O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOSDA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE

2009

Produção Didático-Pedagógica

Versão Online ISBN 978-85-8015-053-7Cadernos PDE

VOLU

ME I

I

GOVERNO DO PARANÁ

SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL – PDE

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA – UEL

A FÍSICA NO COTIDIANO, APRESENTADA

ATRAVÉS DE TEXTOS E EXPERIMENTOS.

AUTORA: PROFª MARIA BEATRIZ PINHEIRO MODOS

ORIENTADORA IES: DRA. HIROMI IWAMOTO

LONDRINA – PARANÁ

2010

1

“Em matéria de física, as primeiras lições devem conter

apenas o que é experimental e interessante de se ver.

Um experimento atraente é, em si, muitas vezes mais

valioso do que vinte fórmulas extraídas de nossas

mentes.”

Albert Einstein

IDENTIFICAÇÃO

ÁREA PDE: FÍSICA

AUTORA: PROFª MARIA BEATRIZ PINHEIRO MODOS

ORIENTADORA IES: DRA. HIROMI IWAMOTO

IES: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA – UEL

NRE: JACAREZINHO

ESCOLA DE IMPLEMENTAÇÃO: COLÉGIO ESTADUAL RUI BARBOSA – E.M.

PÚBLICO ALVO: ALUNOS DO ENSINO MÉDIO DIURNO E NOTURNO

2

SUMÁRIO

APRESENTAÇÃO:.............................................................................................4

Unidade 1: Grandezas Fundamentais da Cinemática........................................6

Unidade 2: Aceleração da Gravidade...............................................................10

Unidade 3: Energia – Usinas Hidrelétricas.......................................................14

Unidade 4: Inércia - O Uso do Cinto de segurança e a Física Uma Maneira

Simples de Salvar vidas....................................................................................18

Unidade 5: Fluidos - Distribuição de Água.......................................................24

Unidade 6: Efeito Joule....................................................................................29

Unidade 7: Calor Específico, Capacidade Térmica e Temperatura.................35

Unidade 8: Aspectos Gerais da Ondulatória, Pêndulo Simples e MHS...........42

Unidade 9: Reflexão da Luz.............................................................................46

Unidade 10: Motor Elétrico...............................................................................50

3

APRESENTAÇÃO

A Física deve ser apresentada como instrumento para a

compreensão do mundo em que vivemos. Essa disciplina possui uma beleza

conceitual ou teórica que por si só poderia tornar seu aprendizado agradável.

Esta beleza, no entanto é comprometida pelos tropeços num instrumental

matemático com o qual a Física é frequentemente confundida, pois os alunos

têm sido expostos ao aparato matemático-formal, antes mesmo de terem

compreendido os conceitos de Física.

Uma maneira de evitar esta distorção pedagógica é começar cada

conteúdo de Física pelo desenvolvimento de uma temática e de uma linguagem

comuns ao professor e a seu aluno, contidas no universo de vivência de ambos,

e que só o transcenda à medida que se amplie a área comum de compreensão

e domínio. Segundo as Diretrizes Curriculares Da Educação Básica – Física:

“ainda que a linguagem matemática seja, por excelência, uma ferramenta para

essa disciplina, saber Matemática não pode ser considerado um pré-requisito

para aprender Física. É preciso que os estudantes se apropriem do

conhecimento físico, daí a ênfase aos aspectos conceituais sem, no entanto,

descartar o formalismo matemático.”

De acordo com as opções de material didático – pedagógico,

decidimos pela elaboração de um Caderno Pedagógico. O Caderno Pedagógico

é um material composto por várias unidades que visa propiciar aos professores

subsídios para a sua prática pedagógica e aos alunos a oportunidade de refletir

sobre o conhecimento historicamente produzido. Esse material contem textos

de fundamentação teórica com, obrigatoriamente as respectivas sugestões de

atividades a serem desenvolvidas. As unidades têm correlação com o tema do

Caderno Pedagógico. Portanto esse Material Didático visa contribuir para a

melhoria das aulas de Física e constitui-se como um instrumento para que os

professores de Física façam uso em suas aulas dos textos e atividades

4

propostas, relacionadas com os conteúdos estruturantes de física: movimento,

termodinâmica e eletromagnetismo.

O objetivo principal desse material didático é através dos textos que

propõe experimentos simples, com materiais acessíveis, despertar o interesse

do aluno para a Física e relacionar com o cotidiano. Busca- se assim,

apresentar aos professores de Física uma metodologia para enriquecer suas

aulas com experimentos que proporcionem a compreensão dos conceitos de

Física, assim como a construção de seu conhecimento.

O presente Caderno Pedagógico está organizado através de dez

unidades que foram escritas pelas professoras: Maria Beatriz Pinheiro Modos e

Sônia Regina Alves dos Anjos, do PDE (Programa de Desenvolvimento

Educacional). As unidades contemplam textos, sugestões de questões que

podem ser usadas no trabalho de vários conteúdos, análise de questões do

ENEM (Exame Nacional do Ensino Médio), relacionadas com os conteúdos das

unidades, para que os alunos fiquem atualizados sobre os temas de Física

abordados e atividades experimentais com as devidas instruções de como

realizar os experimentos.

Referências:

GREEF – Grupo de Reestruturação e Elaboração do Ensino de Física – EDUSP

PARANÁ/SEED. Diretrizes curriculares para a Educação Básica: Física. Curitiba, SEED, 2008.

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Unidade 1: Grandezas Fundamentais da Cinemática Imagem: WWW.google.com.br 1ª Série do Ensino Médio

Objetivo:

Os conteúdos apresentados nesta unidade serão essenciais para

que os alunos conheçam expressões comuns do linguajar da Física e também

para que possam entender assuntos futuros, tendo como estratégia exemplos

cotidianos.

Contexto:

Algumas grandezas físicas são fundamentais para a descrição do

movimento de um corpo qualquer. Qual a diferença entre um conceito e uma

grandeza? De maneira simplificada, podemos dizer que conceito é

simplesmente a noção, a explicação ou a expressão por intermédio de palavras

de algo que desejamos definir, enquanto grandeza é tudo aquilo que pode ser

medido. Obviamente, a toda grandeza está associada o seu respectivo

conceito, mas não podemos dizer que a todo conceito está associada uma

grandeza.

Espaço e deslocamento escalar são as duas grandezas mais básicas

de toda a Cinemática e, por isso devem ser vistas antes de quaisquer outras.

Espaço

Espaço é um número que indica a posição de um corpo dentro de

uma trajetória. O número de sua casa indica qual a posição que ela ocupa em

relação ao início da rua. De maneira parecida, na Física, quando desenhamos a

trajetória descrita por um corpo, se precisar indicar a posição que ele ocupa a

qualquer instante, devemos também utilizar um número. Esse número, uma

6

grandeza importante da Cinemática, é denominado espaço, sendo, geralmente,

representado pela letra S.

Para tirarmos algumas conclusões importantes, vamos fazer uma

analogia entre exemplo do dia-a-dia e situações comumente usadas na Física:

passeando por uma rua qualquer, você passa em frente a uma casa com

número 187. Depois de andar um pouco, passa pela casa de número 73. Sem

fazer meia-volta em momento algum, após mais 50m, percebe estar em frente a

uma casa de número 13. Se percorrer mais 10m passará por um imóvel com

número 3, Chegará a uma casa, prédio ou loja com o número 0? É lógico que

não!!!

Teoricamente, não haveria qualquer problema uma casa apresentar

essa numeração, mas, na prática, não costumamos adotá-la em nosso

cotidiano. Apesar disso, você pode ter certeza que estará exatamente no início

da rua.

Na Física, o ponto de uma trajetória marcado com o número 0 recebe

o nome de origem, podemos escrever S = 0.

Nas trajetórias representadas na Física, ocorre que se você andar

para um determinado lado passará por espaços representados por números

cada vez maiores e, se andar para o outro lado, passará por espaços

representados por números cada vez menores. Na Física, quando queremos

falar das posições marcadas sobre uma trajetória podemos usar espaços

positivos ou negativos.

-3 m -2 m -1 m 0 1 m 2 m 3 m

Podemos, portanto, dar uma definição mais precisa dessa grandeza:

Espaço é um número que indica a posição de um determinado

ponto de uma trajetória, e seu módulo corresponde à distância desse ponto

até a origem.

7

Numa trajetória, espaço de um corpo é o número que indica onde ele

está. Não indica quanto ele andou, nem para onde ele vai.

Atividade Tecnológica Sobre o Assunto Acima:

Objetivo: Visualização das rodovias através de mapas, na sala de informática.

Conforme vimos, espaço é um número associado à posição de um

corpo, ou seja, é um número que indica onde o corpo está. Nas rodovias, os

espaços são chamados de marcos quilométricos. Você sabe onde fica o marco

quilométrico zero (origem) de uma rodovia? Se for uma rodovia federal radial, a

origem estará na cidade de Brasília – DF. No caso de rodovias estaduais radial,

a origem estará na capital do estado. Para São Paulo, usa-se a famosa Praça

da Sé como marco quilométrico zero.

Além das rodovias radiais, existem outros tipos de estradas, cuja

nomenclatura obedece a um conjunto de normas. Conhecer as regras que dão

nomes as diversas estradas do país pode até auxiliar um motorista a se

deslocar mais facilmente por todo nosso território. Veja as regras:

Rodovias Federais – iniciam-se com a sigla BR:

a) Radiais: chegam à Capital Federal ou saem dela e possuem

numerações que se inicia com 0. Exemplo BR-040.

b) Longitudinais: cortam o país no sentido norte-sul ou sul-norte e

possuem numerações que se inicia com 1. Exemplo: BR-116.

c) Transversais: cortam o país sentido leste-oeste ou oeste-leste

e possuem numeração que se inicia com 2. Exemplo: BR-277.

d) Diagonais: cortam o país de forma inclinada em nosso mapa e

possuem numeração que se inicia com 3. Exemplo: BR-307.

e) De ligação: ligam duas outras rodovias e possuem numeração

que se inicia com 4. Exemplo: BR-401.

8

Rodovias Estaduais – iniciam-se com a sigla do estado a que pertencem

(Exemplo: MG, BA, AM, RS, PR, etc.).

a) Radiais: chegam à capital ou saem dela e possuem numeração

par, que representa aproximadamente o ângulo da estrada em relação à

posição da capital. Exemplo: SP-330.

b) Transversais: não passam pela capital estadual e possuem

numeração ímpar, que representa aproximadamente a distância do ponto mais

próximo dessa estrada em relação à capital. Exemplo: SP-55.

Referências:www.portalpositivo.com.br acesso em: 02/07/2010

Imagem: http://www.antt.gov.br acesso em: 02/07/2010

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Unidade 2: Aceleração da Gravidade

Imagem: WWW.google.com.br

1ª Série do Ensino Médio

Objetivo:

O objetivo do experimento é mostrar que dois objetos de formas

iguais, quando soltos de uma mesma altura, levam o mesmo tempo para tocar o

solo, independentemente de suas massas.

Contexto:

Normalmente quando perguntamos a alguma pessoa sobre o tempo

de queda de dois objetos soltos de uma mesma altura, ela nos responderá que

o mais pesado será mais rápido. Além de esta ser uma concepção espontânea,

a física de Aristóteles (384-322 a.C) também afirmava que objetos mais

pesados caíam mais rápidos com relação aos mais leves. Mas Galileu Galilei

(1564-1642) provou experimentalmente que isso não era verdade. Através de

seus experimentos, ele mostrou que os objetos que apresentam o mesmo grau

de resistência ao movimento através do ar, independentemente de seu peso,

em movimento de queda livre, quando soltos de uma mesma altura o tempo

gasto era o mesmo. O fato é que todos os objetos na superfície da Terra sofrem

uma atração em direção ao centro gravitacional do planeta, ou seja, próximo ao

centro da Terra. Na verdade, possuem a mesma aceleração de queda

(aceleração gravitacional). Todos os objetos que iniciam o movimento a partir

do repouso e sujeitos a mesma aceleração quando soltos da mesma altura

devem chegar ao solo com a mesma velocidade. Assim se percorrem o mesmo

intervalo com o mesmo tempo, adquirem a mesma velocidade. Com

velocidades iguais, devem chegar juntos ao solo, se soltos da mesma altura.

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Apesar das pessoas terem a concepção espontânea de que objetos

mais pesados caem mais rápidos com relação aos mais leves, se soltos de uma

mesma altura, através deste experimento mostraremos que isso não é verdade.

Variando as massas de dois objetos iguais, os quais por serem idênticos

apresentam o mesmo grau de resistência ao movimento através do ar,

verificamos que eles chegam ao solo ao mesmo tempo, independentemente de

suas massas. Na realidade, o atrito com o ar é o responsável pelo fato de que

objetos diferentes tenham diferentes tempos de queda. A forma do objeto é que

determina quanto atrito vai existir quando ele for movimentado através do ar.

Assim, por exemplo, duas folhas iguais de mesmo material (portanto, de mesma

massa) possuem tempos de quedas completamente diferentes se uma delas for

amassada em forma de uma bolinha.

Experimento:

A idéia é a de permitir que, dois objetos idênticos, com a mesma

distância em relação ao solo, iniciem uma queda ao mesmo tempo. Então,

mesmo variando as massas dos objetos, poderemos observar se eles têm o

mesmo tempo de queda ou não. O experimento consiste em girar um pedaço

de cabo de vassoura, com duas garrafas idênticas presas por dois pedaços de

barbantes iguais; em cada extremidade livre dos barbantes, é feito um laço e

encaixado a cada prego fixo no cabo a certa distância.

Materiais:

• Garrafas plásticas: que sejam idênticas

• Pregos: dê preferência aos pregos pequenos e sem cabeça (para

melhor deslizamento do barbante)

• Barbante: para cada garrafa utilize 30 cm

• Areia

• Cabo de vassoura: corte o cabo de vassoura ao meio.

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Montagem:

• Fixe os pregos no cabo de vassoura de modo que fiquem

alinhados.

•

• Amarre o barbante na tampa da garrafa e com a outra

extremidade faça um laço e coloque no prego.

• Repita o procedimento para a outra garrafa, deixando o

mesmo comprimento de barbante.

• Coloque certa quantidade de areia em uma das garrafas e o

dobro na outra.

• Levante o cabo de vassoura, horizontalmente, até certa

altura.

• Gire o cabo de vassoura fazendo com que as garrafas se

desprendam ao mesmo tempo.

• Faça com as garrafas vazias ou com a mesma quantidade

de areia.

Esquema Geral de Montagem:

Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

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Comentários:

Se o experimento falhar verifique os seguintes aspectos: os

tamanhos do barbante de cada garrafa devem ser iguais; os pregos devem

estar alinhados e com o mesmo relevo (referente à sua altura); o giro do cabo

de vassoura no momento de soltar as garrafas deve ser rápido; observe se a

altura entre o fundo das garrafas e o solo é igual; para realizar o experimento

para diferentes massas é aconselhável que uma das garrafas esteja completa

de areia e a outra esteja com aproximadamente a metade do conteúdo da

outra.

Conclusão:

O que se pode observar neste experimento é um único som

produzido pelo choque das garrafas com o solo, para qualquer quantidade de

massa em cada garrafa. Conclui-se, que dois objetos de formas iguais, quando

soltos de uma mesma altura, tocam o solo ao mesmo tempo,

independentemente de suas massas.

Referência:

UNESP. Experimentos de Física para o Ensino Médio e fundamental com materiais do dia-a-dia. Disponível em: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ acesso em: 02/02/2010.

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Unidade 3: Energia – Usinas Hidrelétricas

1ª série – Ensino Médio imagem: WWW.google.com.br Objetivos:

Explicar o princípio de funcionamento de usinas para geração de

energia elétrica, com a utilização de conceitos de Física.

Analisar características de questões de provas do ENEM envolvendo

processos de geração de energia elétrica.

Montar um protótipo para ilustração do princípio de funcionamento de

usinas para geração de energia elétrica.

Contexto:

As usinas hidrelétricas, ao final da década de 90, representavam

cerca de 90% da potência elétrica instalada no país (REIS, 2003). Agregam-se

à defesa da utilização de usinas hidrelétricas: o baixo custo de geração de

energia elétrica e a minimização de resíduos poluentes. Entretanto, o

alagamento de grandes áreas impacta, abruptamente, animais e vegetais

existentes na região e modifica aspectos sociais e culturais das populações

locais.

A geração de energia elétrica deve-se ao aproveitamento do

potencial hidráulico de rios. A energia potencial gravitacional armazenada pela

diferença de potencial entre níveis de água é transformada em energia cinética

de rotação em turbinas. A rotação dessas turbinas ocasiona uma variação de

fluxo magnético em espiras. A Lei de Faraday estabelece que a variação de

fluxo magnético em uma espira ocasiona a indução de uma força eletromotriz

em seus terminais. A Lei de Lenz estabelece que essa corrente elétrica

induzida gera um campo magnético em oposição à variação de fluxo magnético

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que a induziu. Dessa forma, obtém-se energia elétrica a partir da energia

mecânica, associada à rotação das turbinas.

Atividades:

Nestas atividades, você deverá analisar questões sociais, culturais e

ambientais associadas à ciência e tecnologia, considerando geração de energia

elétrica, com a utilização de conceitos físicos relacionados à mecânica e ao

eletromagnetismo. Para isso agende uma visita com seus alunos a uma Usina

Hidrelétrica mais próxima.

1)Analise questões do ENEM e do novo ENEM relacionadas à

geração de energia elétrica.

2)Em atividade experimental, envolvendo princípios de

funcionamento de usina hidrelétrica, identifique os conhecimentos de Física

associados.

Experimento: Usina Hidrelétrica

Objetivo:

Neste experimento, você poderá verificar o princípio de funcionamento de uma usina hidrelétrica.

Materiais:

• Garrafa plástica de 2 litros

• Suporte metálico

• Arame fino flexível

• Cola para metais

• Mangueira plástica flexível com diâmetro de 5 mm

• Hélice

• Arame para eixo (20 cm)

• Envoltório de caneta esferográfica

• Régua plástica

• 10 m de fio de cobre esmaltado

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• Prego de 7 a 8 cm de comprimento

• Ímã de barra

• Bandeja plástica

• Multímetro e cabos

Montagem do Protótipo imagem: Noemi Sutil

1) Faça um furo no fundo da garrafa plástica e

cole nele a mangueira com cola de silicone.

2) Prenda a garrafa ao suporte metálico.

3) Coloque o eixo da hélice por dentro do envoltório da caneta.

4) Em uma das pontas do eixo, coloque a hélice; na outra, um ímã de

barra.

5) No prego, enrole o fio de cobre esmaltado, até cobrir todo o prego,

deixando sobra de 10 cm em cada ponta.

6) Na régua plástica, fixe o conjunto formado pela hélice, pelo eixo e pelo

ímã e o prego enrolado em fio de cobre esmaltado.

7) Fixe a régua plástica na bandeja.

8) Conecte as extremidades do fio de cobre esmaltado ao multímetro.

Procedimento:

1) Com a utilização da mangueira, coloque água na hélice, de forma que

ela passe a rotacionar.

2) Verifique a existência de corrente elétrica no conjunto com a utilização

do multímetro.

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Pesquisa na Internet:

imagem: WWW.google.com.br

1) Para começar Assista ao vídeo “Usinas Hidrelétricas” do Portal dia a dia Educação do estado do Paraná.

2) Como funciona uma usina hidrelétrica?

3) O que diferencia uma usina hidrelétrica de outras formas de geração de energia elétrica, como a utilização de ventos, marés, ondas, geotermas ou ainda das usinas termelétricas e nucleares?

4) A geração de energia elétrica com a utilização de energia solar se baseia no mesmo princípio da usina hidrelétrica?

Referências Comentadas:FURUKAWA, Claudio. Miniusina hidrelétrica. Ciência hoje na escola, v. 12:

eletricidade, p. 48-50, 2001.

Nesse artigo, o autor apresenta uma sugestão de montagem de uma

miniusina hidrelétrica.

http://www.diaadia.pr.gov.br/tvpendrive/modules/debaser/genre.php?genreid=40 acesso em: 15/07/2010

REIS, Lineu Belico dos. Geração de energia elétrica: tecnologia, inserção

ambiental, planejamento, operação e análise de viabilidade. 3. ed. Barueri:

Manole, 2003.

Nesse livro, o autor apresenta diversas formas de geração de energia

elétrica, destacando características, aspectos benéficos e impactos ambientais.

Entre as formas de geração de energia abordadas estão: centrais hidrelétricas e

termelétricas, sistemas solares e eólicos, células a combustível.

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Unidade 4: Inércia - O Uso do Cinto de Segurança e a Física Uma Maneira Simples de Salvar vidas

1ª série do Ensino Médio

imagem:WWW.google.com.br Introdução:

A Física tem como objeto de estudo o Universo em toda a sua

complexidade e, por isso, como disciplina escolar propõe aos estudantes o

estudo da natureza entendida segundo Menezes (2005), como realidade

material sensível. Ressalta-se que os conhecimentos de Física apresentados

aos estudantes do Ensino Médio não são coisas da natureza ou a própria

natureza, mas modelos elaborados pelo Homem no intuito de explicar e

entender essa natureza. Nesse contexto vamos refletir sobre a forte cultura

automobilística na qual estamos inseridos, e que destaca o automóvel como

bem indispensável. Os jovens, principalmente, costumam estar expostos aos

apelos dessa mesma cultura, muito cedo, estando envolvidos em discursos que

associam o estar dirigindo um automóvel à potência, competitividade e prazer.

De acordo com essa forte cultura automobilística, o indivíduo que

possui o último modelo do ano, ou mesmo aquele que recém adquiriu seu

primeiro automóvel, muitas vezes sente-se tão superior ao sentar-se atrás do

volante que pode criar situações arriscadas a si mesmo e aos outros que

participam do mesmo espaço. Os jovens condutores apresentam uma taxa de

acidentes quatro vezes maior que os condutores experientes. Geralmente eles

têm tendência para gostar de conduzir, consideram-se invulneráveis e gostam

de impressionar os amigos, adotando, por exemplo, um estilo de condução

desportiva. Em algumas situações ao esquecerem de utilizar o cinto de

segurança, que é um acessório presente em todos os veículos e com uso

obrigatório desde vinte e três de setembro de 1997 com a Lei 9503, o pior

acontece. Com isso sentimos na escola a necessidade de conscientizar nossos

jovens sobre a verdadeira função do cinto de segurança, que seu uso

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obrigatório não é apenas para não levarem multas, mas sim para proteger

passageiros e condutores de possíveis colisões. Nesse trabalho de estudo e

conscientização vale lembrar que o cinto de segurança é um dos equipamentos

mais importantes existentes nos veículos automotores, porém só se torna

eficiente se utilizado corretamente por todos os ocupantes do veículo. A

utilização incorreta do cinto de segurança pode acarretar sérias lesões e

constitui infração de trânsito, conforme previsto na resolução 15/98 do

CONTRAN (conselho nacional de trânsito). O uso do cinto de segurança de

forma correta reduz drasticamente a severidade das lesões ocasionadas e

influencia diretamente na redução das mortes no trânsito.

O cinto de segurança está relacionado ao conteúdo de Física:

Inércia. A ideia básica de um cinto de segurança é bastante simples: ele impede

que a pessoa voe pelo pára-brisa ou vá de encontro ao painel quando o carro

para abruptamente. Mas por que isso acontece? Em síntese, é devido à inércia.

Inércia é a tendência de um objeto em continuar se movendo até que

encontre algo que interrompa seu deslocamento. Em outras palavras, inércia é

a resistência do objeto à mudança do seu estado de movimento ou repouso. Os

objetos tendem a continuar seu movimento naturalmente. Em um veículo a 80

km/h, os corpos dentro dele permanecem a 80 km/h. A este estado dos corpos

permanecerem com a mesma velocidade denomina-se inércia. A resistência do

ar e o atrito com a estrada reduzem constantemente a velocidade, mas o motor

compensa essa perda de energia.

Tudo que está dentro do carro, inclusive o motorista e os

passageiros, possuem sua própria inércia, que é independente da inércia do

veículo. Imagine que você está dirigindo um carro a uma velocidade constante

de 80 km/h. Sua velocidade e a do veículo são exatamente a mesma. Logo, a

sensação é que você e o veículo se movimentam como se fossem um único

objeto. Se o carro colidir com um poste, entretanto é óbvio que a sua inércia e a

do carro seriam completamente independentes. A força do poste induziria o

carro a uma parada brusca, enquanto a inércia manteria sua velocidade

lançando você para frente. Se você estiver sem o cinto de segurança, você se

chocaria com o volante a 80 km/h, ou atravessaria o pára – brisa a essa mesma

19

velocidade. Assim como o poste conteve o carro, o painel, o pára – brisa ou a

estrada conteriam você, exercendo grande força, no entanto se você estivesse

com o cinto de segurança, o cinto o manteria junto com o banco evitando ser

lançado para frente.

A utilização do cinto de segurança não pode ser considerada um fator

determinante para a redução da quantidade de acidentes ocorridos na via

pública. Mesmo usando cintos pode haver lesões graves ou mortes, mas as

estatísticas mostram que o uso do cinto de segurança, sempre aumenta a

chance de sobrevivência.

Atividades:

1- Para conhecer mais sobre o cinto de segurança vamos fazer uma pesquisa

na internet utilizando o roteiro:

• Por que o cinto de segurança salva?

• Quais são os tipos de cintos de segurança?

• Atualmente, quais são os dados estatísticos de vítimas no trânsito

por não estarem usando o cinto de segurança?

• Analise questões do ENEM e do novo ENEM relacionadas com o

conteúdo Inércia.

2- Atividade Experimental - TROMBADA

Objetivo:

Demonstrar que objetos em movimento, quando não há ação de

forças externas, tendem a continuar em movimento.

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Contexto:

O Princípio da Inércia, ou Primeira Lei de Newton, diz que "um objeto

tende sempre a manter o seu estado de movimento, este podendo também ser

o de repouso, se não houver a ação de forças externas".

Este experimento serve para mostrar que um objeto em movimento

tende a continuar em movimento.

Experimento:

O experimento consiste em deixar um carrinho, com uma bolinha

colocada na parte superior frontal, deslocar sobre uma rampa e chocar-se com

um obstáculo (veja a figura logo abaixo da lista de materiais).

O carrinho é colocado na parte superior da rampa com velocidade

nula e percorrerá a rampa para adquirir velocidade, depois da rampa ele

percorrerá um plano curto até chocar-se com o obstáculo (lápis), no choque o

carrinho pára; a bolinha de aço, porém, estando apenas levemente presa ao

carrinho, tende a continuar seu movimento, sendo lançada para frente.

A idéia é mostrar que o carrinho e a bolinha se movimentam com a

mesma velocidade, e mesmo que o carrinho pára devido à ação de uma força

externa (aplicada pelo obstáculo), a bolinha não sofrendo nenhuma força

externa continua o seu movimento pelo fato de estar fracamente ligada ao

carrinho.

Materiais:

• Miniatura de carrinho: é essencial que as rodas do carrinho

rodem muito bem (menos atrito possível).

• Uma bolinha de aço: Essa bolinha pode ser encontrada em

bicicletarias ou oficinas mecânicas. São retiradas de várias

peças, na sua maioria de rolamentos.

• Duas réguas: qualquer régua ou objeto similar deve servir

para fazer o papel de rampa.

• Um lápis.

• Um pedaço de massa de modelar: serve de adesivo entre a

bolinha de aço e o carrinho.

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• Alguns livros.

• Fita adesiva.

Montagem:

• Junte as duas réguas lado a lado com fita adesiva, de forma que o lado

numerado de uma, coincida com a outra.

• Empilhe um ou mais livros sobre uma mesa reta e lisa.

• Apóie o começo das réguas, já coladas, no topo da pilha de livros.

• Fixe as extremidades das réguas com fita adesiva (na mesa e na pilha

de livros) para que não haja escorregamento, formando assim uma

rampa.

• Fixe um lápis com fita adesiva, a mais ou menos 20 cm da base da

rampa, perpendicularmente a esta.

• Coloque um pedaço de massa de modelar no capô do carrinho e sobre a

massa de modelar, levemente presa, a bolinha de aço.

• Posicione o conjunto carro+massa+bolinha no alto da rampa.

Esquema Geral de Montagem:

Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

Comentários:

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• A massa de modelar no início gruda mais do que o desejado; por

isto, prenda e solte a bolinha algumas vezes, antes de começar o experimento.

• A limpeza da bolinha e do carrinho faz-se necessária

periodicamente, sendo inclusive aconselhável a troca da massa.

Conclusão:

Foi possível observar a Lei da Inércia num simples experimento. A

Inércia da bolinha fez com que ela fosse lançada para frente, por manter a

velocidade do carrinho quando este foi interrompido por um obstáculo.

Referências:

DOTTA, A.; DOTTA, R. Acidentes de Trânsito: Como Evitá-los! 4. Ed. Especial – Porto Alegre: DETRAN-PR, 2002.

UNESP. Experimentos de Física para o Ensino Médio e fundamental com materiais do dia-a-dia. Disponível em: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ acesso em: 02/02/2010.

23

Unidade 5: Fluidos - Distribuição de Água

imagem: WWW.google.com.br

2ª série do Ensino Médio

Objetivos:

Explicar a estrutura de distribuição de água, com a utilização de

conhecimentos de Física.

Analisar questões do ENEM, envolvendo a utilização da água.

Montar protótipo para ilustração de estrutura de distribuição de água.

Contexto:

Estima-se que a quantidade de água na Terra corresponda a cerca

de 1.370.000.000 km3. Entretanto, a quantidade concernente à água doce seria

cerca de 8.200.000 km3. Da água doce disponível, aproximadamente 4.050.800

km3 corresponderia a rios, lagos e água subterrânea acessível. Isso significa

que de todo o volume de água disponível no planeta, 97% seria de águas

salgadas e apenas 3% de águas doces. Desses 3% de águas doces, 2,3%

estariam congeladas, 0,2% estariam associadas aos processos de evaporação

e transpiração e apenas 0,5% representaria o volume disponível para utilização

pelos seres humanos (CAMPOS, 2003).

Mudanças de hábito, demandas oriundas dos processos de

industrialização e do aumento da população, entre outros, colocaram em dúvida

a capacidade do planeta em suprir a necessidade de água. A água poderá estar

no centro, inclusive, de guerras entre países em um futuro próximo. A

preocupação se refere tanto ao aspecto quantitativo quanto qualitativo. Nesse

quadro, destacam-se a preocupação com o uso e manejo das águas,

gerenciamento de recursos hídricos e uso racional da água.

24

De acordo com Campos (2003, p. 22-23), o moderno ciclo da água

compreende:

• Captação das águas brutas em rios, poços, lagos, reservatórios, etc.

• Adução das águas brutas da fonte de captação aos pontos de consumo,

através de canais, adutoras, túneis, etc.

• Tratamento da água bruta para melhorar as características das águas

nos aspectos físico, químico, bacteriológico e organoléptico, para torná-

las próprias para o consumo.

• Distribuição das águas tratadas nos locais de consumo, através de um

sistema de tubulações de distribuição.

• Coleta das águas usadas, esgotos, através de uma rede de tubulações,

para afastá-las para um local seguro.

• Tratamento das águas usadas para atingir o padrão assimilável pelo

corpo receptor final.

Campos (2003), em relação às funções de uso da água, ressalta um

aspecto consuntivo, representando perdas, derivação ou consumo:

abastecimento, irrigação, abastecimento industrial, aquicultura, abastecimento

urbano; é possível, também, o reconhecimento de um aspecto não consuntivo,

que se relaciona à ausência de consumo, derivação ou desperdício de água:

geração hidrelétrica, navegação fluvial, lazer, pesca e piscicultura extensiva,

assimilação de esgotos.

Nessa perspectiva, é possível associar esses elementos referentes à

gestão das águas ao ensino de Física. Características desse ciclo distributivo

da água podem ser abordados no desenvolvimento de conhecimentos de Física

relacionados, principalmente, à Hidrostática/Hidrodinâmica e Termodinâmica.

Atividades:

Nestas atividades, você deverá analisar questões sociais, culturais e

ambientais associadas à ciência e à tecnologia, considerando o uso da água,

com a utilização de conceitos físicos relacionados à Hidrostática. Para isso,

adote os seguintes procedimentos:

25

1) Analise questões do ENEM relacionadas ao uso da água, com a

utilização de conceitos envolvendo Hidrostática.

2) Analise e identifique os principais elementos envolvidos em vídeos e

reportagens em jornais/revistas envolvendo questões sociais, culturais e

ambientais, sobre o uso da água.

3) Em atividade experimental, envolvendo estrutura de distribuição de

água, identifique os conhecimentos de Física associados.

4) Analise a composição de uma conta de água. Realize a exposição dos

conhecimentos de Física e sobre a água, discutidos, utilizando recursos, tais

como: artigos de jornais/revistas; histórias em quadrinhos; vídeos; histórias;

poesia; desenhos, entre outros.

Experimento:

Nesse experimento, você vai verificar o processo de distribuição de água.

Materiais:

• Suportes (dois com alturas iguais e um com altura superior aos

demais)

• Recipientes de plástico

• Mangueiras

• Cola de silicone

Montagem do protótipo:

Imagem: Noemi Sutil

1) Faça um furo nos recipientes e fixe em cada furo uma das pontas da

mangueira.

26

Sugestão de procedimento:

1) Coloque os recipientes nos suportes de mesma altura.

2) Coloque água em um dos recipientes.

3) Verifique o que ocorre.

4) Coloque os recipientes em alturas diferentes.

5) Coloque água em um dos recipientes.

6) Verifique o que ocorre.

Pesquisa na internet:

imagem: WWW.google.com.br

1) Como a água chega até à caixa de água de nossas residências?

2) Que conceitos físicos possibilitam compreender como a água chega à caixa-de água?

Referências Comentadas:CAMPOS, N.; STUDART, Ticiana. Gestão das águas: princípios e práticas.

2. ed. Porto Alegre: ABRH, 2003.

Nesse livro, os autores especificam características de gestão de

águas, com a análise de políticas, modelos, características geográficas,

demanda, cobrança pelo uso, risco, qualidade, mercado. Destacam aspectos

27

ambientais envolvendo a gestão de águas e as questões de direito e conflitos

que circunscrevem o tema.

D’ AGOSTÍN, Aline; LEITE, Álvaro Emílio Leite; HIGA, Ivanilda; DALRI,

Jackelini. Conservação da água: espaço para aprender Física. In: XVII

SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 17., 2007, São Luís do

Maranhão. Anais... São Luís do Maranhão, 2007. 1 CD-ROM.

Nesse artigo, os autores apresentam atividades de ensino de Física

envolvendo a água.

FERREIRA, Arthur Roberto; ANDRADE, Caroline Elise Waculicz; PORTELA,

Caroline Dorada Pereira; HIGA, Ivanilda; JASINSKI, Marcelo; CAVALCANTE,

Neiva Samara Mendes; OLIVEIRA, Odisséa Boaventura de. Proposta para o

ensino do tema água, numa perspectiva histórica e social. In: XVII

SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 17., 2007, São Luís do

Maranhão. Anais... São Luís do Maranhão, 2007. 1 CD-ROM.

Nesse artigo, os autores apresentam atividades de ensino de Física

envolvendo a água. Entre os conhecimentos envolvidos, adquirem destaque:

vazão, pressão, energia mecânica, distribuição da água, uso da água em

hidrelétricas, vasos comunicantes.

WATANABE, G. & KAWAMURA, M. R. D. Uma abordagem temática para a

questão da água. In: ENCONTRO DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA,

10., 2006, Londrina. Anais... Londrina: SBF, 2006. 1 CD-ROM.

Nesse artigo, as autoras analisam possibilidades de abordagem do

tema água no ensino de aprendizagem de Física com destaque para

termodinâmica, hidrostática/hidrodinâmica.

28

Unidade 6: Efeito Joule 2ª Série do Ensino Médio imagem: WWW.google.com.br

Objetivo:

O objetivo desse experimento é mostrar uma propriedade física de

determinados materiais: a transformação de energia elétrica em energia

térmica, conhecida como Efeito Joule.

Contexto:

A energia é a capacidade de realizar trabalho, existem várias formas

de energia, como energia potencial, energia cinética, energia mecânica, energia

elétrica, etc.

A energia possui a característica de poder existir sob várias formas e

ser transformada de uma forma para outra. Por exemplo, a energia mecânica

em queda livre que transforma a energia potencial gravitacional em energia

cinética. A energia mecânica que se transforma em energia elétrica numa usina

hidrelétrica ou a transformação de energia elétrica em energia térmica através

de uma resistência de chuveiro.

A transformação de energia pode ser em alguns casos bem aceita, e

em outros não. Por exemplo: para um automóvel em movimento, a

transformação da energia cinética em atrito, em função da resistência do ar não

é bem vinda. Já a transformação de energia elétrica em calor na resistência de

um chuveiro num dia de frio, é muito bem vinda.

Este último fenômeno denomina-se Efeito Joule: é a transformação

de energia elétrica em calor num material por onde passa uma corrente elétrica.

29

O Efeito Joule

Quando um condutor é aquecido ao ser percorrido por uma corrente

elétrica, ocorre uma transformação de Energia Elétrica em Energia Térmica.

Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule, em homenagem ao Físico

Britânico James Prescott Joule (1818-1889).

Esse fenômeno ocorre devido o encontro dos elétrons livres da

corrente elétrica com as partículas do condutor. Os elétrons sofrem colisões

com átomos do condutor, parte da energia cinética (energia de movimento) do

elétron é transferida para o átomo aumentando seu estado de agitação,

consequentemente sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada

em energia térmica (calor).

Por que será que um fio esquenta quando é percorrido por uma

corrente elétrica?

Quando um fio é conectado aos terminais de uma pilha, um campo

elétrico atua nos prótons e elétrons que o compõem.

Os elétrons livres são acelerados e começam a deslocar-se no

interior do fio. Quando se aproxima de um íon da rede cristalina, um elétron livre

sofre uma mudança repentina de sua trajetória, que pode ser interpretada como

um choque. Com isso parte da energia que o elétron recebeu da fonte é

transferida para a rede cristalina.

Antes do choque, o elétron transforma energia potencial elétrica em

cinética e sua velocidade cresce. Com a colisão, essa energia é parcialmente

transferida para a rede cristalina, que passa a vibrar mais intensamente,

resultando em um aumento de temperatura do metal. O metal aquecido, por sua

vez, transfere parte dessa energia térmica para o ambiente, que está a uma

temperatura mais baixa. O resultado final é a transformação da energia

potencial elétrica da fonte em térmica (o efeito joule).

A transformação de energia potencial elétrica em energia térmica

será maior quanto maior a tensão nos terminais da fonte.

30

A descoberta da relação entre eletricidade e calor trouxe ao homem

vários benefícios. Muitos aparelhos que utilizamos no nosso dia-a-dia têm seus

funcionamentos baseados no Efeito Joule, alguns exemplos são:

Lâmpada: um filamento de tungstênio no interior da lâmpada é

aquecido com a passagem da corrente elétrica tornando-se incandescente,

emitindo luz.

Chuveiro: um resistor aquece por Efeito Joule a água que o envolve.

São vários os aparelhos que possuem resistores e trabalham por

Efeito Joule, como por exemplo, o secador de cabelo, o ferro elétrico e a

torradeira.

Outra aplicação que utiliza esta teoria é a proteção de circuitos

elétricos por fusíveis. Os fusíveis são dispositivos que têm como objetivo

proteger circuitos elétricos de possíveis incêndios, explosões e outros

acidentes. O fusível é percorrido pela corrente elétrica do circuito. Caso esta

corrente tenha uma intensidade muito alta, a ponto de danificar o circuito, o

calor gerado por ela derrete o filamento do fusível interrompendo o

fornecimento de energia, protegendo o circuito.

Experimento: Efeito Quente

Uma das maneiras que temos para a verificação do Efeito Joule é

usando o sentido do tato. Para isso basta construir um circuito elétrico muito

simples, composto de uma fita de papel alumínio e uma pilha comum de 1,5

volts.

Ao ligar as duas extremidades da fita de papel alumínio nos pólos da

pilha, estabelece-se uma corrente elétrica. Depois de certo tempo a fita se

aquece devido à passagem da corrente elétrica. Este aquecimento é pequeno e

só é possível verificá-lo usando o sentido do tato, numa região do corpo

sensível a pequenas temperaturas. Como por exemplo, as costas da mão, o

pulso, etc.

31

Outra maneira de se demonstrar o Efeito Joule é, ligando-se dois fios

às extremidades de uma pilha. Ao se encostar as extremidades livres dos fios

em um pedaço de palha de aço fina, a palha de aço é aquecida, pelo efeito

Joule, e incandesce, queimando toda.

A corrente elétrica em um filamento de palha de aço o aquece. Por

ele ser muito fino, ele então queima. Como a palha de aço é um emaranhado

de filamentos, um queima o outro sucessivamente até que todo o pedaço de

palha esteja queimado.

Materiais:

• Palha de aço: quanto mais fina for a espessura dos fios da palha de aço,

melhor. Os usados para lavar louça de cozinha são bons.

• Pilha: Uma pilha comum de 1,5 volts será suficiente.

• Papel alumínio: papel alumínio comum, usado na cozinha.

• Fios para conexões: o fio deve ser fino e condutor de eletricidade. Esses

fios podem ser encontrados em aparelhos elétricos velhos. Ou podem

ser comprados em casa de material elétrico ou eletrônicos.

• Porta pilhas e fios de conexão (jacaré): esses equipamentos são

opcionais, o funcionamento do experimento não será prejudicado, na

falta deles.

Montagem:

• Para a verificação do Efeito Joule com o papel alumínio (veja Figura A):

• Recorte uma fita de papel alumínio de aproximadamente 3 mm por 10

cm (comprimento suficiente para ligar os pólos da pilha);

• Ligue as extremidades da fita de alumínio e aguarde uns dois minutos;

• Sinta pelo tato se houve aquecimento da tira de papel alumínio.

• Para a verificação do Efeito Joule com palha de aço (veja Figura B):

• Ligue um pedaço de fio numa extremidade de uma pilha;

• Pegue um pedaço pequeno de palha de aço e coloque-o no chão;

• Encoste as extremidades livres do fio na palha de aço, próximos um do

outro.

32

Esquema Geral de Montagem:

Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

Comentários:

Para fazer com que a palha de aço se queime, é preciso que ao

encostar os fios na palha de aço os fios estejam bem próximos e, caso a palha

de aço não se queime com apenas uma encostada, faça pequenos movimentos

com os fios, mantendo sempre uma distância pequena entre eles.

Na montagem da palha de aço, tome o cuidado de não apoiá-la em

algum lugar que possa pegar fogo como tapetes, carpetes, madeira,

compensados, plásticos etc. ou tampouco próximo a inflamáveis como álcool,

querosene, gasolina, bebida destilada, óleo, perfumes, desodorantes etc.

Recomenda-se que se faça sobre um piso (ou mesa) de cimento ou pedra, ou

sobre pia de granito ou mármore. Verifique sempre se não há algo que possa

queimar por perto.

33

Não queime a palha de aço onde haja corrente de vento forte, ou

algum ventilador ligado. O vento pode fazer com que a palha de aço voe, por

ser muito leve.

Nas duas montagens o consumo da pilha é alto, pois a corrente

elétrica não tem resistência no percurso, ou seja, o circuito está em curto. Por

isso, é aconselhável não deixar o circuito fechado por muito tempo desligando-o

a cada demonstração. Outra maneira de resolver este problema é colocar uma

resistência no circuito. Uma lâmpada de lanterna seria um bom resistor, mas

então serão necessárias duas pilhas, visto que uma lâmpada necessita de no

mínimo 1,5 volts.

Referências:

FILHO, G. A.; TOSCANO, C.; Física volume único: Ensino Médio. São Paulo: Editora Scipione, p. 335, 336, 2005.

UNESP. Experimentos de Física para o Ensino Médio e fundamental com materiais do dia-a-dia. Disponível em: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ acesso em: 02/02/2010.

34

Unidade 7: Calor Específico, Capacidade Térmica e Temperatura

imagem: WWW.google.com.br

2ª Série do Ensino Médio

Objetivo:

Demonstrar através de experimentos que o calor específico também

caracteriza a variação de temperatura das substâncias.

Contexto:

Quanto maior o calor específico de uma substância, menos ela se

aquece ao receber certa quantidade de calor. A água é uma das substâncias

que apresenta calor específico de valor mais elevado. Por essa razão certa

massa de água (lago, rio, piscina etc.), ao receber calor do sol, sofre pequenas

variações em sua temperatura, em comparação com outros objetos situados em

sua vizinhança. Ainda pelo mesmo motivo, quando o sol se põe, isto é, quando

a água e os outros objetos liberam calor para o ambiente, o resfriamento da

água é muito mais lento que o daqueles objetos. Assim, é fácil entender por que

é tão agradável mergulhar na água em um dia muito quente.

Por outro lado, como a areia tem um calor específico muito pequeno,

ela se aquece e se resfria com facilidade. Por isso, nos desertos, embora os

dias sejam excessivamente quentes, as noites costumam apresentar

temperaturas muito baixas.

Experimento 1 – Calor Específico

Objetivo:

O objetivo desse experimento é mostrar que o calor específico da

água é maior que o da areia.

35

Materiais:

Dois recipientes de plástico pequenos, 1/2 xícara de água, 1/2 xícara

de areia, um termômetro.

Procedimento:

• Coloque a água em um recipiente e a areia em outro.

• Deixe os dois na geladeira até esfriar.

• Depois leve os dois recipientes para o sol por 15 minutos.

• Meça, com o termômetro, a temperatura de cada um deles.

O que acontece?

A temperatura da areia fica maior que a temperatura da água.

Por que acontece?

O calor específico da água é maior que o da areia. Isso explica

porque, pela manhã, em regiões litorâneas a areia está mais quente que a

água, pois a água necessita de maior quantidade de calor para sofrer a mesma

variação de temperatura.

Experimento 2 - Construção de Um Calorímetro

Objetivo:

36

O objetivo deste experimento é a construção de um calorímetro pelos

alunos, para determinar a sua Capacidade Térmica e o Calor Específico de

alguns materiais.

O calorímetro é um instrumento utilizado para medir a quantidade de

calor, fazer análises das trocas de calor que acontecem entre dois

corpos localizados em seu interior, e ainda determinar o calor específico

de um determinado elemento, que pode ser, por exemplo, o cobre.

Esse equipamento é muito utilizado nos laboratórios de ensino. Ele

pode ser comprado, como também confeccionado. Com materiais

simples e do cotidiano dos alunos o professor de física pode instruir os

alunos na confecção desse instrumento, a fim de fazer análises das

quantidades de calor trocadas neste sistema isolado termicamente, ou

seja, livre de trocas de calor com o meio ambiente.

Materiais:

• uma lata de refrigerante, ou de cerveja, vazia;

• 2 portas-lata de isopor usadas para latas de refrigerante ou cerveja;

• 1 termômetro químico ou industrial;

• 1 estilete;

• 1 vasilha medidora de volume (em ml) de vidro, ou becker de 300ml;

• 1 panela para ferver água;

• Pedaços de ferro, cobre, alumínio, etc. de massas conhecidas (ou

medidas com balança).

Construção:

Com o abridor, retire a parte superior da lata (vá com calma, para

não se machucar!)

Os portas-lata de isopor deverão envolver a lata, formando o

calorímetro. Para tanto, corte, com o estilete, uma faixa de 2 cm, a partir do

nível da boca (parte aberta) de um dos portas-lata, e corte uma faixa de 5

cm a partir do fundo (parte fechada) do outro portas-lata (o portas-lata aqui

37

considerados tem altura de 11,5 cm. Se o seu tiver altura menor, faça os

cortes de forma que as partes encaixadas, boca a boca, envolvam a latinha

perfeitamente).

Procure fazer os cortes bem alinhados, para que o encaixe das

partes de isopor vedem de forma justa quando o calorímetro for fechado.

Veja a figura abaixo:

fonte:crv.educacao.mg.gov.br

Com o termômetro químico (que é encontrado nos laboratórios

escolares), faça um furo na parte superior, enfiando-o para dentro da latinha.

Pronto! O seu calorímetro já pode ser usado.

Procedimento:

Faça a leitura da temperatura ambiente com o uso do termômetro

(que deverá estar em equilíbrio com o ambiente). Anote a temperatura ambiente

(t0c), em graus Celsius.

Retire a parte de cima do calorímetro (tampa), e deixe o calorímetro ficar sob a

temperatura ambiente.

Coloque água para ferver (meio litro é suficiente). Quando estiver fervendo,

coloque a água fervente na vasilha medidora de volume até atingir 300 ml, que

corresponde a uma massa de 300 gramas (ma).

Com o termômetro meça a temperatura da água e anote-a (t0a). Coloque

imediatamente a água dentro do calorímetro, fechando a tampa e colocando o

termômetro no orifício, de forma que fique mergulhado na água, a fim de

38

observar a redução da temperatura. Espere alguns segundos (a redução será

baixa, em torno de 3 a 4 graus, dependendo da temperatura ambiente) até

atingir a temperatura de equilíbrio (teq).

Cálculo da capacidade térmica do calorímetro:

Como este calorímetro não tem capacidade térmica desprezível, ele

troca calor com a água. Assim, conhecendo-se o princípio da igualdade das

trocas de calor, e desprezando-se a troca de calor com o meio, podemos

afirmar que a soma algébrica das quantidades de calor do calorímetro e da

água é igual a zero, daí:

Cc.(teq - t0c) + ma.ca.( teq - t0a) = 0

onde: ca = 1 cal/(g.0C), ma = 300 g

Se possível, refaça mais duas ou três vezes o experimento, despreze

algum resultado muito discrepante dos demais e tire a média aritmética dos

valores das capacidades térmicas do calorímetro (Cc). Este valor final deverá

ser considerado como a capacidade térmica do calorímetro que você construiu.

Obs.: a capacidade térmica do calorímetro deverá girar em torno de 10 a 18

cal/0C. Esta capacidade térmica tem valor numérico igual ao equivalente em

água do calorímetro, por exemplo, se a capacidade térmica do calorímetro for

11 cal/0C, seu equivalente em água será 11g, o que significaria que o

calorímetro teria capacidade térmica igual à capacidade térmica de 11 gramas

de água.

Utilização do calorímetro

Com o valor da capacidade térmica do calorímetro conhecida, você

poderá determinar o calor específico de outros materiais que você coloque junto

39

com a água, como pedaço de ferro, alumínio, cobre, etc.

A dica é que você coloque uns 250 g de água na temperatura ambiente dentro

do calorímetro, e coloque, por exemplo um pedaço de um metal de uns 50 g a

100 g para ferver junto com a água da panela. Após a água ferver, coloque o

pedaço de metal dentro do calorímetro e espere até atingir a temperatura de

equilíbrio. Aí considere que a soma algébrica das quantidades de calor do

calorímetro, da água do calorímetro e do pedaço de metal totalizam zero. Daí é

só calcular o calor específico deste metal, e descobrir, usando uma tabela de

calores específicos, se o valor está dentro do esperado (considerando margens

de erro, é claro) ou qual deve ser, provavelmente, o metal.

A tabela abaixo apresenta o calor específico de algumas substâncias

à pressão constante de 1 atm.

Substância Calor Específico (cal/g.°C)água 1,0álcool 0,6

alumínio 0,22ar 0,24

carbono 0,12chumbo 0,031cobre 0,094ferro 0,11gelo 0,5hélio 1,25

hidrogênio 3,4latão 0,092

madeira 0,42mercúrio 0,033nitrogênio 0,25

ouro 0,032oxigênio 0,22

prata 0,056rochas 0,21vidro 0,16zinco 0,093

40

Referências: MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Física Ensino Médio. São Paulo: Editora Scipione, v.2, p. 114, 2008.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor_específico / acesso em: 10/06/2010.

http://fisica-com-quimica.blogspot.com/2008/03/calor-especfico.html/ acesso em: 10/06/2010.

41

Unidade 8: Aspectos Gerais da Ondulatória, Pêndulo Simples e MHS3ª série do Ensino Médio

Objetivos:

Identificar movimentos periódicos (movimentos que se repetem em

intervalos de tempos iguais), que podem ser monitorados em função do tempo

e do espaço, recordar os conceitos de período (T), frequência (f), velocidade

escalar, trajetória percorrida, aceleração escalar e aceleração centrípeta e

velocidade angular.

Identificar movimento oscilatório ou vibratório que serão

chamados de movimentos harmônicos.

Contexto:

Classificando os movimentos ondulatórios

Em nosso dia-a-dia, temos movimentos periódicos (movimentos

que se repetem em intervalos de tempos iguais), que podem ser monitorados

em função do tempo e do espaço ocupados. O pêndulo do relógio mecânico

também apresenta um movimento periódico, entretanto, se comparado ao das

ondas do mar, tem o sentido invertido regularmente e, nesse caso, é chamado

de movimento oscilatório (ou vibratório).

O estudo dos movimentos oscilatórios ou vibratórios, podem ser

descritos por funções seno e cosseno, chamadas pela matemática de funções

harmônicas. Por esse motivo, os movimentos oscilatórios ou vibratórios serão

chamados de movimentos harmônicos.

42

Um pêndulo simples é composto por um corpo de massa m preso a

um fio inextensível de comprimento L e massa desprezível. A outra extremidade

desse fio está fixa no ponto de pivô. Esse dispositivo pode oscilar num plano

vertical que, necessariamente, contém o ponto de pivô, conforme as ilustrações:

Um pêndulo parado (em repouso) está posicionado sobre a linha

tracejada vertical que passa pelo ponto de pivô. Nesse caso, dizemos que o

pêndulo está em sua posição de equilíbrio, e as forças que atuam sobre ele

são: Força de tração exercida pelo fio e força peso exercida pela Terra.

Quando uma pessoa desloca a massa de um pêndulo lateralmente

em relação a sua posição de equilíbrio, o sistema pêndulo-Terra passa a

armazenar energia potencial gravitacional. Abandonando-o, devido à ação da

força da gravidade, o pêndulo começa a oscilar em torno dessa posição de

equilíbrio, e se não houver atrito, ele oscilará para sempre. Isso só é possível

porque uma das componentes da força peso (a componente tangente ao

movimento) tenta restaurar a posição de equilíbrio.

Para que você entenda melhor o que está acontecendo, represente,

nos desenhos, as forças que atuam nesse pêndulo simples. No caso da força

peso, represente também as suas componentes radiais e tangenciais quando

isso for possível.

Observe que os desenhos ilustram o movimento de ida e volta do

pêndulo simples. Quando ele retorna a posição inicial realizou-se um ciclo

43

completo, e o intervalo de tempo gasto corresponde ao período de oscilação.

Matematicamente, ele pode ser calculado por:

T = 2 . . √L/g onde, no SI L comprimento do fio expresso em

metro (m);

g aceleração da gravidade local

expressa em m/s2;

T período de oscilação do

pêndulo simples expresso em segundo (s)

É importante ressaltar que essa equação só é valida quando o

pêndulo oscila com abertura pequena. Para que você compreenda o porquê

dessa condição realize o experimento descrito a seguir.

Objetivos:

• Conceituar e identificar um pêndulo simples.

• Observar um movimento harmônico simples.

• Determinar a aceleração da gravidade local.

Procedimento Experimental:

Amarra-se uma pedra do tamanho da palma da mão em um fio de

nylon, e prende-se este conjunto em um galho de árvore a uma altura que varia

entre 1,50m a 2,00m. Coloca-se o conjunto para oscilar a partir de um

deslocamento na horizontal de mais ou menos 20 cm, por 20 vezes, e

marcamos o tempo em um cronômetro. Repete-se o experimento por 5 vezes,

anotando os resultados.

Medimos o comprimento do fio até a pedra com uma trena (L1 = 1,64

cm), em seguida retornamos a sala e medimos novamente o fio com a régua e

obtivemos (L2 = 1,66 cm).

Resultados e discussões: Através dos dados encontrados temos:

44

Periodo Tempo20 51s20 50s20 51s20 51s20 51s

Logo T = 51/20 = 2,55s

L1 = 1,64 cm (árvore), L2 = 1,66 cm (sala)

Substituindo na fórmula do pêndulo simples teremos:

Para L1 = 1,64 cm encontraremos o valor de g aproximadamente

9,948 m/s2

Para L2 = 1,66 cm encontramos o valor de g aproximadamente 10,06

m/s2

Comprimento do Fio (m)

g (m/s2)

Árvore 1,64 9,94Sobre a Mesa (sala de aula) 1,66 10,06

Conclusão: concluimos que os resultados obtidos estão próximos do

valor gravitacional da Terra, tendo em vista como margem de erro: Eg = 0,3

logo g = 9,9 ± 0,3 m/s2.

Pedir aos alunos para fazerem um relatório sobre o experimento

realizado.

Referências: GREEF – Grupo de Reestruturação e Elaboração

do Ensino de Física – EDUSP

www.portalpositivo.com.br /acesso em: 08/06/2010.

45

Unidade 9: Reflexão da Luz

3ª Série do Ensino Médio imagem: WWW.google.com.br

Objetivo:

O objetivo deste experimento é observar a reflexão da luz e

comprovar a lei que rege este fenômeno.

Contexto:

Reflexão é o fenômeno pelo qual a luz ao encontrar um obstáculo é

rebatida. Para melhor compreender este fenômeno é preciso antes definir as

duas etapas da reflexão. Na primeira etapa (incidência) o raio de luz chega até

o espelho. Ao ângulo que este raio forma com a normal do espelho dá-se o

nome de ângulo de incidência. Já na segunda etapa, o raio de luz reflete do

espelho (reflexão). Ao ângulo que este raio forma com a normal do espelho dá-

se o nome de ângulo de reflexão.

A maior parte da luz que atinge os nossos olhos provém de reflexão.

Alguns corpos refletem a luz de forma desordenada e em todas as direções -

reflexão difusa. Outros refletem a luz de forma ordenada como um espelho -

reflexão regular ou especular. Alguns refletem uma parcela maior da luz que

recebem, outros absorvem a maior parte dessa radiação, refletindo muito

pouco.

A luz pode ser refletida de várias maneiras, mas segue as leis

simples:

Seja RI um raio que incide na superfície, I o ponto de incidência do

raio de luz, IR’ o correspondente raio de luz refletido e IN uma reta normal à

superfície no ponto de incidência.

46

As leis são:

O raio incidente (RI), o raio refletido (IR’) e a normal (IN) são

coplanares, isto é, pertencem ao mesmo plano.

Essa lei permite solucionar a maior parte dos problemas de óptica

geométrica usando geometria plana.

O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Essa lei fundamental vale para todos os tipos de reflexão, em todos

os tipos de superfícies. O ângulo i que o raio incidente (RI) forma com a normal

(NI) denomina-se ângulo de incidência. O ângulo r que o raio incidente (IR’)

forma com a normal (NI) denomina-se ângulo de reflexão.

É possível esquematizar a reflexão de um raio de luz, ao atingir uma superfície polida, da seguinte forma:

AB = raio de luz incidente

BC = raio de luz refletido

N = reta normal à superfície no ponto B

T = reta tangente à superfície no ponto B

i = ângulo de incidência, formado entre o raio incidente e a reta normal.

r = ângulo refletido, formado entre o raio refletido e a reta normal.

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Experimento: Pente Reflexivo

Um espelho é colocado na posição vertical em contato com a

superfície de uma mesa. Em sua frente, coloca-se um pente com os dentes

encostados na mesma superfície. Posiciona-se uma lanterna de modo que a

sombra produzida pelos dentes do pente atinjam o espelho fazendo sombra na

superfície, tanto quando incide no espelho, como quando refletem. Para conferir

a lei da reflexão coloque um papel na superfície da mesa, embaixo do espelho

e do pente. Risque o papel com um lápis na base do espelho. Risque a

trajetória de um dos raios que saem do pente e são refletidos pelo espelho.

Observe que no papel aparecerá a trajetória de um dos feixes de luz. É possível

medir com um transferidor os ângulos de incidência e reflexão e constatar que

eles são iguais.

Materiais:

• Pente.

• Espelho: desses pequenos com as bordas alaranjadas. São

encontrados em qualquer supermercado.

• Lanterna.

• Papel.

• Lápis ou caneta.

• Transferidor: esse instrumento só será utilizado para medir os

ângulos de incidência e reflexão. Por isso, sua ausência não

comprometerá o funcionamento do experimento, uma vez que

é possível observar a olho nu a semelhança dos ângulos.

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Esquema Geral de Montagem:

Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

Referências:UNESP. Experimentos de Física para o Ensino Médio e fundamental com materiais do dia-a-dia. Disponível em: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ acesso em: 02/02/2010.

http://www.deltateta.com.br/2008/10/05/a-reflexao-da-luz-espelhos / acesso em: 06/07/2010

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Unidade 10 – Motor Elétrico

3ª série do Ensino Médio imagem: WWW.google.com.br

Objetivo:

Neste experimento vamos construir um sistema simplificado de motor

de corrente contínua e fazer uma aplicação de eletromagnetismo.

Contexto:

O princípio básico do funcionamento do motor elétrico é a variação

do fluxo magnético e consequente geração da corrente induzida. Os motores

elétricos possuem seu funcionamento baseado na existência de uma força

magnética, associada à corrente elétrica em campos magnéticos, com a

utilização de espiras

O motor elétrico proposto funciona com base na repulsão entre imãs,

um natural e outro não-natural.

Lei de Faraday

Em relação ao fenômeno da indução eletromagnética, podemos

afirmar que uma corrente elétrica será induzida em um circuito fechado quando

ele estiver sujeito a um campo magnético que varia com o tempo. Essa

afirmação é conhecida como Lei de Faraday.

O sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético por ela

gerado “compensa” a variação do campo magnético que a gerou (Lei de Lenz).

Ou seja:

Se com o passar do tempo há um aumento das linhas de campo que

atravessam uma espira, aparecerá nela uma corrente induzida que criará um

campo magnético no sentido contrário ao do que induziu a corrente. Se com o

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passar do tempo há uma diminuição das linhas de campo que atravessam uma

espira, aparecerá nela uma corrente induzida que criará um campo magnético

no mesmo sentido do que já existe no seu interior.

Michael Faraday (1791-1867) nasceu em Londres, na Inglaterra em

22/09/1791. Terceiro filho de um ferreiro de Newington, subúrbio de Londres, foi

obrigado a abandonar os estudos para se dedicar ao trabalho aos treze anos.

Trabalhou para o livreiro G. Ribeau. Neste intervalo de tempo, aproveitou o

contato com os livros para estudar.

Em algumas experiências, Faraday percebeu que ao introduzir um

ímã em uma bobina esta acusava a presença de uma corrente elétrica na

mesma. Este fenômeno foi caracterizado qualitativamente e quantitativamente e

deu origem à Lei da Indução de Faraday que é expressa matematicamente

como:

Ou seja, a intensidade da força eletromotriz induzida (ε) é igual à

variação do fluxo magnético no interior da espira. Esta é uma das quatro

equações de Maxwell para o Eletromagnetismo.

Lei de Lenz.

Lenz observou que a corrente elétrica induzida produzia efeitos

opostos as suas causas. Mais especificamente estabeleceu que o sentido da

corrente elétrica induzida é tal que o campo magnético criado por ela opõe-se à

variação do campo magnético que a produziu.

A lei de Faraday expressa somente a intensidade da força

eletromotriz induzida. Então em 1834 Heinrich E. Lenz (1804-1865) define que

a força eletromotriz é igual ao negativo da variação do fluxo magnético no

interior da espira, assumindo a forma:

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Ou seja, esta lei especifica o sentido da força eletromotriz induzida.

Neste caso, o sentido da corrente elétrica é anti-horário para quando o norte do

ímã se aproxima da espira ou conjunto de espiras.

Experimento 1

Materiais:

• Um pedaço de fio de cobre esmaltado: aproximadamente um

metro de fio (nº 26). Pode ser encontrado em casa de

materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirado de

rolamentos elétricos velhos.

• Tiras de latas: Neste experimento foi utilizado presilhas de

lata das pastas de cartolina que são vendidas em papelarias.

• Pilhas: Acrescentar pilhas, ligadas em série, conforme

necessidade de montagem.

• Ímã: Quanto mais intenso for o campo magnético melhor.

Pode ser retirado de alto falantes velhos ou encontrado em

lojas de ferro velho.

• Pedaço de madeira: servirá como base para a montagem.

Montagem:

• Para fazer a bobina enrola-se o fio de cobre num cano ou qualquer

outro objeto cilíndrico, com cerca de 3 cm de diâmetro. Deve-se deixar livre

duas pontas de aproximadamente 2 cm de comprimento, em cada extremidade.

• A raspagem do esmalte do fio de cobre nas extremidades deve ser

feito da seguinte maneira: primeiro, deve-se raspar com uma lâmina todo o

esmalte de uma das extremidades, dando uma volta completa. A outra

extremidade, só é raspado o esmalte de meia volta do fio. Isso porque em um

plano ambas as extremidades estão raspadas, e em contato com as tiras,

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dando contato para a passagem de corrente elétrica. E consequentemente no

outro plano, somente uma das extremidades em contato com as tiras estará

raspada, não permitindo assim a passagem de corrente elétrica. E

consequentemente não gerando campo magnético em torno da bobina.

• Para fazer os suportes da bobina utiliza-se tiras de lata, dando-

lhes o formato indicado na figura a seguir e prendendo-as a uma base de

madeira;

• Coloque a bobina sobre o suporte, verificando se ela pode girar

livremente. Se isso não ocorrer, alinhe as extremidades da bobina de modo que

elas fiquem bem retas e opostas e veja se as depressões nos suportes estão

em linha reta, no mesmo nível e do mesmo tamanho;

• Ligue com fios de cobre cada uma das lâminas do suporte a uma

extremidade da(s) pilha(s), prestando atenção para não deixar a faixa

esmaltada das extremidades da bobina em contato com o suporte.

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• Posiciona-se um ímã sobre um suporte qualquer de forma que

fique aproximadamente na mesma altura da bobina. Se o contato com a pilha

for estabelecido e a bobina não girar, talvez seja preciso, no início, girar a

bobina manualmente (dar um empurrãozinho).

Explicação do experimento:

O ímã não-natural neste experimento é uma bobina.

O conveniente de se usar ímãs não naturais num motor elétrico é a

possibilidade de se manipular (inverter) os pólos magnéticos.

O funcionamento deste motor elétrico pode ser explicado em alguns

passos (acompanhe pela figura abaixo):

1) Num primeiro momento, os fios raspados estão em contato com as

tiras e a corrente elétrica cria um campo magnético na bobina. Esta bobina por

ter liberdade de rotação entra em movimento, para se livrar da repulsão do ímã

comum, que está fixo à sua frente.

2) Em um quarto de volta, a bobina está parcialmente em contato

com as tiras e o campo magnético começa a perder sua força. Não deixando

assim que a atração do pólo sul da bobina pelo pólo norte do imã comum seja

forte o suficiente para frear o movimento.

3) Quando a bobina completa meia volta, começaria o processo

inverso. Ou seja, deveria existir um campo atrativo entre a bobina e o ímã. Mas

isso só aconteceria se os contatos estivessem ligados. Este contato não é

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estabelecido, pois, esta atração frearia ou cessaria o movimento adquirido no

primeiro momento.

4) Completando-se mais um quarto de volta, o contato com as tiras

começa a se reestabelecer e o campo magnético a ganhar força. Neste

momento a bobina começa a ser repelida pelo ímã comum. Dado o movimento

que a bobina já possui, este ganha nova aceleração.

5) Volta-se à posição inicial e o ciclo recomeça.

Assim o processo continua periodicamente, enquanto existir corrente

elétrica passando pela bobina.

Comentários:

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• Dada a simplicidade do motor, para funcionar, ele é dependente

das dimensões e materiais usados. Portanto, algumas tentativas talvez sejam

necessárias até que o motor funcione adequadamente.

• Outra característica deste motor é que há determinadas

combinações de formas diferentes de se ligar os pólos da bateria às tiras e

mesmo da posição da espira sobre as tiras. Mas algumas poucas tentativas

devem levar a uma das combinações corretas.

Esquema Geral de Montagem:

Projeto Experimentos de Física com Materiais do Dia-a-Dia - UNESP/Bauru

Experimento 2

Motor de Faraday

Neste experimento, você vai montar um protótipo do Motor de Faraday.

Materiais:

• Suporte de madeira

• Suporte de arame

• Parafusos

• Fios de cobre

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• Arame (suspenso)

• Copo

• Ímã

• Bateria de celular e conectore

Sugestão de procedimento

1) Prenda os clipes nos terminais da pilha.

2) Apóie as pontas do fio de cobre enrolado na outra ponta dos clipes.

3) Aproxime do ímã e observe o que acontece com o enrolamento.

Montagem do protótipo

1) Fixe o suporte de arame no suporte de madeira.

2) Fixe 02 (dois) parafusos no suporte de madeira.

3) Conecte um dos parafusos ao suporte de arame, utilizando fios de

cobre.

4) Situe o ímã no copo e coloque o copo no suporte de madeira.

5) Suspenda um pedaço de arame no suporte de arame, de forma que

ele fique próximo ao ímã no copo.

6) Conecte o outro parafuso a um pedaço de fio de cobre; prenda esse

fio de cobre ao copo.

Sugestão de procedimento:

1) Conecte os 02 (dois) parafusos do suporte de madeira à bateria de

celular, utilizando fios de cobre.

2) Observe o que ocorre.

Questões para discussão:

1) Como funciona um motor de combustão interna? Que conhecimentos

de Física são necessários?

2) Como funciona um motor elétrico? Que conhecimentos de Física são

necessários?

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3) Que implicações sociais, culturais e ambientais podem ser associadas

à utilização de motores de combustão interna e motores elétricos?

Imagens: Noemi Sutil

Referências: FILHO, G. A.; TOSCANO, C.; Física volume único: Ensino Médio. São Paulo: Editora Scipione, p. 372, 373, 2005.

UNESP. Experimentos de Física para o Ensino Médio e Fundamental com materiais do dia-a-dia. Disponível em: http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ acesso em: 02/02/2010.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_41.asp acesso em: 10/07/2010

http://www.infoescola.com/fisica/lei-de-inducao-de-michael-faraday/ acesso em: 20/07/2010

Referências Comentadas:

MELLO, C.N.L; Luz e força movimentando a história. Rio de

Janeiro: Centro de Memória da Eletricidade no Brasil, 2003.

Nesse livro, são apresentados aspectos históricos da utilização da

energia elétrica no Brasil.

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Motores Elétricos. Disponível em:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_00.asp. Acesso em: 04/01/2010

Esse site apresenta diversas opções de atividades experimentais

envolvendo motores.

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