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DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA José Carlos da Silva Filho Licenciando em Física, UFU, MG, Brasil Disciplina: PIPE 3
ESTRUTURA CURRICULAR DA AULA Tema: O calor na vida e no ambiente Nível de Ensino: 2ª ano do Ensino Médio
I. ATIVIDADE 1 1.1 Objetivos Através da pergunta problematizadora e da apresentação do vídeo, que apresenta o processo de congelamento da água em uma garrafa plástica dentro de um congelador, promover a discussão sobre os tipos de processos de transferência de calor e sua relação com os estados da matéria, assim como estimular o trabalho em grupo. 1.2 Realização da atividade
DADOS DA AULA O que o aluno poderá aprender com esta aula: Transferências de calor (condução e convecção) Dilatação anômala Organização molecular Duração das atividades: Aproximadamente 100 minutos; 2 aulas Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno:
Definição de Calor Dilatação térmica de líquidos Medidas de Temperaturas (Celsius e Kelvin) Equilíbrio Térmico
Estratégias e recursos da aula:
Aula interativa Uso do laboratório de informática Uso de vídeos Uso de simulação
Essa atividade divide-se em etapas, com o objetivo de reconhecer e introduzir os conceitos do tema proposto. Tais etapas são importantes para ajudar os alunos a iniciarem a discussão e proporem hipóteses. I. Inicialmente, introduzir a problematização aos alunos: “Como ocorre o congelamento da água em uma garrafa plástica dentro de um congelador com o passar do tempo?”. Espera-se que os alunos não respondem logo o que realmente ocorre, e sim que a água vai se tornar gelo ao final de um período. Nesse momento é importante o professor indagar os alunos o que causa esse congelamento, por exemplo, quais são os processos fundamentais, se existe diferença de temperatura entre os corpos envolvidos, para que possa seguir para a próxima etapa. Para prosseguir é necessário contextualizar a problematização, objetivo do próximo passo, pois pode ocorrer de algum aluno não ter esse evento como uma experiência cotidiana (ou nunca prestou a atenção).
II. Como segundo passo, sugere-se a apresentação de vídeos e a utilização de uma simulação (S) [1], para os estudantes organizados em grupos de três componentes. Serão dois vídeos, sendo o primeiro (V1) uma produção caseira que apresenta as etapas do congelamento da água com o passar do tempo em duas garrafas diferentes (pequena e grande) e o segundo (V2) aborda uma experiência denominada “O Gênio da garrafa” [2]. Os vídeos serão exibidos com o intuito de promover o entendimento ao aluno, de forma que o possibilite relacionar o processo com o questionamento inicial. Utilizar V1 para exemplificar o questionamento inicial. Passar o vídeo somente após ter discutido a questão problematizadora. Depois de passar o vídeo perguntar qual foi a diferença visual do congelamento entre as garrafas pequena e grande, e qual a explicação para a água ocupar um volume maior, no seu estado sólido, do que no seu estado líquido. Como exemplo pede para três alunos agruparem um do lado do outro em pé. Cada um vai fazer o papel de uma molécula de água. Deixar claro que é uma aproximação muito simplória e que a molécula de água possui três elementos. Assim, pedem para eles notarem que os três alunos um do lado do outro ocupa certo espaço. Agora cada molécula de água (um aluno), irá levantar o braço (de forma que fique 90º com o corpo) na sua lateral e segurar cada um na mão do colega ao lado. Com isso, pedir para que eles comparem o espaço de antes com o ocupado agora por eles. Com essa analogia comparar com o ocorrido com a água dentro da garrafa no congelador, enfatizando a organização molecular da água.
Após discussão desse exemplo e relacionando com V1 dizer que existem outras substâncias que possuem o mesmo comportamento da água, como o Gálio, o germânio e o antimônio, citados em [3]. Para complementar V1 pedir para que os alunos abrirem S, que de forma rápida reproduz a dilatação da água. Com S aberto pedir para que eles respondam as seguintes questões. 1) Justifique se o fenômeno ocorrido é o mesmo apresentado no vídeo V1? 2) Em qual temperatura a água possui volume mínimo? 3) Se existir um termômetro que utiliza água em vez do mercúrio e a temperatura for inicialmente 4ºC e, então mudar, porque não posso afirmar que a temperatura está aumentando? Como próxima etapa, após a discussão das questões anteriores, utilizar V2 para explicar o processo de transferência de calor por convecção. Esse vídeo auxilia na explicação esse tipo de transferência de calor é fundamental para toda a água no interior da garrafa chegar a mesma temperatura antes de iniciar o congelamento. A explicação desse processo será útil para a explicação da atividade 2. Após assistir o vídeo perguntar aos alunos: “Qual a ligação entre esse processo de transferência de calor e o equilíbrio térmico?”. Nota: Para a produção do vídeo pode se ter duas abordagens diferentes: a primeira o professor pode dividir a sala em grupo e pede que, previamente, que eles produzem o vídeo de curta duração envolvendo o conteúdo. Outra abordagem o próprio professor produz o vídeo e leva-o para sala de aula. A primeira possui a vantagem de o aluno interagir com a experiência e a segunda no caso de não haver a possibilidade dos alunos fazerem a atividade.
III. Para finalizar esta atividade o professor pede para que cada grupo discuta e formalize uma resposta para a problematização inicial.
somente as superfícies dos lagos e rios, em locais de inverno longo e intenso, congelam. Para contextualizar sugere-se apresentar uma tira de humor [4], fig. 1, que apresenta duas pessoas pescando em um lago ou rio, cuja superfície está congelada.
O papel do professor nessa etapa é estimular as discussões e não responder a pergunta. Obs.: A pergunta pelo fato de ser aberta, não possui uma resposta determinada. Sendo assim, a resposta “certa” fica a critério do professor, pois com esse mesmo exemplo pode-se ter objetivos diferentes do mesmo conteúdo. O foco dessa aula é a dilatação anômala da água, mas poderia, por exemplo, focar a aula somente nos processos de transferências de calor.
II. ATIVIDADE 2
Fig. 1: Lago congelado com duas pessoas pescando e um tubarão se movendo em suas direções.
2.1 Objetivos Relacionar o congelamento da água numa garrafa de plástico dentro de um congelador, atividade 1, com o processo de congelamento da água na superfície de um lago. Discutir a importância do processo de congelamento anômalo da água para a manutenção da vida. 2.2 Realização da atividade Inicialmente, introduz a nova problematização que envolve a discussão feita na atividade 1. “O processo ocorrido dentro do congelador para que a água no estado líquido passe para o estado sólido (gelo), ocorre em qualquer situação sempre da mesma maneira?” Justifique. Discutir com os alunos se isso sempre ocorre, e se não ocorre qual o motivo. Após uma breve discussão apresentar uma situação em que
Discutir com os alunos como é possível um tubarão estar vivo sendo que o lago devia estar congelado, além, o que as pessoas esperariam pescar sendo que tudo estaria congelado. Será fundamental nessa etapa discutir que o processo de congelamento anômalo da água é fundamental para a manutenção da vida de animais e plantas aquáticas durante os invernos intensos. Após discussão apresentar o vídeo (V3) [5] de um homem em um lago na Patagônia, Argentina, mostrando um lago que está com sua superfície congelada e logo abaixo água líquida. O vídeo dará suporte para uma discussão de como é possível ocorrer o congelamento somente da superfície. Através da fig. 2 [6], mostrar as etapas que dão origem ao efeito visto na fig. 1 e em V3.
[2] ISAMORAIS1479. Gênio da Garrafa. Disponível em: . Acesso em: 11 ago. 2014. [3] GONCALVES, B. et al. Nova metodologia para aferição da temperatura final de hastes metálicas em um experimento de dilatação térmica linear. Rev. Bras. Ensino Fís. [online]. 2013, vol.35, n.2, pp. 1-11. ISSN 1806-1117. [4] UNIVERSIDADE FERDERAL FLUMINENSE. Proposta para o Ensino de Física: Tiras de Humor. 2009. Disponível em . Acesso em: 11 ago. 2014. [5] ROBERTO BAHIENSE. Lago com superfície congelada. Disponível em:. Acesso em: 11 ago. 2014. Fig. 2: Etapas do congelamento da superfície de um lago.
Após ser apresentado V3, fig. 1 e fig. 2, reforçar a diferença entre o ocorrido na superfície de uma lago com o congelamento da água na garrafa dentro do congelador. III. REFERÊNCIAS [1] ______. Simulação: Dilatação Anômala da Água. Disponível em: . Acesso em: 11 ago. 2014.
[6] SANT’ANNA, B.; MARTINI, G.; REIS, H. C.; SPINELLI, W., Conexões com a Física. v. 2, Ed. Moderna. 2012.
