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Guia do Professor – Vídeo – Os Curiosos – Leis de Conservação de Energia - Versão 1.0

IBTF - Projeto Acessa Física - Atualizado em 20 de outubro de 2010 Projeto Financiado pelo MEC - Ministério da Educação e Cultura e pelo MCT - Ministério da Ciência e Tecnologia

- Esta obra está licenciada sob uma Licença Creative Commons - © 2010 – MEC e MCT

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Ficha de Catalogação

Tema: Leis de Conservação de Energia.

Série escolar: 1ª série do Ensino Médio.

Tempo de duração do vídeo: aprox. 10 minutos.

Tempo sugerido/previsto para utilização do vídeo: 1 aula de 50 minutos.

Pré-requisitos:

Conceito de energia;

Conceito de Energia Potencial Gravitacional;

Conceito de Energia Cinética.

Objetivos da atividade:

Explicar o fenômeno de conservação de energia.

Introdução

Caro professor, este vídeo foi desenvolvido visando discutir e problematizar, com os alunos do ensino médio, o tema conservação de energia – com

destaque para diferenciar formas de comprovar a conservação de energia com enfoque na transformação de energia potencial gravitacional e energia cinética.

Normalmente o conceito de energia é confundido pelos alunos com o conceito

de força, e como essas palavras são usadas em diferentes contextos no nosso dia-a-dia.

Acreditamos que o vídeo é um excelente meio de comunicação integrador e motivador para os alunos. Ele aproxima a sala de aula do cotidiano, das

linguagens de aprendizagem e comunicação da sociedade urbana, como também introduz novas questões no processo educacional.




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Para o desenvolvimento dessa temática são apresentadas situações referentes ao cotidiano dos alunos, através de situações curiosas e inusitadas vividas por

nossos jovens curiosos, sempre se baseando em questionamentos e situações problematizadoras.

Mas afinal, o que é conservação de energia? Como fazemos para dissipar menos

energia?

Durante a discussão desse fenômeno, ressalte a importância de se buscar cada vez mais sistemas não dissipativos, ou seja, sistemas em que temos a energia

fornecida sendo de fato transformada em energia útil para realizar trabalho.

O vídeo irá propor situações inusitadas e curiosas do cotidiano, visando auxiliar

o aluno a compreender o princípio de conservação de energia.

Dicas para utilização do vídeo

Os vídeos do projeto “Acessa Física” foram desenvolvidos pensando em

problematizar situações físicas presentes no cotidiano dos alunos. Em cada episódio, alguns jovens curiosos resolvem problemas e vivenciam situações

inusitadas e curiosas, instigadas inicialmente por um Professor de Física.

Todas as mídias têm por objetivo ser um meio de comunicação integrador e

motivador para os alunos. No entanto, a maneira como você, professor, irá utilizá-lo pode variar.

O Vídeo pode ser Motivador – Nesse caso o professor poderá utilizá-lo antes da

discussão e explicação do tema do vídeo. As tramas podem ser utilizadas para introduzir um novo assunto, já que objetivam despertar a curiosidade e

motivação para o tema a ser discutido.

O Vídeo pode ser também Demonstrativo ou Investigativo – Nesse caso deverá ser utilizado após a discussão e explicação do tema do vídeo. O professor pode

optar em abordar e explicar a temática em questão antes de sua utilização, e assim a mídia ajudará a mostrar e levantar novas questões referentes às

explicações e discussões já vividas em sala.

Há também a possibilidade do vídeo ser utilizado como suporte de ensino –

Nesse caso pode ser usado durante a explicação do professor. As apresentações podem ser utilizadas para responder questões, assim como para levantar

outras.




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Todos os vídeos têm duração de 10 minutos, mas é importante que o professor se prepare e planeje suas aulas e forma de aplicação da melhor maneira para

cumprir os seus objetivos específicos de ensino, levando em consideração o tempo previsto para execução da atividade e discussão da temática.

É importante destacar também, que cada turma reage de forma diferente à

exibição dos vídeos, o guia do professor traz algumas sugestões de como utilizar e se preparar para a aplicação da peça e dá subsídios para questões

prévias e desafios interessantes para que essa atividade atenda o propósito para a qual você, professor, a planejou.

Leia atentamente o guia a seguir, assista ao vídeo proposto e boa atividade a todos!

Sinopse

Esta atividade é uma sugestão para trabalhar o tema Conservação de Energia.

No vídeo, os curiosos são convidados a demonstrar através de experimentos, que também poderão ser realizados pelos alunos em sala de aula, situações

onde ocorre variação de energia e como essa energia pode ser conservada em

diferentes contextos.

É importante saber que, experimentalmente não se conhece a energia de um sistema, somente podemos medir suas variações durante processos físicos,

químicos ou biológicos.

No vídeo, os curiosos são convidados a demonstrar através de experimentos, que também poderão ser realizados pelos alunos em sala de aula, situações

onde a conservação de energia mecânica pode ser estudada por meio de choques elásticos. O vídeo enfoca o problema particular da queda simultânea de

duas bolas, uma em cima da outra, que chocam-se com o solo e entre si provocando um efeito surpreendente.

Preparação

Antes da exibição do vídeo, sugerimos a você, professor, que:




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Assista ao vídeo antes para conhecê-lo – É importante assistir atentamente ao

material. Atente-se às questões e situações levantadas, cheque a qualidade da cópia e deixe preparado no ponto exato para a exibição.

Informe aos alunos somente aspectos gerais do vídeo (autor, duração, tema).

Não interprete, nem antecipe as questões que serão tratadas no vídeo, para que ele não se torne mera demonstração do já discutido. Deixe que cada um

possa fazer a sua leitura.

Sem antecipar as situações do vídeo, pode instigar os alunos a pensar sobre o

tema da atividade com questionamentos.

Exemplos de questionamentos:

De onde vem a energia que usamos para correr?

Por que um corpo, a certa altura, “ganha” velocidade ao ser solto?

O que é trabalho?

E na física, o que vocês acham que é trabalho?

Possivelmente os alunos irão associar energia à força e também a palavra

trabalho ao ato de prestar serviços. Não se preocupe! Peça para que eles anotem essas observações e assistam ao vídeo procurando compreender as

respostas apresentadas. Ao final do vídeo vocês terão oportunidades para

discutir a fundo esses conceitos.

No entanto, essas menções são bastante importantes e motivadoras. Elas ajudam a criar um clima descontraído e propício para a discussão sobre a

conservação de energia e qual a relação desse fenômeno com as colocações feitas por eles.

A busca por esses exemplos corresponde a uma rica atividade e motivação para

assistirem ao vídeo.

Não se preocupe, nesse momento da atividade, em encontrar respostas corretas e únicas, mas em despertar as dúvidas e questionamentos sobre os

conceitos que serão abordados e desenvolvidos nessa mídia.

O professor pode optar também por somente informar os alunos do que se trata

e pedir que eles apresentem ideias e hipóteses sobre o que irão assistir. Estas informações podem ser anotadas coletivamente ou individualmente pelos

alunos em um exercício de reflexão sobre “o que eu sei”. Nessa atividade os alunos poderão escrever o que sabem sobre o tema a ser abordado.




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Cuidado professor com as concepções alternativas dos alunos relacionadas ao tema velocidade relativa. Muitos alunos têm dificuldade em entender esse

conceito. Um exemplo do cotidiano que pode ajudar a compreender a definição de velocidade relativa é o choque entre dois carros com velocidades opostas.

Durante a atividade

Atente-se às cenas mais importantes e anote-as para uma discussão posterior.

É importante também observar as reações do grupo: como eles reagem à exibição do vídeo.

Se necessário, pause a exibição do vídeo para esclarecer e discutir a(s)

passagem(s) que julgar interessante.

Pode-se também atribuir uma tarefa aos alunos relacionada ao conteúdo do segmento do vídeo que estão prestes a assistir (uma questão, uma pesquisa ou

mesmo uma observação). Os alunos, por exemplo, deverão anotar as informações que foram solicitadas. Dessa forma, dois objetivos serão atingidos

através desta atividade: primeiro, que os estudantes prestem atenção durante o segmento, e segundo, que estejam alerta às respostas que foram solicitadas.

Questão abordada no vídeo:

Como podemos demonstrar que a energia se conserva?

Energia e matéria são grandezas da física que possuem algumas particularidades. De acordo com a teoria da relatividade, podem se transformar

uma na outra, sendo o conteúdo de energia e matéria do Universo uma constante desde sua criação.

No vídeo, para destacar esse aspecto, abordamos esses conceitos apenas como

utilizados em mecânica clássica, sendo de interesse dois tipos de energias: a energia potencial gravitacional e a energia cinética.

Para que haja transformação de energia é necessário que alguma força realize

trabalho. Então, quando levantamos um objeto estamos „gastando‟

(transformando) energia do nosso corpo e fornecendo energia para o corpo levantado. Quanto maior a altura que levantamos esse objeto, maior será a

quantidade de energia que ele terá acumulado para transformar em energia de movimento.

Outro fator que irá influenciar é a massa do corpo em questão, pois quanto




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maior a massa, maior a energia potencial do corpo.

Ep = m . g . h

Em que Ep = energia potencial gravitacional

m = massa g = aceleração da gravidade

h = altura

Quando soltamos o objeto ele irá transformar toda a sua energia potencial

gravitacional em movimento, ou seja, em energia cinética. Conforme o objeto cai, maior é a velocidade que ele adquire, ou seja, ele diminui sua energia

potencial gravitacional e aumenta sua energia cinética. Se considerarmos um sistema em que não existe dissipação de energia mecânica, ao chegar ao chão,

toda a energia potencial será transformada em energia cinética.

Ec = m . v2

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Onde temos:

Ec = energia cinética m = massa

v = velocidade

Chamamos então de energia mecânica total a somatória dessas duas energias,

e o seu valor será constante durante todo o percurso:

Em = Ep + Ec

Admitindo choques perfeitamente elásticos (não há dissipação de energia), o vídeo apresenta duas experiências que envolvem o conceito de conservação de

energia mecânica.

No experimento apresentado pela equipe vermelha, os curiosos se decepcionam com o fato de a bolinha não voltar para mão deles, o que os faz questionar se a

energia é ou não conservada naquela situação. Porém, não podemos esquecer que não estamos em um sistema ideal, com choques perfeitamente elásticos e

no vácuo. Devido a isso, parte da energia potencial gravitacional da bola é dissipada sob forma de calor.

Inicialmente consideremos a queda de uma única bola de massa m de uma altura h até atingir o solo.

Para a queda livre de apenas uma bola de massa m resulta-se que:




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Energiainicia = Energiafinal

m g h = mv2/2

h = v2/2g (1)

E a bola atinge, após o choque com o solo, a mesma altura h.

Quando o sistema é constituído por duas bolas, estando uma bola leve sobre uma bola de massa muito maior, a equipe observa que, após o choque da bola

de maior massa com o chão, a bola mais leve sobe a uma altura bem maior que a de onde foi lançada.

A bola de cima possui uma massa muito menor do que a bola de baixo. Qual a altura que a bola de cima irá atingir após o choque? Como é mostrado no vídeo,

a altura que a bola de cima alcança é muito maior do que sua altura inicial h. Mas qual será sua altura máxima?

Para nosso estudo iremos desprezar o atrito com o ar e considerar um choque

perfeitamente elástico.

Quando as bolas são soltas, a energia potencial gravitacional da bola de cima e

da de baixo são transformadas em energia cinética, e cada uma ganha a mesma velocidade v antes de chocarem-se com o solo. Contudo a bola de baixo

choca-se com o solo um instante antes da bola de cima. Nesse momento a bola de cima está caindo com velocidade v e a bola de baixo subindo com velocidade

v. Em função disso a velocidade relativa entre a bolas é de 2v. Como a colisão é elástica e a massa da bola de cima é muito menor do que a massa da bola de

baixo, a bola de cima choca-se com a bola de baixo e volta como se estivesse colidindo com uma parede em movimento. Como a bola de baixo tem um




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momento muito maior que a bola de cima ela continua subindo após a colisão praticamente na mesma velocidade v que tinha antes da colisão. Como a bola

de baixo continua em velocidade v e a bola de cima adquiriu a velocidade 2v após o choque com a bola de baixo, a velocidade da bola de cima em relação ao

solo tem que ser 3v.

Como a energia se conserva, a energia potencial gravitacional da bola de cima em seu valor máximo irá igualar-se a energia cinética no momento da colisão.

Como vimos a bola de cima irá após o choque com a bola de baixo, ter uma velocidade 3 vezes maior. Portanto a altura que a bola de cima irá alcançar

depois de solta sobre uma bola com a bola com massa muito maior do que a

sua será de 9 vezes a altura inicial.

Assim, aplicando a relação de conservação de energia, temos que a altura h‟ a ser alcançada pela massa m após o choque será:

mg h‟ = m(3v)2/2

E lembrando pela eq. 1 que a altura inicial da massa m é dada por

h = v2/2g

Temos que

h‟ = 9v2/2g = 9h (observe a figura 2)

Este é um fenômeno surpreendente que pode ser facilmente reproduzido em sala de aula!




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Depois da atividade

Depois da exibição do vídeo, você pode rever as cenas mais importantes ou que

considerar de difícil compreensão. Ou, se necessário, exibi-lo uma segunda vez, chamando a atenção para determinadas cenas, diálogos ou situações.

É importante que o grupo (professor e alunos) desenvolva uma conversa sobre

o vídeo, destacando questões, dúvidas, e comentários sobre a mídia.

Pode-se também resgatar a dinâmica em que os alunos refletem e escrevem

em uma folha, agora sobre “o que aprenderam”, ou seja, eles escreverão sobre algo novo que tenham aprendido com o vídeo. Podem ainda trocar a folha com

os colegas.

A seguir, sugestões de algumas questões que podem ser feitas após a exibição do vídeo.

Questões Sugestão de Resposta

Questões do vídeo

Como podemos medir a energia potencial

gravitacional?

Medimos a energia potencial de acordo com a massa, a altura em relação a um ponto de

referência, e a aceleração da gravidade. Ep = m . g . h

Como medimos a energia

cinética de um corpo?

Ec = m . v2

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Questões para reflexão e discussão

Quando temos a energia

conservada?

A energia sempre é conservada. Ela não

pode ser criada ou destruída, somente transformada.

Questão-Desafio

Quais as condições necessárias para que o

máximo de energia potencial seja transformada

em energia que possa ser utilizada?

É necessário minimizar perdas de energia, como por exemplo, por atrito, deformações

permanentes, vibrações, etc.




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Avaliação

Avalie o efeito do segmento apresentado. Você pode perguntar aos seus alunos

o que eles aprenderam, se o vídeo lhes forneceu ideias claras, se ficaram dúvidas, ou, ainda, se eles gostariam de assistir a outros vídeos sobre a

temática.

Sugerimos como possibilidade de avaliação um momento em que os alunos

opinem e comentem a atividade, solicitando aos alunos que relatem o vivido em sala de aula, discutindo:

1. Como eles narrariam e resumiriam o vídeo e as discussões desenvolvidas em

sala de aula para os alunos que faltaram? 2. Que outras questões eles fariam sobre o assunto trabalhado?

Atividades Complementares

Áudio do projeto Acessa Física do tema – “Energia”.

Experimento do projeto Acessa Física de “Transformação de Energia” -

Transformações de energia: eólica em potencial e elétrica e mecânica em elétrica.

Vídeo do projeto Acessa Física de “Transformação de Energia”.

Para Saber Mais

Hewitt, P.G, Física Conceitual, 9ª Edição-Porto Alegre: Bookman, 2002.

Máximo, A., Alvarenga, B. Física. Volume Único. São Paulo: Editora Scipone, 1997.

Palavras-chave para busca na internet: energia potencial, energia cinética,




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energia mecânica.

Links que abordam o assunto:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala05/05_09.asp http://www.if.ufrgs.br/fis181/roteiros/Exp3.pdf

Créditos

Projeto Acessa Física

Instituição Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educação e

Tecnologia de Formação a Distância

Parceiros CDCC - Centro de Divulgação Científica e

Cultural – USP

IEA - Instituto de Estudos Avançados - São

Carlos – USP

Concepção de Linguagem Cao Hamburger

Concepção e Revisão de

Roteiros e Guias

Prof. Carlos Alfredo Argüello

Prof. Dietrich Schiel

Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas

Prof. Carolina Rodrigues de Souza

Prof. Paulo Roberto Mascarenhas

Prof. Márcio Leandro Rotondo

Prof. Naylor Ferreira de Oliveira

Prof. Ana Aleixo Diniz

Prof. Felipe Castilho de Souza

Prof. Herbert Alexandre João

Carolina Codá

Coordenador Pedagógico Hamilton Silva

Apresentação Professores – Márcio Miranda e Luis Nunes

Patrícia – Bruna P. dos Santos

Marina – Yasmim Karina Reis




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Marcelo – Thomas Canton Miranda

Jana – Natália Belasalma

Edu – David Narciso

Jonathan – Renato Capella

Livia – Zoe Yasmine Miranda Sá Dall‟igna

Luize – Ana Carolina Garbuio

Pietro - Bruno Garbuio

Iara – Letícia Ferreira

Maurício – Lauro De Paiva Pirolla

Fernanda – Nicole Santaella Carol –

Andressa Barbosa C. Gomes

Bruno – Lucas Matsukura

Caio – Wesley Soalheiro de Souza

Pedro – Victor Casé de Souza Oliveira

Beto – Renato Augusto G. Rodrigues

Renata – Luiza Campos Martins

Felipe – Adans Paulo

Paulo – Rafael Augusto Montassier

Direção Glauco M. de Toledo

José Pinotti

Julio Peronti

Carlos Henrique Branco

Wagner Netto

Produção Danny Santos

José Pinotti

Paulo Mascarenhas

Taciana Previero

Wagner Netto

Roteiros Claudio Ferraraz Jr.

Francisco R. Belda

Glauco M. de Toledo

Luiz Salles

Renato Capella

Roger Mestriner

Direção de Fotografia Adriano S. Barbuto

Fabio Tashiro




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Edição e Finalização Danny Santos

Elói Beltrami Doltrário

Fernando Rodrigues

Ivan M. Franco

Rodrigo Pio

Animação 3D André Fonseca Silva

Som Direto Wagner Netto

Adans Paulo

Sound Designer Alexey Rodrigo

Adans Paulo

Projeto financiado pelo MEC - Ministério da Educação e pelo MCT -

Ministério da Ciência e Tecnologia

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