que atuem no seu funcionamento. Um dos principais motivos que levam as aulas experimentais a se tornarem cada vez menos frequentes é o alto custo para construir e manter um laboratório em funcionamento, além da falta de preparo dos docentes para executar essas atividades. Entretanto, restringir o ensino de Física a formulismo matemático e resolução de exercícios faz com que aumente a resistência dos estudantes quanto ao ensino da disciplina, além de torná-los mais desinteressados e desestimulados. Isso tem reflexo direto nos altos índices de evasão escolar e repetência, o que preocupa os professores e os leva a buscar alternativas para aprimorar suas metodologias de ensino.

As aulas experimentais fornecem ferramentas para aquisição e teste de conhecimentos, comprovação de previsões teóricas e discussão de formulações matemáticas. Para isso acontecer são necessários recursos e preparo dos docentes. Nesse contexto, a elaboração de experimentos de baixo custo viabiliza uma forma de diminuir o custo envolvido no funcionamento do laboratório didático.

Para a concretização dessa proposta, esta obra baseia-se nos frutos de projetos de iniciação científica realizados na Universidade Federal da Fronteira Sul – campus Laranjeiras do Sul. Os autores deste livro são/foram os acadêmicos do curso de graduação em Licenciatura Interdisciplinar em Educação do Campo e a técnica do laboratório de física da universidade, que participam/participaram dos projetos intitulados O ensino de Física através de experimentos didáticos de baixo custo e Ensino de Física no ensino médio: uso de experimentos de baixo custo, coordenados pela professora doutora Vivian Machado de Menezes.

Esperamos que esta obra auxilie os professores na elaboração de atividades práticas de Física, principalmente nas escolas onde não há laboratórios ou recursos para seu desenvolvimento. Desejamos que os experimentos propostos sejam facilitadores do processo ensino/aprendizagem e motivadores da popularização da Física.

Daniele Guerra da Silva (autora)

Vivian Machado de Menezes (organizadora)

LISTA DE ABREVIATURAS

LISTA DE UNIDADES DE MEDIDA

Sumário

CAPÍTULO 1

MECÂNICA

1.1 O Movimento Retilíneo Uniforme (MRU)

1.1.1 Experimento proposto: gota d’água no óleo

1.1.2 Experimento proposto: gota de óleo na água

1.1.3 Experimento proposto: bolha de ar na água

1.2 O Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV)

1.2.1 Experimento proposto: partícula deslizando pelo arame

1.2.2 Experimento proposto: trilho de ar feito com cano de PVC

1.2.3 Experimento proposto: esfera na canaleta

1.3 Primeira lei de Newton

1.3.1 Experimento proposto: o ovo que permanece em sua posição de origem

1.3.2 Experimento proposto: moedas estáticas

1.3.3 Experimento proposto: garrafa sobre a mesa

1.3.4 Experimento proposto: objeto sobre um carrinho

1.4 Segunda lei de Newton

1.4.1 Experimento proposto: coeficiente de atrito estático

1.4.2 Experimento proposto: lei de Hooke

1.5 Terceira lei de Newton

1.5.1 Experimento proposto: disco flutuante

1.5.2 Experimento proposto: força magnética

1.6 Momento Linear e Energia Mecânica

1.6.1 Experimento proposto: pêndulo de Newton

1.6.2 Experimento proposto: colisão de esferas

1.6.3 Experimento proposto: conservação da energia em molas

1.6.4 Experimento proposto: a lata que vai e volta

1.6.5 Experimento proposto: carrinho de carretel

1.6.6 Experimento proposto: loopings

CAPÍTULO 2

FLUIDOS

2.1 Hidrostática

2.1.1 Experimento proposto: vela na água

2.1.2 Experimento proposto: ludião

2.1.3 Experimento proposto: vasos comunicantes

2.1.4 Experimento proposto: tubo em U

2.1.5 Experimento proposto: braço hidráulico

CAPÍTULO 3

MOVIMENTO ONDULATÓRIO

3.1 O Movimento Harmônico e o Pêndulo Simples

3.1.1 Experimento proposto: pêndulo simples

3.2 Ondas

3.2.1 Experimento proposto: ondas mecânicas

3.2.2 Experimento proposto: canhão de ar

3.2.3 Experimento proposto: dança dos pêndulos

CAPÍTULO 4

TERMODINÂMICA

4.1 Fenômenos térmicos

4.1.1 Experimento proposto: máquina a vapor

4.1.2 Experimento proposto: bexiga na garrafa

4.1.3 Experimento proposto: balão com água

4.1.4 Experimento proposto: como comprimir um copo de isopor

4.1.5 Experimento proposto: calorímetro

CAPÍTULO 5

ELETROMAGNETISMO

5.1 Eletrostática

5.1.1 Experimento proposto: desvio mágico da água

5.1.2 Experimento proposto: garrafa de Leyden

5.1.3 Experimento proposto: Gaiola de Faraday

5.2 Circuitos elétricos

5.2.1 Experimento proposto: resistores em série e paralelo

5.2.2 Experimento proposto: labirinto elétrico

5.2.3 Experimento proposto: reostato caseiro

5.3 Magnetismo

5.3.1 Experimento proposto: bússola caseira

5.3.2 Experimento proposto: globo terrestre

5.3.3 Experimento proposto: linhas de campo magnético

5.3.4 Experimento proposto: pião magnético

5.3.5 Experimento proposto: eletroímã

5.3.6 Experimento proposto: moedas equilibristas

5.3.7 Experimento proposto: minimotor elétrico

REFERÊNCIAS

SOBRE OS AUTORES

CAPÍTULO 1

MECÂNICA

1.1 O Movimento Retilíneo Uniforme (MRU)

Fundamentos teóricos

Corpos executando movimento com velocidade constante raramente são observados na natureza, uma vez que dificilmente um corpo permanece sem acelerar ou frear em algum momento. Sabe-se que é comum estudar as características dos movimentos do particular para o geral, ou seja, do mais simples para o mais complexo. Nesse contexto, é fundamental analisar com mais detalhes os efeitos dos movimentos iniciando por aquele em que o valor da velocidade não varia, isto é, pelo Movimento Retilíneo Uniforme.

O Movimento Retilíneo Uniforme (MRU) é um movimento no qual a partícula percorre distâncias iguais em intervalos de tempos iguais, isto é, seu deslocamento é proporcional ao tempo de percurso em linha reta, no qual sua velocidade tem um único valor durante o percurso. A velocidade instantânea de uma partícula, que no caso do MRU é igual à velocidade média, pode ser calculada pela equação 1.1, na qual x é a posição da partícula em um dado tempo t, e x0 é a posição inicial da partícula para o tempo t0.

Equação 1.1

Com base na equação 1.1, considerando-se o tempo inicial (t0) igual a zero, pode-se prever em que posição a partícula estará em um instante t qualquer, por meio da equação matemática linear que relaciona velocidade (v) e tempo (t):

Equação 1.2

FIGURA 1.1 – GRÁFICO DE POSIÇÃO X TEMPO

FONTE: Elaborado pelos autores

No gráfico de posição x tempo para o Movimento Retilíneo Uniforme, a inclinação da reta fornece a velocidade instantânea da partícula. A inclinação da reta corresponde ao coeficiente angular da equação 1.2.

FIGURA 1.2 – GRÁFICO DE POSIÇÃO X TEMPO PARA UMA PARTÍCULA COM VELOCIDADE CONSTANTE. O VALOR DA VELOCIDADE PODE SER CALCULADO PELA INCLINAÇÃO DA RETA

FONTE: Elaborado pelos autores

FIGURA 1.3 – GRÁFICO DE VELOCIDADE X TEMPO PARA UMA PARTÍCULA QUE DESCREVE UM MRU. A VELOCIDADE POSITIVA DA PARTÍCULA SIGNIFICA QUE ELA SE MOVIMENTA NO SENTIDO CRESCENTE DO EIXO X

FONTE: Elaborado pelos autores

A função horária da velocidade no MRU é uma função constante e não nula; sua representação no gráfico é uma reta paralela ao eixo das abscissas (tempo). A linha horizontal, que representa a velocidade de um móvel, indica que a velocidade é constante e informa o sentido do movimento da partícula¹,²,³,⁴,⁵,⁶.

FIGURA 1.4 – A ÁREA SOB A CURVA NO GRÁFICO DA VELOCIDADE X TEMPO É IGUAL À VARIAÇÃO DE ESPAÇO (DESLOCAMENTO) NO CORRESPONDENTE INTERVALO DE TEMPO

FONTE: Elaborado pelos autores

1.1.1 Experimento proposto: gota d’água no óleo

⁷

Objetivos

•  Analisar e identificar o movimento retilíneo de uma partícula.

•  Relacionar graficamente as grandezas físicas do movimento.

•  Analisar os gráficos.

•  Determinar o valor da velocidade da partícula.

•  Determinar a equação horária do movimento da partícula.

•  Estimar a incerteza dos valores medidos.

Materiais utilizados

1. Tubo de material transparente preferencialmente com comprimento maior que 1 metro.

2. Água.

3. Régua (ou trena).

4. Óleo.

5. Caneta hidrográfica.

6. Seringa.

7. Cronômetro.

8. Borracha de câmara de pneu e elástico para dinheiro (ou uma rolha para vedar a extremidade inferior do tubo).

FIGURA 1.5 – MATERIAIS UTILIZADOS NO EXPERIMENTO GOTA D’ÁGUA NO ÓLEO

FONTE: Elaborado pelos autores