Física das tempestades

Física das tempestades

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9) É possível armazenar e utilizar a energia de um raio?

10) Por que ouvimos o trovão depois de raio? Como podemos usar isso para saber a distância que ocorreu o raio?

Além dos questionamentos, o professor pode também levantar discussões relacionadas a mitos e mitologias que envolvem as tempestades de raios. Segundo Marcelo M.F. Saba (2001) “as civilizações do passados geralmente interpretavam os raios e trovões como manifestações divinas, que surgiam principalmente como resultado da ira dos deuses contra a atitude dos homens” (SABA, 2001). Os babilônicos, a mais de cinco mil anos atrás acreditavam que o deus Adad carregava um bumerangue em uma das mãos e uma lança na outra, sendo estes instrumentos respectivamente capazes de provocar o raio e o trovão. Os gregos, acreditavam que os Ciclopes, gigantes deum olho só, produziam os raios na forma de lanças para Zeus, o rei dos deuses. Os romanos de forma semelhante aos gregos acreditavam que os raios eram controlados pelo rei dos deuses, Júpiter, mas eram produzidos por Minerva, a deusa da sabedoria. Já os nórdicos, acreditavam que Thor era o deus do trovão e dos raios que eram produzidos respectivamente pelo passar de sua carruagem e o arremesso do seu martelo.

Dentro deste contexto mitológico, as civilizações do passado criaram vários mitos e crenças populares de proteção contra raios. Alguns povos acreditavam que determinadas árvores tinham o poder de atrair ou repelir raios. Como, por exemplo, o carvalho, que por ser uma árvore alta, era constantemente atingida por raios e se tornou o símbolo do deus Júpiter. Já o loureiro, árvore cujas folhas eram utilizadas na cabeça dos imperadores e generais, era considerado um meio de proteção contra ira dos deuses de tempestade (SABA, 2001). Além disso, na Europa Medieval acreditava-se que o badalar dos sinos das igrejas durante uma tempestade, afastava os raios, crença que acabou por matar muitos campanários de igreja, já que as torres eram frequentemente atingidas por serem um ponto alto. Outra crença europeia que se espalhou pelo mundo foi a de que a “pedra-de-raio” era uma espécie de talismã de proteção, pois se acreditava que o raio era um pedra que caia na terra e afundava sete varas ou braças e depois subia uma braça por ano, até que depois de sete anos estava na superfície. Eles acreditavam que quando a pedra caia, quicava no chão antes de afundar, por isso ficavam marcas no local do raio. Muitas armas e amuletos foram produzidas com esse material em virtude dessa crença. Mesmo hoje em dia, algumas crenças sobrevivem como, por exemplo, a crença de que os espelhos atraem raios e devem ser cobertos durante uma tempestade e a crença de que raios nunca caem duas vezes no mesmo lugar.

5.3 SUGESTÕES DE ATIVIDADES

Nesta seção, serão apresentadas algumas atividades didáticas que foram reunidas com a intenção de oferecer ao professor opções de escolha das atividades que melhor se adapte ao sua metodologia e ferramentas disponíveis na escola na qual serão ministradas as aulas. As propostas variam desde a utilização recursos tecnológicos, experimentos e até conteúdos interdisciplinares, visto que o tema tratado aqui abre possibilidade ao desenvolvimento de aulas que podem interligar várias disciplinas.

5.3.1 Conteúdo digital

Como foi mencionado no capítulo anterior, a tecnologia pode auxiliar muito no processo de ensino-aprendizagem. Nessa secção são apresentadas algumas propostas de utilização de ferramentas tecnológicas que podem auxiliar no ensino do conteúdo tratado neste trabalho.

Como os raios ocorrem em um intervalo de tempo muito curto, são difíceis de serem analisados e recordados com detalhes, uma maneira atrativa de mostrar o fenômeno em sala de aula é por meio da exibição imagens comuns e/ou em formato .gif ou exibição de vídeos. Esse tipo de recurso possibilita mostrar aos alunos a beleza e periculosidade desses fenômenos naturais (raios e trovões). Sendo que os vídeos trazem mais possibilidades ao professor, como exibição em câmera lenta e pela grande quantidade de conteúdo disponível na internet. Os vídeos além de possibilitar assistir o fenômeno em detalhes, possuem outras vantagens, como a possibilidade do professor trazer conteúdos interessantes e que ajudem na construção do conhecimento, mostrando, por exemplo, as áreas onde os raios tendem a cair mais, e até comparando o impacto causado por raios ao atingir diferentes tipos de alvos. Além disso, se o professor escolher um vídeo de boa qualidade pode até conseguir calcular junto aos estudantes a distância que a câmera estava do local onde ocorreu o raio, por meio da diferença de tempo entre a captura da luz e do som do trovão.

Outras ferramentas também estão disponíveis e podem ser bem interessantes quando usadas em sala de aula, como as simulações interativas ou não. Muitos sites disponibilizam simulações que podem ser utilizadas pelo professor como forma de demonstração ou pelos próprios alunos. Sites como o Phet (phet.colorado.ed) da Universidade do Colorado e o Labvirt da Universidade de São Paulo (http://www.labvirt.fe.usp.br) disponibilizam uma gama desses conteúdos e já são bem conhecidos. Outros sites internacionais como MagnetLab (http://micro.magnet.fsu.edu/) e MagnetAcademy https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy), apesar de não serem muito populares aqui no Brasil, disponibilizam um material bem diversificado e de boa qualidade, além de possuirem simulações bem convenientes com o tema que propomos aqui. Um exemplo é a simulação “Lightning: An Example Of A Natural Capacitor” mostrada na Figura 14 a seguir, que mostra o raio como um exemplo de capacitor natural.

Figura 14 – Simulação Lightning: An Example Of A Natural Capacitor.

Fonte: < http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lightning/index.html> Acesso em novembro de 2017.

5.3.2 Conteúdo experimental

No capítulo anterior falamos sobre os benefícios do uso de experimentos em sala de aula, pois podem deixar a aula mais atrativa para os alunos e auxiliar na quebra da abstração conceitual. E como os experimentos podem ser colocados com um enfoque investigativo, e com uma participação ativa dos alunos. Nesta secção será mostrado três exemplos de experimentos que podem ser utilizados dentro do contexto das aulas que propomos aqui, dois desses experimentos podem inclusive ser construídos pelo professor, ou até mesmo pelos alunos. A escolha desses experimentos seguiu os critérios de facilidade de acesso ou elaboração do experimento e pela quantidade de conceitos que poderiam ser demonstrados com cada um deles. Os escolhidos foram o Eletroscópio de Folhas, a Garrafa de Leiden e o Gerador de Van de Graaff.

O eletroscópio tem a função de detectar cargas, os tipos de eletroscópios mais comuns são: o pendulo eletrostático e o espectroscópio de folhas. Sugerimos o espectroscópio de folhas, porque assim como o pendulo eletrostático, ele pode ser construído facilmente, mas as folhas proporcionam uma visualização mais clara, além de possuir melhor estética Figura 15. O professor pode trazer um eletroscópio para aula, ou preparar uma atividade onde os alunos construam o seu próprio, utilizando materiais de baixo custo. O eletroscópio, representado na Figura 15 a seguir, é constituído de uma esfera condutora, fixada a extremidade de uma “barra” de metal, e duas folhas finas de metal no outro extremo, a esfera condutora e as folhas de metal são separadas por um material isolante, geralmente coloca-se a barra de metal com as folhas no interior de uma garrafa, deixando apenas a esfera na parte exterior, pois a garrafa ajuda a conservar o aparato. Quando o eletroscópio está neutro, as suas folhas se mantem abaixadas. Isso muda quando aproximamos da esfera metálica um corpo carregado, que induz cargas iguais nas folhas e estas se repelem. A vantagem desse tipo de eletroscópio é que ele possibilita a observação dos métodos de transferência de cargas, por indução e contato. Além disso, abre espaço para que o professor crie momentos de interação, ele pode levar objetos variados como canudos, bastão de vidro, papel e balões, para que os alunos eletrizem e aproximem ou transfiram cargas para o eletroscópio, desta maneira, os alunos visualizam também o processo de eletrização por atrito dos objetos. A força elétrica também pode ser visualizada pela repulsão das folhas, assim como a neutralização de cargas quando usamos para carregar o eletroscópio objetos positivamente e negativamente carregados respectivamente e também o processo de neutralização por aterramento e o potencial elétrico.

Figura 15 – Representação de um eletroscópio de folhas carregado e neutro.

Fonte: <http://cultura.secular.com.br/06-nov2005/fotoeletrico4.jpg > Acesso em novembro de 2017.

O próximo experimento, a garrafa de Leiden, é um tipo primitivo de capacitor, foi sua evolução que levou aos capacitores utilizados na eletrônica atualmente. E consiste em um pote cilíndrico com tampa, feito de material isolante, com uma folha metálica fixada no interior e outra no exterior do pote, a folha interior é ligada a um terminal que atravessa a tampa e tem uma esfera metálica na ponta, já no exterior, é colocado um anel que circunda a folha e está ligado a um fio. Este esquema constitui os dois terminais do capacitor e está representado na Figura 16 a seguir. Esse experimento assim como anterior pode ser construído sem grandes dificuldades pelo professor ou pelos alunos utilizando materiais de fácil acesso como um pote, garrafa ou um copo alto de vidro ou plástico com tampa, uma folha de papel alumínio, arame e fio. A garrafa de Leiden pode ser carregada a partir da esfera por meio de objetos eletrizados por atrito assim como o eletroscópio, uma vez que seu interior foi carregado e o fio do exterior está aterrado, é induzido na folha exterior carga oposta, que é atraída pela carga do revestimento interno. Se aproximarmos o fio, conectado à folha exterior, da esfera, conectada à folha interior, pode-se observar uma faísca. Esse experimento é interessante pois funciona de forma análoga ao que ocorre entre a nuvem e o solo abaixo dela durante uma tempestade, os estudantes podem interagir e observar vários conceitos como o carregamento de um capacitor, o armazenamento de cargas e descarga elétrica. O professor Luiz Ferraz Netto do blog Feira de Ciências afirma o seguinte: “Em sala de aula já 'dei' choque em 100 alunos, simultaneamente, com uma dessas garrafas eletrizadas. Os 100 alunos previamente avisados (nenhum usando marca-passo) dão as mãos fazendo uma fila. A fila se curva de modo que o primeiro e o último fiquem perto da garrafa; um põe a mão no alumínio da parte externa e o outro toca a esfera e 100 gritam e pulam simultaneamente!” .

Figura 16 - Representação de uma Garrafa de Leiden.

Fonte: Adaptado de <http://www.solitaryroad.com/c1042.html> Acesso em novembro de 2017.

O último experimento proposto é o Gerador de Van de Graaff, apesar de não poder ser produzido facilmente como os dois anteriores, ele está presente na maioria dos laboratórios de física. É possível brincar com o gerador e ir desvendando conceitos físicos. Pode-se utilizar um pêndulo metálico para mostrar a atração e repulsão, um bastão de madeira com esfera de alumínio na ponta para observação de descargas e quebra da rigidez dielétrica do ar, papel alumínio picado para visualizar a eletrização por contato, uma esfera condutora isolada para demostrar a polarização elétrica e até uma lâmpada fluorescente para demonstrar a ionização dos gases. Além disso, é muito comum durante esse tipo de prática, que um ou mais estudantes toquem a esfera do gerador, e os fios de cabelo destes começam a se repelir.

5.3.3 Conteúdo interdisciplinar

Não são apenas fenômenos físicos que contribuem no processo de formação das tempestades de raios. Esse fenômeno possibilita a integração de várias áreas do conhecimento. Por isso, aqui mostramos como o professor que tem interesse em elaborar uma aula interdisciplinar pode utilizar deste das tempestades de raios como ponto de partida.

  • Relação com a Química: O professor pode relacionar desde as reações químicas atmosféricas que interferem no clima, como as que ocorrem durante o processo de formação da nuvem até as reações resultantes de descargas elétricas, como eletrólise;

  • Relação com a Biologia: Pode ser abordada a formação de coacervados orgânicos a partir de matéria inorgânica nas condições da atmosfera primitiva da terra;

  • Relação com Ciências da Saúde: Pode ser discutido o efeito da eletricidade no corpo humano;

  • Relação com a Matemática: É possível a abordagem dos aspectos geométricos dos raios e para-raios. Assim como relações algébricas, gráficas e vetoriais do campo e potencial elétrico;

  • Relação com a história: Pode ser abordado tanto as mitologias e crenças relacionadas com raios, como o estudo e descobertas na eletricidade, por exemplo, a experiência de Benjamin Franklin;

  • Relação com a Meteorologia: A previsão e formação das tempestades pode ser discutida;

  • Relação com as artes: Muitos compositores, pintores e fotógrafos se inspiraram no fenômeno.

  • Relação com o Inglês: Há uma série de materiais disponíveis em inglês que podem ser utilizados em aulas interdisciplinares, como publicações em revistas internacionais de acidentes e até algumas simulações como a “Lightning: An Example Of A Natural Capacitor” citada anteriormente.

5.4 AVALIAÇÃO

Propomos que a avaliação dos alunos seja processual, envolvendo diagnósticos, dificuldades de resultados obtidos durante as aulas. Essa avaliação pode ocorrer de duas maneiras: uma avaliação das atividades em grupo e uma individual. Propõem-se que a avaliação individual seja composta por exercícios conceituais ligados com a experiência tida pelo estudante. Essas questões também podem estar ligadas às questões iniciais, que foram usadas para levantar discussões. Essa avaliação pode ser feita imediatamente após as experiências ou ao final de cada etapa, fica a critério do professor. Já avaliação das atividades em grupo deve analisar tanto a participação dos alunos na elaboração e durante os experimentos e atividades realizadas, como sua compreensão e postura nas discussões. O professor também pode avaliar as atividades experimentais por meio de relatórios. Nesse caso, deve solicitar que os alunos elaborem e entreguem estes relatos após as práticas. Outra opção é a proposta de desafios à turma, que podem consistir, por exemplo, em pesquisas ou montagem de experimentos. Por fim, é importante que a avaliação esteja de acordo com os objetivos deste guia, logo, devem buscar avaliar o entendimento sobre os perigos das tempestades de raios, as formas de prevenção contra acidentes e a compreensão do processo de formação de uma tempestade e do raio.

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Esta pesquisa aponta que é possível preparar aulas baseadas em fenômenos presentes no cotidiano dos alunos, nesse caso, estudando as tempestades de raios. Mesmo esse fenômeno tendo chamado atenção desde muito tempo, vimos que ele ainda não é compreendido completamente. Mesmo assim, com o já se sabe, conseguimos explicar vários dos conceitos físicos de eletrostática e eletrodinâmica de maneira contextualizada. É interessante levar para a sala de aula fenômenos como esse, pois estão ainda sendo estudados e possibilita que o professor mostre aos estudantes que a ciência não é uma verdade estabelecida e inquestionável, mas que está constante construção. Essas aulas contextualizadas possibilitam uma melhor fixação dos conceitos e permitem a compreensão de fenômenos naturais, capacitando o aluno à reconhecer como as experiências do seu cotidiano podem ser refletidas à luz do conhecimento físico. O que faz com que o estudante veja com outros olhos o sentido de estudar ciência.

Além disso, o embasamento das aulas na Teoria da Aprendizagem Significativa cria um ambiente favorável ao processo de ensino-aprendizagem, rompendo com o caráter dogmático da pedagogia tradicional. O professor, não é mais retentor de toda a verdade enquanto os alunos são meros espectadores. O que ocorre é a construção do conhecimento, por meio de discussões e observações, em que o professor conduz o aluno ao entendimento do conteúdo em questão. Como vários estudos têm demonstrado, esse tipo de metodologia tem se mostrado eficiente, tanto em termos de motivação dos alunos em sala como na construção de uma aprendizagem significativa.

A utilização de recursos como simulação e experimentação, como vimos, contribui de maneira eficiente neste processo, tanto por aproximar o aluno da metodologia cientifica, como por proporcionar a este seguir o seu próprio ritmo, refletir durante o processo, interpretar os resultados, e a construção do seu próprio conhecimento que surge como resultado da experiência em questão. Alguns desses experimentos ou simulações também são eficientes no sentido de romper a abstração conceitual de determinados conceitos físicos.

Esse tipo de aula prepara o estudante não apenas para resolver questões, mas para compreender o mundo a sua volta. Para compreender como se forma um raio, quais suas reais consequências, entender o que de fato é perigoso ou o que é apenas mito, além de saber como agir corretamente em situações de risco durante tempestades, fora proporcionar uma educação cidadã, por serem fundamentas em uma metodologia que busca levar o aluno à construção do conhecimento, despertando seu espirito crítico.

Outros trabalhos podem ser desenvolvidos dentro da proposta desse trabalho. Como vimos no capítulo 1, é institucionalizada a necessidade da inclusão de tópicos relacionados com a climatologia nas aulas de ciência, mas os trabalhos nessa área são escassos. Tempestades são fenômenos naturais muito ricos, envolvem várias áreas do conhecimento e também diferentes áreas da Física. Neste tema, podem ser discutidos, além de tópicos de eletricidade, conceitos físicos como densidade, pressão, temperatura e volume. Na mecânica, o professor pode citar como exemplo, a teoria da coalescência, baseada na velocidade terminal das gotículas de água, assim como a força exercida pelas correntes ascendentes nas partículas que compõem a nuvem, o faz com que elas fiquem suspensas no ar até adquirir determinadas dimensões. Também na óptica, pode-se discutir sobre a coloração apresentada pelas nuvens quando são mais extensas verticalmente, ou em diferentes momentos do dia. Ademais, o tema em questão abre uma porta para aulas ou projetos interdisciplinares, possibilitando interação com a química, biologia, matemática, história, meteorologia, artes e ciências da saúde.

Finalmente, não há uma receita infalível para como se deve ensinar. O que se tem são recomendações que devem ser consideradas como a necessidade de ir além do ensino tradicional, não apresentando os conteúdos limpos e prontos, confinados apenas à sala de aula, onde as aplicações são dadas por meio de questões muitas vezes incompreendidas pelos alunos, e até resolvidas sem reflexão, apenas aplicando uma formula. Nesse sentido esse trabalho busca contribuir para um ensino de física contextualizado, mais próximo da experimentação e da pesquisa e que contribua de forma eficiente na formação dos nossos jovens.

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