Como aprender Física? Eliane A. Veit Instituto de Física UFRGS Maio de 2006

Transcrição

1 Como aprender Física? Eliane A. Veit Instituto de Física UFRGS Maio de 006

2 Quem é capaz de responder? Se um trem viaja em linha reta durante horas, a 40 km/h, que distância percorre? 80 km distância = velocidade * intervalo de tempo

3 Pois para Galileu não foi tão simples assim: Em Diálogos relativos a duas novas ciências (636) Galileu demonstra 6 teoremas sobre movimento uniforme!

4 Teorema de Galileu Se uma partícula, em movimento uniforme com velocidade constante, percorre duas distâncias, então os intervalos de tempo requeridos estão uns para os outros na razão dessas distâncias.

5 Prova do Teorema usando Álgebra:

6 Prova de Galileu: Páginas + páginas

7 Comentários*: Não há um único sinal de igual (=) nos manuscritos de Galileu! Os primórdios da Álgebra ocorrem 5 anos depois da publicação de Galileu, com Descartes ( ). * Andrea disessa, Changing Minds Computers. Learning and Literacy, M.I.T. 999.

8 Moral da História: Você já sabem mais do que Galileu!

9 Mas Galileu... não pensava que tudo pudesse ser resolvido com fórmulas decoradas não ficava esperando que o professor (ou as respostas listadas no final do livro) lhe dissesse se estava certo ou errado não pensava que ao obter um valor o problema estivesse resolvido não estava preocupado somente em passar de ano, ou obter um diploma

10 Galileu... usava muito o raciocínio tinha espírito de observação aguçado tinha espírito crítico gostava de enfrentar situações novas era persistente... deu-se conta que precisava pensar em modelos para descrever a natureza

11 Experiência de pensamento:

12 O que se procura em Física? Descrever a natureza através de modelos científicos descrições simplificadas e idealizadas de sistemas ou fenômenos físicos; aceitos pela comunidade de físicos; envolvem elementos como: proposições semânticas; modelos matemáticos subjacentes.

13 Como não se aprende: despendendo todo tempo fazendo cálculos algébricos ou numéricos e não pensando na resposta; investindo 30s para decidir que fórmula usar; não vislumbrando idéias gerais subjacentes a vários problemas solúveis com um único modelo; não pensando nas hipóteses assumidas, nas aproximações envolvidas, do limite de validade dos modelos;

14 Modelos para a descrição do movimento pendular do mouse? o modelo do pêndulo simples: hipótese que o mouse épontual o fio tem massa desprezível o fio é inextensível a resistência do ar é desprezível Não existe um pêndulo simples na natureza!

15 Movimento planetário Na descrição do movimento de translação, os planetas são considerados como partículas pontuais (obviamente isto é uma idealização). Na descrição do movimento de rotação, passam a ser tratados como corpos esféricos rígidos, ainda que na realidade não sejam nem perfeitamente esféricos nem rígidos.

16 Modelo do gás ideal O gás é constituído por partículas pontuais que interagem via colisões perfeitamente elásticas. Não há na natureza tal sistema. Isto é uma idealização dos físicos, que serve como ponto de partida para a descrição de propriedades características dos gases, como pressão, volume e temperatura

17 Em relação a modelos É essencial dar-se conta que a Ciência tem origem na mente dos cientistas. Ou seja, é uma construção humana, coletiva, que busca descrever o universo, através de teorias, modelos provando hipóteses e submetendo-as a avaliação empírica e/ou racional.

18 Os modelos... Apresentam contexto de validade e distintos graus de precisão. Não são cristalizados em sua forma de criação mas são reformulados, melhorados e abandonados, dependendo do grau de êxito na descrição de resultados experimentais ou com raciocínios teóricos.

19 Física?

20 Praxis científica criar modelos científicos verificar se descrevem bem os fenômenos determinar seu contexto de validade melhorar a precisão dos resultados fazer predições

21 Profissionais bem sucedidos são educados, e até mesmo treinados, para desempenhar sua função se preparam com afinco para exercer sua profissão tem orgulho do seu trabalho vibram com suas conquistas e sofrem com seus fracassos procuram novas alternativas quando seus métodos não apresentam bons resultados

22 Futuros bacharéis:

23 É possível aprender a ser professor! dominando o conteúdo de estudo conhecendo metodologias de ensino levando em conta como os alunos aprendem e seus conhecimentos prévios conhecendo os obstáculos de aprendizagem (dificuldades, concepções alternativas, raciocínios e convicções errôneas) por parte dos alunos

24 Idéias consensuais métodos de aprendizagem ativos e interativos aprender fazendo; aprender explorando; aprender a aprender; aprender a pensar. abolição do ensino em que aluno é paciente; professor agente; escola cenário do processo de ensino.

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26 Para ser grande, sê inteiro: nada Teu exagera ou exclui. Sê todo em cada coisa. Põe quanto és No mínimo que fazes. Assim como em cada lago a lua toda Brilha, porque alta vive. Fernando Pessoa

27 Prova de Galileu: Seja um partícula que se move uniformemente com velocidade constante duas distâncias AB e BC e seja o tempo requerido para percorrer AB representado por DE; o tempo requerido para percorrer BC, por EF; então, digo que a distância AB está para a distância BC como o tempo DE está para o tempo EF.

28 sejam as distâncias e tempos estendidos em ambos os lados no sentido de G, H e I, K seja AG dividido em em número qualquer de espaços cada um igual a AB e do mesmo modo, em DI segam dispostos exatamente o mesmo número de intervalos de tempo iguais a DE novamente em CH sejam dispostos um número qualquer de distâncias iguais a BC e em FK exatamente o mesmo número de intervalos de tempo cada um igual a EF então a distância BG e o tempo EI serão múltiplos arbitrários e iguais da distância BA e do tempo ED do mesmo modo, a distância HB e o tempo KE são múltiplos arbitrários e iguais das distâncias CB e do tempo FE

29 e como DE é o tempo necessário para percorrer AB, o tempo total EI será necessário para a distância total BG e quando o movimento é uniforme, haverá em EI tantos intervalos iguais a DE como há distâncias em BG iguais a BA do mesmo modo, segue que KE representa o tempo requerido para percorrer HB como, entretanto, o movimento é uniforme, segue que a distância GB é igual à distância BH então, também deve o tempo IE ser igual ao tempo EK e se GB é maior do que BH, então também IE será maior do que EK e se menor, menor

30 há então quatro quantidades, a primeira AB, a segunda BC, a terceira DE e a quarta, EF o tempo IE e a distância GB são múltiplos arbitrários da primeira e terceira, nomeadamente, da distância AB e do tempo DE Mas foi provado que estas últimas quantidades ambas são ou iguais a, ou maior do que, ou menor do que o tempo EK e o espaço BH, que são arbitrários múltiplos da segunda e da quarta. Portanto, a primeiro e a segunda, nomeadamente a distância AB está para a distância BC, assim como a terceira está para a quarta, nomeadamente o tempo DE está para o tempo EF. Q.E.D. (baseado em Dialogues Concerning Two New Sciences. Galileo, Translated by H. Crew and A. de Salvio, Northwestern University, 939. Apud, DiSessa, Changing Minds Computers. Learning and Literacy, MIT 999)

31 Prova do Teorema usando Álgebra: O teorema envolve dois movimentos descritos como: distância (d) igual à taxa de variação (r) vezes o tempo (t) Assim, para cada movimento se tem: Logo d = = r t e d r t d = d r r t t

32 Teorema de Galileu: Se uma partícula percorre duas distâncias em iguais intervalos de tempo, estas distâncias estarão uma para a outra na mesma razão que as suas (respectivas) velocidades. De modo contrário, se as distâncias estão como as velocidades, então os tempos são iguais. No caso em que t = t os termos em t se cancelam e d r = d r d r t Do contrário: se = então: = ou t = t d r t

33 Teorema 3 de Galileu: No caso em que as velocidades não são iguais, os intervalos de tempo gastos para percorrer um dados espaço estão um para o outro com o inverso das (respectivas) velocidades. Se d = d, os termos em d se cancelam e r r ou t t = t t = r r

34 Teorema 4 de Galileu: Se duas partículas são transportadas com velocidade uniforme, mas cada uma com diferente velocidades, então a distância percorrida por elas durante diferentes intervalos de tempo estão uma para a outra na razão composta das (respectivas) velocidades e dos (respectivos) intervalos de tempo. Este é o lema do qual começamos: d = d r r t t

35 Teorema 5 de Galileu: Se duas partículas são movidas a uma taxa uniforme, mas com velocidades diferentes, através de diferentes, distâncias, então a razão entre os intervalos de tempo transcorridos será o produto das distâncias pelo inverso da razão entre as velocidades. t Isolando em: t d = d r r t t Tem-se: t t = d d r r

36 Teorema 6 de Galileu: Se duas partículas são transportadas a uma mesma taxa, a razão de suas velocidades será o produto da razão das distâncias percorridas pelo inverso da razão dos intervalos de tempos transcorridos. r d Isolando em: r t = t d r t Tem-se: r = r d d t t