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PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INIAÇÃO A DOCÊNCIA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSA DE INICIAÇÃO À DOCÊNCIA

UTILIZAÇÃO DE SENSORES COMO RECURSO PEDAGÓGICO PARA TRABALHAR CONCEITOS DE MECÂNICA

LEI DE HOOKE

Gilmar Wagner

Guilherme Liguori Mateus H. R. Zaniti

Rafael Henrique Campos Rogério Hisashi Honda

Samuel Gianasi Rodrigues GRUPO POLIVALENTE

São João delRei/MG 14 de dezembro de 2011


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1. RESUMO:

Nesta proposta de aula é apresentada a possibilidade de uso de sensores como recurso pedagógico, para execução de experiências práticas do dia-a-dia. o foco do estudo da aula foi a análise de que molas helicoidais se distendem e se comprimem, quando sujeitas à ação de forças externas. É evidente que cada mola poderá suportar até certa intensidade de força deformante, para valores acima desse limite, a mola se deformará permanentemente, isto é, cessada a força deformante, não retornará ao seu comprimento inicial. A partir dos conceitos envolvidos pode-se chegar à lei de Hooke.

2. PALAVRAS CHAVE:

Lei de Hooke, Molas, Deformação Elásticas.

3. OBJETIVOS:

Este experimento visa à análise experimental da Lei de Hooke através do

uso de mola e pesos. Tal lei pode ser comprovada pela variação linear obtida das

medições (distensão da mola) com o aumento dos pesos.

4. INTRODUÇÃO:

A utilização de sensores como recurso pedagógico em sala de aula partiu da

proposta apresentada pelo coordenador do subprojeto de Física do Programa

Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência (PIBID).

Diante da proposta, o grupo começou a pesquisar possíveis aulas que

pudessem ser aplicadas com a utilização de sensores da PASCO e trabalhar

conceitos de Física. Uma das propostas apresentadas foi o estudo da lei de Hooke,

com o auxílio do sensor de força.

A Ideia central da proposta era determinar a constante elástica de uma mola a

partir da verificação da lei de Hooke. Para isso; mediu-se o comprimento inicial de

uma mola, ou seja, numa situação de total equilíbrio estático, em seguida essa

mola foi submetida a uma força em uma de suas extremidades, com o auxilio de

uma massa conhecida. O valor da força foi facilmente obtido obter através do


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sensor de força, por fim ficou fácil para os alunos obterem o valor da constante

elástica.

Foram feitas três medidas experimentais, com a adição de mais massas na

extremidade das molas, com o intuito de verificar que, para valores diferentes de

forças, encontra-se o mesmo valor da constante elástica, claro que dentro dos

limites de deformação reversível da mola.

A aula foi dividida em dois momentos: no primeiro houve uma apresentação

teórica dos principais conceitos; no segundo, os alunos participaram de forma

prática, onde eles fizeram medidas, cálculos, análise de resultados. Todos esses

momentos com auxílio dos monitores, no caso os seis bolsistas do grupo atuante

na Escola Estadual Governador Milton Campos (Polivalente).

5. CONTEÚDO:

Um corpo ligado à extremidade de uma mola comprimida (ou esticada) possui

energia potencial elástica. De fato, a mola comprimida exerce uma força sobre o

corpo, a qual realiza um trabalho sobre ele quando o abandonamos.

Entretanto, se tentarmos comprimir (ou esticar) uma mola, nota-se que a força

produzida pela mola no corpo é diretamente proporcional ao seu deslocamento do

estado inicial (equilíbrio). O equilíbrio na mola ocorre quando ela está em seu

estado natural, ou seja, sem estar comprimida ou esticada.

A Figura 1 mostra uma mola não deformada e, na mesma, apresenta a

mesma mola distendida e comprimida. Verifica-se experimentalmente que:

- dobrando o alongamento (ou comprimindo), a força dobra (2F);

- triplicando o alongamento (ou comprimindo), a força triplica (3F) etc.

Esse resultado é conhecido como Lei de Hooke, pois foi Robert Hooke, um

cientista inglês, quem observou, pela primeira vez, essa propriedade da mola (na

realidade, essa lei só é verdadeira se a deformação da mola não for muito grande).

O entendimento das aplicações de molas está no cotidiano de todas as

pessoas, não só de molas, mas no geral de corpos que apresenta características

elásticas.


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Os Conteúdos Básicos Comuns (CBC) do Estado de Minas Gerais para as

escolas estaduais apresentam a ideia de aplicar o conceito de energia e suas

propriedades para compreender situações envolvendo molas ou outros corpos

elásticos.

O quarto tema do CBC “energia mecânica” aponta para o seguinte tópico:

Compreender que a constante elástica é uma propriedade do corpo e está

associada a uma maior ou menor dificuldade de deformar esse corpo.

Figura 1: Posição natural e inicial, Mola deformada, e a mola deformada indicando realização de trabalho, ou seja, um deslocamento produzido por força:

Podemos escrever que;

Onde k é uma constante, diferente para cada mola e denominada constante

elástica da mola. Traçando-se um gráfico F versus X, obtém-se uma reta,

passando pela origem cuja inclinação é igual a k, como mostrado na Figura 2.

Figura 2: Gráfico da força aplicada sobre uma mola pela deformação

sofrida por essa.


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Para a realização do experimento, foram necessários alguns materiais, para

tanto, foram utilizados materiais disponibilizados pela Universidade, através do

projeto institucional, e outros procurou-se utilizar os que a escola disponibilizava.

6. MATERIAIS UTILIZADOS:

● Molas

● Pesos

● Suporte para fixar a mola

● Sensor de Força da PASCO

● Régua

7. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:

Para a realização do experimento, foi utilizado uma mola fixada em um

suporte. Quando a mola for sujeita a certa massa, aquela sofrerá um deslocamento

X, que por sua vez se for sujeita a uma força; o valor da força será captado pelo

sensor.

Os valores de deslocamento da mola e força serão, portanto, conhecidos,

ficando fácil de encontrar a constante elástica da mola através da expressão

KxF −=

Figura III: Possível montagem experimental.


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8. IMPORTÂNCIA PARA O ENSINO:

O assunto é importante, pois o aluno terá as ideias básicas para o

entendimento de máquinas e o uso de diversos equipamentos tecnológicos onde

se utiliza molas.

9. METODOLOGIA DE ENSINO:

A aula foi em um turno de horário extraturno e foi dimensionado o tempo para

que tivesse um tempo de duração de aproximadamente uma hora, contudo foi

gasto alguns minutos a mais devido às discussões geradas através de perguntas

dos alunos.

No início da aula foram apresentados os principais conceitos em forma em

Power Point, buscando mostrar imagens, gráficos para que chamasse bastante à

atenção dos alunos.

No inicio da aula foram apresentadas diversas imagens que retratam

conhecimentos voltados à Física, e feito a seguinte pergunta para os alunos: o que

é Física? O intuito com essa pergunta era esclarecer para os alunos o principal

foco de estudo dessa ciência, uma vez que o público envolvido em nosso minicurso

era alunos de primeiro ano que não têm bem claro o foco de estudo da física.

Também buscou-se gerar uma apresentação de mostrasse as ideias do geral

para o especifico, ou seja, falou-se de diversos fenômenos rapidamente, por

exemplo, citou-se auroras boreais, bombas atômicas, fenômenos eletromagnéticos,

enfim buscou-se apontar para os alunos que o foco de estudo da Física é tudo que

está relacionado à Natureza, e por fim focalizou-se a fala para o estudo especifico

das molas e corpos elásticos, trabalhando os principais conceitos envolvidos.

A apresentação foi o mais interativa possível, onde eram lançadas questões,

perguntas e comentários para que o público ficasse o mais a vontade possível.

Na parte experimental os alunos deveriam coletar os valores de força e em

seguida coletar os valores de deslocamentos X, utilizando para isso uma régua e o

sensor de força disponibilizado pelo grupo.


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10. RESULTADOS:

5.1. Local: As atividades foram realizadas na Escola Estadual Governador

Milton Campos em um horário extraturno à tarde, mais precisamente às 14 horas e

30 minutos nos dias 04 e 17 de novembro de 2011, para alunos do primeiro ano do

ensino médio. As atividades foram executadas no laboratório de Ciências Naturais

da escola, que por sinal é um bom laboratório, arejado e com bastante material.

5.2. Descrição das ações realizadas e se ocorreu como previsto, que

alterações ocorreram:

1ª Aula (04/11/2011): A aula começou com uma explicação teórica sobre o assunto

tratado. Os alunos prestaram atenção e ficaram quietos. Primeiramente não

fizeram nenhum questionamento, contudo, procurou-se direcionar a aula para a

participação dos alunos o máximo possível, direcionando diretamente perguntas

para alunos específicos; e através da resposta dada era direcionado a outro aluno

o que ele achava da resposta do colega, com isso gerou um ambiente agradável,

onde se discutia Física.

Na parte experimental foi chamado um aluno para fazer as medidas e os

cálculos foram feitos no quadro com o restante da turma. Os alunos participaram

do experimento e fizeram as anotações dos resultados. Através dos dados

experimentais coletados, os grupos fizeram os cálculos necessários para a

obtenção da constante elástica da mola em estudo.

2ª Aula (17/11/2011): da mesma forma que na aula anterior começou com uma

explicação teórica do conteúdo trabalhado. Já nessa aula os alunos participaram

mais e tiveram muitas dúvidas o que foi percebido pelo tanto de perguntas. Já na

parte experimental, os alunos já estavam cansados e não participaram muito além

de grande maioria, e nem prestaram atenção na prática. E, finalmente, fizeram a

lista sugerida, alguns apenas copiaram dos outros.


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11. FOTOS DA PRIMEIRA ATIVIDADE:


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FOTOS DA PRIMEIRA ATIVIDADE:


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12. ANÁLISE E DISCUSSÕES:

12.1. Reflexão do ocorrido, pontos positivos, dificuldades encontradas

Antes de aplicar a proposta de aula, o grupo de modo geral ficou um pouco

ansioso pelo fato de não se ter muita experiência em sala de aula e também por

falar para um grupo que não se conhecia. Contudo, após conhecer os alunos e o

ambiente como um todo, nós sentimos mais a vontade para executar a segunda

atividade.

O comportamento dos alunos foi extremamente normal de alunos da faixa

etária que estão; alunos de primeiro ano do ensino médio.

A fala e a dispersão inicial foram facilmente controladas através da fala inicial

de um dos bolsistas do PIBID e da apresentação dos slides, e o esclarecimento

que foi feito: é importante que se faça silêncio para podermos desenvolver um bom

trabalho.

13. CRONOGRAMA DAS ATIVIDADES:

Atividades Datas Previstas

Apresentação do Projeto ao coordenador

Execução das

atividades

Aplicação de avaliação

Apresentação dos

Resultados ao

Coordenador 04/11/2011 X 17/11/2011 X 08/11/2011 X X 15/10/2011 X

14. AGRADECIMENTOS:

Gostaríamos de agradecer à CAPES as bolsistas concedidas através do Programa

Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência (PIBID), à Escola Estadual

Governador Milton Campos (Polivalente) e à professora Cibelle Andrade Resende

Machado a parceira e abertura ao desenvolvimento de nosso trabalho.


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15. QUESTIONARIO E RESUMO ENTREGUE AOS ALUNOS:

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI

PIBID - PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSA DE INCIAÇÃO À DOCÊNCIA

RESUMO DE ALGUNS PONTOS CHAVE:

Em 1660 o Físico Inglês Robert. Hooke (1635-1703), observando o comportamento

mecânico de uma mola, descobriu que as deformações elásticas obedecem a uma lei

muito simples. Hooke descobriu que, quanto maior fosse o peso de um corpo suspenso

a uma das extremidades de uma mola (cuja outra extremidade era presa a um suporte

fixo), maior era a deformação (no caso: aumento de comprimento) sofrida pela mola.

A constante estabelecida é conhecida por CONSTANTE DE ELASTICIDADE

da mola em estudo e, normalmente, é representada pela letra K. Qual a unidade de

K sabendo que:

.

No Sistema Internacional a unidade de força é Newton (N) e deslocamento é

dado em metros (m):

Energia Potencial Elástica

Corresponde ao trabalho que a força Elástica realiza.

Como a força elástica é uma força variável, seu trabalho é calculado através

do cálculo da área do seu gráfico, cuja Lei de Hooke diz ser:

x

Fk =

[ ][ ][ ]m

Nk =


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PARTE EXPERIMENTAL:

A seguir, você deverá completar os dados da tabela abaixo fazendo os

devidos cálculos. PARA ISSO CONTE COM OS MONITORES PARA AUXILIA-

LÓ.

FORÇA (N) DESLOCAMENTO (m) CONSTANTE ELÁSTICA (N/m)

F1 = X1 = K

F2 = X2 = K

F3 = X3 = K

OBSERVAÇÕES

Os dados de força você irá obter no sensor de força, o deslocamento você

deverá medir com uma régua. A constante elástica será obtida facilmente.

2

. ALTURABASEA =

Como área de um triângulo é dada por

2

. forçadeformaçãoET ElásticaelásticaForça ==

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.. 2xkxxkEelástica ==


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QUESTIONÁRIO:

Com base nos dados coletados por você, explique com suas palavras a

proximidade dos dados obtidos para a CONSTANTE ELÁSTICA.

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ESPAÇO PARA CÁLCULOS:

16. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

[1] QUINTÃO, M. Introdução ao laboratório de física geral I. Belo Horizonte:

Departamento de física ICEX-UFMG, 1995.

[2] TIPLER, P A. Física. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1995. v. 2.

[4] Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga. Física ensino médio. volume único

[5] TIPLER, Paul. Mecânica. Física para Físicos e Engenheiros. Rio de Janeiro:

Guanabara Koogan, 1995. v.4

[6] Proposta curricular CBC – Física – Ensino Médio. Belo Horizonte: SEE/MG,

2007. Disponível em:


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<http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema_crv/banco_objetos_crv/%7B0DE8B1A3-

C119-4015-B234-AEB975906CDA%7D_fisica.pdf>. Acesso em: 29 set. 2011.

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