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1 Seqüência Didática Licenciatura em Física Período Noturno Alberto Holanda Cavalcanti Nº USP: 3298586 Renata C. de Andrade Oliveira Nº USP: 3683172 Talita Raquel Luz Romero Nº USP: 336702226 São Paulo Dezembro de 2004 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP CAMPUS DE SÃO PAULO FACULDADE DE EDUCAÇÃO DISCIPLINA: METODOLOGIA DO ENSINO DE FISICA II – EDM 425 PROFESSOR DOUTOR MAURICIO PIETROCOLA 2 Índice Página 1. Material didático do Professor 03 1.1 Tópico 04 1.2 Apresentação 04 1.3 Justificativa do tópico 04 1.4 Objetivos gerais 05 1.5 Publico alvo 05 1.6 Conteúdo Físico 05 1.7 Quadro Sintético 06 1.8 Aulas I e II 08 1.9 Aula III 15 1.10 Aula IV e V 21 2. Material didático do Aluno 29 2.1 Medir para conhecer 30 2.2 Atividade I: dê um chute em seu caderno 31 2.3 O nascimento da medida 31 2.4 Atividade II: Criando sua própria unidade de medida 32 2.5 Vamos vender? 32 2.6 Padrões de medida na antiguidade 33 2.7 O misterio da pirâmide 33 2.8 O sistema internacional 34 2.9 Unidades de base ou fundamentais 34 2.10 Vantagens do uso do si 35 36 36 36 37 2.15 Atividade VI – Astrolábio 38 2.16 Atividade VII – Anemômetro 39 2.17 Atividade VIII – Relógio de areia 40 2.18 Atividade IX – Relógio de água 41 2.19 Atividade X – Relógio de sol 42 2.11 Atividade II: pesquisa 2.12 Os instrumentos de medida 2.13 Atividade IV - Balança 2.14 Atividade V – Pluviômetro 3 Material Didático do Professor 4 Tópico Na medida certa. Apresentação “É logo ali”, “É daqui a pouco”, “Está quente” e “Tá muito leve”, são algumas das muitas expressões usadas para indicar distância, tempo, temperatura ou massa. Embora inexatas, essas informações funcionam para o fim a que se destinam. Porém, quando se deseja estimar o tempo de uma viagem, saber se alguém está ou não com febre ou se engordou nas férias, é necessário um grau maior de precisão. Em muitas situações é fácil perceber o envolvimento das medidas nas atividades diárias de qualquer pessoa. No estudo da Física, as medidas também desempenham um papel muito importante, assim, é razoável detectar a necessidade de se adquirir alguns conhecimentos básicos sobre as medidas e as unidades usadas para efetuá-las. Justificativa do Tópico Os livros didáticos, em sua maioria, apresentam uma breve introdução sobre a importância das medidas no estudo da física e percebe-se nos estágios, que os alunos tem alunos têm dificuldades ao efetuar medidas ou escolher o melhor instrumentos em atividades experimentais e/ou para determinar quais são as unidades pedidas em um exercício. Nesta seqüência didática, as medidas da física são apresentadas em termos de evolução histórica. Desta forma, o aluno compreenderá a produção e o papel das Instituições Sociais (como o Sistema Métrico e o Sistema Internacional de Unidades) e econômicas (o Inmetro), associados aos princípios que regulam a convivência em sociedade. Portanto, este tópico foi escolhido visando diminuir, ou mesmo, sanar as dificuldades que o cotidiano escolar desenvolveu para um costume tão antigo e tão presente no dia-a-dia dos alunos, o de fazer medições. 5 Objetivos Gerais Procura-se com esta seqüência didática, desenvolver a noção de medida, fundamental para a ação consciente no cotidiano. Com este intuito optou-se por uma ênfase da “ciência do cotidiano”, o que permitirá ao aluno compreender a natureza evolutiva do conceito de medidas a partir de situações cotidianas que contribuam para uma compreensão mais clara dos métodos e procedimentos da física, quanto ao uso de instrumentos de medidas, adequados para diferentes situações. A importante habilidade de estimar também é trabalhada a partir do dia-a-dia do aluno, e as discussões e experiências em sala de aula mostram a necessidade de um Sistema Internacional e até mesmo que o conceito de exatidão muda a cada dia, graças aos avanços da ciência. Público Alvo Alunos do 1º (primeiro) ano do Ensino Médio. Com duração de 5 (cinco) aulas de 45 (quarenta e cinco) minutos. Conteúdo Físico Durante as aulas abordar-se-ão assuntos tais como: o nascimento da medida, os padrões de medida na Antigüidade, os Sistemas Métrico e Internacional, a precisão das medidas e os diferentes tipos de unidades. 6 Quadro Sintético Aulas I e II Momento Comentário Tempo Distâncias do Cotidiano Os alunos deverão estimar valores para as medidas pedidas. 20 min. Discussão geral O professor deverá construir um quadro, na lousa, junto com os alunos, para comparar as estimativas feitas. 15 min. Criando sua própria unidade de medida Em grupos, os alunos deverão criar unidades de medida para o “produto” determinado pelo professor. 30 min. Vendendo seus “produtos” Os grupos deverão vender seus “produtos” uns aos outros. 15 min. Finalização O professor conversa com a classe sobre a confusão criada durante a venda, seus porquês e soluções. 05 min. Aula III Momento Comentário Tempo Confusões reais O professor conta histórias sobre confusões causadas pelo uso de diferentes unidades de medidas. 10 min. Aula Expositiva Sistema Internacional de Unidades 30 min Finalização Para finalizar, o professor divide a sala em grupos e determina um instrumento de medida para cada grupo pesquisar. 05 min. Aulas IV e V Momento Comentário Tempo Atividade Construção dos instrumentos de medidas 50 min. 7 Experimental pesquisados. Apresentando seus instrumentos Os alunos deverão apresentar para os outros grupos a atividade que realizaram e contar às curiosidades que encontraram em suas pesquisas. 30 min. Finalização O professor finaliza destacando a importância das unidades de medida para a física. 10 min. 8 Aulas I e II Tema Medidas do Cotidiano. Objetivo Apresentar o tema desta seqüência didática incitando os alunos a discutirem sobre as distancia do cotidiano, criarem unidades de medidas e perceberem sua importância no mundo físico. Recursos Instrucionais - Discussões. - Trabalho em grupo. - Material didático dos alunos. Motivação Vivenciar a necessidade de um Sistema Internacional de Unidades. Momentos O professor introduz o tema aos alunos e distribui o material didático conduzindo-os a realizarem a primeira atividade proposta: Medidas do Cotidiano. (Tempo: 20 min.) O professor conduz uma discussão geral sobre a atividade realizada, construindo com os alunos um quadro, na lousa, que permita que comparem suas estimativas com a dos colegas. 9 (Tempo: 15 min.) Dividindo a sala em grupos de cinco alunos, o professor dará a cada grupo um “produto”, para que estes criem as unidades necessárias para sua venda, sem utilizar instrumentos conhecidos. (Tempo: 30 min.) Os alunos deverão vender os “produtos” para seus colegas de classe. (Tempo: 15 min.) Para finalizar a aula o professor permite que os alunos relatem como foram as vendas e pede que pensem, para próxima aula, uma maneira de solucionar o problema causado. (Tempo: 05 min.) 10 Aulas I e II Introdução Estas aulas introdutórias procuram desenvolver a noção de medida, fundamental para a ação consciente sobre o mundo moderno. Parte-se de situações do cotidiano dos alunos, o que contribui par uma compreensão mais clara dos métodos e procedimentos da Física, quanto ao uso de instrumentos de medidas (réguas, relógios, balanças, etc), adequados para diferentes situações. A importante habilidade de estimar também é trabalhada a partir do dia-a-dia do aluno. Além de“chutar” valores para a distancia de sua casa à escola, a largura da porta, o comprimento da sala, etc, o aluno é estimulado a explicar como estes valores podem ser obtidos. Espera-se assim que ele compreenda a idéia do “valor” das grandezas presentes em sua vida. Atividade I – Medidas do Cotidiano Nessa atividade os alunos deverão estimar medidas do cotidiano, ou seja, preencher um valor aproximado para cada grandeza pedida na tabela de seu material didático, similar a seguinte: Grandeza Estimativa Sua própria altura Distância da escola ao centro da cidade Distância da Terra à Lua Distância da Terra à estrela mais próxima Espessura de uma folha de papel Sugestões Se achar conveniente, peça aos alunos que durante a atividade, anotem individualmente, seus procedimentos, resultados e conclusões. Ao final da aula permita que façam uma síntese contendo o acordo estabelecido na discussão com o grupo todo da sala, o 11 Diâmetro de um átomo Altura de uma mesa Altura de uma porta Distância de São Paulo a Brasília Distância da Terra ao Sol Espessura de uma moeda de um centavo Diâmetro de um fio de cabelo Temperatura da sala Peça aos alunos que, neste primeiro momento, não discutam suas estimativas entre si. Após terminarem de preencher seus quadros inicie uma discussão geral, colocando na lousa as estimativas mais extremas para que possam compará-las. Faça perguntas tais como: “Por que são tão diferentes?”, “Por que as estimativas de maiores distancias e menores tamanhos são responsáveis por mais divergências?”, etc, visando introduzir a necessidade de instrumentos de medida que substituam nossas intuições e sentidos. Atividade II – Criando Unidades Divida a sala em grupos e determine para cada grupo um “produto”, como por exemplo: • Grãos de ervilha • Casa / Terreno • Calça e tênis • Farinha de trigo • Televisão • Cerveja / Refrigerante Cada grupo deverá estimar todas as medidas necessárias para a objetivo da atividade, o material utilizado, o procedimento, resultados obtidos e conclusões. Esta síntese deve ser-lhe entregue, assim poderá acompanhar os resultados e conclusões dos alunos e evitar uma avaliação baseada meramente na memorização. Pode determinar que diferentes grupos trabalhem com o mesmo “produto”, para que possam comparar as diferentes maneiras de medir um mesmo “produto”. Neste caso, é interessante que os grupo seja formado por um número menor de alunos. 12 venda deste “produto”, comprimento da casa, temperatura da bebida, quantidade de ervilha, tamanho do tênis, enfim. Terminada esta etapa, deverão “vender” seus produtos uns aos outros. Observe bem cada “venda” estimulando os “compradores” a questionarem as medidas do produto, comparando as unidades do corpo do vendedor com as suas. Para finalizar a aula, permita que alguns alunos relatem as experiências de “compra” e “venda”, destacando as dificuldades encontradas, procurando possíveis soluções e justificando suas escolhas. Peça que os alunos descrevam os instrumentos (partes do corpo, referenciais de massa, etc) utilizados para cada produto, seu objetivo e identifiquem situações do cotidiano em que esse tipo de medição ainda se apresenta. Anote na lousa cada uma das dificuldades e possíveis soluções apontadas, peça que um aluno as registre para que possa retomá-las na próxima aula. 13 Aula III Tema Solucionando um problema. Objetivo Fazer um breve histórico sobre as diferentes unidades de medidas utilizadas por nossos antepassados. E expor, com base nestes referenciais históricos, o Sistema Internacional de Unidades. Conteúdo Físico Sistema Internacional de Unidades. Recursos Instrucionais - Pesquisa. - Material didático dos alunos. Motivação Conhecer as soluções encontradas ao longo da história para as diferentes unidades de medida criadas pelas sociedades. Momentos O professor faz um breve histórico sobre as diferentes unidades de medidas utilizadas por nossos antepassados. (Tempo: 10 min.) 14 Aula expositiva, com referencias históricos, sobre o Sistema Internacional de Unidades e apresentação do quadro de unidades físicas. (Tempo: 30 min.) O professor divide a sala em grupos e determina que cada um deles pesquise sobre um instrumento de medida por ele determinado. (Tempo: 05 min.) 15 Aula III Sugestões: Os textos do material didático dos alunos não contém todas as informações abaixo, selecione o que considerar interessante acrescentar. Pode iniciar essa aula retomando as anotações registradas a seu pedido, por um aluno, na aula anterior. O nascimento da medida A capacidade do ser humano realizar estimativas vem desde muito tempo, pois já em épocas remotas os homens precisavam determinar distâncias para caçar, comparar o tamanho de diferentes objetos de seu cotidiano e fazer trocas. Quando o homem passou a viver em grupo, sua necessidade de realizar medições aumentou. A construção de casas, a divisão de terrenos e o comércio são exemplos de situações em que se utilizam unidades de medida. As primeiras medições foram efetuadas utilizando-se como unidades de medida as partes do corpo, como o comprimento do pé, a largura da mão, o palmo ou a passada. Com o desenvolvimento das civilizações, essas unidades tornaram-se inadequadas, pois, como sabemos e vivenciamos em nossa atividade II, as partes do corpo têm diferentes medida de uma pessoa para outra. Para que as medidas fossem as mesmas em qualquer lugar, foram criados os padrões de medida. Porém algumas unidade baseadas no corpo humano foram transformadas em padrões, muitos dos quais são utilizados até hoje. O dedo polegar originou a unidade padrão da polegada; o côvado (ou cúbito) dos egípcios baseava-se no comprimento equivalente à distância do cotovelo até o estremo dos dedos estendidos; a jarda corresponde a três pés ou a uma passada; e mil passadas duplas formam a milha. Na Grécia Antiga, o dedo foi utilizado como unidade de comprimento padrão, e 16 cada dezesseis dedos eram iguais a um pé; já vinte e quatro dedos eram iguais a um côvado olímpico. Medidas de comprimento usadas na antiguidade Conversões atuais Palmo 22,5 cm Côvado 45 cm Cana 3 m Braça 1,8 m Estádio 180 m Histórico do Sistema Internacional de Unidades O Sistema Internacional de Unidades [SI] está fundamentado em sete unidades de base (comprimento, massa, tempo, corrente elétrica, temperatura termodinâmica, quantidade de matéria e intensidade luminosa) que, por convenção, são tidas como dimensionalmente independentes. Todas as outras são unidades derivadas, formadas coerentemente por multiplicação ou divisão entre si, sem fatores numéricos. O sistema decimal de unidades foi concebido no século XVI, quando era grande a confusão das unidades de pesos e medidas. A partir de 1790, a Assembléia Nacional Francesa solicitou que a Academia Francesa de Ciências desenvolvesse um sistema de unidades que fosse adequado para uso internacional. Este sistema, baseado no metro como unidade de comprimento e no grama como unidade de massa, foi adotado inicialmente como medidas práticas no comércio e na indústria, sendo posteriormente também adotado nos meios técnicos e científicos. A padronização em nível internacional começou em 1870, resultado da Convenção Internacional do Metro, da qual o Brasil foi um dos signatários em maio de 1875, e que foi ratificada em 1921. EstaConvenção estabeleceu a Agência Internacional para Pesos e Medidas (131PM - Bureau International des Pois et Mesures) e constituiu também a Conferência Geral em Pesos e Medidas (CGPM - Conférence Générale de Pois et Mesures), para tratar de todos os assuntos relativos ao sistema métrico. 0 BlPM, 17 cuja tarefa principal é a unificação das medidas físicas, opera sob a supervisão do Comitê Internacional para Pesos e Medidas (CIPM - Comité International des Pois et Mesures) e sob a autoridade da CGPM. As atividades do BIPM, que no início eram restritas apenas às medidas de comprimento e de massa e a estudos metrológicos relativos a estas quantidades, foram estendidas a padrões de medidas de eletricidade (1927), fotometria (1937), radiações ionizantes (1960) e de escalas de tempo (1988) Devido a abrangência das atividades do BlPM, o CIPM criou, a partir de 1927, os Comitês Consultivos de Unidades (CCU - Comité Consultatif des Unítés) para assessorar na elaboração dos documentos a serem levados à aprovação, assegurando uniformidade mundial para as unidades de medidas. Em 1948, a 9a. CGPM, por sua Resolução n. 6, encarregou o CIPM de .. "estudar o estabelecimento de uma regulamentação completa das unidades de medidas" .... e "emitir recomendações pertinentes ao estabelecimento de um guia prático de unidades de medidas, para ser adotado por todos os países signatários da Convenção do Metro". A mesma Conferência Geral adotou também a Resolução n. 7, que fixou princípios gerais para os símbolos das unidades e forneceu uma lista de nomes especiais de unidades. A 10ª. CGPM, em 1954, decidiu adotar como base deste "sistema prático de unidades% as unidades das grandezas de comprimento, massa, tempo, intensidade de corrente elétrica, temperatura termodinâmica e intensidade luminosa. A 1 Ia. CGPM, em 1960, através de sua Resolução n. 12, adotou finalmente o nome SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, com abreviação internacional SI para o sistema prático de unidades, e instituiu regras para os prefixos, para as unidades derivadas e as unidades suplementares, além de outras indicações, estabelecendo uma regulamentação para as unidades de medidas. A definição de Quantidade de Matéria (mol) foi introduzida posteriormente em 1969 e adotada pela 14ª. CGPM, em 1971. Pesos e Medidas no Brasil Até 1862 o Brasil utilizava as unidades e medidas de Portugal (ex. vara , braça (extensão), quintal (massa), etc), mas estas medidas nunca foram rigorosamente cumpridas. Em 1862 o Sistema Métrico francês foi adotado em todo o Império, mas 18 somente em 1872 foi aprovado o Regulamento do Sistema adotado. Em 1875 o Brasil fez-se representar na Conferência Internacional do Metro, mas como este Ato não foi retificado no Brasil, logo a partir da 1 CGPM (1889), deixamos de manter ligações com esta Entidade. Somente em outubro de 1921, o Brasil aderiu novamente à Convenção do Metro, iniciando em 1935 a elaboração de um projeto de regulamentação do seu sistema de medidas. Com o advento do Estado Novo, foi somente a partir de 1938 que foram fixadas as bases para a adoção definitiva do sistema de pesos e medidas, o que culminou em 1953 com a adesão do Brasil à CGPM. Em 1960, o Brasil participou da 11 a. CGPM, que criou o Sistema Internacional de Unidades. Em conseqüência destes fatos, foi criado em 1961 o Instituto Nacional de Pesos e Medidas (INPM), hoje designado como Instituto Nacional de Metrologia, Normatização e Qualidade Industrial (INMETRO), ao qual cabe a responsabilidade de manter atualizado o quadro geral de unidades e resolver as dúvidas que possam surgir da sua aplicação ou interpretação. Unidades de Base ou Fundamentais São sete unidades bem definidas que, por convenção, são tidas como dimensionalmente independentes: Grandeza Unidade Símbolo comprimento metro m massa quilograma kg tempo segundo s corrente elétrica ampère A temperatura termodinâmica Kelvin K quantidade de matéria mol mol Intensidade luminosa candela cd 19 É o caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 11299 792 458 de um segundo :[17a. CGPM (1983)] Quilograma (kg) Pressão bar bar 1 bar radioatividade curie Ci 1 Ci = 3,7 x 10" exposição (radiação) roentgen R 1 R = 2,58 x 1 õ!' dose absorvida rad rd 1 rd = 0,01 Gy equivalente rem rem 1 rem = 0,01Sv = 10 mSv Vantagens do uso do SI São basicamente quatro as vantagens obtidas no uso do Sistema Internacional de Unidades: • Unicidade: existe uma e apenas uma unidade para cada quantidade física [ex: o metro para comprimento, o quilograma para massa, o segundo para tempo, e assim por diante]. É a partir destas unidades, chamadas fundamentais, que todas as outras são derivadas. • Uniformidade: elimina confusões desnecessárias no uso dos símbolos. • Relação decimal entre múltiplos e sub-múltiplos: a base 10 é conveniente para o manuseio da unidade de cada quantidade física e o uso de prefixos facilita a comunicação oral e escrita. • Coerência: evita interpretações errôneas. OS ARGUMENTOS MAIS FORTES A FAVOR DO USO DO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SÃO UNIFORMIDADE E COERÊNCIA, EVITANDO O RISCO DE CONFUSÃO E AMBIGÜIDADE. O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES É O SISTEMA OFICIAL NO BRASIL. 20 Sugestões: Para dividir os grupos pergunte aos alunos outras unidades conhecidas para distâncias, tempo, massa, temperatura, anote cada uma dessas unidades num papel para fazer um sorteio. Os alunos que pegaram unidades de distância formaram um grupo, os de tempo outro e assim por diante. Se preferir, ao invés de pedir que os alunos pesquisem sobre instrumentos de medida, lance “problemas”, de acordo com as sugestões de cada experimento da próxima aula, e peça que pesquisem sobre as “soluções”. Por exemplo, “Como podemos medir alturas de prédios?” ou “Como é possível medir a quantidade de chuva que cai em uma represa?”. Atividade III - Pesquisa Cada grupo deverá realizar uma pesquisa sobre um instrumento de medidas determinado pelo professor (e relacionado com a unidade sorteada, caso tenha aceito a sugestão acima). Pode-se pesquisar sobre os seguintes instrumentos ou qualquer outro que deseje: • Balança • Pluviômetro • Astrolábio • Anemômetro • Relógio de areia - Ampulheta • Relógio de água - Clepsidra • Relógio de Sol – Gnômon Os grupos poderão pesquisar sobre a história desses instrumentos, suas utilidades e inovações, além de outros instrumentos com o mesmo objetivo e as concepções de medida em diferentes comunidades e épocas. 21 Aulas IV e V Tema Com a mão na massa. Objetivo Construir diferentes instrumentos de medida. Recursos Instrucionais - Laboratório ou sala de aula previamente preparada para trabalho em grupo. - Pesquisa dos alunos. Motivação Visualizar o funcionamento dos instrumentos pesquisados. Momentos O professor recolherá as pesquisas feitas e distribuirá os materiais para que cada grupo construa seu instrumento de medida. (Tempo: 50 min.) Cada grupo apresenta seus instrumentos e conta às curiosidades encontradas em sua pesquisa para a sala de aula. (Tempo: 30 min.) O professor finaliza a seqüência didática ressaltando o que considerar pertinente. (Tempo: 10 min.) 22 Aulas IV e V Recolha para avaliação as pesquisas feitas pelos alunos, peça que organizem a sala para que continuem trabalhando em grupo. Com todos os materiais para as atividades sobre uma mesa, permita que discutam sobre o que acham necessário para construção do instrumento pesquisado e depois comparem com as instruções do material didático e comecem a atividade. Para esta atividade, oriente-os a, individualmente, anotar todas as hipóteses, discussões, procedimentos, objetivose conclusões numa folha que ao final da aula será recolhida. Com a mão na massa Atividade IV - Balança Material: • Uma régua plástica de 30 cm • Uma vela • Fósforo • Um prego • Um pregador de madeira • Clipes metálicos de papel, de tamanho médio Como fazer: Com o prego (utilize o pregador para segurar o prego enquanto o aquece), aquecido, faça um furo em cada extremidade da régua e Sugestões: Ao invés de mostrar aos alunos como montar os experimentos ou fazer o proposto ao lado, uma vez que fizeram pesquisas sobre eles, entregue os materiais e permita que lancem hipóteses sobre como construir estes instrumentos e as testem. Se possível, tenha uma pomada para queimaduras na sala de aula. 23 no seu centro, abra três clipes e prenda-os nestes furos. Suspenda a régua em qualquer suporte a deixe solta e observe se ela ficou equilibrada. Atividade V – Pluviômetro Material: • Uma garrafa pet de 2L transparente • Cola • Dois palitos de churrasco de madeira • Um pedaço retangular de papelão (10cm x 6 cm) • Régua • Durex • Um vaso de planta • Areia Como fazer: Corte a garrafa a 17 cm do fundo. Coloque a parte de cima da garrafa virada com gargalo para baixo, dentro da parte do fundo. Faça uma fenda no centro do papelão. Com a régua, gradue a parte de dentro da fenda, marcando os centímetros e os milímetros. Cole a escala na parte de baixo da garrafa e cubra-a com durex, para protegê-la da chuva. Passe cola também entre uma parte e outra da garrafa. Cole os espetos de churrasco, com fita durex,m deixando sobrar parte das pontas para baixo. Enterre essas pontas no vaso de planta cheio de areia. Quando chover, ponha o pluviômetro do lado de fora de casa, bem debaixo da chuva. Quando parar de chover, verifique quanto está marcado na escala graduada. Se desejar, contextualize esta atividade apresentando alguns dos freqüentes dados sobre o nível de água nas represas. Questione os alunos quanto à coleta desses dados. 24 Atividade VI – Astrolábio Material: • Um transferidor • Um pedaço de linha ou fio dental • Um clipe de papel de metal • Um tubo de caneta plástica sem a carga Como fazer: Amarre a caneta, pelo meio, com a linha, deixando uma ponta de cerca de 10 cm. Amarre o clipe nessa ponta, cole a caneta na parte reta do transferidor. Agora, é só apontar para o objeto cuja altura você quer medir. No transferidor você terá essa altura marcada em graus. Usando a lei de semelhança entre triângulos, é possível calcular a altura em metros ou centímetros. Atividade VII – Anemômetro Material: • Um espeto de churrasco de madeira • Uma conta de plástico com um furo no qual passe o espeto de churrasco, com folga • Um canudo plástico • Três palitos de dente • Duas rolhas • Uma garrafa pet de 2L com tampa Esta atividade pode ser problematizada com a seguinte pergunta: “Como podemos medir alturas de prédios?”. “Para que saber e como saber a velocidade do vento?”. Esta pergunta pode problematizar a pesquisa que finalizará com a construção do anemômetro. 25 • Areia • Cola • Uma vela • Fóforo • Um prego • Um pregador de madeira • Estilete • Tesoura • Um pedaço de papelão Como fazer: Encha a garrafa de areia, até um pouco abaixo do gargalo. Faça três copinhos (como o modelo indicado no material didático do aluno) de papelão. Dobre os copinhos na linha pontilhada e cole as abas. Recorte uma das rolhas em três rodelas e cole-as no fundo dos copos. Espete um palito de dente em cada rodela de rolha. Espete o palita de churrasco na outra rolha. Faça um furo na tampa da garrafa e passe por ele o canudo plástico, enterrando-o na areia. Encaixe o espeto de churrasco dentro do canudo. Na ponta do espeto, coloque uma conta de plástico. Espete o palito de churrasco na rolha, mas sem atravessá-la. Seu anemômetro está pronto, quanto mais forte é o vento, mais rápido ele gira. Tente contar o numero de vezes que ele gira em um minuto, fazendo uma marca com caneta, em um dos copinhos. Atividade VIII – Relógio de Areia Materiais: Pode-se também, pesquisar somente sobre relógios. Após cada grupo construir sua ampulheta, clepisidra ou gnômon, 26 • Duas garrafas pet de 600 ml, uma delas com tampa • Areia fina, sal ou farinha de trigo • Durex largo • Um prego bem largo • Uma vela • Fósforo • Um pregador de madeira Como fazer: Encha uma das garrafas com a areia, sal ou farinha. Tampe esta garrafa e faça um furo na tampa com o prego aquecido. Cole uma garrafa na outra pelo gargalo com o durex. Ponha a garrafa cheia de areia para baixo e espere. A areia vai cair para a garrafa de baixo. O tempo que a areia leva para passar de uma garrafa para a outra depende da quantidade de areia, do tamanho e do gargalo. Se a areia estiver úmida, pode ser que ela nem caia. Você pode fazer ajustes aumentado ou diminuindo a quantidade de areia. Atividade IX – Relógio de Água Materiais: • Dois recipientes de plástico transparente, em que um deles se encaixe no outro, mas não até o fundo • Relógio que marque segundos • Uma agulha de costura • Uma vela • Água • Pregador de madeira formar grupos maiores com os três relógios para que estabeleçam parâmetros entre as medidas de cada um desses instrumentos e que pensem sobre como estabelecer correspondências entre medidas tiradas segundo diferentes sistemas. 27 • Fósforo Como fazer: Aqueça a agulha e faça um furo no centro do recipiente que se encaixa em cima do outro. Coloque o dedo no furo e encha este recipiente de água. Faça com a caneta, pelo lado de fora a marca do nível inicial de água. Pegues este recipiente e encaixe-o dentro do outro, que está vazio. Atividade X – Relógio de Sol Materiais: • Um pedaço de isopor de 2 cm de espessura e 1m de lado • Uma cartolina com as mesmas medidas • Uma haste de isopor de cerca de 15cm de altura e 1,5cm de espessura • Cola para isopor • Estilete • Esquadro • Régua Como fazer: Coloque no chão a base de isopor e cole a cartolina. Encaixe ou cole no centro da base a haste do gnômon. Use um esquadro para verificar se a haste está perpendicular a base. De uma em uma hora, marque na cartolina um ponto que indique a extremidade da sombra formada pela haste naquela hora. Escreva a lápis na base a hora 28 correspondente aquele ponto. Depois trace com a régua e o lápis retas que saiam do gnômon passem pelos pontos e cheguem até a borda da base. Agora, escreva perto da beirada da base as horas correspondentes a cada uma das retas. Finalização Cada grupo deve fazer uma breve apresentação de sua pesquisa e do instrumento que construiu para os outros alunos. 29 Material Didático do Aluno 30 MEDIR PARA CONHECER Nesta seqüência didática, você vai conhecer situações do dia-a-dia em que as unidades de medida estão bastante presentes em seu dia-a-dia. Vai estudar um pouco da história dos padrões de medida, como o metro e o segundo. Além de utilizar instrumentos de medida (réguas, cronômetros, balanças etc.), você terá a oportunidade de investigar dimensões muito pequenas, como a espessura de uma folha de papel, e dimensões muito grandes, como a distância da Terra até o Sol. Em nossa vida encontramos diversas situações em que precisamos realizar diferentestipos de medidas. Ao planejarmos uma visita a um amigo distante, nos perguntamos qual deve ser, mais ou menos, a distância que nos separa dele. Porém, se o problema for cercar um terreno, será necessário medir de forma mais exata as distâncias que o limitam. Todas as manhãs, ao percebermos a claridade do Sol, temos uma noção aproximada da hora. Mas, se quisermos acordar cedo para um compromisso, vamos precisar de um relógio despertador, que irá nos fornecer uma medida mais precisa do tempo. Ao colocarmos a comida em nosso prato, temos uma idéia de quantos gramas estamos comendo. Porém, quando verificamos nossa massa em uma balança, realizamos uma medição mais precisa. Antes do banho, costumamos pôr a mão na água para verificar qual é, aproximadamente, sua temperatura. Entretanto, quando verificamos a febre de uma pessoa, precisamos medir sua temperatura com o auxílio de um termômetro. 31 Quando bebemos um copo de água temos uma noção do volume de água ingerido, mas se formos vender refrigerantes deveremos indicar precisamente o volume de nosso produto. Todos esses exemplos mostram que, em alguns casos, desejamos apenas ter uma noção aproximada do valor de uma grandeza física, e então realizamos uma estimativa; em outras situações, necessitamos medir com maior precisão e utilizamos para tanto os instrumentos de medida. ATIVIDADE I: DÊ UM CHUTE EM SEU CADERNO Espere um pouco! O que você deve fazer é estimar, ou seja, anotar um valor aproximado para cada grandeza indicada abaixo. (Mas atenção: não use nenhum instrumento de medida; se não souber, "chute"). GRANDEZA ESTIMATIVA Sua própria altura Distância da escola ao centro da cidade Distância da Terra à Lua Distância da Terra à estrela mais próxima Espessura de uma folha de papel Diâmetro de um átomo Altura de uma mesa Altura de uma porta Distância de São Paulo a Brasília Distância da Terra ao Sol Espessura de uma moeda de um centavo Diâmetro de um fio de cabelo Temperatura da sala O NASCIMENTO DA MEDIDA 32 A capacidade do ser humano de realizar estimativas vem desde muito tempo, pois já em épocas' remotas os os homens precisavam determinar distâncias para caçar e comparar o tamanho de diferentes objetos do seu cotidiano. Quando o homem passou a viver em grupo, sua necessidade de realizar medições aumentou. A construção de casas, a divisão de terrenos e o comércio são exemplos de situações em que se utilizam unidades de medida. As primeiras medições foram efetuadas utilizando-se como unidades de medida as partes do corpo, como o comprimento do pé, a largura da mão, o palmo ou a passada. Com o desenvolvimento das civilizações, essas unidades tornaram-se inadequadas, pois, como sabemos, as partes do corpo têm diferentes medidas de uma pessoa para outra. Para que as medidas fossem as mesmas em qualquer lugar, foram criados os padrões de medida. ATIVIDADE II: CRIANDO SUA PRÓPRIA UNIDADE DE MEDIDA 1. Crie unidades de medida com base em partes de seu corpo. Sugestões: o palmo, a largura do dedo, a passada, um fio de cabelo, ou outra que você quiser. Estas unidades deverão determinar todas as dimensões e valores necessários para a venda do objeto que está sendo medido. VAMOS VENDER? Compare as medidas obtidas por você com as obtidas por um colega e discuta as questões a seguir: 1. Vocês obtiveram os mesmos resultados? 2. Por que vocês obtiveram, ou não, os mesmos resultados? 3. O que poderia ser feito para que todos obtivessem resultados mais parecidos? 4. Volte aos itens da atividade I e diga quais as dificuldades em determinar suas medidas com as unidades que você criou 33 PADRÕES DE MEDIDA NA ANTIGUIDADE Diversos padrões de medida foram criados pelo homem em diferentes momentos da história e em diferentes regiões. As unidades de medida baseadas no corpo humano foram transformadas em padrões, muitos dos quais são utilizados até hoje. O dedo polegar originou a unidade padrão da polegada; o côvado (ou cúbito) dos egípcios baseava-se no comprimento equivalente à distância do cotovelo até o extremo dos dedos estendidos; a jarda corresponde a três pés ou a uma passada; e mil passadas duplas formam a milha. Na Grécia Antiga, o dedo foi utilizado como unidade de comprimento padrão, e cada dezesseis dedos eram iguais a um pé; já vinte e quatro dedos eram iguais a um côvado olímpico. MEDIDAS DE COMPRIMENTO USADAS NA ANTIGUIDADE CONVERSÕES ATUAIS Palmo 22,5 cm Côvado 45 cm Cana 3 m Braça 1,8 m Estádio 180 m O MISTERIO DA PIRÂMIDE Próximo ao rio Nilo, por volta de 2600 a.C., na Pirâmide de Quéops, construída há cerca de 4 700 anos, foi determinada uma medida utilizada pelos egípcios denominada "polegada piramidal" Ao estudar esse padrão de medida, cientistas concluíram que o diâmetro da Terra mede 1, 5 bilhão dessas polegadas. A base da pirâmide foi construída 34 de forma a ter um perímetro equivalente a 365,242 polegadas piramidais. Os algarismos desse número correspondem ao número de dias do ano (365,242). O SISTEMA INTERNACIONAL Um dos problemas, mais comumente enfrentados pelos cientistas a partir do final do século XVIII era a existência de diferentes unidades para expressar as subdivisões das unidades padrão de medida estabelecidas pelo Sistema Métrico. Para solucionar esse problema e melhorar a comunicação científica, foi criado o Sistema Internacional de unidades (SI). Em 1960 foram estabelecidos prefixos para os múltiplos (valores grandes) e submúltiplos (valores pequenos) das unidades, UNIDADES DE BASE OU FUNDAMENTAIS São sete unidades bem definidas que, por convenção, são tidas como dimensionalmente independentes: GRANDEZA UNIDADE SÍMBOLO comprimento metro m massa quilograma kg tempo segundo s 35 corrente elétrica ampère A temperatura termodinâmica Kelvin K quantidade de matéria mol mol Intensidade luminosa candela cd METRO (M) É o caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 11299 792 458 de um segundo :[17a. CGPM (1983)] QUILOGRAMA (KG) Pressão bar bar 1 bar radioatividade curie Ci 1 Ci = 3,7 x 10" exposição (radiação) roentgen R 1 R = 2,58 x 1 õ!' dose absorvida rad rd 1 rd = 0,01 Gy equivalente rem rem 1 rem = 0,01Sv = 10 mSv VANTAGENS DO USO DO SI São basicamente quatro as vantagens obtidas no uso do Sistema Internacional de Unidades: • Unicidade: existe uma e apenas uma unidade para cada quantidade física [ex: o metro para comprimento, o quilograma para massa, o segundo para tempo, e assim por diante]. É a partir destas unidades, chamadas fundamentais, que todas as outras são derivadas. • Uniformidade: elimina confusões desnecessárias no uso dos símbolos. • Relação decimal entre múltiplos e sub-múltiplos: a base 10 é conveniente para o manuseio da unidade de cada quantidade física e o uso de prefixos facilita a comunicação oral e escrita. • Coerência: evita interpretações errôneas. 36 OS ARGUMENTOS MAIS FORTES A FAVOR DO USO DO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SÃO UNIFORMIDADE E COERÊNCIA, EVITANDO O RISCO DE CONFUSÃO E AMBIGÜIDADE. O SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES É O SISTEMA OFICIAL NO BRASIL. OS INSTRUMENTOS DE MEDIDA As ilustrações da capa deste material didático, mostram como é necessário ter instrumentos de medida confiáveis em nossa vida. O relógio deve funcionar direito para não nos atrasarmos, ou a balança deve estar regulada para conhecermos nossa massa corporal e assim por diante. Portanto, iremos aprender instrumentalmente, um pouco sobre alguns instrumentos de medida. ATIVIDADE IV - BALANÇA Material: • Uma régua plástica de 30 cm • Uma vela ATIVIDADE II: PESQUISA Em grupo pesquise sobre um dos instrumentos de medidasabaixo listados: • Balança • Pluviômetro • Astrolábio • Anemômetro • Relógio de areia - Ampulheta • Relógio de água - Clepsidra • Relógio de Sol – Gnômon Os grupos poderão pesquisar sobre a história desses instrumentos, suas utilidades e inovações, além de outros instrumentos com o mesmo objetivo e as concepções de medida em diferentes comunidades e épocas. 37 • Fósforo • Um prego • Um pregador de madeira • Clipes metálicos de papel, de tamanho médio Como fazer: Com o prego (utilize o pregador para segurar o prego enquanto o aquece), aquecido, faça um furo em cada extremidade da régua e no seu centro, abra três clipes e prenda-os nestes furos. Suspenda a régua em qualquer suporte a deixe solta e observe se ela ficou equilibrada. ATIVIDADE V – PLUVIÔMETRO Material: • Uma garrafa pet de 2L transparente • Cola • Dois palitos de churrasco de madeira • Um pedaço retangular de papelão (10cm x 6 cm) • Régua • Durex • Um vaso de planta • Areia 38 Como fazer: Corte a garrafa a 17 cm do fundo. Coloque a parte de cima da garrafa virada com gargalo para baixo, dentro da parte do fundo. Faça uma fenda no centro do papelão. Com a régua, gradue a parte de dentro da fenda, marcando os centímetros e os milímetros. Cole a escala na parte de baixo da garrafa e cubra-a com durex, para protegê-la da chuva. Passe cola também entre uma parte e outra da garrafa. Cole os espetos de churrasco, com fita durex,m deixando sobrar parte das pontas para baixo. Enterre essas pontas no vaso de planta cheio de areia. Quando chover, ponha o pluviômetro do lado de fora de casa, bem debaixo da chuva. Quando parar de chover, verifique quanto está marcado na escala graduada. ATIVIDADE VI – ASTROLÁBIO Material: • Um transferidor • Um pedaço de linha ou fio dental • Um clipe de papel de metal • Um tubo de caneta plástica sem a carga Como fazer: Amarre a caneta, pelo meio, com a linha, deixando uma ponta de cerca de 10 cm. Amarre o clipe nessa ponta, cole a caneta na parte reta do transferidor. Agora, é só apontar para o objeto cuja altura você quer medir. No transferidor você terá essa altura marcada em graus. Usando a lei de semelhança entre triângulos, é possível calcular a altura em metros ou centímetros. 39 ATIVIDADE VII – ANEMÔMETRO Material: • Um espeto de churrasco de madeira • Uma conta de plástico com um furo no qual passe o espeto de churrasco, com folga • Um canudo plástico • Três palitos de dente • Duas rolhas • Uma garrafa pet de 2L com tampa • Areia • Cola • Uma vela • Fóforo • Um prego • Um pregador de madeira • Estilete • Tesoura • Um pedaço de papelão Como fazer: Encha a garrafa de areia, até um pouco abaixo do gargalo. Faça três copinhos (como o modelo indicado no material didático do aluno) de papelão. Dobre os copinhos na linha pontilhada e cole as abas. Recorte uma das rolhas em três rodelas e cole-as no fundo dos copos. Espete um palito de dente em cada rodela de rolha. Espete o palita de 40 churrasco na outra rolha. Faça um furo na tampa da garrafa e passe por ele o canudo plástico enterrando-o na areia. Encaixe o espeto de churrasco dentro do canudo. Na ponta do espeto, coloque uma conta de plástico. Espete o palito de churrasco na rolha, mas sem atravessá-la. Seu anemômetro está pronto, quanto mais forte é o vento, mais rápido ele gira. Tente contar o numero de vezes que ele gira em um minuto, fazendo uma marca com caneta, em um dos copinhos. ATIVIDADE VIII – RELÓGIO DE AREIA Materiais: • Duas garrafas pet de 600 ml, uma delas com tampa • Areia fina, sal ou farinha de trigo • Durex largo • Um prego bem largo • Uma vela • Fósforo • Um pregador de madeira Como fazer: Encha uma das garrafas com a areia, sal ou farinha. Tampe esta garrafa e faça um furo na tampa com o prego aquecido. Cole uma garrafa na outra pelo gargalo com o durex. Ponha a garrafa cheia de areia para baixo e espere. A areia vai cair para a garrafa de baixo. O tempo que a areia leva para passar de uma garrafa para a outra depende 41 da quantidade de areia, do tamanho e do gargalo. Se a areia estiver úmida, pode ser que ela nem caia. Você pode fazer ajustes aumentado ou diminuindo a quantidade de areia. ATIVIDADE IX – RELÓGIO DE ÁGUA Materiais: • Dois recipientes de plástico transparente, em que um deles se encaixe no outro, mas não até o fundo • Relógio que marque segundos • Uma agulha de costura • Uma vela • Água • Pregador de madeira • Fósforo Como fazer: Aqueça a agulha e faça um furo no centro do recipiente que se encaixa em cima do outro. Coloque o dedo no furo e encha este recipiente de água. Faça com a caneta, pelo lado de fora a marca do nível inicial de água. Pegues este recipiente e encaixe-o dentro do outro, que está vazio. Se o recipiente de cima é vertical, ou reto, quando ele está mais cheio, a água cai mais depressa. Para compensar essa irregularidade, os egípcios construíram relógios de água com as paredes inclinadas num ângulo de 70 graus. Assim, a água ia caindo com regularidade o tempo todo 42 Na Idade Média, usavam-se velas para medir intervalos de tempo, Traçava-se uma escala na vela, com intervalos de, por exemplo, 15 minutos. Depois de acesa, a vela ia queimando e consumindo os intervalos da escala. Um outro modo curioso de se marcar intervalos de tempo era o de alguns monges da Idade Média. Em certos conventos, havia sempre um monge que ficava lendo, durante a noite.Se ele soubesse exatamente quanto tempo levava para ler cada página, saberia há quantos intervalos de tempo estava de guarda e quanto faltava para ir dormir. ATIVIDADE X – RELÓGIO DE SOL Materiais: • Um pedaço de isopor de 2 cm de espessura e 1m de lado • Uma cartolina com as mesmas medidas • Uma haste de isopor de cerca de 15cm de altura e 1,5cm de espessura • Cola para isopor • Estilete • Esquadro • Régua Como fazer: Coloque no chão a base de isopor e cole a cartolina. Encaixe ou cole no centro da base a haste do gnômon. Use um esquadro para verificar se a haste está perpendicular a base. De uma em uma hora, marque na cartolina um ponto que indique a extremidade da sombra formada pela haste naquela hora. Escreva a lápis na base a hora correspondente aquele ponto. Depois trace com a régua e o lápis retas que saiam do gnômon passem pelos pontos e cheguem até a borda da base. Agora, escreva perto da beirada da base as horas correspondentes a cada uma das retas.
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