Dilatação térmica linear de materiais sólidos

Física - Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Investigação Científica

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Este conteúdo faz parte do curso Investigação Científica e Mediação e Intervenção, disponível gratuitamente no canal da Nova Escola, no Youtube.

Título da aula – Dilatação térmica linear de materiais sólidos

Componente curricular – Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Ano – 2º ano do Ensino Médio

Eixo estruturante do itinerário formativo – Investigação Científica

Habilidades dos Itinerários Formativos Associadas às Competências Gerais da BNCC:


(EMIFCNT02) Levantar e testar hipóteses sobre variáveis que interferem na dinâmica de fenômenos da natureza e/ou de processos tecnológicos, com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais, utilizando procedimentos e linguagens adequados à investigação científica.

Objetivo de aprendizagem:  Compreender o fenômeno da dilatação térmica e identificar sua ocorrência em situações do cotidiano.

Professor-autor: Hudison Cleber de Brito Ferreira - Professor de Ciências da Natureza na Escola Cidadã Integral Técnica José do Patrocínio (João Pessoa - Paraíba).

Materiais necessários

Óculos e luva de proteção, termômetro digital infravermelho mira laser e velas. Para agilizar o processo de aquecimento, é possível substituir a vela pelo maçarico. A recomendação é que esta opção seja adotada apenas para quem tiver experiência com o uso deste tipo de equipamento.

Materiais complementares

Experimento 1 – Estiramento de metais (trilhos de trem). O modelo utilizado na proposta do professor Hudison foi feito com tábua de madeira (pode ser feito com material reciclável), pregos e uma barra de alumínio com 1 metro e 5/16 de diâmetro (sugere-se que seja pintada de preto).

Experimento 2 – Balança equilibrada de madeira. O modelo desta proposta foi construído com tábua de madeira, pregos, arame, duas garrafas pet com areia, cabo de vassoura e barra de alumínio com 1 metro e 5/16 de diâmetro. O equipamento pode ser substituído por similares. O importante é ser feita com metal que permita aquecimento rápido.

Tempo sugerido – 50 minutos


Espaço – A aula pode ser realizada no laboratório ou na sala de aula. Neste último caso, sugere-se que as carteiras sejam organizadas no formato de meia lua ou U, que proporciona contato visual entre todos e favorece o debate coletivo. Também permite manter o foco no professor e o acompanhamento do experimento que será realizado.


Referências: Toda Matéria. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/fisica/

Etapas

1 – Introdução

Inicie contando aos alunos que o tema da aula será dilatação térmica em materiais sólidos. Comente que se trata de um fenômeno visível a olho nu. Pergunte se a turma conhece o termo e se pode citar exemplos de situações nas quais é possível verificar a ocorrência do fenômeno. É esperado que eles citem os trilhos do trem ou rachaduras nas calçadas.


2 – Desenvolvimento

Diga que serão feitos dois experimentos na aula para que os alunos verifiquem a ocorrência da dilatação térmica linear de metais. Apresente os materiais que serão utilizados e reforce a importância da utilização dos equipamentos de segurança. Comente que a escolha pela barra de alumínio se deve ao fato dela aquecer e resfriar rapidamente.

Antes de iniciar o experimento, explique o conceito de dilatação linear (aumento de volume que ocorre em apenas uma das dimensões, no caso o comprimento) e a equação utilizada para seu cálculo (comente o que significa cada item da equação: comprimento inicial e final, temperatura inicial, variação de temperatura e coeficiente de dilatação linear). Se necessário, verifique aqui qual é a equação.

Conte que o primeiro experimento será o de aquecimento de uma barra de alumínio. Diga que a ideia é verificar na prática como ocorre a dilatação térmica linear. Você pode convidar alunos para apoiar a realização. Um deles pode ficar responsável por medir a temperatura com o termômetro, enquanto o outro aquece a barra de alumínio com a vela. Se a opção for pela utilização do maçarico, a recomendação é de que o aquecimento seja feito pelo próprio professor. Peça para que a turma anote suas observações.

Depois de realizado o experimento, proponha aos alunos compartilhar as observações e estimule-os a discutir o que foi apresentado.

Divida a turma em grupos de três ou quatro alunos e os desafie a resolver o problema: Qual foi a dilatação da barra de alumínio durante o experimento? Propicie um tempo para que eles encontrem a solução.

Quando finalizarem os cálculos, peça aos grupos para compartilharem os resultados. Convide um aluno a colocar no quadro a equação.

Diga aos estudantes que será realizado um segundo experimento com a balança de madeira e alumínio. Explique que será aquecido apenas um dos lados da balança e pergunte o que eles acham que irá ocorrer. A expectativa é de que indiquem que a balança irá pender para o lado que for aquecido.

Antes de iniciar o experimento, peça aos alunos para anotarem suas observações. Convide um estudante para utilizar a vela e aquecer a barra de alumínio de um dos lados da balança. Se preferir, faça você mesmo. É esperado que o lado aquecido se dilate, fazendo com que a balança penda naquela direção.

Após o experimento, proponha que a turma debata o resultado. A expectativa é que concluam que o aquecimento provocou a dilatação linear. Com a dilatação, a barra ficou mais longa do lado aquecido, gerando desequilíbrio para a balança.

3 – Fechamento

Deixe os alunos livres para realizarem experimentos com os materiais. Fique atento aos cuidados com a segurança. Ao final, converse sobre outras percepções que eles levantaram neste momento de exploração.

4 – Avaliação

Observe a clareza e o raciocínio utilizados durante os debates sobre os experimentos. Também deve acompanhar se todos os grupos conseguiram utilizar a equação para calcular a dilatação da barra de alumínio.

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