UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA PRÓ-REITORIA DE ENSINO MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA

PRÓ-REITORIA DE ENSINO

MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

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JOEL DE OLIVEIRA LEITE

RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS POR MEIO DA EXPERIMENTAÇÃO, SOBRE DILATAÇÃO DOS SÓLIDOS, FUNDAMENTADA NA TEORIA DE GALPERIN

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Primeiramente, quero agradecer à minha família, que esteve comigo, apoiando-me nos momentos de estudo.

Agradeço também a todos os professores e amigos que caminharam comigo durante este curso.

Ao meu professor orientador, Dr. Oscar Tintoter Delgado, pelos ensinamentos e instruções a respeito desta dissertação.

À Universidade Federal de Roraima, por ter nos acolhido.

Ao Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), pela oportunidade de ampliar meus conhecimentos sobre as teorias e metodologias de ensino.

À CAPES:

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) – código de financiamento 001.

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Quadro 1 – Sequência didática ... 7

Quadro 2 – Aula 1: diagnóstico ... 10

Quadro 3 – Aula 2 ... 13 Quadro 4 – Aula 3 ... 21 Quadro 5 – Aula 4 ... 26 Quadro 6 – Aula 5 ... 31 Quadro 7 – Aula 6 ... 33 Quadro 8 – Aula 7 ... 37 Quadro 9 – Aula 8 ... 38

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Figura 1 – Estados físicos da matéria ... 11

Figura 4 – Termômetro de Mercúrio ... 15

Figura 5 – Termômetro digital ... 16

Figura 6 – Propagação do calor ... 17

Figura 7 – Condução, radiação e convecção ... 17

Figura 8 – Visão macroscópica ... 18

Figura 9 – Visão microscópica ... 18

Figura 10 – Mudanças de fase ... 19

Figura 11 – Material utilizado no experimento dilatando a biela ... 24

Figura 12 – Dilatação linear... 27

Figura 13 – Material utilizado no experimento ... 28

Figura 14 – Gráfico da dilatação ... 32

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1 MANUAL ... 5 2 PRODUTO ... 7 2.1 Sequência Didática ... 7 2.1.1 Aula 1: diagnóstico ... 10 2.1.2 Aula 2 ... 13 2.1.3 Aula 3 ... 20 2.1.4 Aula 4 ... 26 2.1.5 Aula 5 ... 31 2.1.6 Aula 6 ... 33 2.1.7 Aula 7 ... 37 2.1.8 Aula 8 ... 38 2.1.9 Aula 9: avaliação ... 39 ORIENTAÇÕES FINAIS ... 42 REFERÊNCIAS ... 43

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1MANUAL

Este produto consiste em uma sequência didática, que se originou da

pesquisa de mestrado intitulada “Resolução de problemas por meio da

experimentação, sobre dilatação dos sólidos, fundamentada na teoria de Galperin”, vinculada ao Programa de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF). O objetivo é estudar a contribuição da resolução de problemas por meio da experimentação no 2° ano do Ensino Médio Regular, para o desenvolvimento da competência de análise de situações problemas, por meio do estudo da dilatação dos sólidos, utilizando as etapas de Galperin (2001). Destaque-se que o objetivo da pesquisa está em consonância com a Base Nacional Comum Curricular (BNCC) para o Ensino Médio.

A resolução de problemas por meio da experimentação de forma investigativa, como metodologia de ensino, contribui para o aprendizado do aluno, tornando-o proativo, induzindo-o a pensar, refletir, criar hipóteses e soluções. As atividades de experimentação reestruturam o pensamento do aluno, iniciando-o na educação científica de forma mais eficaz (GASPAR, 2009; KRASILCHIK, 2004; CARVALHO et. al., 2007).

A pesquisa foi fundamentada na teoria de aprendizagem histórico-social defendida por Vygotsky e Leontiev, e mais tarde por Galperin. Vygotsky considerou o desenvolvimento humano em dois níveis: o nível de desenvolvimento real, que é compreendido por aquilo que o sujeito consegue realizar sozinho; e o nível de desenvolvimento potencial, que consiste naquilo que o sujeito, se estimulado, e com a ajuda de alguém mais experiente, será capaz de fazer. Vygotsky classificou a distância entre um nível e outro como Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP), caracterizada pelos conhecimentos que, em contato com situações problemas e a mediação de outra pessoa mais experiente, amadurecerão (VYGOTSKY, 1984).

Leontiev, seguidor de Vygotsky, elaborou a Teoria da Atividade, segunda a qual o desenvolvimento do homem decorre das atividades que ele realiza, a partir da relação com o meio e o desejo de alguma necessidade pessoal. Assim os aspectos considerados essenciais para a internalização dos conceitos são: a necessidade, o objeto e o motivo. O objeto compreende o direcionamento da ação, ou seja, o conteúdo da atividade; já o motivo é o que estimula o sujeito para satisfazer uma necessidade (LONGAREZI; PUENTES, 2013).

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A partir da Teoria da Atividade, o autor da dissertação que originou este produto elaborou uma sequência didática denominada Atividade de Situações Problemas por meio da Experimentação como Metodologia de Ensino (ASPE). A ASPE é composta por 4 ações invariantes e suas respectivas operações, as quais poderão sofrer alterações conforme as situações problemas.

Dando sequência aos pensamentos de Vygotsky e Leontiev, Galperin elaborou o Processo de Assimilação das Ações Mentais por Etapas, apontando para o princípio de que as ações externas contribuem com a representação das ações internas. Baseado nesse princípio, criou a teoria de desenvolvimento psíquico, transformada em uma teoria de ensino, tendo como foco principal a formação planejada por etapas das ações mentais. Nesse sentido, o processo de formação de uma ação se inicia a partir de objetos reais, ou por representações, que vão passando por etapas posteriores até chegar à linguagem interna (RIBEIRO, 2008).

Para tanto, Galperin considerou o processo de assimilação formado por etapas. Sendo apresentado neste documento quatro etapas, descritas por Talízina (2009), como: Etapa da “Motivação”, nomeada pela autora, como Etapa 0 (E0); Etapa

1 (E1) - “Elaboração da Base Orientadora da Ação (BOA)”, a qual consiste no

momento em que se executam e determinam as ações e operações para resolver o problema; Etapa 2 (E2) - “Formação da Ação em Forma Material ou Materializada”, na qual os alunos iniciam a exercitação do conteúdo dilatação térmica; Etapa 3 (E3) -“Formação da Ação Verbal Externa”, em que se discutem os problemas conceituais para que os alunos aprendam de forma consciente.

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2PRODUTO

O produto desta pesquisa é uma sequência didática, com intuito de servir como recurso didático para ser utilizado pelos professores de Física no conteúdo de dilatação dos sólidos. A metodologia de resolução de problemas por meio da experimentação pode contribuir com o ensino e aprendizagem no ensino de Física.

2.1 Sequência Didática

A sequência didática é composta por 9 aulas, totalizando 16 horas-aulas. As aulas são organizadas conforme as etapas mentais de Galperin, como mostra o quadro a seguir:

Quadro 1 – Sequência didática

SEQUÊNCIA DIDÁTICA

AULA OBJETIVO METODOLOGIA RECURSO AVALIAÇÃO

A u la 1 Dura çã o : 2 h o

ras -Diagnosticar o ponto

de partida. -Resolução de questionário. -Papel impresso; -Caneta. -Análise do questionário. A u la 2 Dura çã o : 2 h o ras 1 ª B OA

-Informar aos alunos a metodologia que será utilizada durante as próximas aulas; -Conceituar temperatura e calor; -Conhecer as diferentes formas de propagação de calor; -Conhecer fases e estados da matéria; -Conhecer o comportamento microscópico das moléculas em um sólido ao serem aquecidas; -Aprimorar a competência de resolver problemas -Resolução de problema experimental; -Aulas expositivas, dialogadas e apresentadas em slides e/ou quadro branco; -Visualização e audição de filme. -Água fria; -Água quente; -Recipiente de plástico; -Datashow; -Quadro branco; -Computador. -Observação direta.

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por meio da experimentação. A u la 3 Dura çã o 2 h o ras 1 ª B OA -Elaborar hipóteses, previsões e estimativas; -Utilizar instrumentos de medição; -Perceber a dilatação dos sólidos nos materiais; -Interpretar modelos, dados e/ou resultados experimentais; -Reconhecer a dilatação linear, superficial e volumétrica; -Aprimorar a competência de resolver problemas por meio da experimentação. -Visualização e audição de filme; -Experimentação. -Datashow; -Quadro branco; -Computador; -Paquímetro; -Multímetro; -Biela automotiva; -Pino de pistão; -Alicate universal; -Pedra de concreto; -Maçarico portátil; -Isqueiro. -Observação direta. A u la 4 Dur a çã o 2 h o ras 1 ª B OA -Elaborar hipóteses, previsões e estimativas; -Utilizar instrumentos de medição; -Interpretar modelos, dados e/ou resultados experimentais; -Calcular a dilatação linear; -Aprimorar a competência de resolver problemas por meio da experimentação. -Visualização de imagens e experimentação. -Datashow; -Computador; -Alicate universal; -Pedra de concreto; -Quadro branco; -Paquímetro; -Multímetro; -Maçarico portátil; -Isqueiro; -Barra de ferro; -Barra de alumínio. -Observação direta; -Exercício; -Guia de acompanha-mento da ASPE.

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A u la 5 Dura çã o : 1 h o ra 1 ª M a te ri a liza d a -Calcular a dilatação linear. -Resolução de exercícios. -Datashow; -Computador; -Quadro branco; -Pincel. -Observação direta; -Exercício. A u la 6 Dura çã o : 2 h o ras 2 ª B OA -Elaborar hipóteses, previsões e estimativas; -Utilizar instrumentos de medição; -Interpretar modelos, dados e/ou resultados experimentais; -Perceber e calcular a dilatação superficial e volumétrica; -Aprimorar a competência de resolver problemas por meio da experimentação. -Visualização de imagens e experimentação. -Datashow; -Computador; -Alicate universal; -Pedra de concreto; -Quadro branco; -Paquímetro; -Multímetro; -Maçarico portátil; -Isqueiro; -Barra de ferro; -Barra de alumínio. -Observação direta; -Exercício; -Guia de acompanha - mento da ASPE. A u la 7 Dura çã o : 2 h o ras 2 ª M a te ri a liza d a -Calcular a dilatação superficial e volumétrica. -Resolução de exercícios. -Datashow; -Computador; -Quadro branco; -Pincel. -Observação direta; -Exercício. A u la 8 Dura çã o : 2 h o ras V e rba l E x te rna -Comunicar-se na sala de aula; -Expor resultados de análises de pesquisa e/ou experimentos; -Interpretar tabelas, símbolos e equações. -Seminário; -Debates em sala; -Produção de textos individualmente. -Datashow; -Quadro branco; -Paquímetro; -Multímetro; -Barra de ferro; -Barra de alumínio; -Papel impresso; -Caneta. -Observação direta; -Análise do texto.

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2.1.1 Aula 1: diagnóstico

A aula 1 consiste na aplicação de um questionário com objetivo de diagnosticar o ponto de partida, ou seja, a zona real do discente, no que se refere à resolução de problemas por meio da experimentação, estrutura e estados físicos da matéria, energia cinética, bem como sobre a utilização de instrumentos de medidas, a habilidade de elaboração de hipóteses e a compreensão matemática entre as grandezas físicas observadas em um experimento aplicado. O questionário é composto por 14 questões, sendo que as questões 11, 12, 13 e 14 deverão ser respondidas mediante a observação do experimento referente à Lei de Hooke, a ser realizado em sala de aula. O quadro 2, a seguir, mostra as questões a serem aplicadas.

Quadro 2 – Aula 1: diagnóstico

AULA 1: DIAGNÓSTICO

Responda às questões SIM NÃO

1 Você já participou de aulas experimentais?

2 Você já realizou alguma experiência nas aulas de Física?

3 Você gostaria de realizar experimento nas aulas de Física?

A u la 9 Dura çã o 1 h o ra A va lia çã o -Avaliar a contribuição da resolução de

problemas por meio da experimentação para o desenvolvimento da competência de análise de situações problemas e de avaliação das aplicações do conhecimento científico e tecnológico. -Resolução de questionário. -Papel impresso; -Caneta. -Análise do questionário.

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Durante as aulas de Física, você já trabalhou com resolução de problemas por meio da experimentação? (São problemas que utilizam experimentos como auxílio para sua resolução)

5 Você já utilizou um paquímetro? Qual a utilidade de um

paquímetro?

6 Você já utilizou um termômetro? Qual a utilidade de um

termômetro?

7 Em temperatura ambiente, átomos pertencentes a uma

substância no estado sólido estão em movimento? 8

Figura 1 – Estados físicos da matéria

Fonte: https://alvinhouau.blogspot.com/2015/03/

Três recipientes representam os estados físicos da matéria conforme a ilustração anterior.

Os estados físicos representados nos recipientes, na ordem apresentada, são:

a) sólido, líquido e gasoso b) líquido, sólido e gasoso c) gasoso, sólido e líquido d) gasoso, líquido e sólido

9 Expresse uma diferença entre a estrutura da matéria dos sólidos e líquidos?

10 Sabemos que, ao colocar uma panela de pressão com água ao fogo, após

certo tempo, começará a aparecer vapor de água saindo por sua válvula. Do ponto de vista energético, podemos afirmar que o vapor de água apareceu por quê?

a) A água entrou em equilíbrio térmico b) A água recebeu energia

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Em análise ao experimento realizado em sala, baseando-se na Lei de Hooke, e conforme o quadro abaixo, responda:

Legenda: M = massa K = constante elástica da mola X = deformação F = força

M X F = m.g K= F/X

M 1 M 2 M 3

11 Qual é a constante elástica da mola?

12 O que acontecerá com o comprimento da mola se dobrar a massa do corpo

pendurado?

Dobrará ( ) Triplicará ( ) Quadruplicará ( ) Não se alterará ( )

13 Qual o significado físico da constante de proporcionalidade entre F e X?

14 Qual a deformação da mola com a massa 3?

As questões 1, 2, 3 e 4 têm como objetivo verificar, junto aos alunos, a utilização de experimentos em sala de aula. Vale ressaltar que a ausência de laboratório de química nas escolas não é impedimento para a execução de aulas experimentais, podendo sim serem desenvolvidas nas próprias salas de aulas (BORGES, 2002).

As questões 5 e 6 são sobre o uso de instrumentos necessários para a aplicação da sequência didática. As questões 7 e 8 referem-se à estrutura da matéria sobre diferentes estados físicos, cujo conhecimento prepara os alunos para interpretarem o comportamento microscópio durante a dilatação térmica. A questão 10 quer saber se o aluno reconhece a transferência de energia relacionada ao aumento da temperatura. As questões 11, 12, 13 e 14 são relacionadas ao

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experimento da Lei de Hooke, com objetivo de diagnosticar o conhecimento dos alunos em sobre a resolução de problemas por meio da experimentação e sobre as relações matemáticas entre as variáveis diretas e indiretas.

No experimento, são utilizados: um suporte de madeira, uma mola helicoidal, três objetos metálicos iguais com massa de 250g cada e uma régua. Inicialmente, é medido o comprimento da mola em seu tamanho normal; em seguida, são adicionados à mola os corpos cujas massas são de 250g, um por um. São registradas, então, em uma tabela as deformações ocorridas através da variável direta (massa) e a constante gravitacional, multiplicadas entre si.

Na sequência, é obtida a força gravitacional. E dividindo-se a força gravitacional pela deformação, obtém-se a constante elástica da mola. Após a realização do experimento e o preenchimento da tabela, os alunos devem responder às questões 11, 12, 13 e 14.

A questão 11 tem como objetivo perceber se os alunos conseguem encontrar a constante elástica da mola utilizada no experimento por meio da relação matemática entre as variáveis direta e indireta. A questão 12 verifica a capacidade do aluno referente à habilidade de levantar hipóteses. A questão 13 solicita do aluno uma descrição física sobre a constante de proporcionalidade entre a força elástica e a deformação. A questão 14 diagnostica a capacidade do aluno referente à análise de dados na tabela.

2.1.2 Aula 2

A aula 2 deverá ocorrer após a realização do diagnóstico. Inicia-se assim a primeira Base Orientadora da Ação (BOA), na qual os alunos são orientados sobre os procedimentos a serem realizados e os conteúdos que precisam aprender para a compreensão das próximas aulas, conforme mostra o quadro 3 a seguir:

Quadro 3 – Aula 2

AULA 2 TEMA: Termometria

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-Informar aos alunos a metodologia que será utilizada durante as próximas aulas; -Conceituar temperatura e calor;

-Conhecer as diferentes formas de propagação de calor; -Conhecer diferentes fases e estados da matéria;

-Conhecer o comportamento microscópico das moléculas em um sólido ao serem aquecidas;

-Aprimorar a competência de resolver problemas por meio da experimentação.

PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS:

- Informar aos alunos que iremos trabalhar nas próximas aulas a metodologia da experimentação investigativa, na qual eles realizarão experiências em sala de aula, sempre com o auxílio do professor e dos guias de construção dos experimentos, respeitando as orientações das ações descritas na ASPE.

- Perguntar para turma:

- O que é quente? O que é frio? Qual a diferença entre quente e frio? - Realizar a seguinte experiência:

Quente ou frio?

Objetivo da experiência:

Despertar no aluno a sensação térmica de quente e frio, levando-o a atender que quente ou frio é relativo, pois quem cede calor sentirá frio, e quem o recebe sentirá quente.

Guia de Construção

Material Necessário:

1. Um recipiente com água morna; 2. Um recipiente com água fria;

3. Um recipiente com água na temperatura ambiente; 4. Um termômetro (multímetro/termopar).

Para realizar a experiência, proceda da seguinte forma:

Primeiro, com a ajuda dos alunos, afira a temperatura da água contida nos três recipientes, utilizando o termômetro. Em seguida, peça para um aluno colocar a mão dentro do recipiente que contém a água com menor temperatura, e outro aluno para colocar a mão dentro do recipiente de água com temperatura mais elevada. Após 1 minuto, peça para ambos colocarem as mãos dentro do recipiente que contém água com temperatura ambiente, e faça a seguinte pergunta para ambos:

- A água está quente ou fria?

Após debaterem o resultado, refaça a experiência com outros alunos da turma, mas agora com um único aluno de cada vez, ou seja, apenas um aluno coloca uma das mãos no recipiente com água fria e a outra mão no recipiente com água quente, depois de certo tempo, as duas mãos no recipiente com água na temperatura ambiente, e refaça a pergunta acima para ele.

Dando continuidade à aula, exponha o conteúdo de calor, temperatura, propagação do calor, fases da matéria, com o auxílio de um aparelho Datashow.

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CALOR

Calor é o termo associado à transferência de energia térmica de um sistema a outro

ou entre partes de um mesmo sistema – exclusivamente, em virtude da diferença de temperaturas entre eles.

Figura 2 – Fluxo de calor Figura 3 – Energia térmica em movimento

Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/3407621/ Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/11198369/

TEMPERATURA

Temperatura é uma medida estatística do nível de agitação entre moléculas,

relacionado com o deslocamento da energia cinética de um átomo ou molécula.

Figura 4 – Termômetro de Mercúrio

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Figura 5 – Termômetro digital

Fonte: http://www.blog.sinco.net/2016/02/temperatura-23-graus.html

As unidades mais utilizadas para temperatura são:

• Graus Celsius (o_C);

• Graus Fahrenheit (o_F);

• Kelvin (K): é a unidade de temperatura padrão, segundo o Sistema

Internacional (SI).

Zero absoluto é, teoricamente, a temperatura mais baixa possível, definido

como 0 K na escala Kelvin, e como -273,15°C na escala Celsius. Isso equivale a -459,67ºF na escala Fahrenheit.

PROPAGAÇÃO DE CALOR

A propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processos diferentes: a condução, a convecção e a irradiação.

A condução térmica, como será detalhado adiante, é um processo lento de transmissão de energia, de molécula para molécula, sempre no sentido das temperaturas mais altas para as mais baixas.

Na convecção térmica, as partes diferentemente aquecidas de um fluido, movimentam-se no seu interior devido às diferenças de densidades das porções quente e fria do fluido. Tanto a convecção como a condução não podem ocorrer no vácuo, pois necessitam de um meio material para que o calor se propague.

A radiação é a propagação de energia através de ondas eletromagnéticas. Quando a energia dessas ondas é absorvida por um corpo, intensifica-se a agitação de suas moléculas, acarretando aumento de temperatura. Esse tipo de propagação energética pode ocorrer no vácuo.

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Figura 6 – Propagação do calor

Fonte: https://betaeq.com.br/index.php/2019/10/30/processos-de-transferencia-de-calor-e-aplicacoes/

Figura 7 – Condução, radiação e convecção

Fonte: https://www.todoestudo.com.br/fisica/conveccao

- VISÃO E AUDIÇÃO DO VÍDEO QUE DEMONSTRA O COMPORTAMENTO MICROSCÓPIO DOS SÓLIDOS AO SEREM AQUECIDOS. Disponível em:

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ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA

A distância entre as moléculas, ou o quão perto uma estará da outra, é que determina seu estado físico. Quanto mais perto as moléculas se encontrarem, podemos dizer que mais "sólida" a substância será. À medida que as moléculas se distanciam, a substância vai se tornando líquida e, distanciando-se ainda mais, torna-se um gás.

Figura 8 – Visão macroscópica

Fonte: https://proffernandaciencias.wordpress.com/2013/02/12/a-trindade-da-materia-solido-liquido-e-gasoso/

Figura 9 – Visão microscópica

Fonte: https://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/estados-fisicos-da-materia-solido-liquido-e-gasoso.htm

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Figura 10 – Mudanças de fase

Fonte: https://www.coladaweb.com/fisica/termologia/mudancas-de-estado-fisico-da-materia

CONCLUSÃO:

O calor é uma forma de energia térmica em trânsito, e a variação da temperatura é o grau de agitação térmica das moléculas. Assim, dependendo das temperaturas dos corpos, o calor poderá se propagar, promovendo assim a mudança de estado físico dos corpos.

EXERCÍCIO

1) Através de exemplos do seu cotidiano, defina calor. 2) Explique o que é temperatura.

3) Exemplifique, com fenômenos do seu dia a dia, os processos de propagação do calor:

a) Condução; b) Convecção; c) Irradiação; Obs.: Para casa.

4) Faça um desenho da estrutura cristalina de um corpo nos estados sólido, liquido e gasoso, mostrando o comportamento molecular dos mesmos. Após a atividade, comente seu desenho explicando uma diferença entre eles.

REFERÊNCIAS: https://www.significados.com.br https://pt.wikipedia.org/wiki/Calor https://brasilescola.uol.com.br/quimica/unidades-medida.htm http://educacao.globo.com/fisica/assunto/termica/propagacao-do-calor.html https://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/estados-fisicos-da-materia-solido-liquido-e-gasoso.htm https://www.google.com/search?q=estado+da+materia+solido+liquido+e+gasoso&c lient=firefox-

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Nessa aula é realizado o experimento quente ou frio, de forma dinâmica, com o objetivo de motivar os alunos, levando-os a perceber que quem cede calor sentirá frio, enquanto quem recebe sentirá quente. Em seguida, fazem-se as conceituações de calor, temperatura, escalas termométricas, zero absoluto e propagação do calor. Dando continuidade à aula, exibe-se um vídeo com objetivo de demonstrar a simulação do comportamento microscópio dos átomos em um corpo sólido ao ser aquecido. Moran (2002) explica que o uso do vídeo como instrumento de ensino aprendizagem engloba um universo que explora o ver, visualizar as pessoas, as cores, os cenários, as relações espaciais.

Ainda nessa mesma aula são abordados os estados da matéria, de forma macroscópica e microscópica, descrevendo as mudanças de fases entre eles. Para finalizar a aula é proposta a resolução de um exercício composto por quatro questões, sendo que as questões 1, 2 e 3 objetivam levar os alunos a contextualizar os assuntos calor, temperatura e propagação do calor, respectivamente; já a questão 4 é proposta como tarefa para casa, referente à estrutura da matéria em diferentes estados físicos.

2.1.3 Aula 3

A aula 3 compreende a continuação da 1ª Base Orientadora da Ação (BOA) e consiste em trabalhar o conteúdo dilatação dos sólidos através da visualização e audição do vídeo “como montar bielas nos pistões”. Esse vídeo mostra uma das aplicabilidades da dilatação dos sólidos, com o objetivo de despertar nos alunos interesse e motivação pelo estudo do conteúdo na realização da experiência dilatando biela, de forma investigativa, conforme as ações e operações descritas na Atividade de Situações Problemas por meio da Experimentação como Metodologia de Ensino (ASPE). De acordo com Araújo e Abib (2003, p. 2):

[...] de modo convergente a esse âmbito de preocupações, o uso de atividades experimentais como estratégia de ensino de Física tem sido apontado por professores e alunos como uma das maneiras mais frutíferas de se minimizar as dificuldades de aprender e de se ensinar Física de modo significativo e consistente.

Com a Atividade de Situações Problemas por meio da Experimentação como Metodologia de Ensino (ASPE), os alunos desenvolvem habilidades para

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compreensão do conteúdo estudado ao passo que as ações são desenvolvidas. Ação 1 (Formular o Problema Docente), composta por 4 operações: (a) diagnosticar as variáveis experimentais diretas, (b) as possíveis dependências entre elas, bem como (c) as unidades de medidas e (d) formular uma previsão sobre o conteúdo envolvido no experimento. Ação 2 (Construção do Núcleo Conceitual), composta por 3 operações: (a) levantar hipóteses, (b) descobrir medidas indiretas, e (c) atualizar os conceitos relacionados ao conteúdo estudado no experimento. Ação 3 (Resolver a Situação Problema), composta por 3 operações: (a) comprovar suas hipóteses levantadas, (b) relacionar matematicamente as variáveis encontradas e (c) descobrir possíveis novos elementos teóricos. Ação 4 (Analisar os Resultados), composto por 2 operações: (a) demonstrar de forma geral os conhecimentos construídos através da experimentação descrevendo o conteúdo estudado e (b) levantar possíveis novas hipóteses relacionadas a esse novo conhecimento.

Durante a realização da experiência, os alunos também preenchem as tabelas com as grandezas físicas diretas retiradas do experimento e, através dessas, descobrem as grandezas físicas indiretas, percebendo a dilatação dos sólidos, como mostra o quadro 4, a seguir:

Quadro 4 – Aula 3

AULA 3 TEMA: Dilatação dos Sólidos

OBJETIVOS:

- Elaborar hipóteses, previsões e estimativas; - Utilizar instrumentos de medição;

- Perceber a dilatação dos sólidos nos materiais;

- Interpretar modelos, dados e/ou resultados experimentais; - Reconhecer a dilatação linear, superficial e volumétrica;

- Aprimorar a competência de resolver problemas por meio da experimentação.

- O que acontece com um metal ao ser aquecido? Ele aumenta ou diminui seu tamanho? Todos os metais se comportam da mesma forma?

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- Visualização/audição do filme “Como montar bielas nos pistões”, disponível em <https://youtu.be/Y90zCDeGONM>.

- Atividade de Situações Problemas por meio da Experimentação como Metodologia de Ensino (ASPE).

- Perguntar para a turma:

Quantas ações serão utilizadas para resolver um problema experimental?

ASPE

Ação 1: Formular o Problema Docente Operações:

a- Identificar as variáveis experimentais, produto de medições diretas.

b- Reconhecer as dependências ou não entre as variáveis de medições diretas. c- Ter uma compreensão elementar do fenômeno observado na experimentação. d- Identificar as unidades de medida dos instrumentos utilizados na

experimentação.

Ação 2: Construção do Núcleo Conceitual Operações:

a- Atualizar os conceitos e/ou procedimentos relacionados com as observações

realizadas no experimento.

b- Construir hipóteses para explicar o fenômeno estudado no experimento. c- Determinar medições indiretas através das medições diretas.

Ação 3: Resolver a Situação Problema Operações:

a- Explicar os fenômenos estudados através da comprovação das hipóteses

construídas.

b- Encontrar relações matemáticas relevantes entre variáveis.

c- Encontrar novos elementos teóricos incluindo a interpretação das relações

relevantes entre variáveis.

Ação 4: Analisar os Resultados Operações:

a- Estudar o grau de generalização dos elementos teóricos encontrados. b- Analisar novas hipóteses a partir dos resultados experimentais.

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REALIZAR A SEGUINTE EXPERIÊNCIA:

DILATANDO BIELA

Compreender que a dilatação dos sólidos acontece nos metais ao serem aquecidos.

Material necessário:

1. Uma biela automotiva; 2. Um pino de pistão; 3. Um maçarico portátil; 4. Um multímetro digital; 5. Um isqueiro;

6. Uma pedra de concreto com dimensões aproximadas de 30 x 20 x 3 cm; 7. Três pares de luvas de couro;

8. Um jaleco de couro; 9. Um alicate universal; 10. Um balde com água.

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Figura 11 – Material utilizado no experimento dilatando a biela

Observações importantes: É necessário que o professor se certifique da existência

de extintor de incêndio no local da realização do experimento. O maçarico só deve ser manuseado pelo professor, que obedecerá algumas regras de segurança, como utilizar os acessórios (luvas e jaleco de couro); quando for necessário segurar a biela aquecida, deve usar o alicate e quando precisar esfriar a biela, deve mergulhá-la no balde com água. É importante frisar que os alunos que participarem do experimento, aferindo a temperatura e as dimensões, devem utilizar luvas de couro. A biela automotiva deve ser aquecida sobre a pedra de concreto.

Para realizar a experiência, proceda da seguinte forma:

Primeiro, coloque a biela sobre a pedra de concreto. Em seguida, com a ajuda dos alunos, perceba que o pino do pistão não passa pelo orifício da biela. Afira a temperatura da mesma, utilizando o termopar do multímetro. Meça o diâmetro do orifício e aqueça-o com o maçarico, o suficiente para que o pino entre no orifício da biela. Verifique novamente a temperatura e o diâmetro, e preencha o quadro abaixo:

TEMPERATURA

Ti Tf Tf – Ti ∆T

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DIÂMETRO DO ORIFÍCIO

Di Df Df – Di ∆D

Di = diâmetro inicial Df = diâmetro final ∆D = variação do diâmetro

Responda ao questionário de apoio à experiência antes, durante e depois da realização do experimento, de acordo com cada questão:

a- Quais as variáveis experimentais produto de medições diretas?

b- Você reconhece as dependências ou não entre as variáveis de medições diretas?

Explique.

c- O que está acontecendo no fenômeno observado na experimentação?

d- Quais as unidades de medidas dos instrumentos utilizados na experimentação? Ação 2: Construção do Núcleo Conceitual

Operações:

a- Quais os conceitos e/ou procedimentos relacionados com as observações

realizadas no experimento?

b- Por que aconteceu esse fenômeno no experimento realizado?

c- Qual ou quais medidas poderão ser descobertas utilizando as medidas

realizadas durante o fenômeno?

a- Qual fenômeno aconteceu na experiência? Por que aconteceu esse fenômeno? b- Descreva matematicamente o fenômeno (procure relacionar matematicamente

as variáveis relevantes).

c- Quais novos elementos teóricos você encontrou em relação ao fenômeno

estudado (incluindo a interpretação das relações relevantes entre variáveis)?

a- Qual o grau de generalização dos elementos teóricos encontrados?

b- Quais novas hipóteses você conclui a partir dos resultados experimentais?

Após debaterem o resultado refaça a experiência com os alunos da turma, se for necessário.

CONCLUSÃO:

Os sólidos se dilatam de forma linear, superficial e volumétrica ao sofrer acréscimo de temperatura.

REFERÊNCIA:

(28)

2.1.4 Aula 4

A aula 4 compreende a continuação da 1ª Base Orientadora da Ação (BOA) e trata do estudo do conteúdo de dilatação linear dos sólidos por meio da visualização de imagens, resolução de exercícios e preenchimento de tabela, identificando as grandezas físicas diretas e indiretas. A observação do experimento com materiais diferentes, submetidos a mesma variação de temperatura, tem como objetivo fazer com que os alunos percebam que os materiais dilatam de forma diferente, dependendo do seu tamanho inicial, do tipo de material utilizado e da variação da temperatura. Por meio da técnica de observação, os alunos desenvolvem pensamento crítico e construtivo, favorecendo a elaboração de hipóteses e formulações de conclusões (SANTOS, 2015).

A experiência é realizada de acordo com as orientações das ações e operações contidas na ASPE, como já explicitada na aula 3; e por último, realiza-se um exercício com objetivo de explorar a fórmula obtida na experimentação e perceber as grandezas físicas relevantes na dilatação linear, conforme mostra o quadro 5, a seguir:

Quadro 5 – Aula 4

AULA 4 TEMA: Dilatação Linear

OBJETIVO:

- Interpretar modelos, dados e/ou resultados experimentais; - Calcular a dilatação linear;

(29)

Figura 12 – Dilatação linear

Fonte: https://www.slideshare.net/montenegrofisica/aula-7-dilatao/5 REALIZAR A SEGUINTE EXPERIÊNCIA:

DILATAÇÃO LINEAR

Objetivos da experiência:

Reconhecer as grandezas existentes na dilatação linear, a relação matemática entre elas, as mudanças de comportamento entre os materiais, e aprofundar a competência de resolução de problemas por meio da experimentação.

1. Duas chapas de alumínio com as seguintes dimensões:

uma com 95,5 x 58,7 x 7,3 mm e outra com 50,0 x 30,4 x 3,8 mm; 2. Uma chapa de ferro de 95,5 x 58,7 x 7,3 mm;

3. Um maçarico portátil; 4. Um multímetro digital; 5. Um isqueiro;

6. Um paquímetro digital;

7. Uma pedra de concreto com aproximadamente 30 x 20 x 3 cm de dimensões;

8. Três pares de luvas de couro; 9. Um jaleco de couro;

10. Um alicate universal; 11. Um balde com água.

(30)

Figura 13 – Material utilizado no experimento

Observações importantes: É necessário certificar-se da existência de extintor de

incêndio no local da realização do experimento. O maçarico só deve ser manuseado pelo professor usando os acessórios de segurança (luvas e jaleco de couro). Quando for necessário segurar as chapas aquecidas, usar o alicate. E quando necessário esfriá-las deve mergulhá-las no balde com água. Os alunos que participarem do experimento, aferindo a temperatura e a dimensão, devem utilizar luvas de couro. As chapas metálicas devem ser aquecidas sobre a pedra de concreto.

Para realizar a experiência proceda da seguinte forma:

Primeiro, com a ajuda dos alunos, afira a temperatura e o comprimento de todas as chapas, utilizando o termopar do multímetro e o paquímetro respectivamente. Em seguida, aqueça as chapas de forma individual, variando sua temperatura em 115°C, utilizando o maçarico, e imediatamente, faça a medida do comprimento com a chapa aquecida, utilizando o paquímetro, depois, considerando a temperatura inicial, aqueça a chapa maior de alumínio, variando sua temperatura em 295°C, e imediatamente, obtenha a medida do comprimento da mesma.

Paralelamente ao experimento, preencha os quadros a seguir, e o questionário referente à ASPE:

CHAPA GRANDE DE ALUMÍNIO TEMPERATURA

Ti Tf ∆T = Tf – Ti ∆T

Ti = temperatura inicial Tf = temperatura final ∆T = variação da temperatura COMPRIMENTO

Li Lf ∆L = Lf – Li ∆L

(31)

CHAPA GRANDE DE ALUMÍNIO TEMPERATURA

Li = comprimento inicial Lf = comprimento final ∆L = variação do comprimento

CHAPA PEQUENA DE ALUMÍNIO TEMPERATURA

CHAPA GRANDE DE FERRO TEMPERATURA

Responda ao questionário de apoio à experiência antes, durante e depois da realização do experimento, de acordo com cada questão:

b- Você reconhece as dependências ou não entre as variáveis de medições

diretas?

(32)

d- Quais as unidades de medidas dos instrumentos utilizados na

experimentação?

b- Por que aconteceu esse fenômeno no experimento realizado?

c- Qual ou quais medidas poderão ser descobertas utilizando as medidas

realizadas durante o fenômeno?

a- Qual fenômeno aconteceu na experiência? Por que aconteceu esse

fenômeno?

b- Descreva matematicamente o fenômeno (procure relacionar

matematicamente as variáveis relevantes).

Após debaterem o resultado, refaça a experiência com os alunos da turma, se for necessário.

EXERCÍCIO

A) Uma barra de 10 metros de alumínio a uma temperatura inicial de 20ºC fica exposta ao sol, sendo sua temperatura elevada para 40ºC. Sabendo que o

coeficiente de dilatação do alumínio é αAl = 22.10 -6 ºC-1, calcule a dilatação

sofrida pela barra.

B) A partir das experiências realizadas em sala, marque um X, na opção abaixo, em que a grandeza não interfere na dilatação dos sólidos:

a) Natureza do material

b) Comprimento inicial do sólido

c) Variação de temperatura sofrida pelo sólido d) A cor do material

CONCLUSÃO:

A dilação linear é diretamente proporcional ao comprimento inicial, variação da temperatura e ao coeficiente de dilatação linear do material.

∆L = Li . α . ∆T

REFERÊNCIA:

https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-linear.htm

(33)

2.1.5 Aula 5

A aula 5 compreende a 1ª etapa Materializada, na qual os alunos podem exercitar o conteúdo orientado na 1ª BOA, através de 4 questões que têm a finalidade de perceber a dilatação linear nos sólidos, trabalhando as grandezas físicas significativas nesse contexto, bem como sua fórmula por meio de análise de situações e gráficos, como mostra o quadro 6, a seguir:

Quadro 6 – Aula 5

AULA 5 TEMA: Dilatação Linear

OBJETIVO:

- Calcular a dilatação linear.

Responder o seguinte exercício:

EXERCÍCIO

1) Uma barra de 20 metros de alumínio, a uma temperatura inicial de 10ºC, fica exposta a uma fonte de calor, e eleva sua temperatura para 40ºC. Sabendo

que o coeficiente de dilatação do alumínio é αAl = 22.10 -6 ºC-1, calcule a

dilatação linear sofrida pela barra.

2) (UDESC/2012) Em um dia típico de verão utiliza-se uma régua metálica para medir o comprimento de um lápis. Após medir esse comprimento, coloca-se a régua metálica no congelador, a uma temperatura de -10ºC, e espera-se cerca de 15 min para novamente medir o comprimento do mesmo lápis. O comprimento medido, nesta situação, com relação ao medido anteriormente, será:

a) maior, porque a régua sofreu uma contração. b) menor, porque a régua sofreu uma dilatação. c) maior, porque a régua se expandiu.

d) menor, porque a régua se contraiu.

e) o mesmo, porque o comprimento do lápis não se alterou.

3) (UFLA/95) Uma barra de ferro homogênea é aquecida de 10ºC até 60ºC. Sabendo-se que a barra, a 10ºC, tem um comprimento igual a 5 m, e que o

coeficiente da dilatação linear do ferro é igual 12 x 10-6 _ºC-1_{, podemos afirmar}

(34)

a) 5×10-3_{m; 5,005m}

b) 2×10-3_{m; 5,002m}

c) 4×10-3_{m; 5,004m}

d) 3×10-3_{m; 5,003m}

e) 6×10-3_{m; 5,006m}

4) A extensão de trilhos de ferro sofre dilatação linear. Calcule o aumento de comprimento que 100 m dessa ferrovia, que sofre esse fenômeno ao passar de 0°C para 20°C, sabendo que o coeficiente de dilatação linear do ferro é

12.10-6_°C-1_.

5) O gráfico a seguir representa a variação do comprimento de uma barra homogênea com a temperatura. Determine o coeficiente de dilatação linear de que a barra é constituída.

Figura 14 – Gráfico da dilatação

Fonte: https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-linear-dos-solidos.htm

CONCLUSÃO:

A dilação linear é diretamente proporcional ao comprimento inicial, variação da temperatura e ao coeficiente de dilatação linear do material.

∆L = Li . α . ∆T REFERÊNCIAS: https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-linear.htm https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-linear-dos-solidos.htm

(35)

2.1.6 Aula 6

A aula 6 consiste na 2ª Base Orientadora da Ação (BOA) e trabalha o conteúdo dilatação superficial e volumétrica. Inicia-se a aula com perguntas referentes a dilatação das outras dimensões do sólido, fazendo com que os alunos levantem hipóteses acerca desse fenômeno. Em seguida, é proposta a realização do experimento para que os discentes percebam as variáveis significativas na dilatação superficial e volumétrica dos sólidos, e preencham as tabelas com as grandezas físicas diretas e indiretas, de acordo com as orientações contidas na Atividade de Situações Problemas por meio da Experimentação como Metodologia de Ensino (ASPE), assim como ocorre nas aulas 3 e 4, e posteriormente, resolvam o exercício proposto com 4 questões.

As questões A e D são referentes à dilatação superficial e volumétrica, respectivamente, com intuito de levar os alunos a perceber as grandezas físicas significativas em cada contexto, e fazerem uso de suas respectivas fórmulas para a resolução das questões. Já as questões C e D enfatizam a relação entre os coeficientes de dilatação volumétrica e a quantidade de dimensões predominantes envolvidas nas questões, conforme o quadro 7, a seguir:

Quadro 7 – Aula 6

AULA 6 TEMA: Dilatação Superficial e Volumétrica OBJETIVO:

- Interpretar modelos, dados e/ou resultados experimentais; - Calcular a dilatação superficial e volumétrica;

Perguntar para turma:

- O que acontece com as outras dimensões da chapa ao ser aquecida? - O que acontece com a área da superfície da chapa e com o seu volume? - Você reconhece a dilatação superficial e volumétrica em seu cotidiano? - Como calcular a área da chapa e seu volume?

(36)

REALIZAR A SEGUINTE EXPERIÊNCIA:

Dilatação Superficial e Volumétrica

Despertar nos alunos a compreensão das grandezas existentes na dilatação superficial e volumétrica e da relação matemática entre essas grandezas.

1- Uma chapa de alumínio, com as seguintes dimensões: 95,5 x 58,7 x 7,3 mm; 2- Um maçarico portátil;

3- Um multímetro digital; 4- Um isqueiro;

5- Um paquímetro digital;

6- Uma pedra de concreto com aproximadamente 30 x 20 x 3 cm de dimensões; 7- Três pares de luvas de couro;

8- Um jaleco de couro; 9- Um alicate universal; 10- Um balde com água.

Observações importantes: É necessário certificar-se da existência de extintor de

incêndio no local da realização do experimento. O maçarico só deve ser manuseado pelo professor, utilizando os acessórios de segurança (luvas e jaleco de couro). Quando for necessário segurar as chapas aquecidas, deve-se usar o alicate. E quando precisar esfriá-las, deve-se mergulhá-las no balde com água. Os alunos que participarem do experimento aferindo a temperatura e as dimensões, devem utilizar luvas de couro. As chapas metálicas devem ser aquecidas sobre a pedra de concreto.

Para realizar a experiência proceda da seguinte forma:

Primeiro, com a ajuda dos alunos, afira a temperatura da chapa de alumínio, utilizando o multímetro na função termopar; em seguida, faça a medida do comprimento, da largura e da altura da chapa, utilizando o paquímetro. Depois aqueça a chapa variando sua temperatura em aproximadamente 350°C, utilizando o maçarico, e imediatamente, faça a medição do comprimento, da largura e da altura da chapa aquecida, utilizando o paquímetro.

Paralelamente ao experimento, preencha os quadros a seguir e o questionário referente à ASPE:

CHAPA GRANDE DE ALUMÍNIO (DILATAÇÃO SUPERFICIAL)

TEMPERATURA COMPRIMENTO LARGURA

Ti Tf Li Lf LARi LARf

Ti = temperatura inicial Tf = temperatura final Li = comprimento inicial Lf = comprimento final LARi = largura inicial LARf = largura final

(37)

SUPERFÍCIE INICIAL SUPERFÍCIE FINAL DILATAÇÃO SUPERFICIAL

Si = Li x LARi Sf = Lf x LARf ∆S = Sf – Si

Si = Sf = ∆S =

∆S = dilatação superficial Si = superfície inicial Sf = superfície final

CHAPA GRANDE DE ALUMÍNIO (DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA)

TEMPERATURA COMPRIMENTO LARGURA ALTURA

Ti Tf Li Lf LARi LARf Ai Af

Ti = temperatura inicial Tf = temperatura final Li = comprimento inicial Lf = comprimento final LARi = largura inicial LARf = largura final

Ai = altura inicial Af= altura final

VOLUME INICIAL VOLUME FINAL DILATAÇÃO

VOLUMÉTRICA

Vi = Li x LARi x Ai Vf = Lf x LARf x Af ∆V = Vf – Vi

Vi = Vf = ∆V =

∆V = dilatação volumétrica Vi = volume inicial Vf = volume final

Responda ao questionário de apoio à experiência antes, durante, e depois da realização do experimento, de acordo com cada questão:

b- Você reconhece as dependências ou não entre as variáveis de medições

diretas?

c- O que está acontecendo no fenômeno observado na experimentação? d- Quais as unidades de medidas dos instrumentos utilizados na

experimentação?

b- Por que aconteceu esse fenômeno no experimento realizado? c- Qual(is) medida(s) pode(m) ser descoberta(s) utilizando as medidas

(38)

a- Qual fenômeno aconteceu na experiência? Por que aconteceu esse

fenômeno?

b- Descreva matematicamente o fenômeno (procure relacionar

matematicamente as variáveis relevantes).

Após debaterem o resultado, refaça a experiência com os alunos da turma, se for necessário.

EXERCÍCIO

A) Um quadrado de lado 2m é feito de um material cujo coeficiente de dilatação

superficial é igual a 1,6.10-4_°C-1_{. Determine a variação de área desse}

quadrado quando varia sua temperatura em 80°C.

B) Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do ferro é 1,2.10-5 _°C-1_,

determine o coeficiente de dilatação superficial.

C) Uma barra de ouro a 20ºC de temperatura tem as seguintes dimensões: 20cm de comprimento, 10cm de largura e 5cm de profundidade. Qual será a sua dilatação volumétrica após ser submetido a 50ºC de temperatura.

Considere que o coeficiente de dilatação linear do ouro é 15.10-6 _°C-1_.

D) Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do ferro é 1,2.10-5 _°C-1_,

determine o coeficiente de dilatação volumétrica.

CONCLUSÕES:

- A dilação superficial é diretamente proporcional à superfície inicial, à variação da temperatura e ao coeficiente de dilatação superficial do material.

∆S = Si . β. ∆t, onde β = 2 . α

- A dilação volumétrica é diretamente proporcional ao volume inicial, à variação da temperatura e ao coeficiente de dilatação volumétrica do material.

∆V = Vi . Y . ∆t, onde Y = 3 . α

REFERÊNCIA:

https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-superficial.htm

(39)

2.1.7 Aula 7

A aula 7 consiste na 2ª etapa Materializada, referente à 2ª Base Orientadora da Ação (BOA), e objetiva a exercitação dos conteúdos de dilatação superficial e volumétrica, a partir da resolução de quatro questões. As questões trabalham as grandezas físicas envolvidas em cada tipo de dilatação, aplicando-as em suas respectivas fórmulas para solucionar o exercício. Assim, as questões A e B referem-se a superficial, e C e D a volumétrica, como referem-se obreferem-serva no quadro 8, a referem-seguir:

Quadro 8 – Aula 7

AULA 7 TEMA: Dilatação Superficial e Volumétrica OBJETIVO:

- Calcular a dilatação superficial e volumétrica.

Responder o seguinte exercício:

EXERCÍCIO

A) Um quadrado de lado 3m é feito de um material cujo coeficiente de dilatação

superficial é igual 1,6.10-4 _ºC-1_{. Determine a variação de área desse quadrado}

quando varia sua temperatura em 50°C.

B) Uma chapa de alumínio com 20 cm de comprimento e 5 cm de largura a uma temperatura inicial de 10ºC fica exposta a uma fonte de calor e eleva sua temperatura para 50ºC. Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do

alumínio é αAl = 22.10 -6 ºC-1, calcule a dilatação superficial sofrida pela barra.

C) Uma barra de ouro a 10ºC de temperatura tem as seguintes dimensões: 30cm de comprimento, 20cm de largura e 10cm de profundidade. Qual será a sua dilatação volumétrica após ser submetida a 60ºC de temperatura?

Considere que o coeficiente de dilatação linear do ouro é 15.10-6 _°C-1_.

D) Uma substância, ao ser submetida a uma variação de temperatura de 80ºC, sofreu dilatação aumentado seu volume em 10L. Calcule o coeficiente de

dilatação volumétrica dessa substância. Considere o volume inicial Vi = 500L.

CONCLUSÕES:

- A dilação superficial é diretamente proporcional a superfície inicial, variação da temperatura e ao coeficiente de dilatação superficial do material.

(40)

∆S = Si .β. ∆t, onde β = 2 . α

- A dilação volumétrica é diretamente proporcional ao volume inicial, variação da temperatura e ao coeficiente de dilatação volumétrica do material.

∆V = Vi .Y . ∆t, onde Y = 3 . α REFERÊNCIAS: https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-linear.htm https://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-linear-dos-solidos.htm // 2.1.8 Aula 8

A aula 8 compreende à etapa Verbal Externa. Trata-se de criar um ambiente que permita manifestar uma aprendizagem consciente, em que os alunos possam expor o que sabem sobre o conteúdo de dilatação dos sólidos. Isso tanto do ponto de vista macroscópico quanto microscopicamente. Propõem-se seminários, debate em mesa redonda e produção de texto individual, como explicitado no quadro 9, a seguir:

Quadro 9 – Aula 8

AULA 8 TEMA: Dilatação dos Sólidos

OBJETIVOS:

- Comunicar-se na sala de aula;

- Expor resultados de análises de pesquisa e/ou experimentos; - Interpretar tabelas, símbolos e equações.

- Dividir a turma em três grupos para a apresentação do seminário: o primeiro grupo aborda o assunto de dilatação linear; o segundo sobre dilatação superficial e o terceiro sobre dilatação volumétrica.

- Organizar um debate a partir de várias questões apresentadas.

- Os alunos devem relatar por escrito tudo que aprenderam sobre dilatação dos sólidos, tanto no aspecto macroscópico quanto microscopicamente, conforme as instruções a seguir:

Relate por escrito os aspectos relevantes do processo de dilatação térmica, considerando:

(41)

A) Relação entre as variáveis envolvidas no processo para cada tipo de

dilatação (linear, superficial e volumétrica).

B) Vínculo entre o comportamento macroscópico e o microscópico da

substancia durante a dilatação.

CONCLUSÃO:

A dilatação dos corpos acontece quando aumenta sua temperatura. Dessa forma, seus átomos e moléculas vibram mais, ocasionando um afastamento entre eles e, em consequência desse fenômeno, acontece o aumento de suas dimensões. Vale ressaltar que cada tipo de material se comporta de forma diferente ao receber calor. Ou seja, dependendo do seu coeficiente de dilatação, o corpo poderá dilatar mais ou menos.

REFERÊNCIA:

https://www.significados.com.br

2.1.9 Aula 9: avaliação

A aula 9 consiste em avaliar o desempenho dos alunos, ao final da sequência didática, por meio de um questionário composto por 9 questões. As questões têm os seguintes objetivos: questões 1 e 2, avaliar a contribuição do uso do experimento em sala de aula; questão 3, identificar as ações contidas na ASPE, necessárias para a resolução de problemas por meio da experimentação; questão 4, avaliar a compreensão do comportamento microscópico dos sólidos durante a dilatação térmica; questão 5, perceber como acontece a dilatação nos sólidos; questão 6, verificar a relação entre os coeficientes de dilatação; questão 7, determinar as grandezas físicas presentes na dilatação térmica dos sólidos; questão 8, reconhecer que os materiais dilatam, de forma diferente, dependendo de seu coeficiente de dilatação; e por fim, questão 9, resolver um exercício sobre dilatação linear.

Quadro 10 – Aula 9: avaliação

AULA 9/AVALIAÇÂO

Marque um “x” nas duas primeiras questões, conforme sua

opinião. SIM NÃO

1 As experiências realizadas em sala despertaram seu

interesse pelo assunto?

2 Nas aulas de Física, o método de resolução de problemas por

(42)

auxílio para sua resolução), colaborou para o aprendizado do conteúdo de dilatação dos sólidos?

3 Expresse as 4 ações necessárias para resolver um problema experimental considerando a ordem das mesmas.

4 Explique como é o comportamento da estrutura microscópica durante o processo de dilatação térmica.

5 (ACAFE) Uma chapa metálica, com um furo central de diâmetro “d”, é aquecida dentro de um forno. Com o aumento da temperatura, podemos afirmar:

a) O furo permanece constante, e a chapa aumenta a sua dimensão. b) O furo diminui enquanto a chapa aumenta a sua dimensão.

c) Tanto a chapa quanto o furo permanecem com as mesmas dimensões. d) Tanto o furo quanto a chapa aumentam as suas dimensões.

e) O furo diminui enquanto a dimensão da chapa permanece constante.

6 Uma barra metálica de zinco apresenta um coeficiente de dilatação linear de

30.10-6_°C-1_{. Indique o coeficiente de dilatação superficial de uma chapa feita}

de zinco.

a) 3.10-6_°C-1

b) 12.10-5_°C-1

c) 30.10-6_°C-1

d) 60.10-6_°C-1

7 A dilatação térmica dos sólidos depende diretamente de três fatores ou grandezas. Assinale a opção que contém as três grandezas corretas:

a) tamanho inicial, natureza do material e velocidade. b) tamanho inicial, tempo e velocidade.

c) tamanho inicial, natureza do material e variação da temperatura. d) tamanho inicial, variação da temperatura e tempo.

8 (UFMG/97) O coeficiente de dilatação térmica do alumínio (Al) é aproximadamente duas vezes o coeficiente de dilatação térmica do ferro (Fe). A figura mostra duas peças nas quais um anel feito de um desses metais envolve um disco feito do outro. À temperatura ambiente, os discos estão presos aos anéis.

Figura 15 – Peças metálicas

Fonte: https://www.todaquestao.com/questoes/9547

Se as duas peças forem aquecidas uniformemente, é correto afirmar que: a) apenas o disco de Al se soltará do anel de Fe.

(43)

b) apenas o disco de Fe se soltará do anel de Al. c) os dois discos se soltarão dos respectivos anéis. d) os discos não se soltarão dos anéis.

9 Uma barra de 10 metros de alumínio a uma temperatura inicial de 30ºC fica exposta a uma fonte de calor e eleva sua temperatura para 50ºC. Sabendo que

o coeficiente de dilatação do alumínio é αAl = 22.10-6 ºC-1, calcule a dilatação

(44)

ORIENTAÇÕES FINAIS

A metodologia de resolução de problemas por meio da experimentação exige que o experimento anteceda todo o processo de ensino, desenvolvendo as quatro ações invariantes com suas respectivas operações para cada situação. Assim na aula 4 é indispensável apresentar a atividade de Dilatação Linear, incluindo o questionário de apoio à experimentação, que auxilia na construção da competência a ser formada. Também são imprescindíveis as aulas 5 e 8, nas quais primeiramente vai-se exercitar e finalmente discutirem-se os aspectos conceituais da Dilatação Térmica. Ademais, vale ressaltar que as apresentações dos vídeos sugeridos nas aulas 2 e 3, são de grande valia para a compreensão e aplicação desta sequência didática.

(45)

REFERÊNCIAS

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Ensino de Física. São Paulo, v. 25, n. 2, p. 176-194, jun. 2003.

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Brasileiro de Ensino de Física, Santa Catarina, v. 19, n. 3, p. 291-313, dez. 2002.

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Editora Universidad Autónoma de Tlaxcala, 2001.

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Educação. São Paulo, v. 26, n. 4, p. 35, nov. 2002.

RIBEIRO, R. P. O Processo de Aprendizagem de Professores do Ensino

Fundamental: apropriação da habilidade de planejar situações de ensino de

conceitos. 2008. 230 p. Tese (Doutorado em Educação), Programa de Pós-Graduação em Educação, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2008.

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TALÍZINA, N. La teoria de la actividad aplicada a la enseñanza. Puebla: Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, 2009.