UTILIZAÇÃO DE SENSORES COMO RECURSO PEDAGÓGICO PARA TRABALHAR CONCEITOS DE MECÂNICA LEI DE HOOKE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSA DE INICIAÇÃO À DOCÊNCIA UTILIZAÇÃO DE SENSORES COMO RECURSO PEDAGÓGICO PARA TRABALHAR CONCEITOS DE MECÂNICA LEI DE HOOKE Gilmar Wagner Guilherme Liguori Mateus H. R. Zaniti Rafael Henrique Campos Rogério Hisashi Honda Samuel Gianasi Rodrigues GRUPO POLIVALENTE São João delrei/mg 14 de dezembro de

2 1. RESUMO: Nesta proposta de aula é apresentada a possibilidade de uso de sensores como recurso pedagógico, para execução de experiências práticas do dia-a-dia. o foco do estudo da aula foi a análise de que molas helicoidais se distendem e se comprimem, quando sujeitas à ação de forças externas. É evidente que cada mola poderá suportar até certa intensidade de força deformante, para valores acima desse limite, a mola se deformará permanentemente, isto é, cessada a força deformante, não retornará ao seu comprimento inicial. A partir dos conceitos envolvidos pode-se chegar à lei de Hooke. 2. PALAVRAS CHAVE: Lei de Hooke, Molas, Deformação Elásticas. 3. OBJETIVOS: Este experimento visa à análise experimental da Lei de Hooke através do uso de mola e pesos. Tal lei pode ser comprovada pela variação linear obtida das medições (distensão da mola) com o aumento dos pesos. 4. INTRODUÇÃO: A utilização de sensores como recurso pedagógico em sala de aula partiu da proposta apresentada pelo coordenador do subprojeto de Física do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência (PIBID). Diante da proposta, o grupo começou a pesquisar possíveis aulas que pudessem ser aplicadas com a utilização de sensores da PASCO e trabalhar conceitos de Física. Uma das propostas apresentadas foi o estudo da lei de Hooke, com o auxílio do sensor de força. A Ideia central da proposta era determinar a constante elástica de uma mola a partir da verificação da lei de Hooke. Para isso; mediu-se o comprimento inicial de uma mola, ou seja, numa situação de total equilíbrio estático, em seguida essa mola foi submetida a uma força em uma de suas extremidades, com o auxilio de uma massa conhecida. O valor da força foi facilmente obtido obter através do 2

3 sensor de força, por fim ficou fácil para os alunos obterem o valor da constante elástica. Foram feitas três medidas experimentais, com a adição de mais massas na extremidade das molas, com o intuito de verificar que, para valores diferentes de forças, encontra-se o mesmo valor da constante elástica, claro que dentro dos limites de deformação reversível da mola. A aula foi dividida em dois momentos: no primeiro houve uma apresentação teórica dos principais conceitos; no segundo, os alunos participaram de forma prática, onde eles fizeram medidas, cálculos, análise de resultados. Todos esses momentos com auxílio dos monitores, no caso os seis bolsistas do grupo atuante na Escola Estadual Governador Milton Campos (Polivalente). 5. CONTEÚDO: Um corpo ligado à extremidade de uma mola comprimida (ou esticada) possui energia potencial elástica. De fato, a mola comprimida exerce uma força sobre o corpo, a qual realiza um trabalho sobre ele quando o abandonamos. Entretanto, se tentarmos comprimir (ou esticar) uma mola, nota-se que a força produzida pela mola no corpo é diretamente proporcional ao seu deslocamento do estado inicial (equilíbrio). O equilíbrio na mola ocorre quando ela está em seu estado natural, ou seja, sem estar comprimida ou esticada. A Figura 1 mostra uma mola não deformada e, na mesma, apresenta a mesma mola distendida e comprimida. Verifica-se experimentalmente que: - dobrando o alongamento (ou comprimindo), a força dobra (2F); - triplicando o alongamento (ou comprimindo), a força triplica (3F) etc. Esse resultado é conhecido como Lei de Hooke, pois foi Robert Hooke, um cientista inglês, quem observou, pela primeira vez, essa propriedade da mola (na realidade, essa lei só é verdadeira se a deformação da mola não for muito grande). O entendimento das aplicações de molas está no cotidiano de todas as pessoas, não só de molas, mas no geral de corpos que apresenta características elásticas. 3

4 Os Conteúdos Básicos Comuns (CBC) do Estado de Minas Gerais para as escolas estaduais apresentam a ideia de aplicar o conceito de energia e suas propriedades para compreender situações envolvendo molas ou outros corpos elásticos. O quarto tema do CBC energia mecânica aponta para o seguinte tópico: Compreender que a constante elástica é uma propriedade do corpo e está associada a uma maior ou menor dificuldade de deformar esse corpo. Figura 1: Posição natural e inicial, Mola deformada, e a mola deformada indicando realização de trabalho, ou seja, um deslocamento produzido por força: Podemos escrever que; Onde k é uma constante, diferente para cada mola e denominada constante elástica da mola. Traçando-se um gráfico F versus X, obtém-se uma reta, passando pela origem cuja inclinação é igual a k, como mostrado na Figura 2. Figura 2: Gráfico da força aplicada sobre uma mola pela deformação sofrida por essa. 4

5 Para a realização do experimento, foram necessários alguns materiais, para tanto, foram utilizados materiais disponibilizados pela Universidade, através do projeto institucional, e outros procurou-se utilizar os que a escola disponibilizava. 6. MATERIAIS UTILIZADOS: Molas Pesos Suporte para fixar a mola Sensor de Força da PASCO Régua 7. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS: Para a realização do experimento, foi utilizado uma mola fixada em um suporte. Quando a mola for sujeita a certa massa, aquela sofrerá um deslocamento X, que por sua vez se for sujeita a uma força; o valor da força será captado pelo sensor. Os valores de deslocamento da mola e força serão, portanto, conhecidos, ficando fácil de encontrar a constante elástica da mola através da expressão F = Kx Figura III: Possível montagem experimental. 5

6 8. IMPORTÂNCIA PARA O ENSINO: O assunto é importante, pois o aluno terá as ideias básicas para o entendimento de máquinas e o uso de diversos equipamentos tecnológicos onde se utiliza molas. 9. METODOLOGIA DE ENSINO: A aula foi em um turno de horário extraturno e foi dimensionado o tempo para que tivesse um tempo de duração de aproximadamente uma hora, contudo foi gasto alguns minutos a mais devido às discussões geradas através de perguntas dos alunos. No início da aula foram apresentados os principais conceitos em forma em Power Point, buscando mostrar imagens, gráficos para que chamasse bastante à atenção dos alunos. No inicio da aula foram apresentadas diversas imagens que retratam conhecimentos voltados à Física, e feito a seguinte pergunta para os alunos: o que é Física? O intuito com essa pergunta era esclarecer para os alunos o principal foco de estudo dessa ciência, uma vez que o público envolvido em nosso minicurso era alunos de primeiro ano que não têm bem claro o foco de estudo da física. Também buscou-se gerar uma apresentação de mostrasse as ideias do geral para o especifico, ou seja, falou-se de diversos fenômenos rapidamente, por exemplo, citou-se auroras boreais, bombas atômicas, fenômenos eletromagnéticos, enfim buscou-se apontar para os alunos que o foco de estudo da Física é tudo que está relacionado à Natureza, e por fim focalizou-se a fala para o estudo especifico das molas e corpos elásticos, trabalhando os principais conceitos envolvidos. A apresentação foi o mais interativa possível, onde eram lançadas questões, perguntas e comentários para que o público ficasse o mais a vontade possível. Na parte experimental os alunos deveriam coletar os valores de força e em seguida coletar os valores de deslocamentos X, utilizando para isso uma régua e o sensor de força disponibilizado pelo grupo. 6

7 10. RESULTADOS: 5.1. Local: As atividades foram realizadas na Escola Estadual Governador Milton Campos em um horário extraturno à tarde, mais precisamente às 14 horas e 30 minutos nos dias 04 e 17 de novembro de 2011, para alunos do primeiro ano do ensino médio. As atividades foram executadas no laboratório de Ciências Naturais da escola, que por sinal é um bom laboratório, arejado e com bastante material Descrição das ações realizadas e se ocorreu como previsto, que alterações ocorreram: 1ª Aula (04/11/2011): A aula começou com uma explicação teórica sobre o assunto tratado. Os alunos prestaram atenção e ficaram quietos. Primeiramente não fizeram nenhum questionamento, contudo, procurou-se direcionar a aula para a participação dos alunos o máximo possível, direcionando diretamente perguntas para alunos específicos; e através da resposta dada era direcionado a outro aluno o que ele achava da resposta do colega, com isso gerou um ambiente agradável, onde se discutia Física. Na parte experimental foi chamado um aluno para fazer as medidas e os cálculos foram feitos no quadro com o restante da turma. Os alunos participaram do experimento e fizeram as anotações dos resultados. Através dos dados experimentais coletados, os grupos fizeram os cálculos necessários para a obtenção da constante elástica da mola em estudo. 2ª Aula (17/11/2011): da mesma forma que na aula anterior começou com uma explicação teórica do conteúdo trabalhado. Já nessa aula os alunos participaram mais e tiveram muitas dúvidas o que foi percebido pelo tanto de perguntas. Já na parte experimental, os alunos já estavam cansados e não participaram muito além de grande maioria, e nem prestaram atenção na prática. E, finalmente, fizeram a lista sugerida, alguns apenas copiaram dos outros. 7

8 11. FOTOS DA PRIMEIRA ATIVIDADE: 8

9 FOTOS DA PRIMEIRA ATIVIDADE: 9

10 12. ANÁLISE E DISCUSSÕES: Reflexão do ocorrido, pontos positivos, dificuldades encontradas Antes de aplicar a proposta de aula, o grupo de modo geral ficou um pouco ansioso pelo fato de não se ter muita experiência em sala de aula e também por falar para um grupo que não se conhecia. Contudo, após conhecer os alunos e o ambiente como um todo, nós sentimos mais a vontade para executar a segunda atividade. O comportamento dos alunos foi extremamente normal de alunos da faixa etária que estão; alunos de primeiro ano do ensino médio. A fala e a dispersão inicial foram facilmente controladas através da fala inicial de um dos bolsistas do PIBID e da apresentação dos slides, e o esclarecimento que foi feito: é importante que se faça silêncio para podermos desenvolver um bom trabalho. 13. CRONOGRAMA DAS ATIVIDADES: Atividades Apresentação do Projeto ao coordenador Execução das atividades Aplicação de avaliação Apresentação dos Resultados ao Coordenador Datas Previstas 04/11/2011 X 17/11/2011 X 08/11/2011 X X 15/10/2011 X 14. AGRADECIMENTOS: Gostaríamos de agradecer à CAPES as bolsistas concedidas através do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência (PIBID), à Escola Estadual Governador Milton Campos (Polivalente) e à professora Cibelle Andrade Resende Machado a parceira e abertura ao desenvolvimento de nosso trabalho. 10

11 15. QUESTIONARIO E RESUMO ENTREGUE AOS ALUNOS: UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI PIBID - PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSA DE INCIAÇÃO À DOCÊNCIA RESUMO DE ALGUNS PONTOS CHAVE: Em 1660 o Físico Inglês Robert. Hooke ( ), observando o comportamento mecânico de uma mola, descobriu que as deformações elásticas obedecem a uma lei muito simples. Hooke descobriu que, quanto maior fosse o peso de um corpo suspenso a uma das extremidades de uma mola (cuja outra extremidade era presa a um suporte fixo), maior era a deformação (no caso: aumento de comprimento) sofrida pela mola. A constante estabelecida é conhecida por CONSTANTE DE ELASTICIDADE da mola em estudo e, normalmente, é representada pela letra K. Qual a unidade de K sabendo que:. k = F x No Sistema Internacional a unidade de força é Newton (N) e deslocamento é dado em metros (m): Energia Potencial Elástica [ ] k = [ N] [ m] Corresponde ao trabalho que a força Elástica realiza. Como a força elástica é uma força variável, seu trabalho é calculado através do cálculo da área do seu gráfico, cuja Lei de Hooke diz ser: 11

12 Como área de um triângulo é dada por T BASE. ALTURA A = 2 deformação. força = EElástica 2 Força elástica = 2 k. x. x k x E elástica = = 2 2 PARTE EXPERIMENTAL: A seguir, você deverá completar os dados da tabela abaixo fazendo os devidos cálculos. PARA ISSO CONTE COM OS MONITORES PARA AUXILIA- LÓ. FORÇA (N) DESLOCAMENTO (m) CONSTANTE ELÁSTICA (N/m) F 1 = X 1 = K F 2 = X 2 = K F 3 = X 3 = K OBSERVAÇÕES Os dados de força você irá obter no sensor de força, o deslocamento você deverá medir com uma régua. A constante elástica será obtida facilmente. 12

13 QUESTIONÁRIO: Com base nos dados coletados por você, explique com suas palavras a proximidade dos dados obtidos para a CONSTANTE ELÁSTICA. ESPAÇO PARA CÁLCULOS: 16. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] QUINTÃO, M. Introdução ao laboratório de física geral I. Belo Horizonte: Departamento de física ICEX-UFMG, [2] TIPLER, P A. Física. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, v. 2. [4] Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga. Física ensino médio. volume único [5] TIPLER, Paul. Mecânica. Física para Físicos e Engenheiros. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, v.4 [6] Proposta curricular CBC Física Ensino Médio. Belo Horizonte: SEE/MG, Disponível em: 13

14 < C B234-AEB975906CDA%7D_fisica.pdf>. Acesso em: 29 set