Energia é uma palavra freqüentemente usada no diálogo entre pessoas. No dia-adia é comum se ouvir as frases exemplificadas a seguir:

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1 1 1) PROBLEMATIZAÇÃO: Energia é uma palavra freqüentemente usada no diálogo entre pessoas. No dia-adia é comum se ouvir as frases exemplificadas a seguir: - Essas crianças possuem energia de sobra! - Coma que esse alimento possui muita energia. - A solução para o aquecimento global está associada ao uso de fontes alternativas de energia. Ou seja, energia é um termo com diversos significados. Mas, no estudo da natureza e seus fenômenos, particularmente aqueles relacionados à Física, qual seria o seu significado? 2) PERGUNTAS-CHAVE: 1. Expresse com poucas palavras o significado que a palavra energia tem para você? 2. Quais são as formas de energia que você conhece? 3. Analise a tira de humor abaixo, e cite que tipo(s) de energia você considera que nela está(ão) sendo veiculado(s).

2 4. Ultimamente, uma das fontes de energia que está sendo bastante utilizada para o funcionamento de aparelhos elétricos é a energia que vem do Sol. Para tanto, são necessários coletores solares (Figura 1). Você tem algum conhecimento sobre como ocorre a transformação da energia solar em elétrica? Figura 1: coletor solar 2 3) CONCEITOS-CHAVE: Energia: é a propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho. 3 Tipos de energia: mecânica, elétrica, magnética, atômica, nuclear, etc. Energia mecânica (E M ): manifesta-se nas formas cinética, potencial gravitacional e potencial elástica. É a soma da energia cinética com a potencial (gravitacional e/ou elástica). Sua expressão é dada por: E M = E c + E p Cinética (E c ) está associada a corpos que possuem movimento, ou seja, com velocidade diferente de zero. Seu valor pode ser determinado pela seguinte equação: E c = m. v 2 2, na qual m representa a massa do corpo e v a sua velocidade em determinado instante. Potencial gravitacional (E pg ) está associada a corpos que estão situados a uma certa altura (h) em relação a um nível de referência (NR), conforme ilustra a Figura 2, de modo que seu valor pode se determinado pela equação a seguir, na qual g representa a aceleração da gravidade. E pg. = m. g. h h m NR Figura 2: um corpo de massa m, a uma altura h em relação ao nível de referência (NR). Potencial elástica (E pel ) está relacionada à deformação de um corpo; quando se trata de um sistema massa-mola é medida pelo trabalho que a força elástica realiza, portanto:

3 E pel. = k. x 2 2, sendo k a constante elástica da mola e x sua deformação. Conservação da energia mecânica a energia mecânica de um corpo, na ausência de forças dissipativas 1, não se altera, isto é, seu valor se mantém constante. Assim, E M inicial = E M final 4) ATIVIDADES EM GRUPO: 4.1) Introdução: É de conhecimento geral que existem vários tipos de energia e que essa palavra é utilizada em diversos contextos. Com o objetivo de entender melhor seu significado, no contexto científico, sugere-se uma seqüência de atividades que inclui testes de sondagem para favorecer a explicitação de concepções espontâneas, ou de senso comum, e a realização de uma atividade experimental. 4.2) Seqüência de atividades: 1ª - Realizar um breve debate com a turma, propondo aos alunos que expliquem o que entendem por energia. Com isso, o professor pode observar quais são as concepções deles sobre o tema. 2ª - Usar as perguntas-chave para fomentar o debate inicial e, em seguida, com a turma dividida em grupos, sugere-se ao professor solicitar que os alunos discutam entre si e respondam as perguntas do teste de sondagem. 3ª - Utilizar o kit experimental com intuito de motivar o aluno a refletir sobre as observações e elaborar hipóteses para explicá-las. Essa é uma boa metodologia para incentivar os alunos a participarem da aula e, conseqüentemente, agirem como sujeitos da aprendizagem. 4ª - Realizar um debate junto aos alunos sobre as observações e hipóteses, a fim de que este momento se torne oportuno para a inserção dos conceitos físicos. 1 A resistência do ar ou, de um modo geral, as forças de atrito são dissipativas; (...) uma força é conservativa quando, atuando em um corpo num percurso de ida e volta (mesmo que por caminhos diferentes), faz com que o corpo retorne ao seu ponto de partida com a mesma energia cinética com que saiu. (GUIMARÃES, Luiz Alberto Mendes; FONTE BOA, Marcelo. Física: Mecânica. 2 ed. Niterói-RJ: Futura, 2004.)

4 5ª - Discutir com os alunos as respostas dos grupos às questões do teste de sondagem. O professor poderá fazer, novamente, uso do kit experimental, para levá-los a concluir sobre a transformação dos tipos de energia e sua conservação. 6ª - Avaliar a aprendizagem, conforme sugestão apresentada no item 6. À exceção da situação-problema, que deverá ser realizada pelos grupos de alunos em sala de aula, as demais questões poderão ser feitas individualmente como atividade extraclasse, de modo a serem retomadas e discutidas em aula posterior. 7ª- Propor atividade extraclasse, nas perspectivas de aprofundar o conteúdo e favorecer o enfoque interdisciplinar. 4.3) Sugestão para o teste de sondagem: 1 A figura 3 ilustra uma usina de geração de energia elétrica. Você sabe qual o nome deste tipo de usina? No Brasil, a forma predominante de geração de energia elétrica é a que ocorre neste tipo de usina. Discuta com seus colegas de grupo, procurando lembrar o que os meios de comunicação têm divulgado sobre a questão energética no país e elabore uma breve explicação sobre as bases de funcionamento deste tipo de usina. Figura 3: Usina de geração de energia elétrica 4 2 Observe a tira de humor abaixo: a) Por que ao saltar da montanha o Viking ganha velocidade? b) O fato de ele carregar passageiros influenciaria na sua velocidade? 3 A tira de humor a seguir ilustra um brinquedo muito comum em parques e jardins o escorrega. Provavelmente, em algum dia da sua vida, você teve a oportunidade de brincar em um escorrega e perceber que a velocidade no final da descida é maior do que no início.

5 Apresente uma explicação para este fato. 4 Analise a tira de humor a seguir e, com base nos seus conhecimentos sobre energia, elabore uma explicação para o fato que ela ilustra. 5) CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DO KIT EXPERIMENTAL: 5.1) Material para construção: 01 caixa de MDF com dimensões de 13 cm x 9 cm x 6 cm; 01 régua de plástico ou acrílico de 20 cm; 01 tampa de garrafa de refrigerante PET; 02 bolinhas de gude de tamanhos diferentes; Adesivo instantâneo universal. 5.2) Construção do kit: Centralize a régua na caixa e, com adesivo instantâneo universal, fixe-a firmemente. Em seguida, cole a tampa na extremidade da régua que não está em contato com a caixa, conforme a figura 4 ao lado. 5.3) Como funciona o kit: Figura 4: Ilustração do Kit Coloque a bolinha de gude menor dentro da tampa, flexione a régua até onde desejar e solte-a. Repita esse processo, flexionando a régua cada vez mais e observe que a bolinha atingirá velocidades e alturas cada vez maiores ao sair da

6 tampa. Tente, agora, retomar o processo com a bolinha maior e veja se ela atinge a mesma altura atingida pela menor. 6) SUGESTÃO PARA AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM: Situação-Problema Observe o dispositivo 2 que se encontra sobre a mesa do professor. Sem realizar o experimento, assinale a opção correta para as questões I e II e, em seguida, elabore uma breve justificativa para a sua resposta. Figura 5: Ilustração do dispositivo. I. Suponha que dois corpos, A e B, de massas diferentes (ma > mb), sejam abandonados na canaleta, em momentos distintos, porém, de uma mesma altura em relação à base. Ao final da trajetória: a) as velocidades dos corpos A e B são iguais; b) a velocidade do corpo A é maior que a do corpo B; c) a velocidade do corpo B é maior que a do corpo A; d) os corpos não adquirem velocidade. II. Suponha que o corpo B seja substituído por outro (corpo C) de massa igual à do corpo A. Tal como na situação exposta na questão I, os dois corpos são abandonados na calha em momentos distintos, entretanto, a altura em relação à base em que o corpo A é deixado é menor que a do corpo C. Nesta nova situação, ao final da trajetória: a) as velocidades dos dois corpos são iguais; b) a velocidade do corpo A é maior que a do corpo C; c) a velocidade do corpo C é maior que a do corpo A; d) os corpos não adquirem velocidade. Agora, utilize o dispositivo e observe o que ocorre quando os corpos são abandonados na calha, conforme as formas descritas nas questões I e II. Compare suas observações com suas respostas anteriores. Elas coincidem? 2 A descrição para a montagem do dispositivo se encontra no Anexo 1.

7 1 - A figura 6 ilustra um dispositivo constituído de um trilho com uma mola elástica fixada em uma de suas extremidades. Suponha que uma caixa de massa M = 2 kg seja abandonada no trilho, a partir do repouso, a uma altura h = 1 m em relação ao solo. Figura 6 Sabendo-se que a caixa: desce no trilho; comprime a mola; volta a subir no trilho; e que neste movimento o atrito é desprezível, responda: a) Qual é a compressão máxima da mola? Dados: k = 4000 N/m e g = 10 m/s². b) Qual a altura atingida pela caixa no seu movimento de subida no trilho? 2 - (UERJ 2008) Desde Aristóteles, o problema da queda dos corpos é um dos mais fundamentais da ciência. Como a observação e a medida diretas do movimento de corpos em queda livre eram difíceis de realizar, Galileu decidiu usar um plano inclinado, onde poderia estudar o movimento de corpos sofrendo uma aceleração mais gradual do que a gravidade. Observe, a seguir, a reprodução de um plano inclinado usado no final do século XVIII para demonstrações em aula. MICHEL RIVAL. adaptado de Os grandes experimentos científicos. Rio e Janeiro: Jorge Zahar, Admita que um plano inclinado M1, idêntico ao mostrado na figura, tenha altura igual a 1,0 m e comprimento da base sobre o solo igual 2,0 m. Uma pequena caixa é colocada, a partir do repouso, no topo do plano inclinado M1 e desliza praticamente sem atrito até à base. Em seguida, essa mesma caixa é colocada, nas mesmas condições, no topo de um plano inclinado M2, com a mesma altura de M1 e comprimento da base sobre solo igual a 3,0 m. A razão V1/V2 entre as velocidades da caixa ao alcançar o solo após deslizar, respectivamente, nos planos M1 e M2, é igual a:

8 3 (ENEM 2005) Observe a situação descrita na tirinha abaixo. 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. 4 Na ilustração a seguir, é apresentada mais uma fonte de energia a eólica. Este tipo de energia tem sido aproveitado desde a Antigüidade para mover os barcos impulsionados por velas ou para fazer funcionar a engrenagem de moinhos, ao mover suas pás. Nos moinhos de vento a energia eólica era transformada em energia mecânica, utilizada na moagem de grãos ou para bombear água. Os moinhos foram usados para fabricação de farinhas e ainda para drenagem de canais, sobretudo nos Países Baixos. Na atualidade utiliza-se a energia eólica para mover aerogeradores - grandes turbinas colocadas em lugares de muito vento. Essas turbinas têm a forma de 5 um cata-vento ou um moinho. Complete as lacunas da sentença, de modo a torná-la correta. O movimento dos aerogeradores ocorre devido à energia que advém do vento e produz energia, através de um gerador, para o funcionamento de aparelhos elétricos. Figura 7: aerogeradores 6 7) SUGESTÃO PARA APROFUNDAMENTO DO CONTEÚDO: Este tema é favorável ao enfoque interdisciplinar, particularmente no que se refere à CTS (Ciência Tecnologia- Sociedade). Assim, apresenta-se como sugestão, o desenvolvimento de uma atividade extraclasse, na qual os alunos deverão aprofundar o estudo sobre uma das formas de geração de energia elétrica

9 e seus impactos no meio ambiente. Considera-se importante que esta atividade seja realizada em grupo, de modo que previamente, seja destinada a cada um deles o tipo de geração de energia a ser pesquisado. Após um período de tempo determinado pelo professor, os grupos de alunos apresentariam em sala de aula os resultados da atividade extraclasse, favorecendo o debate e o enriquecimento cultural de toda a turma sobre o assunto. Anexo Construção Material Necessário: - 80 cm de tubo de PVC de 100 mm; - 1 placa de madeira de 40 cm x 10 x 2 cm; - 5 parafusos em L; - 1 placa de madeira de 4 cm x 10 cm x 1,5 cm; - cola de madeira; - serra de arco; - alicate. Montagem: Canaleta Corte o tubo de PVC ao meio, longitudinalmente, ficando com duas calhas. Repita o procedimento com as calhas para que, ao final, tenha quatro calhas iguais. Para possibilitar o encurvamento da calha e, conseqüentemente, sua inclinação em relação ao plano horizontal, faça cortes transversais na calha, usando uma serra de arco. Faça cortes paralelos e bem próximos uns dos outros. cortes 3 A descrição da montagem foi elaborada pelo licenciando Pierre Amorim Soares.

10 Fixe a calha na placa de madeira de 40 cm x 10 cm x 2 cm, usando os parafusos em L. Para isso, prenda os parafusos na madeira de modo que a parte encurvada do parafuso fique por cima da calha prendendo-a à placa. Cole a placa pequena à placa maior para inclinar a calha, usando cola de madeira. 1 Proposta elaborada pelo licenciando Julien Lopes Pereira do Curso de Graduação em Física da UFF, na disciplina Atividades Acadêmicas Curriculares Iniciação à Extensão II, no 1º semestre letivo de Disponível em: < Acesso em maio de GUIMARÃES, Luiz Alberto Mendes; FONTE BOA, Marcelo. Física: Mecânica. 2 ed. Niterói-RJ: Futura, Disponível em: < >. Acesso em maio de Disponível em: < >. Acesso em: junho de Disponível em: < Acesso em: maio de 2007.