ROTEIRO DE ATIVIDADES PARA O ENSINO DE ÓPTICA PARQUE DA CIÊNCIA DA UFVJM Prof. Ms. Wallas Siqueira Jardim Prof.ª Drª.Adriana Gomes Dickman
SUMÁRIO 1. ROTEIRO DE ATIVIDADES 2 APRESENTAÇÃO 3. PREPARANDO OS ESTUDANTES ANTES DA VISITA 4. ATIVIDADES A SEREM REALIZADAS APÓS A VISITA
1. ROTEIRO DE ATIVIDADES 1.1 Apresentação Prezado Professor, Apresentamos aqui um roteiro de atividades projetado para orientá-lo na preparação dos estudantes às visitas aos espaços não formais, como nos Museus de Ciências. Este é dividido em dois momentos distintos, para que seja utilizado no preparo dos alunos antes de conduzi-los a estes espaços, dando continuidade no processo de ensino e aprendizagem, interligando sala de aula e museu. Para a elaboração deste material, selecionamos o conteúdo de Óptica geométrica e utilizamos o Parque da Ciência da UFVJM como referência. Ao planejar uma visita a espaços extraescolares, percebemos a necessidade em preparar os nossos estudantes antes das visitas e dar continuidade no processo através de atividades contextualizadas como propostas. Além dos conteúdos básicos propostos pelos livros didáticos de física para o ensino médio, com a utilização deste roteiro, você terá a oportunidade de relacioná-los aos experimentos, fenômenos do dia a dia e desenvolvimento de processos tecnológicos. O roteiro foi elaborado de maneira a auxiliá-lo na sua prática pedagógica que tem se tornado um desafio, devido às constantes mudanças e evoluções tecnológicas sucedidas a nossa volta. Os equipamentos escolhidos para a construção deste roteiro podem ser encontrados em espaços como museus de ciências, em laboratórios de ciências e até mesmo descritos como atividades nos livros didáticos. Este roteiro dispõe de atividades e exercícios, cuja finalidade é analisar, elucidar e até mesmo ampliar a teoria a ser apresentada e relacionada com os equipamentos compartilhados durante a exposição. Para auxiliá-lo na adequação deste roteiro para o ensino de outros conteúdos, foi criado um catálogo dos equipamentos disponíveis no Parque da
Ciência da UFVJM, acompanhado com a descrição do seu funcionamento e a relação com os conteúdos que são abordados em sala de aula. Por fim, desejo a você professor, que desenvolva suas práticas pedagógicas da melhor maneira possível, se tornando um profissional reflexivo em suas ações e contribuindo de forma significativa para a formação dos nossos estudantes. Faça uso desta proposta com dedicação e entusiasmo. Bom trabalho! 2. Preparando os estudantes antes da visita Primeiro Momento: Construção dos Experimentos. Propõe-se a construção de sete experimentos. Diante disso é sugerido ao professor dividir a turma em sete grupos e propor a criação dos experimentos. Estes serão apresentados em sala de aula pelos estudantes após a conclusão da explicação dos conteúdos, de acordo com o planejamento no quadro 01. Experimento 01: Câmara escura de orifício Conteúdo de Física: Propagação da luz Objetivo: Conhecer os princípios da óptica geométrica, compreender a propagação retilínea da luz e relacionar o ângulo visual com a distância do observador ao objeto. Descrição: A câmara escura é uma caixa de paredes opacas, existindo em uma delas um pequeno orifício. Um objeto luminoso ou iluminado é colocado na frente da câmara. O experimento mostra como a imagem é formada comprovando que a luz propaga em linha reta. Também pode ser explorado o comportamento da luz ao penetrar no olho humano, que se comporta como uma câmara escura de orifício, e o orifício central se comporta como a pupila.
Quando a luz penetra nesta, chega à região oposta chamada de retina, onde a imagem é formada. Figura 1: Modelo de uma câmara escura de orifício Fonte: Portal feira de ciências Material Utilizado 01 caixa de sapato 01 pedaço de papel vegetal; 01 tesoura; 01 tubo de cola de papel; 01 vela; Construção: Faça um furo no fundo da caixa. Recorte o papel vegetal com o diâmetro de aproximadamente 1 cm maior do que o diâmetro da abertura da caixa. Cole o papel vegetal na abertura, como na imagem acima. Experimento 2: Feixe de laser sendo refletido por espelhos planos Conteúdo de Física: Reflexão da luz Objetivo: Analisar o fenômeno da reflexão regular da luz e enunciar as leis da reflexão da luz. Descrição: Através do feixe de luz emitido pelo laser, utilizar os espelhos como anteparo, podendo observar o caminho percorrido pelo feixe a ser refletido.
Figura 2: Feixe de luz sendo refletido Fonte: Dados da pesquisa Material Utilizado: 3 espelhos planos; Um laser; Experimento 3: Ângulos entre dois espelhos planos. Conteúdo de Física: Número de imagens formadas entre dois espelhos planos. Objetivo: Determinar o número de imagens geradas por um objeto entre dois espelhos planos, que formam um ângulo qualquer entre si. Material Utilizado: Dois espelhos planos; Suporte para os espelhos com base para espelho formando ângulos de 30, 45, 60 e 90 ; Um objeto pequeno.
Figura 3: Ângulos entre espelhos planos e o número de imagens formadas Fonte: Portal alunos online Descrição: Quando um objeto é colocado em frente aos espelhos planos, o estudante irá observar que diminuindo o ângulo entre os dois espelhos, aumenta-se o número de imagens e quando estão dispostos paralelamente formam-se infinitas imagens. Experimento 04: Espelho Côncavo Conteúdo de Física: Espelhos Esféricos Objetivo: Construir um espelho côncavo, bem como observar como os raios de luz se comportam quando são refletidos por ele. Material Utilizado: Garrafa Pet de 2 litros, ou qualquer outro objeto que possa fornecer um anel com diâmetro semelhante; Embalagem de salgadinhos Elma Chips ou uma embalagem de pó de café; Pente e lanterna; Cola branca.
Construção: Corte a garrafa transversalmente de modo a formar um anel (Figura 4). Corte o anel ao meio de forma que visto de cima seja um semicírculo (Figura 5). Cole um pedaço da embalagem de salgadinho (com o mesmo tamanho da parte da garrafa) na face côncava do "semicírculo", tendo cuidado para que a face mais refletora da embalagem fique voltada para a concavidade do "semicírculo", com a finalidade de se formar um espelho côncavo. A face mais refletora da embalagem é o lado de dentro. Ilumine, com a lanterna, a superfície na qual será realizada a experiência, fazendo com que o feixe de luz gerado pela lanterna fique quase paralelo à superfície. Coloque o pente na frente deste fixo na posição vertical. A luz gerada pela lanterna foi dividida em pequenos feixes. Colocando o espelho côncavo na frente desses feixes, é possível observar a reflexão destes em direção ao foco do espelho. Figura 04: Corte da garrafa Fonte: Portal da Unesp
Figura 05: Esquema geral da montagem Fonte: Portal da Unesp Descrição: Um pente e uma lanterna são utilizados para formar feixes luminosos paralelos. Ao interceptar os feixes com um espelho côncavo, observa-se que os raios luminosos são refletidos por ele, passando por um ponto que é a metade do seu raio, ou seja, o foco. Experimento 5: Refração Conteúdo de Física: Refração Objetivo: Observar os efeitos da refração da luz Material utilizado: Uma xícara lisa e transparente; Uma moeda; Água.
Figura 06: Ilustração da moeda dentro da xícara Fonte: Portal brasil escola Descrição: Colocar no fundo da xícara a moeda, posicionando-a de modo que a borda da xícara tampe completamente a moeda. Sem mover a cabeça, vá enchendo a xícara de água. Em determinado momento você passará a ver a moeda que antes estava escondida. Olhando o esquema da figura 06, observase que os raios de luz que partem da moeda podem chegar ao olho do observador quando a xícara está cheia de água. A luz sofre refração ao sair para o ar. Quando a xícara estiver vazia, os raios de luz que partem da moeda não conseguem chegar ao observador naquela posição. Experimento 6: Lente d água Conteúdo de Física: Refração e Lentes esféricas Objetivo: Construir uma lente de aumento. Material utilizado: 01 Arame de aço fino; Um lápis; Água.
Construção: Enrole e torça o arame em volta do lápis para formar uma argola; Mergulhe a argola na água, de modo que uma gota fique presa à argola. Figura 07: Método utilizado para dobrar o arame Fonte: Portal da Unesp Descrição: Faz-se uma argola de arame e mergulhe-a em água. A tensão superficial da água - propriedade que as moléculas de água têm de se manterem unidas, faz com que a gota fique presa de forma abaulada na argola de arame, formando uma lente biconvexa e, portanto, convergente. Quando se aproxima a lente de algo e se olha através dela, observa-se que esta aumenta a imagem, ou seja, funciona como uma lente de aumento. Experimento 07: Lente convergente Conteúdo de Física: Olho humano e lente convergente Objetivo: Construir um sistema em que é possível observar a trajetória de um raio sendo refratado por uma lente convergente. Material Utilizado: Fio elétrico; Bocal de lâmpada; Plug elétrico; Lâmpada de 60 Watts do tipo cristal;
Caixa de sapatos; Garrafa plástica de refrigerante de 500 ml; Régua Molegata; Cartolina; Adesivo plástico para PVC (cola de cano); Duratex. Construção: Corte uma fatia da garrafa na parte mais lisa, onde fica o rótulo, com aproximadamente três centímetros de largura; Corte a fatia ao meio, transversalmente, de modo que vista de cima, tenha a forma de um semicírculo; Cole as duas extremidades da tira na régua e depois cole na madeira de 30 x 80 cm; Corte um retângulo da caixa de sapatos a partir da borda (ver figura 08); Cole um pedaço de cartolina no lugar do retângulo retirado (Ver figura 09); Faça apenas um corte na cartolina, com tesoura, de fora para dentro da caixa. Monte o circuito que irá acender a lâmpada (fio, plug e bocal); Coloque a lâmpada sobre a madeira e tape-a com a caixa. A luz emitida pela caixa será reduzida a um feixe fino que passa através do corte feito na cartolina colada, onde foi retirado um retângulo da caixa; Coloque água dentro da caixa feita com a régua e a garrafa e direcione a ela o feixe emitido pela caixa.
Figura 08: Caixa sendo cortada Fonte: Portal da Unesp Figura 09: Inserindo o corte da cartolina na caixa Fonte: Portal da Unesp Figura 10: Esquema geral da montagem Fonte: Portal da Unesp
Descrição: A caixa de sapatos com a lâmpada dentro é arranjada de modo que saia dela um feixe fino de luz. O feixe, ao atravessar uma lente convergente feita com uma régua e um pedaço de uma garrafa de refrigerante cheia de água, é refratado. Mudando-se a posição de incidência do raio sobre a lente, observa-se que eles convergem depois de passar pela lente, ou seja, tendem a se encontrar. Segundo Momento: Explicação dos conteúdos Neste momento sugere-se ao professor que apresente aos alunos os conceitos da Óptica geométrica. No quadro 1, elaborou-se um planejamento de como pode-se relacionar os conteúdos com as atividades experimentais. Quadro 1: Sugestão para o Planejamento das aulas Conteúdo Número de aulas Propagação retilínea 01 da luz Reflexão da Luz 02 Abordagens Discuta os tipos de fontes de luz; Discuta os fenômenos da propagação retilínea. Apresente as Leis da Reflexão; Exemplifique com situações do cotidiano; Conceitue raio de luz incidente e reflexão. Atividade Experimental Grupo 01: Propor ao grupo que apresente a atividade experimental 1. Grupo 02: Propor ao grupo que apresente a atividade experimental 2. Espelho Plano 01 Demonstre a formação das imagens virtuais no espelho plano. Diferencie o espelho côncavo e o convexo. Grupo 03: Propor ao grupo apresentar a atividade experimental 3. Grupo 04: Propor ao
Espelhos esféricos 02 Discuta os casos de formação gráfica de imagens; Apresente as equações matemáticas. grupo apresentar a atividade experimental 4. Conteúdo Número de Abordagens Atividade aulas Experimental Refração da Luz 02 Explique o que é refração diferenciando da reflexão; Apresente as leis da refração; Apresente os fenômenos da reflexão total e da dispersão. Grupo 05: Propor ao grupo apresentar a atividade experimental 5. Diferencie lentes convergentes e Grupo 06: Propor ao Lentes esféricas divergentes; grupo apresentar a 02 Defina os elementos atividade experimental geométricos de uma lente; 6. Discuta a formação de imagens nas lentes convergentes e divergentes. Discuta as funções de como as imagens são Grupo 07: Propor ao Instrumentos ópticos e 02 formadas nos diversos grupo apresentar a olho humano instrumentos ópticos; atividade experimental Discuta o olho humano e 7. os problemas da visão. Fonte: Elaborado pelo autor
3 Atividades a serem realizadas após a visita As atividades foram elaboradas, de modo que os conceitos que envolvem os fundamentos da Óptica geométrica, tais como a reflexão da luz e os espelhos planos, a refração da luz e o olho humano possam ser explorados. Para realizar tais atividades, será necessário que os estudantes tenham desenvolvido os experimentos propostos no item 1. deste roteiro. Atividade 01. Conteúdos de Física: Fundamentos da óptica geométrica, Propagação retilínea da luz, reflexão da luz e espelhos planos. Desenvolvimento: Dividir os grupos para discussão sobre os experimentos: Câmara escura de orifício e feixe de luz refletido, que foram construídos e apresentados em sala de aula, pelos grupos 1 e 2, e a caixa de levitação, observada durante a visita no Parque da Ciência, propondo a realização de atividades em grupos para discussão, e posteriormente, apresentar as conclusões à turma. Questão 01. Observe a figura 11, que representa a câmara escura de orifício, observe-a para responder a questão. Figura 11: Experimento Câmara Escura de Orifício Fonte: Portal feira de ciências
a) A imagem formada é direita ou invertida? Justifique. Compare o tamanho da imagem com o objeto, movimente o objeto e descreva as suas conclusões sobre o que ocorre com a imagem quando a posição do objeto é variada. b) Utilizando uma régua para calcular a distância do objeto em relação ao anteparo e ao orifício e para medir o tamanho do objeto, calcule qual será o tamanho da imagem através da equação da câmara escura. Questão 02. A figura abaixo, que representa o experimento do Feixe de Luz sendo refletido. Após analisar o experimento feixe de luz, descreva o que ocorre com a trajetória do feixe, quando é refletido relacionando às leis da reflexão da luz.
Figura 12: Experimento Feixe de luz sendo refletido Fonte: Dados da pesquisa As questões 03; 04 e 05 referem-se ao experimento Caixa de levitação do Parque da Ciência, representado na figura 13. Questão 03. Durante a visita ao Parque da Ciência, observou-se, que a caixa de levitação constitui-se, de apenas um espelho plano posicionado na diagonal da mesma. Explique, baseando-se, na formação das imagens nos espelhos planos, por que o colega de classe parecia estar levitando, mesmo por apresentar apenas a perna esquerda suspensa. Figura 13: Caixa de levitação do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa
Questão 04. De as características do tipo de imagem da perna do colega formada no espelho. Questão 05. Sabendo que a perna do colega estava 15 cm distante do espelho, analise: a) a distância que a imagem da perna estava do espelho; b) a distância que a perna estava da sua imagem. Questão 06. Relacione os experimentos: Câmara escura, Feixe de um laser e a caixa de levitação, com a propagação retilínea da luz. Questão 07. Observe a tirinha e responda. Figura 14: Tirinha de humor Fonte: http://fisicaantoniovaladares.blogspot.com.br
a) Analisando a tirinha de humor do Zé Lelé, percebe-se que ilustra uma situação frequente em nosso cotidiano de nos observar no espelho. Pense um pouco e apresente uma explicação para a formação de imagens nos espelhos planos. b) Observando a imagem de Chico Bento, percebe-se que o seu rosto não aparece inteiro no espelho, discuta com seus colegas, se é possível através de um espelho menor que o nosso tamanho obtermos uma imagem inteira do nosso corpo no espelho. Considerações: Após a apresentação e discussão dos grupos, o professor poderá formalizar a explicação dos conteúdos referentes à propagação retilínea da luz e formação de imagens nos espelhos planos. Espera-se que os estudantes consigam associar o que está sendo ensinado com todos os experimentos. Exercícios para aprofundamento O professor poderá propor a resolução destes exercícios, que servirão como aprofundamento dos assuntos abordados. 01. (FATEC) Um objeto y de comprimento 4,0 cm projeta uma imagem y' em uma câmara escura de orifício, como indicado na figura.
O comprimento de y' é, em centímetros, igual a: a) 2,5 b) 2,0 c) 1,8 d) 1,6 e) 0,4 02. (UFMG) Marília e Dirceu estão em uma praça iluminada por uma única lâmpada. Assinale a alternativa em que estão CORRETAMENTE representados os feixes de luz que permitem a Dirceu ver Marília. 03. O esquema representa o alinhamento do Sol, da Terra e da Lua no momento de um eclipse. Neste instante, uma pessoa situada no ponto A observará um eclipse:
a) parcial da Lua. b) total da Lua. c) parcial do Sol. d) total do Sol. 04. (Mackenzie) Certa pessoa possui um espelho plano retangular, de 90 cm de altura. Quando ela fica em pé diante do espelho, disposto verticalmente e convenientemente posicionado, consegue ver sua imagem de corpo inteiro. Nessas condições, pode-se afirmar que a referida pessoa tem uma altura máxima de: a) 1,80m b) 1,70m c) 1,67m d) 1,53m 05. (PUC-PR) Pedro, que utiliza seu relógio na mão esquerda, coloca-se a três metros de um espelho plano. O garoto levanta a mão esquerda. Analise as afirmações a seguir: I - Pedro vê sua imagem a seis metros de si. II - A imagem é invertida, isto é, está com os pés para cima. III - A imagem levanta a mão que não possui relógio. IV - A imagem tem a mesma altura do garoto. Assinale a única alternativa correta: a) I e III. b) II e IV. c) I. d) I e IV.
Atividade 02. Conteúdos de Física: Associação de espelhos planos. Desenvolvimento: Dividir os grupos para discussão sobre os experimentos: Ângulos entre dois espelhos plano, construído e apresentado pelo grupo 3 e os experimentos: Caixa misteriosa, espelho infinito, caleidoscópio gigante, caleidosfera e periscópio que foram observados durante a visita no Parque da Ciência, propondo a realização de atividades em grupos para discussão, e posteriormente, apresentar as conclusões à turma. Questão 01. Observe a figura 15, que representa o experimento do grupo 3: ângulos entre os espelhos planos. Figura 15: Experimento ângulos entre espelhos planos e o número de imagens formadas Fonte: Portal alunos online Ao analisar o experimento ângulos entre os espelhos, prenda os espelhos com fita durex e coloque a união no centro do transferidor, coloque os espelhos formando diferentes ângulos e conte as imagens formadas, em seguida coloque os espelhos em paralelo e conte o número de imagens, preencha a tabela abaixo e responda as questões.
Tabela 1: ângulos e imagens Ângulo Imagens 30º 45º 60º 90º 120º 180º Fonte: Elaborado pelo autor a) Observe o resultado encontrado e experimente deduzir a equação de formação de imagens; b) Por que essa lei não serve para espelhos paralelos? c) Faça uma conclusão dos resultados encontrados. Questão 02. A figura 16 representa o espelho infinito do Parque da Ciência. Compare o efeito observado com o experimento ângulo entre dois espelhos, da questão anterior, estabelecendo relação entre ambos.
Figura 16: Espelho infinito do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa Questão 03. Observe a figura 17, que representa o periscópio observado no Parque da ciência. Figura 17: Periscópio do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa
a) Descreva como funciona o periscópio observado no Parque da Ciência. b) Descreva como foi possível durante a visita ao Parque da ciência visualizar o seu colega no mesmo depois de tapar com o obstáculo do experimento. Questão 03. Observe a caixa misteriosa do Parque da Ciência, representada na figura 18. Discuta com seus colegas o seu funcionamento, destacando a disposição dos espelhos planos e o feixe de luz emitido. Figura 18: Caixa misteriosa do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa
Questão 04. Descreva como foi possível obter uma imagem esférica no caleidosfera observado no Parque da Ciência, que está representado na figura 19, destacando a disposição dos espelhos planos. Figura 19: Caleidosfera do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa Questão 05. Ao observar as imagens formadas no caleidoscópio do Parque da Ciência, representado na figura 20. Discuta com seus colegas como foi possível obter as diversas imagens coloridas apenas ao girá-lo. Descreva como ele é formado e como os espelhos planos devem ser conjugados de modo a obter a simetria entre as imagens.
Figura 20: Caleidoscópio gigante do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa Questão 06. Relacione os experimentos abordados com a formação e Associação de imagens nos espelhos planos. Questão 07. Após analisar a tirinha de humor da figura 21, elabore um comentário de acordo com a formação da imagem em espelhos planos, sobre o diálogo dos personagens. Figura 21: Tirinhas de humor, Menino Maluquinho Fonte: http://fisicaantoniovaladares.blogspot.com.br
Considerações: Após a apresentação e discussão dos grupos, o professor poderá formalizar a explicação dos conteúdos, bem como a utilização da equação para calcular o número de imagens que podem ser encontradas em relação ao ângulo entre os espelhos. Espera-se que os estudantes consigam associar o que está sendo ensinado com o experimento visto durante a visita ao Parque da Ciência. Exercícios para aprofundamento Propor aos estudantes a resolução destes exercícios que servirão como aprofundamento dos conteúdos abordados. 01. (PUC) O estudo da luz e dos fenômenos luminosos sempre atraiu os pensadores desde a antiga Grécia. Muitas são as aplicações dos espelhos e lentes, objetos construídos a partir dos estudos realizados em Óptica. A figura representa um periscópio, instrumento que permite a observação de objetos mesmo que existam obstáculos opacos entre o observador e uma região ou objeto que se deseja observar. Considere que, nesse periscópio, E1 e E2 são espelhos planos. A respeito do periscópio e dos fenômenos luminosos que a ele podem ser associados são feitas as afirmativas:
I. A colocação de espelhos planos, como indicada na figura, permite que a luz proveniente da árvore atinja o observador comprovando o princípio da propagação retilínea da luz. II. O ângulo de incidência do raio de luz no espelho E1 é congruente ao ângulo de reflexão nesse mesmo espelho. III. Como os espelhos E1 e E2 foram colocados em posições paralelas, os ângulos de incidência do raio de luz no espelho E1 e de reflexão no espelho E2 são congruentes entre si. Dessas afirmativas está correto apenas o que se lê em: a) I e II b) I e III c) II e III d) I, II e III 02. (UERJ) Uma garota, para observar seu penteado, coloca-se em frente a um espelho plano de parede, situado a 40 cm de uma flor presa na parte de trás dos seus cabelos. Buscando uma visão melhor do arranjo da flor no cabelo, ela segura, com uma das mãos, um pequeno espelho plano atrás da cabeça, a 15 cm da flor. Calcule a menor distância entre a flor e sua imagem, vista pela garota no espelho de parede. 03. (FAAP-SP) Com Três bailarinas colocadas entre dois espelhos planos fixos, um diretor de cinema consegue uma cena, onde são vistas, no máximo, 24 bailarinas. O ângulo entre os espelhos vale:
a) 10º b) 25º c) 30º d) 45º Atividade 03. Conteúdos de Física: Espelhos esféricos Desenvolvimento: Dividir os grupos para discussão sobre os experimentos: Espelho côncavo, construído e apresentado pelo grupo 4, o experimento Erre se Puder observado durante a visita no Parque da Ciência, propondo a realização de atividades em grupos para discussão, e posteriormente, apresentar as conclusões à turma. Questão 01. No experimento representado na figura 22, Erre se puder, ao soltar a bolinha, em qualquer uma das calhas que estão dispostas sobre o suporte, percebeu-se que ela sempre atingiu o ponto que estava marcado. Defina este ponto, explique a função deste para a formação das imagens nos espelhos esféricos. Figura 22: Erre se puder do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa
Questão 02: O experimento construído pelo grupo 04, representado na figura 23, mostra os feixes de luz emitidos pela lanterna sendo refletidos em diversas posições, e se convergindo em um único ponto. Relacione este fenômeno com o que ocorreu no experimento Erre se puder visto no Parque da Ciência. Defina este ponto. Figura 23: Experimento espelho esférico Fonte: Portal Unesp Questão 03: O Cientista e inventor grego Arquimedes viveu no século III a. C., na cidade de Siracusa na Sicília. Conta-se que ele incendiou uma esquadra romana, usando espelhos côncavos para concentrar os raios solares sobre os navios.
Figura 24: Espelho Côncavo de Arquimedes Fonte: http://profcopini.blogspot.com.br a) De acordo com o acontecimento histórico, Arquimedes utilizou espelhos côncavos para queimar os navios. Explique o que aconteceria se ele utilizasse espelhos convexos. b) Relacione o acontecimento histórico com os experimentos: Espelho côncavo e Erre se puder. Considerações: Após a apresentação e discussão dos grupos, o professor poderá formalizar explicação dos conteúdos, bem como reconhecer a distância focal em um espelho esférico, o formalismo matemático e a mudança de posição do objeto e a formação da imagem em relação a distância focal. Espera-se que os estudantes consigam associar o que está sendo ensinado com o experimento visto durante a visita ao Parque da Ciência.
Exercícios para aprofundamento O professor poderá propor as estudantes que resolvam os exercícios propostos que servirão como aprofundamento nos conteúdos abordados. 01. (UFV-MG) O espelho do farol do automóvel é côncavo. Além disso, o farol do automóvel tem um refletor constituído por um espelho esférico e um filamento de pequenas dimensões que pode emitir luz, onde o filamento está no foco do espelho para aumentar o campo de visão. Um farol de automóvel consiste em um filamento luminoso colocado entre dois espelhos esféricos côncavos de mesmo eixo, voltados um para o outro e de tamanhos diferentes, de modo que todos os raios oriundos do filamento se refletem no espelho maior e se projetam paralelos, conforme a figura: A posição correta no filamento é: a) no centro de curvatura do espelho menor e no foco do espelho maior. b) no vértice do espelho menor e no centro de curvatura do espelho maior. c) no foco de ambos os espelhos. d) no centro de curvatura de ambos os espelhos. e) no foco do espelho menor e no centro de curvatura do espelho maior.
02. (UFF-RJ) A figura mostra um objeto e sua imagem produzida por um espelho esférico. Escolha a opção que identifica corretamente o tipo do espelho que produziu a imagem e a posição do objeto em relação a esse espelho. a) O espelho é convexo, e o objeto está a uma distância maior que o raio do espelho. b) O espelho é côncavo, e o objeto está posicionado entre o foco e o vértice do espelho. c) O espelho é côncavo, e o objeto esta posicionado a uma distância maior que o raio do espelho. d) O espelho é côncavo, e o objeto esta posicionado entre o centro e o foco do espelho. e) O espelho é convexo, e o objeto está posicionado a uma distância menor que o raio do espelho. 03. (UFPB) Com relação a uma experiência envolvendo espelhos curvos, em um determinado laboratório, considere as afirmativas abaixo: I. A imagem de um objeto, colocado na frente de um espelho convexo, é sempre virtual. II. A imagem de um objeto, colocado na frente de um espelho côncavo, é sempre real. III. A distância focal é sempre igual ao raio do espelho. IV. A imagem de um objeto, projetada em um anteparo, é sempre real.
Estão corretas apenas: a) III e IV b) II e IV c) I e IV d) II e III e) I e II 04. (UFTM-MG) Uma estudante, em sua casa, observa um vaso de vidro transparente esférico vazio e, nele, vê duas imagens da mesma janela, localizada a frente do vaso. Isso ocorre porque as superfícies do vaso funcionam como espelhos esféricos. A externa, mais próxima da janela equivale a um espelho convexo, a interna, mais afastada equivale a um espelho côncavo. Pode se afirmar que essas imagens estão localizadas a) fora do vaso e são, ambas, direitas. b) fora do vaso e são, ambas, invertidas. c) dentro do vaso e são, ambas direitas. d) dentro do vaso e são, ambas invertidas. e) dentro do vaso, uma é direita e a outra invertida. 05. (Enem-simulado) A energia solar, cada vez mais, vem sendo utilizada para substituir a energia obtida pela queima de combustíveis fósseis. Uma de suas aplicações está no uso de concentradores solares, dispositivos utilizados para o aquecimento de água e de óleo que posteriormente podem ser aproveitados para diversas finalidades. Um concentrador solar típico capta a energia solar que incide em um espelho cilíndrico côncavo e a concentra sobre um cano, no qual há água e óleo. Considere que tal espelho seja esférico. Na figura abaixo, observe que a energia solar que atinge o concentrador é refletida pelo espelho e se dirige para o cano absorvedor, por onde passam a água ou o óleo a serem aquecidos.
Preocupada com o aquecimento global, a diretoria de um grande clube esportivo decidiu instalar concentradores solares para aquecer a água de suas piscinas. Os projetos apresentados ofereciam duas alternativas: 1. Espelhos concentradores com vários painéis, totalizando 50 m de comprimento, possuindo distância focal de 2,0 m e canos transportadores de água com 1,0 cm de diâmetro; 2. Espelhos concentradores com vários painéis, totalizando 50 m de comprimento, possuindo distância focal de 4,0 m e canos transportadores de água com 1,0 cm de diâmetro. Considere que a distância do Sol a Terra seja 200 vezes o diâmetro do Sol, que a vazão de água pelos canos seja sempre constante e que os concentradores têm eficiência de 100%. Nas duas propostas apresentadas, há um dispositivo para girar o concentrador, de modo que a energia solar sempre chegue aos espelhos na direção do eixo principal, e os concentradores têm a mesma seção reta retangular, isto é, eles recebem a mesma quantidade de energia solar a cada instante. Com o objetivo de conseguir o melhor aproveitamento da energia solar, de modo que a água seja aquecida o mais rapidamente possível, a diretoria do clube deve optar a) pela alternativa 1 e exigir que o cano absorvedor fique a 1,0 m da linha central do concentrador. b) pela alternativa 1 e exigir que o cano absorvedor fique a 2,0 m da linha central do concentrador.
c) pela alternativa 2 e exigir que o cano absorvedor fique a 1,0 m da linha central do concentrador. d) pela alternativa 2 e exigir que o cano absorvedor fique a 2,0 m da linha central do concentrador. e) por qualquer das alternativas, desde que o cano absorvedor fique a 1,0 m e a 2,0 da linha central do concentrador, respectivamente, nas propostas 1 e 2. Atividade 04. Conteúdos de Física: Refração da luz, Lentes esféricas e olho humano. Desenvolvimento: Dividir os grupos para discussão sobre os experimentos: Refração apresentado pelos grupos 5; 6 e 7, Desafio óptico e Olho humano observados durante a visita no Parque da Ciência. Propondo-os realizar as atividades em grupo para discussão, e posteriormente, apresentar as conclusões à turma. Questão 01. O experimento refração, apresentado pelo grupo 05 e representado na figura 25, mostrou que a moeda colocada no fundo da xícara apresentava posições diferentes, nas situações em que a xícara estava vazia e quando continha água. Observe e responda: Figura 25: Experimento refração Fonte: Portal brasil escola
a) Descreva o que ocorre com a velocidade da luz quando passa do ar para a água, justificando o motivo de a moeda ser vista de forma diferente quando imersa dentro da água. b) De acordo com o fenômeno observado, analise as informações abaixo, que enunciam as Leis da refração, corrigindo-as se necessário. 1ª Lei: O raio incidente I, o raio refletido R e a reta normal à superfície de separação S pertencem a planos diferentes. 2ª Lei ou Lei de Snell-Descartes: Para cada par de meios e para cada luz monocromática que se refrata, é constante o produto do seno do ângulo que o raio forma com a superfície e o índice de refração do meio em que se encontra Questão 02. No experimento Desafio óptico do Parque da Ciência, representado na figura 26. Figura 26: Desafio óptico do Parque da Ciência Fonte: Parque da Ciência da UFVJM
Percebe-se que as palavras aparecem invertidas, sendo que algumas poderiam ser lidas mesmo que invertidas, devido a serem formadas por letras verticalmente simétricas. Discuta com seus colegas, sobre qual o tipo de lente explica o funcionamento do tubo de acrílico. Questão 03. O experimento lente d água apresentado pelo grupo 06, representado na figura 27, é formado apenas por uma haste e um arame imerso na água, funcionou como uma lente convergente. Figura 27: Experimento Lente d água Fonte: Portal da Unesp a) Explique como foi possível visualizar a imagem aumentada através da água, baseando-se na refração da Luz. _ b) Esta lente funciona como convergente ou divergente? Justifique.
c) Reveja o comportamento óptico da lente convergente e divergente preenchendo a tabela 2 abaixo. Tabela 2: Lentes esféricas 1 Lente Bordas delgadas Bordas espessas Convergente n lente n meio n lente n meio Divergente n lente n meio n lente n meio Fonte: Elaborado pelo autor d) Defina os termos ou conceitos a seguir: foco principal objeto - foco principal imagem imagem direita imagem invertida. e) Reveja o uso do referencial de Gauss completando a tabela 3 a seguir. Tabela 3: Lentes esféricas 2 Lente Distância focal Vergência Convergente Divergente Fonte: Elaborado pelo autor Questão 04. A figura 28 representa no experimento Lente convergente apresentado pelo grupo 07. O feixe de luz ao atravessar a lente convergente refratou-se. Observa-se que eles convergem depois de passar pela lente, ou seja, tendem a se encontrar. Explique o motivo do feixe de luz ser desviado ao atravessar a parte da garrafa e relacione com o experimento lente d água apresentado pelo grupo 6.
Figura 28: Experimento lente convergente Fonte: Portal da Unesp Questão 05. O equipamento do Parque da Ciência, representado na figura 29, simula o funcionamento de um olho humano. Discuta com seus colegas de grupo o tipo da lente utilizada no mesmo e as características da imagem formada. Figura 29: Olho humano do Parque da Ciência Fonte: Dados da pesquisa
Questão 06. O experimento Câmara escura, apresentado pelo grupo 01, foi utilizado para mostrar a propagação retilínea da luz, o mesmo pode ser explorado para analisar o comportamento da luz ao penetrar o olho humano. Faça uma relação do funcionamento do experimento com o olho humano. Questão 07. O cristalino do nosso olho funciona como uma lente esférica? Discuta com seus colegas a função do nosso olho e a formação da imagem na retina. Questão 08. Relacione os experimentos construídos pelos grupos 01, 06 e 07 com o experimento Olho humano observado no Parque da Ciência. Questão 09. Defina os termos ou conceitos a seguir. Acomodação visual ponto remoto ponto próximo
Questão 10. Discuta com seus colegas e preencha as tabelas 04 e 05 abaixo. Tabela 4: Olho humano O objeto em relação ao olho Distância do Objeto Aproxima Afasta Foco Diminui Vergência Cristalino Mais convergente (mais curvo) Fonte: Elaborado pelo autor Tabela 05: Problemas de visão Doença Problema Correção Miopia Imagem se forma antes da retina Hipermetropia Presbiopia Astigmatismo Fonte: Elaborado pelo autor. Questão 11. Leia a tirinha da figura 30, identifique as propriedades da lente e descreva a relação entre a fala do personagem com o que você entende sobre o princípio de propagação da luz nas lentes esféricas com a distância focal. Figura 30: Tirinha de humor, lentes esféricas. Fonte: http://fisicaantoniovaladares.blogspot.com.br
Considerações: Após a apresentação e discussão dos grupos, o professor poderá relacionar esta atividade com os conteúdos abordados, sempre relacionando a refração com a formação das imagens no olho humano, a fim de que os estudantes consigam associar o que está sendo ensinado com o experimento visto durante a visita ao Parque da Ciência. Exercícios para aprofundamento Propor a resolução dos exercícios que servirão como aprofundamento nos conteúdos abordados. 01. (UNIFE-SP) Um raio de luz monocromática provém de um meio mais refringente e incide na superfície de separação com o outro meio menos refringente. Sendo ambos os meios transparentes, pode-se afirmar que esse raio: a) dependendo do ângulo de incidência, sempre sofre refração, mas pode sofrer reflexão. b) dependendo do ângulo de incidência, sempre sofre reflexão, mas pode sofrer refração. c) qualquer que seja o ângulo de incidência, só pode sofrer refração, nunca reflexão. d) qualquer que seja o ângulo de incidência, só pode sofrer reflexão, nunca refração. e) qualquer que seja o ângulo de incidência, sempre sofre refração e reflexão. 02. (UFSC) A mãe zelosa de um candidato, preocupada com o nervosismo do filho antes do vestibular, prepara uma receita caseira de "água com açúcar" para acalmá-lo. Sem querer, a mãe faz o filho relembrar alguns conceitos relacionados à luz, quando o mesmo observa a colher no copo com água, como mostrado na figura a seguir.
Sobre o fenômeno apresentado na figura acima, é CORRETO afirmar que: (01) a luz tem um comportamento somente de partícula. (02) a velocidade da luz independe do meio em que se propaga. (04) a colher parece quebrada, pois a direção da propagação da luz muda ao se propagar do ar para a água. (08) a velocidade da luz na água e no ar é a mesma. (16) a luz é refratada ao se propagar do ar para a água. Soma 03. (UFMG) Rafael, fotógrafo lambe-lambe, possui uma câmara fotográfica que consiste em uma caixa com um orifício, onde é colocada uma lente. Dentro da caixa, há um filme fotográfico posicionado a uma distância ajustável em relação à lente. Essa câmara está representada, esquematicamente, na figura que se segue. Para produzir a imagem nítida de um objeto muito distante, o filme deve ser colocado na posição indicada, pela linha tracejada. No entanto, Rafael deseja fotografar uma vela que está próxima a essa câmara. Para obter uma imagem nítida, ele, então, move o filme em relação à posição acima descrita. Assinale
a alternativa cujo diagrama melhor representa a posição do filme e a imagem da vela que é projetada nele. 04. (UFPEL-RS) O olho humano é um sofisticado sistema óptico que pode sofrer pequenas variações na sua estrutura, ocasionando os defeitos da visão. Com base em seus conhecimentos, MARQUE as alternativas corretas justificando cada uma delas. I. No olho míope, a imagem nítida se forma atrás da retina, e esse defeito da visão é corrigido usando uma lente divergente. II. No olho com hipermetropia, a imagem nítida se forma atrás da retina, e esse defeito da visão é corrigido usando uma lente convergente. III. No olho com astigmatismo, que consiste na perda da focalização em determinadas direções, a sua correção é feita com lentes cilíndricas. IV. No olho com presbiopia, ocorre uma dificuldade de acomodação do cristalino, e esse defeito da visão é corrigido mediante o uso de uma lente divergente. 05. (PUC-SP) Certo professor de física deseja ensinar a identificar três tipos de defeitos visuais apenas observando a imagem formada através dos óculos de seus alunos, que estão na fase da adolescência. Ao observar um objeto através do primeiro par de óculos, a imagem aparece diminuída. O mesmo objeto observado pelo segundo par de óculos parece aumentado e apenas o terceiro par de óculos distorce as linhas quando girado.
Através da análise das imagens produzidas por esses óculos podemos concluir que seus donos possuem, respectivamente: a) Miopia, astigmatismo e hipermetropia. b) Astigmatismo, miopia e hipermetropia. c) Hipermetropia, miopia e astigmatismo. d) Hipermetropia, astigmatismo e miopia. e) Miopia, hipermetropia e astigmatismo.