GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR Por que o Sol expandirá?

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1 GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR Por que o Sol expandirá? OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá ser capaz de: Reconhecer as causas da dilatação térmica de materiais/substâncias; Compreender a relação entre temperatura e dimensões de materiais/substâncias; Reconhecer as principais etapas do ciclo evolutivo do Sol; Identificar as diferentes etapas de evolução estelar para estrelas com diferentes massas. DURAÇÃO Este encontro utilizará 2h aula (45 min) RECURSOS/MATERIAIS DE APOIO Computador; Data show; 01 garrafa de Schweppes 01 Pote de sorvete; Água quente e fria; 01 tubo de corante xadrez; 01 Balão colorido; Vela; 01 cx de Fósforos; 01 barra de alumínio; 01 transferidor; 01 Canudinho

2 INTRODUÇÃO Apresentação do tema introdutório: Por que o Sol expandirá? A primeira etapa da aula consiste em retomar aspectos gerais dos assuntos estudados nas aulas anteriores: a relação entre temperatura e agitação dos constituintes, instrumentos de medida de temperaturas e suas escalas, relação entre cor e temperatura das estrelas. O professor iniciará a apresentação do tema introdutório de astronomia destacando que as estrelas são objetos que possuem um tempo de duração, que depende basicamente da massa da Estrela. Assim, quanto maior a massa da estrela, menor será o seu tempo de duração. Logo, o Sol também terá um fim. Outras informações que poderão ser apresentadas pelo professor como a idade atual de Sol (5 bilhões da anos), seu tempo total de duração do Sol (12 bilhões de anos). Realizado os esclarecimentos iniciais, o professor exibirá o vídeo O fim da Terra, com qual descreve as etapas e transformações pelas quais o Sol passará (gigante, supergigante, nebulosa planetária, anã branca). Cabe destacar que o estágio de expansão iniciará daqui a 5 bilhões de anos. Figura 02: Vídeo O fim da Terra: History Channel Disponível em: No final da etapa introdutória, poderão ser realizadas as seguintes perguntas: Quais serão as causas desta expansão? O que ocorrerá no interior do Sol que fará com que ele aumente seu tamanho? A resposta está na compreensão dos fenômenos de dilatação térmica.

3 DESENVOLVIMENTO Conhecimentos prévios No levantamento de conhecimentos prévios dos alunos, o professor realizar a seguinte pergunta: Que acontece com um objeto quando modificamos sua temperatura?. O professor irá registrar as respostas no quadro, utilizando como os subsunçor a informação de que a temperatura pode alterar as dimensões dos objetos. Apresentação do organizador prévio Para que os alunos compreendam a relação entre temperatura e dilatação, novamente será utilizado a situação de uma festa como organizador prévio. Especificamente, uma festa de rock. Será exibido o vídeo de uma roda punk. Figura 03: Organizador prévio Dilatação térrmica A ideia do organizador prévio é relacionar os roqueiros e constituintes (átomos e moléculas). Na roda punk, as pessoas ficam extremamente agitadas, aumentando a distância que as separam. O mesmo ocorre com os constituintes da matéria. Quando aumentamos a temperatura de determinada substância/material, eles ficam mais agitados, aumentando a distancia média entre suas moléculas ou átomos. O professor também poderá utilizar a simulação PHET Estados da matéria para demonstrar a relação entre agitação e dimensões. Poderão ser apresentados exemplos desta relação nos três estados físicos da matéria,

4 procurando sempre estabelecer a relação entre agitação de átomos/ moléculas. Especificamente nos gases, deve ser destacado a relação temperatura, pressão e volume. Buscando também ampliar compreensão, o professor deve esclarecer que em algumas situações o aumento temperatura não necessariamente implicará em aumento das dimensões (dilatação anômala da água), conforme será apresentado mais à frente. Os alunos serão convidados a responder os exercícios 3-1, 3-2 e 3-3 em suas apostilas. Experimentos sobre dilatação térmica Procurando demonstrar as situações exemplificadas com a simulação, serão realizados três experimentos, objetivando a diferenciação progressiva. Dilatação de Sólidos Neste primeiro experimento o professor utilizará um dilatômetro. Ao aquecermos uma barra de metal, percebermos sua dilatação, através do deslocamento angular de um canudinho. As etapas de construção deste dilatômetro se encontram no trabalho de Souza e Aguiar (2007) 1 : Figura 04: Experimento dilatação térmica de sólidos Disponível em: Realizado o experimento, os alunos serão convidados a responder o que observaram no exercício 3-4 da apostila. 1 UM EXPERIMENTO SOBRE A DILATAÇÃO TÉRMICA E A LEI DE RESFRIAMENTO. Disponível em:

5 Dilatação dos líquidos Neste experimento serão utilizados os seguintes materiais: Garrafa com um gargalo mais fino (Schweppes Citrus); Corante azul; Fita isolante; Pote de sorvete; Água quente e à temperatura ambiente. Procedimentos A garrafa de Schweppes deverá ser preenchida com água à temperatura ambiente misturada com corante até o gargalo da garrafa, sendo realizada uma marca da posição inicial da coluna d água com a fita isolante. Outra sugestão é encher a garrafa com água e corante muito próximo de transbordar. Isto permitirá uma melhor visualização da dilatação do líquido no interior da garrafa. Após, o conjunto deverá ser colocado dentro de um pote vazio (Pote de sorvete). A segunda etapa consiste em encher o pote de sorvete com água quente. O ideal é derramar água quente sobre a superfície lateral da garrafa assim, ela aquecerá mais rapidamente. Outra sugestão para exemplificar a dilatação de líquidos é a através de um termômetro, mostrando como o álcool dilata ou contrai no seu interior conforme modificamos a temperatura do bulbo. Por fim, o alunos serão convidados a responder o que observaram no exercício 3-5 da apostila. Expansão gasosa. Neste experimento serão utilizados os seguintes materiais: Uma garrafa pet de 2l; Balão de festa; Pote de sorvete;

6 Água quente. Procedimentos O balão deverá ser colocado na boca da garrafa pet. Após, o conjunto será colocado dentro do pote de sorvete contendo água quente. Figura 05: Experimento dilatação térmica de líquidos Disponível em: O objetivo é mostrar como se comporta um gás quando aquecido, visualizando sua expansão pelo inflar do balão. O professor poderá destacar duas etapas que ocorrem neste experimento. Na primeira, onde o balão/sacola consegue realizar a expansão do ar, com pressão constante, mas aumentando seu volume. Na segunda etapa, quando o balão/sacola impede o ar de o balão dilatar, destacando o aumento da pressão do gás sobre o balão/sacola. Buscando melhorar a compreensão dos alunos, poderá ser utilizada a simulação PHET - Propriedades dos gases. Novamente os alunos serão convidados a responder o que observaram no exercício 3-6 da apostila. Ao final deste três experimentos, o professor poderá realizar uma reconciliação integrativa, reforçando a relação entre temperatura e dimensões, concluindo que apesar de se observar uma grande quantidade de exemplos onde o aumento da temperatura implica num aumento do volume de líquidos e gases, há situações onde esta lógica não se aplica, como a dilatação anômala da água.

7 Dilatação anômala da água Procurando esclarecer as causas desse fenômeno, o professor utilizar a simulação PHET - Estados da matéria. Nela, selecionará a molécula da água para simular o comportamento anômalo quando uma porção de água é resfriada abaixo de 4 C. Figura 06: Simulação PHET - Estados da matéria Disponível em: A simulação deverá realizada lentamente para que os alunos consigam observar as moléculas de água formar estruturas hexagonais. Ela poderá ser repetida outras vezes, para facilitar a compreensão do fenômeno. A explicação deste fenômeno está nas forças Van Der Walls existente entre as moléculas. Será interessante o professor apresentar situações onde este fenômeno é observado, como o fato dos lagos congelar suas superfícies, ou do gelo possuir densidade menor que a água e por último quando garrafas de vidro quebram quando a água no seu interior congela. Novamente, os alunos serão convidados a responder o exercício 3-7 em suas apostilas. ENCERRAMENTO Retomada do tema introdutório Por que o Sol expandirá Para esclarecer o que causará o aumento do Sol, o professor poderá utilizará uma animação elaborada nos slides para exemplificar as etapas que do ciclo evolutivo do Sol, explicando o que ocorre no seu interior. O primeiro slide explica o que ocorrerá no núcleo do Sol daqui a

8 aproximadamente 5 bilhões de anos. A fusão termonuclear do hidrogênio deixará de ocorrer e o núcleo será comprimido pelas camadas externas de gás. Figura 07: Resfriamento do núcleo do Sol O segundo slide mostra o início da fusão ao redor do núcleo (casca de hidrogênio), o que aquecerá os gases próximos, os expandindo e transformando o Sol numa estrela gigante. Figura 08: Etapa Gigante vermelha No terceiro slide destaca o início de uma nova fase de fusão termonuclear do Sol, transformando de hélio em carbono. Quando esta fase encerra (quarto slide), outra etapa de fusão ao redor do núcleo (casca de hélio) ocorrerá, aquecendo ainda mais as camadas de gases próximas.

9 Figura 09: Fusão do hélio em carbono e fusão do hélio na casca Por fim (quinto slide), estas camadas expandirão e se desprenderão do Sol, restando apenas o núcleo do Sol. Figura 10: Fase Supergigante Vermelha Para ilustrar o aspecto do Sol após esta última fase, será apresentada a imagem de uma nebulosa planetária. Encerrando esta etapa, será apresentado um quadro resumindo as etapas que estrelas de diferentes massas sofrem ao longo do seu tempo de existência. Termos como estrelas de nêutrons e buracos negros, estrelas gigantes, supernovas são de certo modo conhecidos pelos alunos.

10 Figura 11: Etapas de evolução estelar de estrelas com diferentes massas Disponível em: AVALIAÇÃO Mapas conceituais No final da apostila dos alunos há uma tarefa, que consiste na elaboração de um mapa conceitual, utilizando os conceitos vistos nesta aula. Para facilitar a elaboração, alguns conceitos foram sugeridos. LINKS PARA CONSULTA Evolução final das estrelas Etapas evolutivas das estrelas Um experimento sobre a dilatação térmica e a lei de resfriamento. pdf Tempo de vida das estrelas