FÁBIO MENDES BAYLÃO EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA

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1 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE FÍSICA MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS FÁBIO MENDES BAYLÃO EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Volta Redonda 2017

2 EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Fabio Mendes Baylão Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal Fluminense no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Orientador: Prof. Dr. Renato Pereira de Freitas Volta Redonda/RJ Junho de 2017

3 EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Fabio Mendes Baylão Orientador: Prof. Dr. Renato Pereira de Freitas Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal Fluminense no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Aprovada por: Volta Redonda/RJ Junho de 2017 i

4 FICHA CATALOGRÁFICA B358 Baylão, Fábio Mendes Experimento didático para aprendizagem da conservação da energia mecânica / Fábio Mendes Baylão f. Orientador: Renato Pereira de Freitas Dissertação (Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física) Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda, Ensino de física. 2. Energia (Física). 3. Recurso didático. 4. Aprendizagem significativa. 5. Ensino médio I. Universidade Federal Fluminense. II. Freitas, Renato Pereira de, orientador. III. Título CDD

5 Dedico esta dissertação aos amores de minha vida, minha amada esposa Eliane Coelho de Carvalho Baylão e as nossas duas filhas, Júlia Carvalho Baylão e Laura Carvalho Baylão. iii

6 Agradecimentos Agradeço primeiro a Deus, pela saúde de meu corpo, pela inteligência que nutre meu espírito, mas principalmente pelos amigos, professores que Ele, permitiu que estivesse em meu caminho, porque esses, além dos conhecimentos que me transmitiram, tiveram paciência e sabedoria de me ensinar. Ao meu orientador Renato Pereira de Freitas, pela sua dedicação ao ensino, o incentivo, a paciência aos meus erros, para que eu crescesse em conhecimento e aprendizagem, colocando em prática, também, a metodologia da aprendizagem significativa (AUSUBEL, apud MOREIRA, 1999). Aos meus pais, Bellarmino Barroso Baylão e Maria de Lourdes Mendes Baylão, por me permitir a existência. A minha esposa Eliane de Coelho de Carvalho Baylão, amor da minha vida, pelo seu incentivo, paciência, e pelo tempo e momentos de família que não pudemos estar juntos nesses três anos. As minhas filhas Júlia Carvalho Baylão e Laura Carvalho Baylão, não só pelo tempo que não pudemos estar juntos, mas pelo incentivo de sempre participarem de meus experimentos e do orgulho que sentem pela conquista de um sonho, que se tornou realidade. A minha avó Adelaide Barroso Baylão, que na falta de minha mãe assumiu a nossa educação, e nos incutiu o amor ao estudo e a educação, que uma sociedade só há mudança pela dedicação ao estudo e a educação. E, a minha sobrinha neta, Manuela Carvalho Malta Ferreira, criança adorável de inteligência incomum, que na sua inocência me deu o incentivo de saber como escolher, qual seria o meu produto. A CAPES, pela ajuda financeira através da bolsa ao programa de mestrado, com a qual permitiu que reduzíssemos a nossa carga horária e assim dedicássemos o nosso tempo ao estudo. A SBF e a dedicação dos Professores da UFF, que criaram um polo de mestrado profissional em nossa região. Aos meus alunos e aos alunos do IFRJ de Paracambi pela oportunidade de participarem dessa dissertação. iv

7 RESUMO EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA APRENDIZAGEM DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA Fabio Mendes Baylão Orientador: prof. Dr. Renato Pereira de Freitas Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação (nome dado na instituição) no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física Neste trabalho foi construído um experimento didático, utilizando materiais de baixo custo, para trabalhar com alunos do ensino médio os conceitos de energia mecânica. O experimento é composto de um lançador, uma bolinha e uma rampa. O lançador transmite a sua energia potencial elástica a bolinha, que, ao ser liberada, a transforma para energia cinética e energia potencial gravitacional. O experimento possibilitou os discentes observarem os tipos de energia mecânica e o princípio da conservação. Também foi possível trabalhar com os alunos diferentes modelos matemáticos para calcular a constante elástica da mola, a energia potencial elástica e a altura que a bolinha iria atingir. Junto a essa dissertação existe um manual de como construir o produto didático, assim como todo um roteiro de aplicação para que professores possam fazer uso. Palavras-chave: Ensino de Física, Energia, Experimento Didático, Aprendizagem Significativa. Volta Redonda/RJ Julho de 2017 v

8 ABSTRACT DIDACTIC EXPERIMENT FOR LEARNING THE CONSERVATION OF MECHANICAL ENERGY Fabio Mendes Baylão Supervisor(s): prof. Dr. Renato Pereira de Freitas Abstract of master s thesis submitted to Programa de Pós-Graduação (nome dado na instituição) no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), in partial fulfillment of the requirements for the degree Mestre em Ensino de Física. In this work was constructed a didactic experiment, using materials of low cost, to work with students of high school the concepts of mechanical energy. The experiment consists of a launcher, a ball and a ramp. The launcher transmits its elastic potential energy to the ball which, when released, transforms it into kinetic energy and gravitational potential energy. The experiment allowed the students to observe the types of mechanical energy and the principle of conservation. It was also possible to work with students different mathematical models to calculate the elastic spring constant, the elastic potential energy and the height that the ball would reach. Together with this dissertation there is a manual on how to construct the didactic product, as well as an entire script of application for teachers to make use of. Keywords: Physics education, Energy, Didactic Experiment, Significant Learning. Volta Redonda/RJ June of 2017 vi

9 Sumário Capítulo I Introdução 01 Capítulo II Fundamentação Teórica Aprendizagem Significativa Atividades Experimentais Revisão Bibliográfica 06 Capítulo III Metodologia Proposta e Motivação Objetivo do experimento Materiais utilizados na montagem do aparato Construção do artefato de lançamento da esfera de aço Material necessário Montagem Construção da rampa de lançamento Material Necessário Montagem da rampa Metodologia de utilização do produto Avaliação do produto 11 Capítulo IV Resultados e discussões Local de Aplicação Relato dos encontros Com as turmas do IFRJ-CPAR Com as turmas das escolas da rede Estadual de Ensino Primeiro encontro (2 tempos de 50 minutos) Segundo encontro (2 tempos de 50 minutos) Terceiro encontro (2 tempos de 50 minutos) 15 vii

10 Quarto encontro (2 tempos de 50 minutos) Análise do uso do produto IFRJ campus Paracambi Na rede estadual 26 Capitulo V Conclusões 31 Referências Bibliográficas 32 Apêndice A: Currículo do segundo ano ensino médio ministrado nas escolas estaduais do Rio de Janeiro Apêndice B: Manual de Construção e Aplicação viii

11 CAPÍTULO I INTRODUÇÃO Conhecendo a origem da palavra Física, que vem do Grego phisis cujo significado é natureza, e sabendo que o ser humano, quando tomado por curiosidade, questiona. É importante trazer os experimentos para a sala de aula com os objetivos de instigar o discente a conhecer, a despertar o ânimo experimental e a demonstrar que o que se estuda em Física são as leis naturais, que nos envolvem no dia a dia, além de permitir a esse aluno aprender sobre os inventos. Como cita Bonjorno (2013) A Física é a ciência que estuda o universo e os fenômenos naturais. Os conhecimentos da Física servem tanto para descrever e fazer previsões de eventos quanto para desenvolver tecnologias e aplicá-las em produtos para as necessidades do dia a dia. Construir conhecimento, desenvolver habilidades a partir de um experimento, está em consonância com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+ 2002, 237): Desenvolver a capacidade de investigação física. Classificar, organizar, sistematizar. Identificar regularidades. Observar, estimar ordens de grandeza, compreender o conceito de medir, fazer hipóteses e testar. Como nômades, os seres humanos, tinham a necessidade de buscar lugares em que a alimentação fosse farta. Tinham que se deslocar, gastar energia. Logo após descobrimos que essa energia poderia ser gasta, para produzir o alimento próximo a as habitações. Criar recursos que facilitasse o trabalho fez o homem conhecer a natureza. Assim, desenvolveram a tecnologia desde o domio do fogo ao invento da roda e das máquinas simples. Na história das ciências aprendemos que as descobertas não são imediatas, é fruto de muita observação, testes e mais testes, erros e frustrações. Na Física também não é diferente, além do que uma descoberta leva a outra, aprimorando, assim, as ideias e aperfeiçoando as leis. 1

12 Trazer ao discente um experimento simples, com recurso de baixo custeio, e fazê-los investigar, comparar com o que já conhecem, observar e tirar dessa investigação suas próprias conclusões, é um dos objetivos do trabalho docente. No processo de ensino aprendizagem identificamos que quando o discente experimenta a ação de uma lei da Física, no concreto, o seu entendimento do fenômeno é maior. Corroborando com a ideia de um ensino mais significativo, os relatos de docentes de outras áreas afirmam que teriam aprendido melhor a Física se, na sua época de aluno, fosse apresentada de forma mais concreta. Para buscar uma aprendizagem mais significativa, explorando a conservação de energia mecânica (tema trabalhado no segundo ano do ensino médio conforme o currículo mínimo, programa elaborado pela Secretaria de Educação do Estado do Rio de Janeiro, para nortear as escolas do Estado) nesta dissertação foi construído, com material de baixo custo, um artefato composto de três peças: uma rampa, um lançador, e uma esfera de aço. Neste aparato é possível verificar a transformação da energia elástica em potencial gravitacional. Segundo Rogers (2012) seres humanos tem uma potencialidade natural de aprender. Contando com essa potencialidade, o artefato permite criar as condições de simulação da energia mecânica e sua conservação, no qual o aluno deverá perceber as diferentes manifestações da energia mecânica energia potencial gravitacional, energia cinética e a energia elástica, assim como ter uma ideia da dissipação da energia. Em um de seus princípios Rogers afirma que a aprendizagem é facilitada quando o aluno participa responsavelmente do processo de aprendizagem, com isso induzindo-os a se manifestarem e a observarem todo o fenômeno. Considerando a Lei de diretrizes e Bases (LDB-Brasil-1996) que determina em seu Artigo 35, inciso IV, a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, permitindo que seja relacionado a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina seja uma das finalidades do ensino, nesta dissertação foi desenvolvido um produto com o objetivo de permitir ao aluno, através da prática, reconhecer as diversas formas de energias, fruto de suas próprias observações. Para tal o produto foi aplicado sustentado por cinco pilares, representados por cinco verbos: estimular, habilitar, experimentar, refletir e argumentar. Estimular a ideia de estimular os discentes a perceber que a energia mecânica está em várias ações do nosso cotidiano, nos nossos atos mais simples existe energia mecânica. 2

13 Habilitar permitir que os alunos se tornem independentes para executar tarefas, produzir conceitos e desenvolver modelos matemáticos cientes das suas finalidades, conscientes de que o uso que fazem de seus saberes. Experimentar através da observação do fenômeno ocorrido da realização das tarefas do produto, desenvolver conceitos e teorias, para ter dessa prática uma aprendizado significativa, estabelecendo assim as diferenças entre as energias que compõem a energia mecânica; Refletir e argumentar levar o discente, ao executar o produto, a refletir que na teoria as condições para a situação-problema proposto são ideais e, na prática, ou na realização do produto, são condições reais, com isso ele perceberá que a lei de conservação de energia não ocorre em qualquer sistema, possibilitando ao discente ter argumentos, com base científica, para descrever quais são as causas que interferem na conservação de energia, utilizando para tais argumento, conceitos da Física. Neste trabalho, foi utilizado principalmente a teoria de aprendizagem significativa de Ausubel, apresentada, resumidamente, no capítulo 2. Nesta via, observamos a relação entre o conhecimento prévio dos alunos sobre energia, especificamente a energia mecânica. Tais conceitos foram utilizados para ancorar os novos conceitos apresentados com a execução do experimento. 3

14 CAPÍTULO II FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nós vivemos em um momento em que o nosso discente tem acesso a tantas informações e com muitas opções profissionais, permitindo o desenvolvimento de suas competências e habilidades. É dar significado ao que se aprende. O PCN descreve: a nova sociedade, decorrente da revolução tecnológica e seus desdobramentos na produção e na área da informação, apresenta características possíveis de assegurar à educação uma autonomia ainda não alcançada. Isto ocorre na medida em que o desenvolvimento das competências cognitivas e culturais exigidas para o pleno desenvolvimento humano passa a coincidir com o que se espera na esfera da produção. Princípios É preciso analisar a possibilidade de se alcançar a autonomia na educação, para o discente ter uma aprendizagem significativa, ou seja, para que seja capaz de absorver novos conhecimentos ancorados em conhecimentos anteriores, que pode ter como um recurso didático a utilização de experimentos, possibilitando vivenciar os conhecimentos ali inseridos. Nos próximos itens abaixo serão apresentados à teoria da aprendizagem significativa e a importância da experimentação para a mesma. Em seguida serão apresentados alguns trabalhos que utilizaram experimento para desenvolver a aprendizagem significativa Aprendizagem Significativa A aprendizagem significativa é uma teoria da educação desenvolvida por David Ausubel, descreve que a aprendizagem ocorre de forma significativa quando o aluno relaciona o que já conhece com novos conhecimentos adquiridos. Sendo, de acordo com Ausubel, uma aprendizagem desenvolvida, geralmente, em três tipos, conforme descrito abaixo (AUSUBEL, apud MOREIRA, 1999). Aprendizagem Cognitiva aprendizagem que resulta em armazenar na mente do aluno as informações de forma organizada. É esse conjunto que recebe o nome de estrutura cognitiva. 4

15 Aprendizagem Afetiva resulta de experiências internas no discente tais como prazer, dor e alegria. Aprendizagem psicomotora é o resultado de treino e prática que envolve respostas musculares. É claro que,no que tange a aprendizagem, tanto a afetiva quanto a psicomotora se relacionam com a cognitiva. Ausubel apresenta a sua teoria de aprendizagem a partir do ambiente de sala de aula. O pilar da ideia é de que todos nós possuímos algum conhecimento prévio, chamado de subsunçor, em nossa estrutura cognitiva. É através da relação entre esses subsunçores com os novos conhecimentos que se dá a aprendizagem significativa, desde que o conhecimento se ancora em conhecimentos especificamente relevantes, preexistentes na estrutura cognitiva (MOREIRA, 1997). Ele descreve que as novas informações ancoram em conceitos e proposições relevantes já presentes na estrutura cognitiva (AUSUBEL, apud MOREIRA, 2014). Há a possibilidade de não haver os subsunçores de interesse na estrutura cognitiva de nossos discentes. Criar esses subsunçores faz parte de nosso dia a dia como professor. Fazer atividades experimentais pode permitir ao discente deduzir novos conceitos que passariam a ser os subsunçores que servirão para ancorar novos conceitos, e assim ter aprendizagem significativa. A aprendizagem significativa é progressista, acumulativa, ou seja, a cada nova informação se ancora novos conceitos para que o discente se tornasse pleno em seu conhecer. Avaliar que um discente teve uma aprendizagem significativa, não é simples, pois, segundo Ausubel, há discente que é capaz de memorizar até exemplos, na qual seria uma aprendizagem mecânica Atividades Experimentais Observa-se nos PCN que na escola, uma das características mais importantes do processo de aprendizagem é a atitude reflexiva e autocrítica diante dos possíveis erros. Trazer experiências para a sala de aula é permitir que o aprendiz ganhe essa característica diante do fenômeno, ele observa, descreve, critica, reflete e aprende. Executando trabalhos experimentais cria-se a discussão entre a teoria e a prática, permitindo assim que o próprio aluno tenha as suas conclusões, além de fazê-los refletir que as descobertas científicas demoram tempo. 5

16 Para o ensino médio, o PCN descreve que a Física deve assegurar que a competência investigativa resgate o espírito questionador, o desejo de conhecer o mundo em que se habita Revisão Bibliográfica Almeida (2016), com base na teoria do aprendizado significativo de Ausubel construiu um kit, de quatro experimentos de dilatação para auxiliar o aprendizado de alunos do ensino médio. O kit tem como proposta potencializar a aprendizagem dos conceitos de dilatação em duas aulas de 50 minutos. Boaventura (2015), utilizou o dispositivo de Orrey para auxiliar a aprendizagem de astronomia em alunos do ensino médio. A partir do dispositivo foi possível melhorar a compreensão dos discentes acerca do sistema Terra-Lua-Sol. Diniz (2016), construiu um dispositivo a partir de materiais de fácil acesso, para auxiliar o aprendizado de óptica geométrica dos aluno do ensino médio. A partir do dispositivo a aprendizagem de conceitos teóricos como Reflexão da Luz, Espelhos Planos e Espelhos Esféricos foram potencializados. Jesus e Sasaki (2014), fizeram a vídeo análise de um experimento de baixo custo de atrito de rolamento. O vídeo foi gravado em uma câmera de smartphone e a análise foi realizada com o auxílio do software livre Tracker. Tal experimento permite trabalhar o conceito de atrito de rolamento, que não é abordado nem mesmo nos livros textos clássicos adotados nas escolas de ensino médio. Lüdke et al., (2013), construíram um experimento de baixo custo que permite verificar conceitos fundamentais de transporte de calor. O dispositivo tem como foco ser utilizado por estudantes de física experimental, tendo em vista que é possível verificar a solução da lei de Fourier em coordenadas cilíndricas. Micha et al., (2011), utilizando materiais de baixo custo e de fácil acesso construíram um dispositivo que permitiram trabalhar conceitos relativos ao espectro eletromagnético. O dispositivo tem como foco principal detectar a faixa do infravermelho. Oliveira e Paixão (2017), construíram kits de eletrodinâmica a partir de materiais de baixo custo, para auxiliar a aprendizagem de alunos de escolas secundárias de Portugal. Os kits, que possuem experimentos com diferentes níveis, permitiram trabalhar conceitos de geradores, salém disso, a medida que havia assimilação de um 6

17 determinado experimento, um novo experimento, de maior dificuldade, era realizado com os discentes. Silva e Leal (2017) apresentam uma proposta completa de um laboratório montado a partir de experimentos de baixo custo, para ser implementado nas escolas. O estudo mostra que a implementação de um laboratório, em uma escola da rede estadual do Rio de Janeiro, melhorou significativamente a aprendizagem dos conceitos de física pelos discentes, além de proporcionar uma maior integração social no colégio. Turchiello e Gomez (2016), construíram um experimento de baixo custo para ensino de como a luz modifica o índice de refração do meio à qual está incidindo. A partir desse experimento é possível discutir tópicos atuais do ramo da física, que possui muitas aplicações tecnológicas. Vilar et al., (2015), mediram o tempo morto de termômetros utilizados em aulas experimentais de física. A partir do trabalho é possível discutir conceitos de erros associados a medidas experimentais. 7

18 CAPÍTULO III METODOLOGIA 3.1. Motivação Vários fatos contribuíram para a escolha do produto, sendo alguns descritos abaixo: Questionamento das turmas perspectiva dos alunos: - no decorrer dos anos as perguntas são as mesmas. Para que estudar isso? Aonde se aplica isso? Quando eu vou usar isso? Daí querer algo que pudesse trazer a Física para o dia a dia dos alunos. O autor, ao preparar uma base para que os alunos participassem da mostra de foguete, pela Sociedade Brasileira de Astronomia e Astronáutica, foi questionado por sua sobrinha curiosa: - o que é isso? Após a construção do artefato e os testes de funcionamento a criança ficou encantada com a experiência, assim como os alunos, que adoraram participar da mostra. Estava claro que importava muito a capacidade e a simplicidade de interagir entre o executar e o prazer de aprender que um experimento pode proporcionar. Foi observado, pelo autor, um brinquedo infantil, que consistia em um tabuleiro de madeira em formato de campo de futebol com uma fenda de um lado e por esta passava-se uma haste de madeira presa a um elástico, uma bola, uma trave e um goleiro, o jogo tinha como finalidade cobrança de pênalti. Neste jogo o autor observou que dentro da física poderia retirar vários conceitos tais como: força elástica, trabalho, energia elástica energia cinética, impulso quantidade de movimento, choque mecânico. De uma forma simples, brincando. Retirar o peso e a obrigação de aprender, e incutir nos alunos o prazer em aprender. Criar um produto em que os alunos pudessem perceber quando e onde se aplica, ter o prazer em manusear (brincar), experimentar, sem a preocupação do que é certo ou errado, e nem na influencia em uma nota (valor numérico que qualificasse e quantificasse o que aprendeu). Um produto com custo baixo, fácil de construir e claro, dentro do programa do ensino médio, currículo mínimo da rede estadual de educação do Estado do Rio de Janeiro. Foi escolhido o segundo ano do ensino médio, no qual no terceiro bimestre trata do assunto energia mecânica. 8

19 3.2. Proposta Auxiliar a aprendizagem teórica do conteúdo de energia. Pois, como pode ser visto no apêndice A, do currículo do segundo ano ensino médio ministrado nas escolas estaduais do Rio de Janeiro, no terceiro bimestre no campo Usinas termelétricas e hidrelétricas Energia térmica e mecânica Conservação e transformação de energia, encontram-se as habilidades e competências a serem desenvolvidas, das quais destacamse: Compreender as diferentes manifestações da energia mecânica na natureza; identificar transformações de energia e a conservação que dá sentido a essas transformações, quantificando-as quando necessário. Identificar, também, formas de dissipação de energia e as limitações quanto aos tipos de transformações possíveis, impostas pela existência, na natureza, de processos irreversíveis Objetivo do experimento O desenvolvimento do conhecimento da Física, que é fruto da observação da natureza, traz como consequência a inovação e o avanço da tecnologia. Além disso, a aprendizagem é facilitada, quando o aluno consegue observar o conhecimento em sua vida cotidiana. Segundo o Aurélio (2010) energia é a propriedade dum sistema que lhe permite realizar trabalho e a busca pelo domino das diversas formas de energia sempre foi do interesse da humanidade. Buscando alternativas para uma aprendizagem mais significativa, neste trabalho foi elaborado um experimento de baixo custo, com objetivo de facilitar a aprendizagem do princípio da conservação de energia mecânica através das transformações ocorridas entre a energia potencial elástica e a energia potencial gravitacional. A observação experimental desse princípio irá possibilitar que os discentes possam verificar o quanto esse tema está presente em seu dia a dia. No próximo tópico serão apresentados os materiais e utilizados para a construção do aparato e a sua montagem. No apêndice B está descrito com maiores detalhes instruções de montagem e um roteiro de aplicação do experimento Materiais utilizados na montagem do aparato Foi utilizado no artefato uma esfera de aço e os demais materiais descritos abaixo com um custo de setenta reais. 9

20 Construção do artefato de lançamento da esfera de aço (Lançador) Material necessário Uma mola de carburador de Brasília (25mm de comprimento por 10mm de diâmetro) 20 cm de tubo de PVC de ¾ (20mm de diâmetro). 22 cm de cavilha de 8 mm de diâmetro. Cola branca. Broca de 2 mm para madeira ou metal. Fotocopia de uma régua 7 cm. Uma esfera de aço (junta homocinética) Montagem Fazer com uma broca de 2 mm dois furos na cavilha sendo um no meio (10,5 cm) no qual será preso uma das pontas da mola e o outro na ponta (0,5cm) para auxiliar na verificação da constante da mola. Colar a fotocopia da régua na cavilha marcando 2 cm da ponta, observando o alinhamento com tubo. Fixar a mola na cavilha passando pelo furo do meio da cavilha. Fazer um furo no tubo considerando o alinhamento da escala e o tubo e a posição em que a ponta da mola livre está no tubo e assim fazer a marcação. Fixar a cavilha dentro do tubo passando a extremidade livre da mola pelo furo do tubo conforme visto na figura 5 e alinhando a régua a ponta do tubo Construção da rampa de lançamento Material Necessário Uma calha plástica de 4,5x4,5x200 cm. Dois tubos de PVC de 20mm (¾ de polegada) de diâmetro por 105 cm de comprimento. Um tubo de PVC de 20mm (¾ de polegada) de diâmetro por 5 cm de comprimento. Um parafuso 5 mm de 10 cm com porca. Uma broca de 5 mm de diâmetro. 10

21 Montagem da rampa Furar a calha a uma distância de 1,0 cm de uma das pontas e a 1,5 cm da base com uma broca de 5mm. Furar os dois tubos de 105 cm de comprimento com a broca de 5mm a 4,0 cm de uma das pontas. Transpassar o parafuso pelo furo de um dos tubos de 105cm, pelo furo da calha, por dentro do tubo de 5 cm pelo outro furo da calha e pelo outro tubo de 105 cm e colocar a porca no parafuso apertando-os até fixar os componentes. A calha é composta de duas partes: A calha propriamente dita e uma tampa que é bem flexível, a qual devemos encaixar na calha para que a subida da bolinha ao ser lançada pelo lançador seja suave Metodologia de utilização do produto O dispositivo construído tem como meta ser utilizado durante 8 horas-aula (50 minutos), sendo preferencial que o docente ministre duas aulas seguidas, conforme as orientações descritas no manual. Inicialmente o docente deve aplicar um pré-teste de verificação, sendo a sugestão o que consta no manual do produto. Em seguida é sugerido o desenvolvimento teórico dos conceitos de trabalho e energia junto com as demonstrações práticas possibilitadas pelo aparato. Ao final das 8 horas-aulas é sugerindo novamente a aplicação do Pós-teste Avaliação do produto A avaliação do produto foi baseada na metodologia desenvolvida por Laurence Bardin (1979). A metodologia baseia-se na discussão através da verificação de frequência de certas ocorrências de respostas, que podem ser previamente escolhidas ou selecionadas a medida que surge. É um conjunto de técnicas de análise das comunicações visando obter, por procedimentos sistemáticos e objetivos de descrição do conteúdo das mensagens, indicadores (quantitativos ou não) que permitam a inferência de conhecimentos relativos às condições de produção (variáveis inferidas) desta mensagem (BARDIN, 1979, p.32). 11

22 CAPÍTULO IV RESULTADOS E DISCUSSÃO O produto resultante da elaboração desta dissertação se encontra no anexo I. Onde é apresentado um manual com instruções de montagem do experimento e sugestões de utilização Teste do produto Para verificar a utilidade do produto, no auxílio da aprendizagem do conceito de conservação da energia, o mesmo foi aplicado inicialmente no IFRJ de Paracambi, com o objetivo de verificar se o produto e a sequência didática (ou roteiro) são aplicáveis. Ou seja, verificamos a operacionalidade do produto de forma autônoma, seguindo o roteiro e com interferência mínima do docente. O resultado desse teste é apresentado abaixo. Participaram trinta e nove alunos, de duas turmas do IFRJ. As figuras 1 e 2 mostram os discentes do IFRJ-CPAR utilizando aparato de forma autônoma, tanto na execução do instrumento como no desenvolvimento do modelo matemático. Figura 1. Alunos do IFRJ-CPAR utilizando o produto. 12

23 Figura 2. Alunos do IFRJ-CPAR, trabalhando em conjunto na utilização do produto Relato do teste Com as turmas do IFRJ-CPAR Os alunos do IFRJ-CPAR acolheram a proposta sem encontrar a menor dificuldade em executar a sequência do produto. Sendo necessário apenas dois tempos de 50 minutos para a realizar todo o procedimento. Durante esse tempo eles responderam o questionário, para análise do grau de conhecimento que possuíam sobre a lei de conservação de energia. Passando para a parte do experimento, executaram todas as etapas. Ressalto o esforço e a dedicação com que executaram toda a sequência para a obtenção dos resultados no manuseio do experimento. Os alunos realizaram o experimento em grupos, pois só havia dois produtos e eles se revezaram, para que todos pudessem participar. As turmas se comportaram de forma disciplinada, não foi necessário fazer qualquer intervenção. Muitos alunos questionaram sobre a escolha dos materiais e a construção dos componentes do produto, fora informado que o principal motivo da escolha era o baixo custo. Durante a aplicação foi verificado, que os alunos conseguiam distinguir o momento em que o TRABALHO ; ENERGIA ELÁSTICA ; ENERGIA CINÉTICA e a ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL acontecia.. 13

24 Analise e discussão do teste do produto no IFRJ campus Paracambi 1ª questão: O que é energia? Como pode ser visto no gráfico da figura 3 um grupo de 24 alunos responderam que a energia é a capacidade de promover trabalho. Um outro grupo de 13 alunos responderam que é tudo o que promove ação ou movimento. Outros dois grupos foram muito evasivos, tendo apresentado as seguintes respostas: Uma coisa que promove outra coisa ; É a capacidade de um corpo gerar energia. O fato da maior parte dos alunos conseguirem associar energia a movimento indica que eles conseguem correlacionar energia e trabalho, além de possuírem conhecimento da energia mecânica. Em conversa com o professor regente o mesmo disse que realizou um trabalhou intenso com os discentes sobre esse tópico, o que se reflete nas respostas, pois os conceitos de energia apresentada pelos discentes não se contém somente a conhecimentos usuais, apresentados no cotidiano, como de energia elétrica. Entretanto, nenhuma das respostas apresentadas pelos alunos foram elaboradas, de acordo com os conceitos formais de energia definidos nos livros de física. Junior et al., (2007), destaca que a energia é um conceito difícil de ser definido. Apesar disso a ideia está tão arraigada em nosso cotidiano que praticamente a aceitamos sem definição. (...). Veremos com muita frequência que a energia está associada ao movimento (energia cinética). No entanto, mesmo estando em repouso, um corpo pode possuir energia apenas em função da posição que ocupa (energia potencial). Outra relação importante a ser apresentada é a que existe entre energia e trabalho. ( a variação da energia cinética de um corpo entre dois instantes é medida pelo trabalho resultante das forças entre os instantes considerados (pp. 282)). 14

25 30 O que é Energia? Trabalho Movimento outra Quantidade de alunos IFRJ Figura 3. Gráfico das respostas da pergunta 1 após a aplicação do produto. 2ª questão: O que é trabalho? As respostas que foram apresentadas está entre força e deslocamento ( o trabalho nada mais é do que o deslocamento que ocorre em consequência de uma força ), sendo que vinte e dois alunos deram essa resposta, como pode ser visto no gráfico da figura 4, catorze alunos responderam entre força e movimento ( o trabalho é a força de um corpo que gera movimento ) e 3 não responderam. As respostas indicam que os discentes têm conhecimento, que o trabalho é produzido por uma força, que realiza um deslocamento, mas não foram dadas respostas formais indicando que o trabalho é uma grandeza escalar e que depende do ângulo entre a força e o deslocamento. 15

26 25 O que é trabalho? Força + Deslocamento Força + Movimento outras Figura 4. Gráfico das respostas da pergunta 2 após a aplicação do produto. 3ª questão: Qual é o conceito de energia mecânica? Conforme o gráfico da figura 5, foi observada quatro categorias de respostas: sendo treze respostas associadas a capacidade de realizar trabalho ( a energia mecânica é algo que tem a capacidade de realizar trabalho e tem entre elas várias energias ); onze associando a energia ao movimento ou armazenada a um sistema físico ( a energia mecânica é aquela que aconteceu devido ao movimento dos corpos ou armazenada nos sistemas físicos ); onze relacionado a energia mecânica a soma das energias cinética, potencial gravitacional e elástica ( a energia mecânica é a concentração da energias gravitacional, elástica e cinética ) e quatro respostas associadas a outros conceitos ( a energia mecânica é o tipo de energia que pode se transferir ; outra a energia mecânica são quais energias que estão atuando em um corpo e quais emergias estão se conservando ). 16

27 Qual é o conceito de Energia Mecânica Trabalho Movimento Potencial + Cineticas + Elàstica Transferência e Conservação Figura 5. Gráfico das respostas da pergunta 3 após a aplicação do produto. A resposta mais satisfatória é que energia mecânica é a soma das energias cinética, potencial gravitacional e elástica. No gráfico 5 é visualizado que a maior parte das respostas está relacionada ao trabalho, daí temos duas analises. Sendo a primeira delas o fato da formalização teórica, que o trabalho resultante pode ser calculado como a diferença da energia cinética de dois pontos, o que leva os discentes associarem a energia mecânica ao trabalho. Outro ponto, que as respostas demonstram, é o que acontece em grande parte dos casos, em que os discentes respondem o questionário de forma rápida sem a devida atenção, pretendendo somente terminar a tarefa. 4ª questão: Quais são os tipos de energia mecânica? Todos responderam corretamente, indicando que os discentes têm o devido conhecimento sobre os tipos de energia mecânica. Segue abaixo umas das respostas obtidas. Os tipos de energia mecânica são: a energia potencial gravitacional, energia potencial elástica, energia cinética. 5ª questão: a) Definição de Energia potencial gravitacional 17

28 Como pode ser visto no gráfico da figura 6 as respostas foram: relacionando um corpo a altura que ele se encontra e um referencial; relacionando a energia ao trabalho da força peso; relacionando a energia a gravidade entre corpos e outros que relacionaram trabalho a uma força sem especificar que força é. Abaixo seguem algumas das respostas: 1. É a energia obtida quando consideramos o deslocamento de um corpo na vertical ; 2. É a energia de um corpo que está associado ao trabalho da força peso ; 3. É a energia que a gravidade exerce ; 4. É a capacidade que corresponde ao trabalho que a força realiza. Percebe-se que os discentes, embora tenham suas dificuldades em descrever o conceito, possuem certo domínio do tópico. Todas as perguntas relacionam a energia potencial a força peso, um dos possíveis motivos para que as respostas apresentem visões diferentes de um mesmo conceito. 16 Energia Potencial Gravitacional Altura Trabalho X Peso Gravitação outros. Figura 6. Gráfico das respostas da pergunta 5a após a aplicação do produto. 5ª questão: b) Definição de Energia Potencial Elástica: Como pode ser visto no gráfico da figura 7, as respostas foram: relacionando Energia Elástica ao trabalho da força elástica; relacionando a deformação de uma mola; 18

29 a deformação de um corpo e outras que foram evasivos ou não responderam. Segue abaixo algumas respostas: 1. corresponde ao trabalho que a força elástica realiza; 2. É a energia armazenada numa mola ou elástico deformado; 3. É a energia associada a deformação de um corpo; 4. É a energia armazenada em um sistema físico. Nessa última resposta o aluno houve um equivoco, porém a resposta número 3 caracteriza os que estudam ensaios mecânicos. quando aplicado em um corpo uma força qual é o limite em que esse corpo é deformado. A primeira e a segunda respostas estão dentro do conceito da energia elástica, habitualmente trabalhado Conceito de Energial Potencial Elástica Trabalho + Força Elástica Deformação da Mola Deformação de um Corpo Outros Figura 7. Gráfico das respostas da pergunta 5b após a aplicação do produto. 5ª questão: c) Conceito de Energia Cinética. Dos 39 alunos, um não respondeu corretamente ou outro não respondeu. A resposta equivocada foi a seguinte: energia realizada por um corpo. Essa resposta demonstra mais uma vez, o que acontece em grande parte dos casos, em que os alunos respondem o questionário de forma rápida sem a devida a atenção, pretendendo somente terminar a tarefa. Em contrapartida dentre das respostas correta podemos destacar: é a energia ligada ao movimento que os corpos possuem e ela é proporcional a massa e a velocidade da partícula (corpo) que se move. 19

30 4.3. Local de Aplicação: Colégios Estaduais O produto foi aplicado em três turmas do segundo ano do ensino regular médio de escolas da rede estadual de ensino, localizada em Volta Redonda. Nas turmas o produto foi aplicado na integra, conforme descrito no manual. Pois, foi necessário que o docente, trabalhasse primeiramente os conceitos de energia. Sendo duas turmas do Colégio Estadual Pedro Magalhães e uma do Colégio Estadual Piauí. É importante ressaltar que, a aplicação do produto se deu em consonância com o artigo 35 da LDB no inciso II a preparação básica para o trabalho e a cidadania do educando, para continuar aprendendo, de modo a ser capaz de adaptar-se com flexibilidade a novas condições de ocupação ou aperfeiçoamento posteriores, pois os discentes tiveram a possibilidade de realizar o procedimento de montagem e execução do produto. O produto, ao ser aplicado nessas três turmas do ensino médio, criou a possibilidade de estabelecer diversas análises, sendo uma delas apoiado no inciso I do mesmo artigo 35 da LDB, que cita dentre as finalidades do ensino médio: a consolidação e aprofundamento dos conhecimentos adquiridos no ensino Relatos dos encontros com as turmas Com as turmas das escolas da rede Estadual de Ensino Na rede Estadual de Ensino do Rio de Janeiro o produto foi aplicado numa sequência didática estabelecida em três etapas: uma diagnóstica, para saber os conceitos preconcebidos que os alunos trazem; a seguinte foi com a exposição dos conteúdos em consonância com a matriz curricular; e, na terceira, a aplicação do produto em si, quando apresentamos um novo questionário, para qualificar o aprendizado Primeiro encontro (2 tempos de 50 minutos) Inicialmente a intenção era levantar o conhecimento prévio dos discentes sobre o tema energia, através do pré-teste apresentando no manual para este primeiro encontro. Entretanto, inicialmente a dificuldade foi convencer os alunos a responder um questionário, o qual eles serão avaliados no grau de conhecimento de um assunto, sem nenhuma fonte de consulta ou pesquisa prévia desse assunto. Foi explicado que essas respostas eram para ser comparada na terceira etapa de aplicação do produto, quando eles voltariam a responder essas mesmas perguntas. E, a partir disso, seria possível 20

31 verificar a mudança ocorrida na aprendizagem, considerando que eles possuíam algum conhecimento prévio sobre o assunto energia e com o uso do produto o que mudou em seus conceitos. Mesmo assim, alguns alunos não quiseram responder Segundo encontro (2 tempos de 50 minutos) Seguindo o manual, neste encontro foi realizado um debate sobre o tema energia e em seguida foi apresentando o formalismo conceitual de: energia mecânica, energia potencial, energia cinética, energia elástica e dissipação de energia. Primeira aula da manhã, inibidos e com sono, foi exclamado pelo professor regente: Energia jovens!!! E logo após, foi perguntando: Cadê a energia de vocês? Não comeram hoje? Então o que é energia? Como é produzido a energia? Responderam: Que é eletricidade, que é força, que vem das hidrelétricas, das pilhas, sol, dos alimentos. Perguntando: Como funciona uma hidrelétrica? Eles responderam através das águas dos rios. Não sabiam mais detalhes. E, por que colocamos a caixa d água na parte mais alta da casa? Para água ter mais força. Foi colocado que energia se encontra em diversas formas. Eles reafirmaram: - solar, eólica, térmica, elétrica. A partir disso foi explicado, que essas formas de energias são transformações ou produzidas a partir da energia mecânica, seja, potencial gravitacional depende da altura; cinética depende da velocidade; que além dessas existe a elástica forças das molas. Que durante essas mudanças sempre há perdas de energia. Um aluno que havia feito um trabalho sobre hidrelétrica: que as hidrelétricas utilizam a energia potencial gravitacional quando aumentamos a altura das barragens, e a cinética quando a água desce canalizada para movimentar as pás das turbinas Terceiro encontro (2 tempos de 50 minutos) Neste encontro foram realizados alguns problemas, sobre conservação da energia mecânica, com os discentes para auxiliar na compreensão teórica. No primeiro exemplo trabalhado em sala usando as atividades autorreguladas de física 2ª série do ensino médio 3º bimestre fornecida pela SEEDUC. Temos: 21

32 Observe a situação descrita na tirinha abaixo. (Francisco Caruso & Luisa Daou, Tirinhas de Física, vol. 2, CBPF, Rio de Janeiro, 2000.) 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. Sem saber as opções, os alunos comentaram que no arco e flecha havia energia elástica, mas alguns alunos argumentaram na existência de energia potencial gravitacional, por indução do segundo quadro, enquanto outros falaram que ao sair do arco a flecha se movimenta e, portanto, tem velocidade, logo energia cinética. Ai mostrando as opções, chamando a atenção para assim que o menino lança a flecha todos concordaram que houve transformação de energia elástica em energia cinética. Letra C. Segundo exemplo: Em uma montanha russa um menino de 50 kg está sentado em um carrinho de 500 kg, é abandonado de um ponto a 20 m de altura em relação ao solo. Sabendo que a aceleração da gravidade é 10 m/s², determine a energia mecânica quando o carrinho atinge o solo: Além da dificuldade em trabalhar os cálculos matemáticos, os discentes também demonstraram dificuldade em entender a diferença entre abandonar e jogar um corpo um a velocidade é zero e o outro a velocidade é qualquer valor não nulo Quarto encontro (2 tempos de 50 minutos) Neste encontro os alunos utilizaram o produto. Nas turmas do Colégio Estadual Pedro Magalhães os alunos não apresentaram dificuldade em manusear e responder ao 22

33 questionário. Já na turma do Colégio Estadual Piauí um grupo, com o desanimo peculiar, não queria participar, apesar de cumpriram sem muita dificuldade o manuseio do produto e responderem ao questionário. As figuras 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14 apresentam os alunos utilizando o produto. Figura 8. Alunos do Colégio Estadual Pedro Magalhães utilizando o produto. Figura 9. Alunos do Colégio Estadual Pedro Magalhães utilizando o produto. 23

34 Figura 10. Alunos do Colégio Estadual Pedro Magalhães utilizando o produto. Figura 11. Alunos do Colégio Estadual Pedro Magalhães utilizando o produto. 24

35 Figura 12. Alunos do Colégio Estadual Pedro Magalhães utilizando o produto. Figura 13. Alunos do Colégio Estadual Piauí utilizando o produto. 25

36 Figura 14. Alunos do Colégio Estadual Piauí utilizando o produto Análise do uso do produto Nesta seção é avaliada a aplicação do produto, onde são apresentadas as perguntas dos pré-testes respondidas pelos alunos. Cada pergunta apresenta uma estatística sobre as respostas mais comuns, onde são discutidos os principais pontos observados. Os discentes responderam os pré-testes de forma autônoma, sendo a inferência do docente realizada somente para facilitar a aplicação do produto. No total foram respondidos 50 questionários pelos alunos Nos Colégios Pedro Magalhães e Piauí 1ª questão: O que é energia? A concepção que os alunos trazem de que a energia é geralmente a forma em que se manifesta no nosso dia a dia, principalmente na forma de luz ou eletricidade, foi expressa por 20 alunos ( é aquilo que permite ligar a geladeira ) e os outros quinze comparam a energia com a produção de trabalho ( é aquela coisa que produz algo ). Outros treze deram suas respostas relacionando a energia ao ato de viver ( é aquilo que nos faz caminhar viver ) e dois não responderam. 26

37 25 O que é Energia? Antes do Produto Após o Produto 5 0 Tipo de Energia Trabalho outros Figura 15. Gráfico das respostas da pergunta 1 do pré-teste verso após a aplicação do produto. Como pode ser visto no gráfico da figura 15, após a aplicação do produto vinte e três alunos relacionaram a energia com a produção de trabalho ( capacidade de um corpo ou uma substancia de um sistema físico tem de realizar trabalho ), vinte dois relacionaram a energia a qualquer tipo de transformação em outra energia ( é a capacidade que alguma coisa de se transformar em outra ) e cinco não responderam. Percebe-se claramente que o aluno tem dificuldade em articular as palavras, ora por querer se livrar das perguntas, ora por falta de vocabulário. 2ª questão: O que é Trabalho segundo a Física? Antes da aplicação do produto os alunos responderam à pergunta: o que é trabalho segundo a física? Foi percebido que as respostas, apesar diferentes tinham relação com energia, ou associavam o trabalho a alguma atividade. Abaixo são apresentadas algumas respostas. É alguma forma de propagação de energia. É um ato de perder ou ganhar energia. É tudo aquilo que vai gerar algo ou alguma coisa. Como pode ser visto no gráfico da figura 16, após a aplicação do produto dez alunos relacionaram trabalho a perder ou ganhar energia. Outro dez relacionaram a atividade, sendo as mais comuns: realizar uma ação ; é realizado por tudo aquilo 27

38 que tem movimento. Entretanto a maior parte dos discentes respondeu que trabalho é força vezes distância ou deslocamento O que é Trabalho segundo a Física? Antes do Produto Após o Produto Figura 16. Gráfico das respostas da pergunta 2 do pré-teste verso após a aplicação do produto. 3ª Questão: O que é Energia Mecânica? Como pode ser visto no gráfico da figura 17, com o conhecimento prévio trinta e um alunos responderam que a energia mecânica está ligada a força ou ao movimento. Enquanto treze responderam, que estava ligada a máquinas e seis não responderam. Abaixo são apresentadas algumas das respostas. A energia mecânica é o conjunto de energia que envolve movimento, exemplo quando levantamos um peso. É a energia que pode ser transferida por meio de força. Após ter trabalhado os conceitos e aplicado o produto 47 responderam que é a soma das energias potencial gravitacional mais a cinética e 3 não responderam. 28

39 Força e Movimento O que é Energia Mecânica? Máquinas Soma de Energias outros Antes do Produto Após o Produto Figura 17. Gráfico das respostas da pergunta 3 do pré-teste verso após a aplicação do produto. Nas perguntas seguintes do pré-teste, antes de aplicar o produto, os alunos não responderam ou confundiram com as formas de produção de energia elétrica, daí não plotar os valores relacionado as perguntas respondidas antes. Só foram plotadas as perguntas após a aplicação do produto. 4ª questão: Quais são os tipos de energia mecânica? Todos responderam corretamente. 5ª questão: a) Definição de Energia potencial gravitacional Como visto no gráfico da figura 18, vinte dois alunos responderam que a energia potencial gravitacional é a relação da energia que um corpo possui com a altura, que ele se encontra conforme um referencial. Por outro lado, sete relacionaram a energia ao trabalho da força peso exercida por um corpo. Dezessete alunos relacionaram a energia proveniente da força gravitacional entre corpos e outros quatro não responderam ou não foi relevante as suas considerações. Segue algumas das respostas: É a energia associada ao estado de separação entre dois objetos que se atraem mutuamente através da força gravitacional. 29

40 Vários questionários apresentaram essa resposta, sendo o conceito acima apresentado em várias páginas da internet. Logo conclui-se que todos que responderam, com tal resposta faziam parte do mesmo grupo. Outras respostas: É a energia que se acumula quando se está em uma certa altura; È a aplicação da massa vezes a gravidade vezes a altura;. peso vezes altura. Nas respostas acima é possível verificar, que as mesmas foram dadas propriamente pelos discentes. 25 Energia Potencial Gravitacional Altura Trabalho do Peso Gravitação outros Figura 18. Gráfico das respostas da pergunta 5a após a aplicação do produto. 5ª questão: b) Definição de Energia Potencial Elástica: Como pode ser visto no gráfico da figura 19, relacionaram a energia elástica ao trabalho da força elástica dezessete alunos, e vinte relacionaram a deformação de uma mola, seis a deformação de um corpo e outros sete foram evasivos ou não responderam. Segue abaixo algumas das respostas. corresponde ao trabalho realizado pela força elástica É a constante elástica vezes a deformação da mola elevado ao quadrado dividido por 2. é a energia devido a deformação da mola. 30

41 é a energia que a tem quando é acionada. 25 Energia Potencial Elástica Trabalho da Força Elástica Deformação da Mola Deformação de um Corpo Outros Figura 19. Gráfico das respostas da pergunta 5b após a aplicação do produto. 5ª questão: c) Conceito de Energia Cinética Todos os discentes responderam de forma similar a resposta acima, sendo as respostas mais comuns: quando há algum movimento do objeto (carro, bola) ; massa vezes a velocidade elevado ao quadrado dividido por 2 ; é a relação entre massa e velocidade ; é a energia proporcionada pelo movimento. Apesar da simplicidade nas respostas nenhuma delas se mostram totalmente equivocadas. 31

42 CAPÍTULO V CONCLUSÃO O presente trabalho tem a finalidade de apresentar um produto que permita ao aluno reconhecer os tipos de energia mecânica existente na natureza e a modelagem matemática definida para essas energias, com material de baixo custo e simples confecção, utilizando como metodologia educacional aprendizagem significativa (AUSUBEL, apud MOREIRA, 1999). Foi percebido durante o manuseio do produto, pelos alunos, o domínio, a alegria, espontaneidade e o prazer em adquirir os saberes. Estamos convictos que os alunos saíram mais conhecedores, pois disseram de forma informal que a energia cinética está relacionado ao movimento, ou melhor, a velocidade. Que após a bolinha percorrer o trajeto, na rampa, ao inverter o movimento ela adquiriu energia potencial gravitacional. Em relação ao roteiro, todos desenvolveram o cálculo e responderam com facilidade e segurança as questões. Entenderam que a energia mecânica existente, dependendo do instante observado, está em uma ou mais formas: energia potencial elástica, energia cinética e energia potencial gravitacional. Perceberam, também, a diferença entre a teoria e a prática, pois, na prática há fatores (dissipação de energia atrito) que na teoria as vezes são desconsiderados. O fato foi observado quando um aluno, ao apresentar um trabalho sobre energia em usinas hidrelétrica, compara os conceitos de energia mecânica (potencial gravitacional e cinética) que ele havia aprendido com a aplicação do produto com as informações do funcionamento de uma hidrelétrica, descrevendo o seguinte : com a barragem a água sobe de nível altura ganhando, aquela massa de água, energia potencial, que desce por canaletas ganhando energia cinética. Da mesma forma, quando a bolinha de aço retorna ao ponto mais alto, em virtude do trabalho realizado pelo professor Fabio, tem energia potencial e quando chega em baixo tem muita velocidade e com certeza energia cinética. Os discentes também foram capazes de relacionar a utilização da energia mecânica em situações de seu convívio, com caixa de água, brinquedo de corda, entre outros. 32

43 Com isso, pelas analises, pode-se dizer que houve aprendizagem, o que é confirmado pelos resultados do pré-teste que mostraram, que o domínio do conteúdo por parte dos discentes melhorou de forma significativa. Acredita-se que o produto tenha outras utilidades nas aulas de física, como por exemplo do cálculo da força elástica, onde é possível fazer um experimento de calibração da mola. O produto também pode ser utilizado em conjunto, por exemplo, com software Tracker, que dentre diversas funcionalidades, destaca-se a confecção de gráficos a partir de dados obtidos por vídeos ou outros recursos. 33

44 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, C.P., Sequência didática para ensino de dilatação térmica através de experimentos demonstrativos. Tese de MSc., UFF Universidade Federal Fluminense MNPEF, Volta Redonda, RJ, Brasil, (2016). BARDIN, Laurence. Análise de conteúdo. Lisboa: Edições 70, BOAVENTURA, G.A.S., O usos do dispositivo de Orrey no ensino de astronomia no ensino médio. Tese de MSc., UFF Universidade Federal Fluminense MNPEF, Volta Redonda, RJ, Brasil, (2015). BONJORNO, José Roberto et al. Física, vol. 1, 2 e 3. São Paulo, FDT, DE F TURCHIELLO, Rozane; GÓMEZ, Sergio L. Efeito de Lente Térmica: uma demonstração de baixo custo para laboratórios de ensino sobre a capacidade da luz em modificar o índice de refracao de um meio. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 38, n. 3, DE JESUS, V. L. B.; SASAKI, D. G. G. Vıdeo-análise de um experimento de baixo custo sobre atrito cinético e atrito de rolamento. Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 36, n. 3, p. 3503, DINIZ, R.T., Usando experimentação no ensino potencialmente significativo de óptica geométrica. Tese de MSc., UFF Universidade Federal Fluminense MNPEF, Volta Redonda, RJ, Brasil, (2015). JUNIOR, Francisco Ramalho; FERRARO, Nicolau Gilberto; DE TOLEDO SOARES, Paulo Antonio. Os fundamentos da física. Moderna, LÜDKE, Everton et al. Um experimento para ensino de conceitos de transferência de calor em laboratório de fısica. Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 35, n. 1, p. 1503, MENEZES, L. C.; CANATO JUNIOR, O.; KANTOR, C. A.; BONETTI, M. C.; ALVES, V.M.; PAOLIELLO JR, L.A. Quanta Física vol. 1.. São Paulo: Editora PD, MICHA, Daniel Neves et al. Vendo o invisıvel. Experimentos de visualizaçao do infravermelho feitos com materiais simples e de baixo custo. Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 33, n. 1, p. 1501, MOREIRA, Marco Antonio. Teorias de aprendizagem. São Paulo: Editora pedagógica e universitária, MOREIRA, Marco Antonio. Grandes desafios para o ensino da física na educação contemporânea. Porto Alegre, RS, NACIONAIS, Parâmetros Curriculares ensino médio. Brasília: Ministério da Educação, p ,

45 OLIVEIRA, Filipa; PAIXÃO, José António. Hands-on classroom experiments to study the characteristics of an electric generator (voltaic cell) and receiver (voltameter) using simple, low-cost and easy-access materials. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 39, n. 1, PCN+ Ensino Médio: Orientações Educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Vol. 2. Brasília: MEC/SEMTEC, ROGERS, Carl Ransom. Resenha de Liberdade para aprender. Acolhendo a Alfabetização nos Países de Língua Portuguesa, v. 6, n. 12, p , 2012 SILVA, José Carlos Xavier; LEAL, Carlos Eduardo dos Santos. Proposal for low cost physics laboratory for public high school. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 39, n. 1, VILAR, A. B. et al. Medição de temperatura: O saber comum ignorado nas aulas experimentais. Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 37, n. 2, p. 2507,

46 APÊNDICE A: Currículo do segundo ano ensino médio ministrado nas escolas estaduais do Rio de Janeiro 34

47 35

48 APÊNDICE B: MANUAL DE CONSTRUÇÃO E APLICAÇÃO 36

49 1. Objetivos O desenvolvimento do conhecimento da física traz como consequência o desenvolvimento da tecnologia e a física é fruto da observação da natureza. Além disso, a aprendizagem é facilitada, quando o aluno consegue ver o conhecimento em sua vida cotidiana. Por definição a energia é a capacidade que um corpo possui em realizar um trabalho, e a busca por dominar a energia sempre foi um interesse dos seres humanos. Buscando alternativas para uma aprendizagem mais significativa, neste trabalho foi construído, um artefato, visto na figura 12, com material de baixo custo, com objetivo de facilitar a aprendizagem, de alunos do ensino médio, do princípio da conservação de energia mecânica através das transformações ocorridas entre as energias potencial elástica e potencial gravitacional. A observação experimental desse princípio irá possibilitar os discentes verificar o quanto esse tema, está presente em seu dia a dia. Para facilitar a compreensão da construção do experimento desenvolvido nesta tese, os materiais necessários e os procedimentos de montagem foram divididos em duas partes (construção do artefato de lançamento da esfera de aço e construção da rampa de lançamento), que serão discutidos nos tópicos abaixo. 2. Construção do artefato de lançamento da esfera de aço 2.1. Material necessário 1. Uma mola de carburador de Brasília figura cm de tubo de PVC de ¾ - figura cm de cavilha de 8 mm - figura Cola 5. Broca de 2 mm figura Fotocopia de uma régua 7 cm - figura Uma esfera de aço (junta homocinética) figura 3. Figura 1. Foto ilustrativa dos componentes do dinamômetro. 37

50 Figura 2. Foto ilustrativa de uma broca de 2mm Figura 3. Foto ilustrativa esfera de aço Montagem Caso sejam encontradas dificuldades na montagem ou queiram colaborar com sugestões ou críticas podem entrar em contato pelo Etapas 1. Fazer com uma broca de 2 mm dois furos na cavilha sendo um no meio (10,5 cm) no qual será preso uma das pontas da mola e o outro na ponta (0,5cm) para auxiliar na aferição do dinamômetro, conforme visto na figura 4. 38

51 2. Colar a fotocopia da régua na cavilha marcando 2 cm da ponta, observando o alinhamento com tubo, conforme visto na figura Fixar a mola na cavilha passando pelo furo do meio da cavilha, conforme visto na figura Fazer um furo no tubo considerando o alinhamento da escala e o tubo e a posição em que a ponta da mola livre está no tubo e assim fazer a marcação, conforme figura Fixar a cavilha dentro do tubo passando a extremidade livre da mola pelo furo do tubo conforme visto na figura 5 e alinhando a régua a ponta do tubo, conforme figura 6. Figura 4. Foto ilustrativa do detalhamento da montagem do dinamômetro. Alinhar furo do tubo com a ponta da mola. Alinhar tubo com a ponta da cavilha. Alinhar tubo com escala. 2,0 cm Figura 5. Foto ilustrativa do detalhamento da montagem do dinamômetro. 39

52 Alinhamento escala-tubo Figura 6. Foto ilustrativa do alinhamento final tubo escala do dinamômetro. Para verificar a constante elástica da mola será necessário utilizar a massa de algum objeto conhecido, neste caso foram utilizados: 1,0 kg de açúcar, 0,5 kg de macarrão e 0,5 kg de café. 6. Utilizar uma massa conhecida. 7. Verificar quanto a mola se distendeu e anotar, como visto na figura 7. Não colocar uma massa muito alta, para não estender demais a mola. 8. Efetuar o cálculo da constante elástica, utilizando a Lei de Hooke (Fel = k.x, onde Fel é a força elástica, k é a constante da mola e x e deformação sofrida pela mola). Figura 7. Foto ilustrativa da aferição da mola. 40

53 Para o caso do experimento construído a constante elástica da mola, calculada utilizando a etapa 8 foi: [1] [2] [3] [4] [5] 3. Construção da rampa de lançamento 3.1. Material Necessário 1.Uma calha plástica de 4,5x4,5x200 cm, figura Dois tubos de PVC de ¾ de 105 cm de comprimento, figura 8 e Um tubo de PVC ¾ de 5 cm de comprimento, figura Um parafuso 5 mm de 10 cm com porca, figura Uma broca de 5 mm, figura 10. Figura 8. Foto ilustrativa dos componentes da rampa. Figura 9. Foto ilustrativa de um dos tubos de 105 cm. 41

54 Figura 10. Foto ilustrativa da broca de 5 mm Etapas da construção da rampa 1. Furar a calha a uma distância de 1,0 cm de uma das pontas e a 1,5 cm da base com uma broca de 5mm, conforme a figura Furar os dois tubos de 105 cm de comprimento com a broca de 5mm a 4,0 cm de uma das pontas conforme figura 8; 4. Transpassar o parafuso pelo furo de um dos tubos de 105cm, pelo furo da calha, por dentro do tubo de 5 cm pelo outro furo da calha e pelo outro tubo de 105 cm e colocar a porca no parafuso apertando-os até fixar os componentes. Conforme figura A calha é composta de duas partes: A calha propriamente dita e uma tampa que é bem flexível, a qual devemos encaixar na calha para que a subida da bolinha ao ser lançada pelo dinamômetro seja suave. Conforme figura 12. Figura 11. Foto ilustrativa da montagem da rampa. 42

55 Figura 12. Foto ilustrativa da montagem da rampa. 4. Metodologia de utilização do produto O dispositivo construído tem como intuito ser utilizado para auxiliar a compreensão do tópico conservação da energia mecânica, tradicionalmente abordado no ensino médio, por isso é sugerido que a utilização na integra deste produto deve ser realizado tomando como base 8 horas-aula (50 minutos), sendo preferencial que o docente ministre duas aulas seguidas, conforme as orientações abaixo. Entretanto, é importante ressaltar que de acordo com a sua necessidade e particularidade, o docente pode utilizar somente partes do produto. Aulas 1 e 2 Levantar os conhecimentos prévios dos discentes sobre o tema energia a partir de um pré-teste. A partir dessas informações expor o conceito físico de energia e apresentar suas diversas aplicações no cotidiano. Em seguida formalizar o conceito físico de energia mecânica e apresentar as suas formas. O pré-teste aplicado neste trabalho foi: 1. O que é energia? 2. O que é trabalho segundo a física? 3. Qual o conceito de energia mecânica? 4. Quais os tipos de energia mecânica? 5. Defina: a. Energia potencial gravitacional? b. Energia potencial elástica? c. Energia cinética? 43