Isso é Legal A forma de mudança

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1 Isso é Legal A forma de mudança O texto da Lição 4: Fazendo Amigos do livro A Forma de Mudança De Rob Quaden e Alan Ticotsky Com Debra Lyneis Ilustrado por Nathan Walker Publicado pelo Creative Learning Exchange Maio 2004 Revisado Janeiro 2005 Preparado com o apoio da The Gordon Stanley Brown Fund Baseado no trabalho apoiado por The Waters Foundation A Forma de Mudança Apresentando onze atividades de sala de aula Formatadas e ilustradas atrativamente Disponibilizado pela The Creative Learning Exchange Acton, Massachusetts (978) milleras@clexchange.org. Permissão concedida para cópia e distribuição eletrônica para finalidades educacionais não-comerciais.

2 Introdução Nesta lição, os estudantes aprendem o método científico enquanto medem, interpretam dados, e representam graficamente a mudança da temperatura água fervente em um copo enquanto ela resfria. Eles procuram padrões de comportamento ao longo do tempo e formulam hipóteses. A lição reforça conceitos da ciência incluindo a transferência de energia, a escala de graus centígrados, a técnica de laboratório e as habilidades de medida. As habilidades e os conceitos da matemática incluem a medição, a interpretação de dados, fazer gráficos, e trabalhar com taxas de mudança. 1 Materiais Alguma forma de ferver a água na sala de aula Cronômetro ou relógio que marque a passagem de minutos Um copo para líquidos quentes e um termômetro de laboratório para cada equipe de estudantes Uma copia de cada uma das folhas de trabalho para cada estudante 1. Gráfico da Previsão de Refrigeração (pag.12) 2. Tabela dos Dados de Refrigeração (pag Gráfico da Experiência de Refrigeração (pag.14) Como Funciona Há uma diferença entre o calor e a temperatura. O calor é uma forma da energia que faz as moléculas na água se moverem, ao redor, muito rapidamente. Quando a água é aquecida, esta ganha mais energia de calor. Quando a água esfria, a energia flui para fora da água e vai para o ar. A temperatura é uma medida da quantidade de energia de calor que um objeto tem, e é medido em um termômetro em graus. O calor é a quantidade de energia necessária para trazer a água a uma determinada temperatura. Dois objetos diferentes podem ter a mesma temperatura mas conter quantidades diferentes de energia de calor. Duas quantidades diferentes de água na mesma temperatura prendem quantidades diferentes de energia de calor. Os vários alimentos cozinhando juntos em um forno contêm quantidades diferentes

3 de energia de calor. A energia de calor é medida em calorias ou em BTUs. A energia de calor vai sempre de uma região com temperatura mais alta para uma região com temperatura mais baixa. Na experiência da sala de aula, o calor da água fervendo flui para o ar, a água esfria, e a temperatura cai. A temperatura cai rapidamente no início, mas a taxa de mudança diminui quanto a água se aproxima da temperatura ambiente. Procedimento 1. Explique aos estudantes que eles estarão conduzindo uma experiência científica real. Eles estarão medindo a temperatura de uma água muito quente enquanto ela esfria, registrando e representando graficamente seus dados. 2. Enfatize que a experiência funciona corretamente apenas se os estudantes seguirem as recomendações. A água fervendo é muito quente e perigosa, assim eles devem ter muito cuidado. Eles devem registrar seus dados muito precisamente. Eles devem trabalhar em equipe para completar a tarefa Primeiro Segurança!!! Certifique-se de usar os termômetros e os copos que são projetados para líquidos quentes. Os termômetros comuns podem estourar na água quente 3. É interessante recordar alguns valores da escala Celsius, discuta algumas das seguintes medidas: 100 graus: a água ferve 40 graus: febre 37 graus: temperatura normal do corpo 30 graus: um dia de verão 20 graus: temperatura ambiente 0 graus: a água congela

4 4. Desenhe um gráfico no quadro. A linha horizontal é nomeada Tempo (Minutos). A linha vertical é nomeada Temperatura (Graus Celsius) com um valor mínimo de 0 graus Celsius e um valor máximo de 100 graus Celsius. Escolha estudantes para ir ao quadro desenhar o comportamento do gráfico ao longo do tempo (o comportamento do gráfico com o tempo é uma linha gráfica que esboça como algo muda ao longo do tempo.) A temperatura da água em um recipiente no fogão começa em 50 graus e ascensões em uma taxa constante até 90 graus. A temperatura ambiente é 20 graus e não muda.

5 5. Peça que os estudantes pensem sobre o que acontecerá com a temperatura da água fervendo em um copo ao longo do tempo. Peça que eles esbocem um gráfico do comportamento ao longo do tempo de suas previsões na folha Gráfico da Previsão de Refrigeração (Anexo 1). Previsões Uma previsão é o que os estudantes pensam que acontecera -- não importa se isso for errado ou certo. isso irá ajudá-los a pensar sobre o que está acontecendo na experiência, ao comparar os dados com suas previsões. 6. Dê a cada equipe um copo e encha-o com água fervendo. Peça aos estudantes para medir imediatamente a temperatura inicial e registra-la na folha de trabalho Tabela dos Dados de Refrigeração (Anexo 2). Note que a temperatura inicial é menos de 100 graus porque a fonte de calor foi removida. 7. Usando o cronômetro, anuncie cada minuto subseqüente com um aviso de dez segundos e diga aos estudantes "para medir e registrar" sua temperatura da água

6 Certifique-se de que mais de um estudante lê o termômetro. Isto aumenta a aprendizagem e a precisão das medidas. Quando as equipes recolherem e verificarem seus dados, cada estudante individualmente termina o seu ou a sua própria tabela e o gráfico dos dados. 8. Depois de aproximadamente cinco minutos, quando todas as equipes estiverem bem orientadas, ajude os estudantes a traçarem seus dados na folha de trabalho Gráfico da Experiência de Refrigeração (Anexo 3) Trace uma linha unindo os primeiros poucos pontos, assegurando que os estudantes coloquem a temperatura inicial sobre a linha vertical e um ponto em cada linha de minutos subseqüente. Isto pode ser confuso se não tiverem cuidado. Sugira que os estudantes usem uma régua para seguir exatamente cada linha de minutos, da base até o local onde cruza a linha da temperatura. Enquanto isso, continue a anunciar os minutos com instruções para medir e registrar. Continue representando por ao menos vinte minutos. 7. Finalmente, peça que os estudantes conectem os pontos em seus gráficos. Esta deve ser uma linha curva lisa, assim é melhor se os estudantes fizerem este sem usar uma borda reta.

7 Trazendo a Lição para Dentro de Casa Os estudantes fizeram previsões e conduziram uma experiência. O importante nessa parte e que eles tirem as suas conclusões do experimento. Para a comparação, colete diversos gráficos de previsão e gráficos da experiência dos estudantes e afixe-os na parede. Enquanto os estudantes olham para os gráficos da

8 experiência, conduza uma discussão na classe. Perguntas como estas irão ajudar os estudantes a construírem sua compreensão do processo de refrigeração. Como os gráficos mostram o que aconteceu com a temperatura da água? A temperatura caiu rapidamente no início, depois mais lentamente. Os gráficos mostram uma curva descendente inclinada que começa a nivelar quando a água aproxima da temperatura ambiente. Qual era a temperatura da água no início da experiência? A água estava fervendo no recipiente (100º), mas é refrigerada rapidamente quando derramada nos copos. Os estudantes podem relatar suas leituras iniciais. Qual era a uma temperatura da água após 1 minuto? 5 minutos? 15 minutos? Cada equipe começou com os mesmos resultados? A água esfriou em uma taxa constante? O que você observa sobre a forma da linha? A linha não é reta porque a água não esfriou em uma taxa constante. Quando a água refrigerou mais? A taxa refrigeração era a mais elevada no começo onde a curva é mais inclinada. Neste momento, a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente era maior, assim a energia de calor fluiu rapidamente. Quando refrigerou o menos? A taxa de refrigeração era mais baixa no final quando a temperatura ambiente aproximava lentamente da água. Quando a diferença da temperatura for pequena, os fluxos de calor fluem mais lentamente. Os gráficos mostram a temperatura durante um período de 20 minutos. Prediga a temperatura após 30 minutos. Explique sua lógica.

9 A temperatura continuará a ir para baixo, mas em uma taxa mais e mais lenta. Uma vez que a água alcança a temperatura ambiente, ela permanecerá com esta. Prediga a temperatura após 60 minutos, 100 minutos. A temperatura permanecerá constante na temperatura ambiente. Este gráfico mostra como a temperatura da água aproximaria a temperatura ambiente se os estudantes continuarem a experiência por um tempo mais longo. Peça que os estudantes revejam seus gráficos originais de previsão.. Algum dos gráficos são semelhantes? Em que as previsões estavam corretas? Quais as diferenças entre os resultados reais das previsões?

10 Previsões Os estudantes necessitam saber que não importa se suas previsões originais estiverem corretas ou não. O que é importante é que eles fizeram uma previsão. É importante também saber dos estudantes o que eles pensavam antes da experiência e comparar esses pensamentos com os seus pensamentos após a experiência. Envolva-os revendo e explicando a experiência em um diálogo guiado com os estudantes. A água começou quente (a energia de calor foi adicionada na chaleira). A temperatura da água era muito mais elevada do que a temperatura ambiente, assim energia de calor começou a fluir fora da água em uma taxa rápida. Esta perda de calor fez a água refrigerar, assim a diferença da temperatura entre a água e o ar era um pouco menor. Consequentemente, a energia de calor começou fluir fora do copo em uma taxa mais lenta. Este processo foi sobre e sobre, até que a temperatura da água estivesse a mesma que a temperatura ambiente. Esta é a razão do gráfico ser muito curvado no início e depois mais liso enquanto o tempo foi passando. Este padrão da mudança é chamado de declínio exponencial. Você é capaz de pensar em outros exemplos de transferência de calor que apliquem o padrão que nós observamos? Um sorvete derrete muito mais rapidamente em um dia quente do que no inverno. A energia de calor flui mais rapidamente quando há uma grande diferença entre a temperatura do sorvete e a temperatura do ar. Uma casa perde o calor mais rapidamente em um dia frio do inverno Você é capaz de pensar em outros exemplos de declínio exponencial? Excitamento sobre alguns brinquedos: Quando o brinquedo é novo, você está muito interessado nele, mas enquanto o tempo vai passando, você usa o brinquedo menos e menos, até que se você coloque na prateleira com todos os brinquedos restantes.

11 O valor de um carro quando ele envelhece: Primeiramente o valor cai rapidamente e anos depois o valor cai lentamente. O declínio exponencial é comum em muitos outros sistemas. Os estudantes que jogam o Jogo do Mamute (lição 3) reconhecerão o mesmo padrão em uma população declinando.

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15 Isso é Legal A forma de mudança Estoques e Fluxos O texto da Lição 4: Isso É legal do livro A Forma de Mudança Estoques e Fluxos Um começo De Rob Quaden e Alan Ticotsky Com Debra Lyneis Ilustrado por Nathan Walker Publicado pelo Creative Learning Exchange Maio 2004 Revisado Janeiro 2005 Preparado com o apoio da The Gordon Stanley Brown Fund Baseado no trabalho apoiado por The Waters Foundation A Forma de Mudança Apresentando onze atividades de sala de aula Ilustradas e formatadas atrativamente Disponibilizado pela The Creative Learning Exchange Acton, Massachusetts (978) milleras@clexchange.org. Permissão concedida para cópia e distribuição eletrônica para finalidades educacionais não-comerciais.

16 Isso é Legal A construção desta lição nas atividades da sala de aula é descrita na A Forma da Mudança, pelo Rob Quaden, Alan Ticotsky e Debra Lyneis, 2004, The Creative Learning Exchange. Você pode fazer o download do texto da única lição original ou começar os gráficos e a disposição do livro completo do CLE em A Forma da Mudança Na lição 4 da A Forma de Mudança, os estudantes conduziram uma experiência científica para medir, registrar e representar graficamente a mudança da temperatura da refrigeração da água fervente em um copo. Visão Geral Na atividade de refrigeração, o estoque é o calor na água e o fluxo representa a perda desse calor no ar. Entretanto, ao contrário das taxas de nascimento e de morte no Jogo do Mamute (a lição anterior em que esta se constrói), a taxa de refrigeração não é constante. Como os estudantes observaram em suas experiências e gráficos, a temperatura da água caiu rapidamente no início, mas como a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente se estreitou, a taxa de refrigeração diminuiu até que a água alcançou a temperatura ambiente.

17 Fazendo a experiência na sala de aula, os estudantes aprenderam que o calor flui sempre de uma área de temperatura mais alta para uma área de temperatura mais baixa, fluindo mais rapidamente quando a diferença da temperatura é maior. Construir um diagrama de estoque/fluxo do processo de refrigeração ajudará explicar porque o gráfico da temperatura não produziu uma linha reta e porque este declínio exponencial aproximouse da temperatura do lugar. Vendo a Estrutura 1. Peça que os estudantes identifiquem o estoque e o fluxo da experiência de refrigeração. Observe que o fluxo de saída está indo para a esquerda desta vez. Os fluxos podem ir em qualquer sentido. A seta diz o sentido do fluxo. 2. Tenha certeza que os estudantes compreenderam a diferença entre o calor e a temperatura. (veja "como funciona") A energia de calor acumula e dissipa-se; isso é medido nos graus de temperatura. Conecte o estoque Temperatura da Água para mostrar que nós necessitaríamos converter a energia de calor para graus Célsius. 3. Peça que os estudantes nomeiem os fatores que afetam a taxa em que o calor escapou da água. Os fatores tipicamente mencionados pelos estudantes incluem as propriedades de isolação do recipiente, a área de superfície da água exposta ao ar, a forma e o tamanho do recipiente, e assim por diante. Para simplificar, combine todos estes fatores em uma variável nomeada de Taxa de

18 Refrigeração ou um nome similar para representar o efeito de todos estes fatores em como o calor rapidamente escapa da água. Quanto mais elevada a taxa, mais rapidamente o calor escapa. 4. Lembre os estudantes a pensarem sobre a forma do gráfico da temperatura. A refrigeração era mais inclinada no começo quando a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente era maior. Depois, quando a diferença era menor, a taxa de refrigeração retardou para baixo. Adicione a temperatura ambiente ao diagrama. 5. Lembre que a diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura da água determinou como o calor escapou (rapidamente ou lentamente). Adicione uma variável nomeada "diferença" para representar o tamanho da diferença entre as duas medidas. Quanto mais elevada a temperatura da água maior a diferença.

19 6. Finalmente, o tamanho da diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente afetou a taxa de calor escapando. Quando a diferença era grande, o calor escapava rapidamente, como aconteceu no início da experiência. A medida que o tempo passava, a temperatura ambiente permaneceu constante enquanto a temperatura da água caia, reduzindo a diferença entre as duas medidas. Conecte a "Diferença" ao fluxo Calor Escapando para mostrar que a diferença da temperatura causou a mudança da taxa de calor escapando quanto maior a diferença, mais elevada é a taxa. O diagrama estoque/fluxo explica agora como os fatores refrigeração originais do recipiente e a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente afetaram a taxa de refrigeração. Isso explica como a acumulação da energia de calor dissipou ao longo do tempo. 7. Siga o laço de realimentação no diagrama de estoque/fluxo usando setas para acima e para baixo

20 se necessário. Quando o estoque do "Calor" aumenta, a " Temperatura da Água" aumenta. Desde que a " Temperatura Ambiente" é constante, a "Diferença" aumenta. Uma grande "Diferença" faz o "Calor Escapando" aumentar, que faz o "Calor" diminuir desta vez. Como nós aprendemos na lição anterior, quando os elementos invertem em um laço de realimentação, o laço está equilibrado. A experiência de refrigeração é um exemplo de um laço realimentação equilibrado. A temperatura da água aproxima-se da temperatura ambiente em uma taxa decrescente. 8. Olhe o gráfico de refrigeração outra vez e relacione-o ao diagrama de estoque e fluxo. O laço equilibrado produz um gráfico do declínio exponencial da temperatura. O gráfico curva-se com uma taxa elevada no início e aplaina-se, aproximando a temperatura ambiente.

21 Este gráfico é como o declínio exponencial causado pelo laço equilibrado no jogo do mamute. Quando o rebanho era grande, muitos mamutes morreram. Como estas mortes reduziram o tamanho da população, havia menos e assim poucas mortes em cada ano, e a população aproximou-se lentamente de zero - extinção. Nesta lição nós medimos a temperatura de refrigeração de uma água fervente em um copo. Por que a água aproximou-se da temperatura ambiente? A água aproximou-se da temperatura ambiente porque o calor estava fluindo fora da água e indo para o ar mais fresco. Fluiu mais ràpidamente no começo da experiência quando a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente era maior. Quando a diferença diminuiu, o calor escapou-se mais lentamente. Quando a água alcançou finalmente a temperatura ambiente, ela permaneceu na temperatura ambiente.

22 Uma Extenção Para um desafio adicional, alguns estudantes podem ser capazes de aplicar o que aprenderam em uma maneira mais ampla. O que aconteceria se nós começassemos com a água congelada em vez da água fervente? O calor fluiria do ar morno (temperatura ambiente) para a água congelada, da mesma forma fluindo mais rapidamente quando a diferença da temperatura for maior, que é no começo da experiência. A água irá aquecer até a temperatura ambiente e permanecerá com ela. Nosso diagrama de esqtoque/fluxo aplica-se para a água congelada também? Sim. Para ficar mais claro, nós mudaríamos o "Calor Escapando" para "Transferência de Calor" que significa que o calor se move sempre da área mais morna para a área mais fresca quer você comece com água fervente ou água congelada. Para a água fervente, os fluxos de calor vão para fora até a água alcançar a temperatura ambiente. Para a água congelada, os fluxos de calor vão para dentro até a água alcançar a temperatura ambiente. O estoque de calor aumenta. A cabeça da seta em ambos os fins do fluxo indica que a energia de calor pode fluir dentro ou fora do estoque, dependendo se você começa com água muito quente ou muito fria. O que o gráfico do aquecimento da água em um copo se assemelha? Seria similar à experiência da refrigeração, exceto que desta vez a água aproxima da temperatura ambiente enquanto se aquece.

23 Para a água congelada, o laço equilibrado faz com que a temperatura da água levante-se aproximando da temperatura ambiente. Diagrama de Laço Causal Este diagrama nos dá uma visão geral do laço de realimentação equilibrado - a temperatura da água

24 ajusta-se para aproximar da temperatura ambiente. Nosso diagrama de estoque/fluxo nos dá uma visão "operacional" mais precisa de como o calor acumula ou dissipa ao longo do tempo. Nós usamos ambos os diagramas para compreender o comportamento que nós observamos e representamos graficamente. Outra Visão Uma forma mais simples e genérica do laço equilibrado poderia mostrar o ajuste da temperatura sem a interverção das conversões de temperature/calor. A taxa de mudança declina enquanto a diferença de temperatura diminui, até que a temperatura da água alcance a temperatura ambiente. Nesta lição, entretanto, nós incluímos as conversões porque o conceito da energia de calor como um estoque era o foco da lição de ciência.