Aula Prática – Fundamentos de Física

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Roteiro
Aula Prática

FUNDAMENTOS DE FÍSICA

Público

ROTEIRO DE AULA PRÁTICA

FUNDAMENTOS DE FÍSICA

OBJETIVOS

Definição dos objetivos da aula prática:

Nessa aula prática abrangeremos os seguintes temas: conservação de energia, energia cinética, energia potencial, energia térmica, fricção (atrito), entre outros.

Nossos objetivos de aprendizagem são:

1. Explicar o conceito de Conservação de Energia Mecânica usando energia cinética, energia potencial gravitacional e energia térmica.
2. Descrever como a alteração da massa, fricção ou gravidade afeta a energia do skatista.
3. Descrever o que ocorre com a energia no sistema quando a altura de referência muda.

RESULTADO DE APRENDIZAGEM:

UTILIZANDO O SIMULADOR PHET PARA O ESTUDO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA

O PhET (Interactive Simulations) da Universidade do Colorado oferece simulações de ciência e matemática divertidas, gratuitas, interativas e baseadas em pesquisa. Cada simulação é testada e avaliada extensivamente para garantir a eficácia educacional. Esses testes incluem entrevistas com alunos e observação do uso da simulação em salas de aula. As simulações são escritas em HTML5 (com algumas simulações legadas em Java ou Flash) e podem ser executadas online ou baixadas para o seu computador. Todas as simulações são de código aberto. As simulações HTML5 podem ser executadas em sistemas iPads, Chromebooks, PC, Mac e Linux.

Nessa etapa de nossa aula atividade, você irá trabalhar com o simulador “Energia na pista de skate” (figura abaixo) o qual aborda um tema muito importante na Física: a lei de conservação de energia mecânica.

O ALUNO DEVERÁ ENTREGAR UM TEXTO SOBRE OS RESULTADOS ENCONTRADOS

O Princípio de Conservação de Energia é uma das leis fundamentais da física e afirma que:

“A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra.”

Explicando: Em um sistema isolado (ou seja, sem trocas de energia com o ambiente), a quantidade total de energia permanece constante ao longo do tempo. Isso significa que toda energia que entra ou sai do sistema aparece em outra forma — nunca desaparece.

Exemplos de Transformações de Energia:

• Mecânica em Térmica: Quando você freia um carro, a energia cinética se transforma em calor nos freios.
• Química em Elétrica: Em uma bateria, reações químicas geram corrente elétrica.
• Elétrica em Luminosa: Em uma lâmpada, a eletricidade se transforma em luz (e também em calor).
• Potencial em Cinética: Ao soltar um objeto em queda, a energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética.

COMO ACESSAR O SIMULADOR

1. Para acessar o simulador PhET “Energia na Pista de Skate” é necessário acessar o link https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/energy-skate-park ou https://phet.colorado.edu/pt_BR/.
2. Clique na seta mostrada para ter acesso ao simulador.
3. Clique duas vezes em “Medições”.
4. A figura abaixo mostra o simulador.

MENUS DO SIMULADOR “ENERGIA NA PISTA DE SKATE

1. No canto inferior esquerdo, selecione a opção “Grade”. A grade lhe auxiliará a encontrar o valor da altura em que o skatista estará durante seu movimento.
2. No quadro da direita, selecione “Gráfico Setorial”. Essa opção permite que um gráfico (do tipo pizza) apareça, juntamente com o skatista em movimento, onde serão mostradas as parcelas de energia cinética, energia potencial, energia térmica e energia total. Do lado superior esquerdo está a legenda.
3. No quadro da direita, selecione “Rapidez”. Ao selecionar essa opção, aparecerá um tipo de velocímetro onde será mostrada a velocidade do skatista durante seu movimento.
4. No quadro da direita, clique com o mouse no cronômetro e, mantendo a tecla esquerda do mouse apertada, posicione o cronômetro como na figura abaixo.
5. No quadro da direita, há uma opção que permite que você escolha o tipo de pista a ser utilizada.
6. No quadro da direita, na opção “Atrito”, você pode escolher se haverá ou não atrito entre as rodas do skate e a pista.
7. No quadro da direita, na opção “Gravidade”, você pode escolher o valor da aceleração da gravidade que estará agindo sobre o skatista.
8. No quadro da direita, na opção “Massa”, você pode escolher o valor da massa do skatista.
9. No canto superior esquerdo (em roxo) há um medidor dos tipos de energia que estão agindo no sistema. O terminal deve ser posicionado na pista. Para tanto, clique no terminal com o botão esquerdo do mouse e, sem soltar o botão, posicione-o no local em que você quer medir as energias. Durante o movimento do skatista, quando ele passar pelo ponto marcado, você poderá obter: o valor da velocidade, o valor da altura e os valores das energias.
10. Clicando no skatista com o botão esquerdo do mouse e, sem soltar o botão, você consegue posicioná-lo na pista. Quando o skatista estiver na pista, aparecerá o gráfico setorial juntamente com ele.
11. Para começar o movimento do skatista, basta acessar o menu inferior central. Nesse menu você poderá escolher se quer que o movimento seja mostrado lentamente ou mais rapidamente. O ideal para obter os dados é a escolha do movimento lento. Você poderá pausar o movimento quando você quiser.
12. Exemplo:
13. Para voltar à configuração inicial, basta clicar em (canto inferior direito do simulador).

PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES

Procedimento/Atividade n° 1: Conservação de energia em um sistema.

Avaliado os resultado

(1) Posicione o terminal do menu energia em 5 pontos da pista e preencha a tabela abaixo. Considere m_skatista = 60 kg, g = 9,8 m/s² e atrito nulo.

Tabela 1.1 – Dados obtidos pelo simulador (m_skatista = 60 kg)

sendo: h a altura em metros; v a velocidade (rapidez) em m/s; K a energia cinética em Joule; U a energia potencial gravitacional em Joule e E a energia total (E = K + U) em Joule.

Analise a última tabela, está reportando algum princípio da física? Considerando os dados de altura e de velocidade da tabela, faça uma tabela com dados calculados dos valores de K, U e E utilizando as fórmulas teóricas.

PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES

Procedimento/Atividade n° 2: Conservação de energia em um sistema.

Proposta: Analisar o movimento de um skatista numa pista com atrito

(2.1) Considerando os dados de altura e velocidade da Tabela 1, faça uma Tabela 2 com dados calculados dos valores de K, U e E utilizando as fórmulas teóricas. Verifique se há as discrepâncias entre dados obtidos (Tabela 1.1) e os dados calculados (Tabela 2.1). O aluno deverá apresentar a seguinte tabela. Justifique sua resposta.

Formulário:

K = ½mv²
U = mgh
E = K + U
σ_r = |(V_medido − V_calculado) / V_medido| ∗ 100 ⇒ (erro relativo)

Tabela 2.1 – Dados coletados através do simulador (m_skatista = 60 kg)

sendo: h a altura em metros; v a velocidade (rapidez) em m/s; K a energia cinética em Joule; U a energia potencial gravitacional em Joule e E a energia total (E = K + U + E_T) em Joule.

Para verificar as discrepâncias entre dados obtidos (Tabela 1.1) e os dados calculados (Tabela

Considerando os dados de altura (2.2) e velocidade da tabela (2.2), recalcule os valores de K e U, utilizando as fórmulas teóricas. Compare os valores das colunas duas últimas e calcule o erro relativo percentual para K e U.

PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES

Procedimento/Atividade n° 3: Conservação de energia em um sistema.

Proposta: Analisar o movimento de um skatista numa pista com atrito

(3.1) Posicione o terminal do menu energia em 5 pontos da pista e preencha a tabela abaixo. Considere m = 60 kg, g = 9,8 m/s² e atrito não nulo.

Tabela 3.1 – Dados coletados

sendo: h a altura em metros; v a velocidade (rapidez) em m/s; K a energia cinética em Joule; U a energia potencial gravitacional em Joule; E_T a energia térmica em Joule e E a energia total (E = K + U + E_T) em Joule.

Observação: os valores de h e v devem ser iguais aos valores apresentados na Tabela 1.1.

(2.2) Considerando os dados de altura e velocidade da tabela 3,1, recalcule os valores de K e U, utilizando as fórmulas teóricas. Compare os valores das tabelas 4 e 5 e calcule o erro relativo percentual para K e U.

Formulário:

K = ½mv²
U = mgh
σ_r = |(V_medido − V_calculado) / V_medido| ∗ 100

Tabela 4.1 – Dados calculados (60 KG)

Tabela 6 – Erros relativos

Avaliando os resultados

(1) Análise do comportamento do movimento do skatista numa pista sem atrito. Considere m_skatista = 60 kg, g = 9,8 m/s² e atrito não-nulo.

Os dados da Tabela 1.1 referente à análise do comportamento do movimento do skatista numa pista sem atrito, ilustra qual princípio da Física? Justifique sua resposta, enunciando-o.

Usando os dados da Tabela 1.1, faça os gráficos: K × v e U × h.

O que significa cada gráfico?

E os gráficos K × v² e U × h.

(2) Análise do comportamento do movimento do skatista numa pista sem atrito. Considere m_skatista = 60 kg, g = 9,8 m/s² e atrito não-nulo.

Considerando os dados de altura e velocidade da Tabela 1.1, faça uma Tabela 2.1 com dados calculados dos valores de K, U e E utilizando as fórmulas teóricas. Compare os valores das tabelas 1 e 2 e calcule o erro relativo percentual para K e U mostrados.

Tabela 3.1 – Erros relativos.

Quais as conclusões que podem ser tiradas da Tabela 3.

(3) Análise do comportamento do movimento do skatista para diferentes massas.

Analise o movimento de um skatista numa pista sem atrito, considerando a massa do skatista igual a 100 kg.

Compare os valores obtidos com os da Tabela 1 (m_skatista 60 kg).

Tabela 4 1 – Dados calculados

(4) Análise do comportamento do movimento do skatista para diferentes acelerações da gravidade.

Refaça a etapa 1.1 (análise do movimento de um skatista numa pista sem atrito) considerando a aceleração da gravidade na Lua.

Compare os valores obtidos com os da Tabela 1.

Tabela 5 – Dados calculados

(5) Análise dos resultados dos passos (1) a (4)

Faça uma análise dos dados obtidos tendo como base a teoria sobre Conservação de Energia e os exemplos de aprendizagem do simulador.

CHECKLIST

• Acessar o site https://phet.colorado.edu/pt_BR/;
• Clicar no link do experimento ENERGIA NA PISTA DE SKATE;
• Realizar com atenção os passos que devem ser seguidos para que o simulador tenha todos instrumentos de medida;
• Coletar os dados fornecidos pelo simulador considerando o movimento de um skatista numa pista sem atrito e comparar esses dados com os obtidos utilizando as fórmulas aprendidas na disciplina. Comparar esses dados para verificar se há algum erro envolvido na atividade;
• Coletar os dados fornecidos pelo simulador considerando o movimento de um skatista numa pista com atrito e comparar esses dados com os obtidos utilizando as fórmulas aprendidas na disciplina. Comparar esses dados para verificar se há algum erro envolvido na atividade;
• Analisar o comportamento do movimento do skatista para diferentes massas. Comparar os valores obtidos com os da Tabela 1;
• Analisar o comportamento do movimento do skatista considerando a aceleração da gravidade na Lua. Comparar com os valores obtidos com os da Tabela 1;
• Avaliar os resultados.

RESULTADOS

Resultados do experimento:

Escreva um texto contendo as informações obtidas nos experimentos, os cálculos realizados, em conjunto com um texto conclusivo a respeito das informações obtidas. O arquivo não pode exceder o tamanho de 2Mb e deve ser enviado.

Inclua referências bibliográficas ABNT (quando houver).

Resultados de Aprendizagem:

Inclua no seu texto os conceitos de transformação de energia; enuncie o princípio de conservação de energia e sua fórmula geral. Também inclua algumas aplicações na engenharia, energia sustentável, entre outras.

O Uso de simuladores para potencializar a aprendizagem no ensino de Física.

Faça um pequeno texto sobre ao estudo do uso de simuladores para potencializar a aprendizagem no ensino de Física. Para tanto, baixe o artigo ”Simuladores em aulas de Física: quando utilizar?” e faça uma leitura crítica do mesmo. )https://portal.amelica.org/ameli/journal/509/5092220023/html/)

Tendo como base o artigo proposto, monte um mapa mental sobre o assunto abordado.

Para auxiliá-lo na confecção do mapa, leia o artigo “Mapa mental: como fazer e para que serve” disponível em https://www.estudarfora.org.br/mapa-mental/. Acesso em julho 2022. Nesse link há um vídeo explicando o mapa mental.

Você pode também assistir o vídeo “COMO FAZER MAPA MENTAL / técnica de estudo #mapamental | Study Bel”. Disponível em https://www.youtube.com/watch?v=yX9yiNsdf1s. Acesso em julho 2022.

SILVA, Girleide M. da. Simuladores em aulas de Física: quando utilizar? Anais do CIET: EnPED (Congresso Internacional de Educação e Tecnologias – Encontro de Pesquisadores em Educação a Distância). São Carlos: Grupo Horizonte – SEaD – UFSCar. 2020. ISSN: 2316-8722. ISSN: 2316-8722. Disponível em https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2a hUKEwi3s5zxspL5AhUngpUCHeMwDZYQFnoECAYQAw&url=https%3A%2F%2Fcietenped.ufscar.br%2Fsubmissao%2Findex.php%2F2020%2Farticle%2Fdownload%2F1405%2F1070%2F&usg=AOvVaw2cZa95q7wqeK0bMLXIpDZt. Acesso em julho 2022.