GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR Estrelas possuem cores?

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1 GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR Estrelas possuem cores? OBJETIVOS Ao final desta aula, o aluno deverá ser capaz de: Diferenciar as escalas de temperatura Celsius e Kelvin; Calcular conversões entre as escalas de temperatura Celsius e Kelvin; Reconhecer o funcionamento dos diferentes instrumentos de medida de temperatura; Conceituar a Lei zero da termodinâmica; Identificar a temperatura da superfície de uma estrela a partir de sua cor. DURAÇÃO Este encontro utilizará 2h aula (45 min) RECURSOS/MATERIAIS DE APOIO Computador; Data show; 3 bacias Água quente, fria e a temperatura ambiente; INTRODUÇÃO Apresentação do tema introdutório: Estrelas possuem cores? Sugere-se que antes de apresentar o tema deste encontro, sejam retomados os conceitos centrais da aula anterior, a relação entre temperatura e agitação dos constituintes dos objetos, e o surgimento das estrelas. O encontro iniciará com a seguinte pergunta: Quais as cores das estrelas quando observamos o céu noturno? Após observar as respostas dos alunos, o professor poderá exibir algumas imagens de constelações que estão

2 nos slides, juntamente do programa Stellarium, demonstrando que as estrelas são encontradas em cores como branco, azul, amarelo e vermelho.esta etapa encerrará com a pergunta: Por que as estrelas possuem diferentes cores? A resposta está no modo como determinamos a temperatura dos objetos. Figura 01: Constelação de escorpião Disponível em: Conhecimentos prévios Após a apresentação do tema introdutório serão identificados conhecimento prévios. O professor realizará seguinte pergunta. De que modo podemos medir a temperatura de um objeto? As resposta se concentrarão em utilizar o tato e o termômetro. Posteriormente o professor demonstrará que o tato fornece uma informação imprecisa da temperatura do objeto Apresentação do organizador prévio O professor iniciará a apresentação do organizador prévio destacando que os objetos possuem diferentes características que podem ser medidas, como suas dimensões, massa e temperatura. Para cada uma delas há um instrumento de medida. O organizador prévio busca relacionar uma informação disponível em suas estruturas cognitivas (instrumentos de medida de comprimento e suas escalas de medidas) com os instrumentos de medida de temperatura. Foi realizada a seguinte comparação: Para mediar as dimensões de objetos necessitamos de diferentes instrumentos de medida (régua, trena e fita métrica), contendo escalas de medida de comprimento. Para medir a

3 temperatura de objetos, necessitamos de um instrumento (termômetro ou pirômetro) os quais também contém diferentes escalas de temperatura. Figura 02: Organizador prévio Escalas de temperatura Cabe ao professor destacar que do mesmo modo que utilizamos diferentes instrumentos de medida de comprimento (fita métrica, trena e a régua) para distintas ocasiões, temos também a existência de diferentes instrumentos de medida de temperatura (pirômetro e termômetro). Por fim, o professor poderá destacar o caráter impreciso do tato, esclarecendo que do mesmo modo que não podemos utilizar as partes do corpo como escalas de medidas de comprimentos (por não possuírem tamanhos iguais), também não podemos utilizá-las para determinar a temperatura os objetos (neste caso por fornecerem informações imprecisas). Experimento sobre sensação térmica Para reforçar esta limitação, será realizado o experimento as três bacias com águas a diferentes temperaturas. Materiais Serão utilizados os seguintes materiais: 3 bacias de plástico; Porções de água quente, fria e a temperatura ambiente;

4 Procedimentos As bacias devem ser dispostas da seguinte forma: Bacias com água quente e fria nas extremidades e a bacia com água a temperatura ambiente no centro. Inicialmente, os alunos colocarão as mãos nas bacias das extremidades (com temperatura diferentes). Após algum tempo, eles colocarão na bacia do centro e verificarão a sensação térmica que cada mão apresenta. Figura 03: Experimento sensação térmica Disponível em: Os alunos perceberão que a mão que estava na porção de água quente sentirá a água a temperatura ambiente mais fria. Já a mão que estava ma porção de água fria sentirá a água a temperatura ambiente mais quente. O professor deve perguntar se é possível determinar a temperatura da água na bacia do centro. Por fim, os alunos que respondam ao exercício 2-2 presentes nas suas apostilas. Escalas de temperatura Celsius e Kelvin Compreendida necessidade de utilizar instrumentos de medida para determinar a temperatura de objetos, o professor irá apresentar as escalas de temperatura Celsius e Kelvin. A primeira escala de temperatura a ser explicada é a escala Celsius. Nela, o professor irá explicar que seus valores foram definidos a partir de fenômenos permanentes, como a fusão do Gelo e a ebulição da água no nível do mar. Deve-se destacar que o termômetro irá apresentar a mesma posição. Como exemplo de fenômenos não permanentes, temos a temperatura do corpo humano ou então a temperatura de uma pedra. Em ambos os casos, a temperatura pode variar impedindo a elaboração da escala.

5 Definidos os fenômenos permanentes, serão atribuídos seus valores de temperatura. Na escala Celsius, foi utilizado 0ºC para a fusão do gelo e 100ºC para ebulição da água no nível do mar. Figura 04: Fenômenos permanentes escala Celsius Na definição de fenômenos permanentes da escala Kelvin o professor poderá utilizar a simulação PHET - Estados da matéria para demonstrar aos alunos que existe um limite mínimo de temperatura, onde os constituintes possuem uma agitação mínima, igual a -273ºC. Este fenômeno permanente foi utilizado por Lord Kelvin para construir uma escala de temperatura que estabeleça relação entre o valor da temperatura e da agitação dos constituintes. O outro fenômeno permanente será o ponto triplo da água, o qual Lord Kelvin atribuiu o valor de 273K. O professor também deverá destacar que nessa escala os valores de temperatura são proporcionais a agitação dos constituintes. Figura 05 Fenômenos permanentes escala Kelvin

6 Conversão entre as escalas Celsius e Kelvin Após apresentadas as características das escalas Celsius e Kelvin, o professor irá deduzir a relação de conversões entre elas. Poderá ser utilizado a imagens de termômetros nos slides para auxiliar a compreensão dos alunos, completando os valores das escalas manualmente. Alguns exercícios de exemplo poderão ser resolvidos. Após, o professor pode solicitar aos alunos que respondam os exercícios 2-3, 2-4 e 2-5 em suas apostilas. Termômetro e a Lei zero da termodinâmica Nessa etapa o professor explicará ao funcionamento dos instrumentos de medida, começando pelo termômetro. Figura 06: Termômetro Disponível em: Poderá ser retomado o experimento das bacias para definir a lei zero da termodinâmica, usando a sensação térmica das mãos como exemplo, destacando o que após um determinado período tanto a água quanto as mãos estarão todas com a mesma temperatura de equilíbrio, diferente da temperatura inicial das quais estavam. Os alunos poderão ser convidados a responder a pergunta 2-6 nas suas apostilas. Pirômetro No funcionamento do pirômetro, o professor inicialmente deve esclarecer que objetos que possuem temperatura emitem radiações eletromagnéticas em diferentes frequências.

7 Figura 07: Pirômetro Disponível em: A determinação da temperatura de um objeto utilizando pirômetro acontece através da análise da radiação infravermelha emitida por ele. O professor pode destacar que o olho humano também consegue determinar a temperatura de um objeto de maneira qualitativa, através da cor do objeto aquecido. Relação entre cor e temperatura Buscando introduzir esta ideia, serão apresentados aos alunos imagens de objetos aquecidos com diferentes cores. Após apresentar as imagens, o professor solicitará que eles classificassem os objetos na ordem crescente de temperatura, a partir da cor. Figura 08: Objetos com diferentes temperaturas Aqui o professor irá desconstruir a concepção de que objetos com cor vermelha são mais quentes que objetos com cor azul. Deve-se observar nesta

8 etapa para não criar outra concepção nos alunos, de que objetos com cor vermelha são os que possuem menor temperatura, mas não significa que são frios, pois possuem temperatura em torno de 1500 C. Experimento da lâmpada com grafite Para encerrar esta etapa, o professor poderá realizar experimento de aquecer um grafite, conduzindo corrente elétrica nele. Materiais: 05 pilhas tamanho D; 02 fios conectores com garras jacarés; Grafite 0,5 mm. Procedimentos: O professor deverá ligar as cinco pilhas em série. Os fios conectores com garras jacarés deverão ser ligados nas extremidades da associação de pilhas. Por fim, o grafite será preso às garras de jacaré. O professor devera cuidar para não se queimar com o grafite aquecido. O vídeo abaixo esclarece como deve ser elaborado o exeperimento. Figura 09: Experimento lâmpada caseira Disponível em: Conforme a corrente elétrica percorre grafite, vai diminuindo sua seção transversal do grafite e consequentemente sua resistência. Isto irá aumentar

9 corrente elétrica e a potência dissipada, modificando sua cor. Desta forma, os alunos conseguirão visualizar como a sua cor modifica de acordo com a temperatura. No material didático, os alunos serão convidados a relatar o que observaram no experimento. Estrelas possuem cores? Partindo da relação entre cor e temperatura, o professor esclarecerá que as estrelas também obedecem a essa relação. Deste modo, pode-se determinar a temperatura na superfície de uma estrela observando a sua cor. Figura 10: Estrelas de diferentes cores Disponível em: Uma breve explicação de como isso ocorre está em algumas características da estrela, como sua massa é o tamanho ou o tipo de reação termonuclear que ocorre no interior. Esta relação foi encontrada quando um grupo de mulheres astrônomas, que classificou o espectro de milhares de estrelas, trabalho conhecido como classificação espectral de Harvard. Nela, as estrelas são classificadas por letras (O-B-A-F-G-K-M), sendo que para cada letra a um conjunto de estrelas com mesma temperatura.

10 Figura 11: Classificação espectral de Harward Disponível em: O professor também poderá utilizar os diferentes espectros e a teoria tricromática de Young para explicar porque observamos estrela com diferentes cores, e por que não podemos enxergar estrelas verdes. 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 Etapas evolutivas das estrelas O Sol