Atividades sobre energia, trabalho e lei da conservação da energia mecânica
1. AUTORES
José Alves de Lima Neto – Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática
Ciclamio Leite Barreto – Orientador
2. NÍVEIS DE ENSINO
Aula planejada para a 1ª série do Ensino Médio. 3. VISÃO GERAL DO PLANO DE AULA
Essa aula será destinada para resolução de uma lista de exercícios sobre energia. 4. TEMPO CONCEDIDO
02 aulas de 45 minutos, distribuída de acordo com a tabela, que foi validada: Tabela 09 Tempo concedido para cada procedimento do plano de aula 07 TEMPO ATIVIDADE
05 minutos Explanação pelo educador 85 minutos Discussão e resolução da lista
5. RECURSOS / MATERIAIS Lousa da sala de aula e pincéis;
Lista de exercícios que foi entregue aos alunos na aula anterior (ver plano de aula 06).
113 6. ATIVIDADES / PROCEDIMENTOS
[05 min] Explanação pelo educador – No início da aula o educador irá distribuir as listas de problemas aos alunos. Será explicitado pelo educador o curso da aula. Ele irá solicitar que os alunos leiam a lista de problemas e tentem resolver alguns deles.
[85 min] Discussão e resolução da lista – Será realizada a discussão e resolução da lista de problemas.
7. OBJETIVOS DA AULA
Ao final da aula o aluno deve:
Compreender o conceito de energia;
Identificar as variadas formas de energia utilizadas pelo homem; Compreender o conceito de energia cinética, potencial e mecânica; Compreender o conceito e formas de dissipação de energia;
Compreender Trabalho e Teorema da energia cinética;
Compreender aplicações/situações que envolvam a lei de conservação da energia mecânica.
8. SÍNTESE DO CONTEÚDO Conceito de energia;
Formas de energia utilizadas pelo homem; Energia cinética, potencial e mecânica; Conceito e formas de dissipação de energia; Trabalho e Teorema da energia cinética; Lei de conservação da energia mecânica.
114 9. PARÂMETROS CURRICULARES NACIONAIS
Dentre as "Competências e habilidades a serem objetivadas em Física", sugeridas nos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio, estão contempladas para essa aula as seguintes:
Representação e comunicação
Conhecer as unidades e as relações entre as unidades de uma mesma grandeza física para fazer traduções entre elas e utilizá-las adequadamente. Reconhecer e saber utilizar corretamente símbolos, códigos e nomenclaturas de grandezas da Física.
Ler e interpretar corretamente tabelas, gráficos, esquemas e diagramas apresentados em textos.
Construir sentenças ou esquemas para a resolução de problemas; construir tabelas e transformá-las em gráfico.
Compreender que tabelas, gráficos e expressões matemáticas podem ser diferentes formas de representação de uma mesma relação, com potencialidades e limitações próprias, para ser capaz de escolher e fazer uso da linguagem mais apropriada em cada situação, além de poder traduzir entre si os significados dessas várias linguagens.
Acompanhar o noticiário relativo à ciência em jornais, revistas e notícias veiculadas pela mídia, identificando a questão em discussão e interpretando, com objetividade, seus significados e implicações para participar do que se passa à sua volta.
Investigação e compreensão
Frente a uma situação ou problema concreto, reconhecer a natureza dos fenômenos envolvidos, situando-os dentro do conjunto de fenômenos da Física e identificar as grandezas relevantes, em cada caso.
Identificar regularidades, associando fenômenos que ocorrem em situações semelhantes para utilizar as leis que expressam essas regularidades na análise e previsões de situações do dia-a-dia.
115 Reconhecer a conservação de determinadas grandezas, como massa, carga elétrica, corrente etc., utilizando essa noção de conservação na análise de situações dadas.
Reconhecer a relação entre diferentes grandezas, ou relações de causa-efeito, para ser capaz de estabelecer previsões. Identificar transformações de energia e a conservação que dá sentido a essas transformações, quantificando-as quando necessário. Identificar também formas de dissipação de energia e as limitações quanto aos tipos de transformações possíveis impostas pela existência, na natureza, de processos irreversíveis.
Reconhecer a conservação de determinadas grandezas, como massa, carga elétrica, corrente etc., utilizando essa noção de conservação na análise de situações dadas.
Percepção sociocultural e histórica
Compreender a responsabilidade social que decorre da aquisição de conhecimento, sentindo-se mobilizado para diferentes ações, seja na defesa da qualidade de vida, da qualidade das infraestruturas coletivas, ou na defesa de seus direitos como consumidor.
Promover situações que contribuam para a melhoria das condições de vida da cidade onde vive ou da preservação responsável do ambiente, conhecendo as estruturas de abastecimento de água e eletricidade de sua comunidade e dos problemas delas decorrentes, sabendo posicionar-se, argumentar e emitir juízos de valor.
Reconhecer que, se de um lado a tecnologia melhora a qualidade de vida do homem, do outro ela pode trazer efeitos que precisam ser ponderados quanto a um posicionamento responsável.
Identificar transformações de energia e a conservação que dá sentido a essas transformações, quantificando-as quando necessário. Identificar também formas de dissipação de energia e as limitações quanto aos tipos de transformações possíveis impostas pela existência, na natureza, de processos irreversíveis. Acompanhar o desenvolvimento tecnológico contemporâneo.
116 10. COMPETÊNCIAS E HABILIDADES DO ENEM EM CIÊNCIAS DA NATUREZA
E SUAS TECNOLOGIAS
Competência de área 3 - Associar intervenções que resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos.
Habilidade 8 – Identificar etapas em processos de obtenção, transformação, utilização ou reciclagem de recursos naturais, energéticos ou matérias-primas, considerando processos biológicos, químicos ou físicos neles envolvidos.
Competência de área 5 – Entender métodos e procedimentos próprios das ciências naturais e aplicá-los em diferentes contextos.
Habilidade 17 – Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica.
Habilidade 18 – Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam.
Competência de área 6 – Apropriar-se de conhecimentos da física para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico- tecnológicas.
Habilidade 23 – Avaliar possibilidades de geração, uso ou transformação de energia em ambientes específicos, considerando implicações éticas, ambientais, sociais e/ou econômicas.
12. DIRETRIZES DO DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Dentre as seis diretrizes apontadas pela Comissão Mundial sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento, está presente nesse plano de aula:
117 13. REFERÊNCIAS
BRASIL. Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Secretaria de educação Média e Tecnológica – Brasília: MEC, 2002.
______ Ciências da natureza, matemática e suas tecnologias. Matriz de referência do exame nacional do ensino médio. Secretaria de educação Média e Tecnológica – Brasília: MEC, 2009.
118 6. RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÕES
6.1 Plano de aula 01 – Construindo um conceito
Tínhamos como objetivo na aula 01 compreender o conceito de desenvolvimento sustentávelde forma que os alunos fossem capazes de utilizá-lo no seu cotidiano. Para avaliar se nossos objetivos tinham sido atingidos, solicitamos aos alunos que elaborassem, em grupos de quatro alunos, um projeto, com o uso do conceito de desenvolvimento sustentável e utilização de ao menos uma das seis diretrizes do desenvolvimento sustentável, propostos no Relatório Brundtland. Esse projeto deveria trazer uma solução para algum problema enfrentado pela sociedade da região do Vale do Açu. Essa atividade foi entregue ao professor pelos grupos aproximadamente 15 dias da aula. No decorrer desses 15 dias houve disponibilização de horários no turno diferente ao da aula para que os alunos pudessem ter um acompanhamento extra da atividade.
Dessa forma, cada grupo entregou um projeto para resolver um problema enfrentado pela sua comunidade ou cidade. Diante dos projetos recebidos verificamos que os alunos obtiveram com êxito o objetivo da aula, pois houve, de fato, uma compreensão do conceito de desenvolvimento sustentável.
119 Figura 05 Parte do projeto do grupo JA.
Figura 06 Parte do projeto do grupo MC.
120 Figura 08 Título do projeto do grupo ES.
6.2 Plano de aula 02 – Tentando limpar a casa
Indicadores mostram que os objetivos da aula foram alcançados. Todos os alunos entregaram suas atividades e o nível dos mesmos foi muito satisfatório. Os grupos de alunos fizeram uma busca de informações sobre as formas de energia apresentadas no início daquela aula, que foi entregue no próximo encontro, mostrando suas vantagens e desvantagens. Alguns grupos foram além do solicitado e incluíram outros dados, tais como matriz energética.
121 Figura 09 Parte da busca de informações do grupo K
122 Figura 10 Parte da busca de informações do grupo K
123
Figura 11 Parte da busca de informações do grupo AL 6.3 Plano de aula 03 – Eu amo as banguelas!
Os objetivos do plano de aula 03 não foram satisfatoriamente atingidos, pois de todos de 82 resumos que deveriam ter sido entregues apenas 42 alunos entregaram seus resumos. A partir da leitura dos resumos podemos classificá-los da seguinte forma:
1. Resumo feito sem consulta de livros/internet – RS;
2. Resumo parcialmente feito com consulta de livros/internet – RP; 3. Resumo totalmente feito com uso de livro/internet – RT.
124 Gráfico 02 Análise do plano de aula 03, com relação a qualidade de resumo produzido pelos alunos
Figura 12 Parte do resumo solicitado ao aluno “K” como parte da avaliação do 4º bimestre.
Figura 13 Parte do resumo solicitado ao aluno “j” como parte da avaliação do 4º bimestre
Com isso, podemos verificar que os resumos foram feitos em sua grande maioria utilizando parcial ou totalmente consulta em livros/internet.
Outra análise que podemos fazer é quanto à presença do termo Desenvolvimento Sustentável ou Meio Ambiente, nos resumos:
RS; 4
RP; 9
125 Gráfico 03 Análise do plano de aula 03, com relação ao uso do termo desenvolvimento sustentável
Figura 14 Parte do resumo solicitado ao aluno “j” como parte da avaliação do 4º bimestre. Texto elaborado sem uso de livro/internet.
Figura 15 Parte do resumo solicitado ao aluno “a” como parte da avaliação do 4º bimestre. Texto elaborado com uso de livro/internet.
A partir dessa atividade começamos a perceber um envolvimento maior dos alunos nas atividades, pois eles começaram a entender que o ensino de Física pode
COM O TERMO DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL; 2 SEM O TERMO DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL; 40
126 ser prazeroso e envolvente. Os alunos fazem comentários sobre a mudança na postura do professor (ver figura 14), passando a fazer novas analises sobre o que deve ser uma aula de física.
6.4 Plano de aula 04 – Gastando energia
Essa foi a primeira aula dedicada a resolução de exercícios. O resultado da avaliação da aula 04 foi muito animador. Todos os 82 alunos entregaram a lista de exercício. Os índices de acertos das questões foram:
Gráfico 04 Número de questões corretas por aluno 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 a 4 questões 5 questões 6 a 7 questões 8 a 10 questões
N ú m ero d e al u n o s Número de acertos
127 Figura 16 Lista entregue pelo aluno DA
128 Figura 17 Lista entregue pelo aluno KL
129 Figura 18 Lista entregue pelo aluno AA
130 6.5 Plano de aula 05 – Tudo que sobe tem que descer
Quando comparamos o nível de textos produzidos no plano de aula 05 em relação ao plano de aula 03, verificamos que houve uma grande melhora nos textos, na compreensão do conceito de desenvolvimento sustentável e na participação efetiva dos alunos. Vejamos o gráfico:
Gráfico 05 Análise do plano de aula 05 quanto ao nível do texto em relação aos objetivos propostos para esta aula
Figura 19 Totalidade de um texto argumentativo sobre a construção de uma usina hidrelétrica solicitado ao aluno “l”. Texto considerado não satisfatório.
Figura 20 Parte de um texto argumentativo sobre a construção de uma usina hidrelétrica solicitado ao aluno “D”. Texto considerado não satisfatório.
3 47 22 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
131 Figura 21 Parte de um texto argumentativo sobre a construção de uma usina hidrelétrica solicitado ao aluno “W”. Texto considerado satisfatório.
Figura 22 Parte de um texto argumentativo sobre a construção de uma usina hidrelétrica solicitado ao aluno “CG”. Texto considerado satisfatório.
Percebemos que a grande maioria dos alunos fizeram textos satisfatórios no que diz respeito a atingir os objetivos propostos para essa aula.
Concluimos que com o passar das aulas os alunos ficaram mais a vontade para falar sobre o que pensam sobre o tema sugerido – construção de uma usina hidrelétrica. Isso se deve ao fato dos alunos estarem mais familiarizados com o tema que foi sendo apresentado/tratado no decorrer das aulas de Física.
Podemos perceber que os alunos começam a ter uma visão mais crítica a respeito de assuntos de grande relevância como a construção de uma usina hidrelétrica. dessa forma, podemos concluir, que a abordagem CTSA mostra sinais de sua eficácia em sala de aula, pois os alunos começaram a participar mais
132 mostrando suas ideas, criticando autoridades governamentais e técnicos/cientistas, favorecendo uma visão crítica do tema trabalhado na aula.
6.6 Plano de aula 06 – Nada se perde, tudo se transforma!
Nessa aula foi mostrada a lei de conservação da energia mecânica e a leitura e discussão do texto de apoio, mostrando o funcionamento de uma usina hidrelétrica bem como dos impactos ambientais que tal forma de geração de energia produz. Os alunos trouxeram de casa informações sobre os impactos causados por usinas hidrelétricas, nucleares e eólicas. Com isso percebemos o envolvimento de cada aluno nas questões de conservação do meio ambiente, bem como no bem estar das comunidades próximas a essas usinas. Como forma de avalição, pedimos aos alunos no final da aula que respondessem uma questão sobre a referida lei. O número de acertos dessa questão foi:
Gráfico 06 Índice de acertos na questão proposta na aula 6 0 10 20 30 40 50 60 70
faltaram a aula acertaram a questão erraram a questão
N ú m ero d e al u n o s Situação do aluno
133 6.7 Plano de aula 07 – Gastando mais energia
Como toda aula foi dedicada a resoluções de questões, vamos analisar os resultados dessa aula com uma análise dos resultados da atividade avaliativa que ocorreu na aula seguinte.
A seguir as questões desta atividade:
1. (UFRN – 2009) A produção de energia proveniente de maré, sistema maré- motriz (no qual se utiliza o fluxo das marés para movimentar uma turbina reversível capaz de converter em energia elétrica a energia potencial gravitacional da água), constitui-se numa alternativa de produção de energia de baixo impacto ambiental. Um sistema desse tipo encontra-se em funcionamento na localidade de La Rance, França, desde 1966, com capacidade instalada de 240 megawatts. As figuras abaixo mostram, esquematicamente, um corte transversal da barragem de um sistema maré-motriz, em quatro situações distintas, evidenciando os níveis da água, nos dois lados da represa (oceano e rio), em função da maré. As duas situações que permitem a geração de energia elétrica são:
a) I e IV b) I e III c) II e III d) II e IV
2. (UFRN -- 2010) As usinas nucleares funcionam a partir da grande quantidade de calor liberada pelas reações nucleares. O calor é absorvido por um circuito de água primário, do tipo ciclo fechado. Esse circuito fica em contato com outro, o circuito secundário, que, por sua vez, produz vapor de água a alta pressão, para fazer girar uma turbina capaz de acionar um gerador elétrico, conforme mostra, esquematicamente, a figura abaixo.
134 Com base nas informações acima, a sequência correta das principais formas de energia envolvidas nesse processo é:
a) energia nuclear, energia mecânica, energia potencial e energia elétrica.
b) energia nuclear, energia mecânica, energia térmica e energia elétrica.
c) energia nuclear, energia potencial, energia mecânica e energia elétrica.
d) energia nuclear, energia térmica, energia mecânica e energia elétrica.
3. (PUC – 2000) Uma pedra rola de uma montanha. Admita que no ponto A, a pedra tenha uma energia mecânica igual a 400J. Podemos afirmar que a energia mecânica da pedra em B:
a) certamente será igual a 400J. b) certamente será menor que 400J. c) certamente será maior que 400J.
d) será maior que 400J se o sistema for conservativo. e) será menor que 400J se o sistema for dissipativo.
4. (ENEM) A energia térmica liberada em processos de fissão nuclear pode ser utilizada na geração de vapor para produzir energia mecânica que, por sua vez, será
135 convertida em energia elétrica. Abaixo está representado um esquema básico de uma usina de energia nuclear.
A partir do esquema são feitas as seguintes afirmações:
I. a energia liberada na reação é usada para ferver a água que, como vapor a alta pressão, aciona a turbina.
II. II. a turbina, que adquire uma energia cinética de rotação, é acoplada mecanicamente ao gerador para produção de energia elétrica.
III. III. a água depois de passar pela turbina é pré-aquecida no condensador e bombeada de volta ao reator.
Dentre as afirmações acima, somente está(ão) correta(s):
a)I. b)II. c) III. d) I e II. e) II e III.
5. (PUC – 2001) Vários processos físicos envolvem transformações entre formas diferentes de energia. Associe a coluna superior com a coluna inferior, e assinale a alternativa que indica corretamente as associações entre as colunas:
136 a) 1-d, 2-e, 3-b, 4-a, 5-c b) 1-d, 2-a, 3-b, 4-e, 5-c c) 1-b, 2-e, 3-d, 4-a, 5-c d) 1-d, 2-b, 3-c, 4-a, 5-e e) 1-b, 2-a, 3-d, 4-e, 5-c
6. (UFV – 2000) Analise as seguintes situações 1. Um corpo cai em queda livre.
2. Um corpo desce, com velocidade constante, ao longo de um plano inclinado. 3. Um corpo move-se ao longo de um plano horizontal, até parar.
4. Um corpo é mantido em repouso sobre um plano horizontal.
5. Um corpo é empurrado ao longo de um plano horizontal sem atrito, aumentando a sua velocidade.
Das situações acima, as únicas nas quais a energia mecânica total do corpo diminui, são:
137 a) 1 e 5 b) 1 e 4 c) 2 e 4 d) 2 e 3 e) 2 e 5
7. Um paraquedista está caindo com velocidade constante. Durante essa queda, considerando-se o paraquedista em relação ao nível do solo, é correto afirma que: a) Sua energia potencial gravitacional se mantém constante;
b) Sua energia potencial gravitacional está aumentando; c)sua energia cinética se mantém constante;
d) sua energia cinética está diminuindo;
e) a soma de energia cinética e da energia potencial gravitacional é constante.
8. (UFMG – 2004) Da janela de seu apartamento, Marina lança uma bola verticalmente para cima, como mostrado na figura. Despreze a resistência do ar. Assinale a alternativa cujo gráfico melhor representa a velocidade da bola em função do tempo, a partir do instante em que ela foi lançada.
138 9. Vimos durante as últimas semanas nas aulas de física que os assuntos ligados a disciplina eram mediados a partir de um eixo temático. Qual é esse eixo temático? Quais são as seis diretrizes desse eixo temático? E por fim relacione três problemas vivenciados pela sociedade mundial que evidencie a importância de três dessas diretrizes. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ __________________________________________________________________
Diante desta atividade avaliativa e das respostas fornecidas pelos alunos, chegamos ao gráfico mostrado a seguir:
Gráfico 07 Rendimento dos alunos na atividade avaliativa
0 1 3 8
53
17
0,0 a 0,9 1,0 a 2,9 3,0 a 5,0 5,1 a 5,9 6,0 a 7,9 8,0 a 10,0 Rendimento dos alunos na atividade avaliativa
139 CONCLUSÕES
“Gosto de ser gente porque, inacabado, sei que sou um ser condicionado, mas consciente do inacabamento, sei que posso ir mais além dele. Está é a diferença profunda entre o ser condicionado e o ser determinado.”
Paulo Freire Na tentativa de encontrar mecanismos que favorecessem a ação de levar para sala de aula uma forma mais significativa e prazerosa de estudar e aprender física, partimos para uma pesquisa que gerasse um “norte” para os professores do nível médio.
Como início da pesquisa fomos buscar no livro Nosso Futuro Comum, publicado no Brasil pela Fundação Getúlio Vargas em 1987, uma definição para o conceito de desenvolvimento sustentável; tal conceito nos deu suporte para servir de eixo temático nas nossas aulas de física. Passamos a seguir a procurar nos documentos oficiais do Ministério da Educação para o ensino médio, dentre eles LDB 9394/96, PCNEM, PCN+ e a matriz de referência do Enem o que, de fato, deve ser o ensino de física no ensino médio.
A medida que íamos nos debruçando sobre os documentos oficiais verificamos sinalizações para uma postura mais problematizadora, crítica, contextualizada e interdisciplinar com o uso de temas estruturadores e fomos percebendo a necessidade de repensar sobre o fazer pedagógico do professor de física no ensino médio bem como da função do professor na sala de aula. Dessa