Diferenciar um espelho côncavo de um convexo;

Caracterizar as imagens formadas por um espelho esférico;

Relacionar o funcionamento de um forno solar com um espelho côncavo.

2 aulas de 50 min.

Calor;

Princípios da óptica geométrica;

Estratégias de Ensino:

- Aula expositiva (ou participativa) teórica com uso de recursos multimeios;

- Aula experimental interativa (criação de forno solar).

Materiais:

- Lâminas de compensado, ou outro tipo de madeira disponível;

- Papelão;

- Peças de metal (canos e chapas rígidas);

- Folha de alumínio (papel alumínio) com alto índice de reflexão;

- Espelhos esféricos (côncavos e convexos)

Considerações iniciais:

Nos últimos anos, as questões de cunho social, econômico e cultural estão cada vez mais presentes no currículo, e consequentemente nas aulas, da disciplina de física no Ensino Médio. O engajamento da temática Ciência/Tecnologia/Sociedade, e mais recentemente Ambiente, (CTSA) nas aulas da disciplina (sem perder de vista os fundamentos teóricos e específicos de seu conteúdo) é de extrema importância para a formação de alunos críticos e comprometidos com as causas sócio-ambientais.

É neste sentido que esta aula busca contemplar uma discussão ampla e interdisciplinar dos conteúdos de óptica e termologia, vinculando-os a um projeto social desenvolvido por Quinton Stowell, em 1999, em comunidades carentes no Peru.

Introdução á aula:   

“A sociedade não pode mais negligenciar: enquanto houver fome não haverá futuro sustentável.   

Quando se coloca na balança uma criança subnutrida, o que está sendo pesado na verdade não é apenas um organismo enfraquecido, mas a síntese de uma lógica tão nefasta quanto a que derruba florestas, sopra destruição e exclui a possibilidade de vida digna a bilhões de pessoas em todo o mundo. A consciência do século XXI não pode mais negligenciar que, enquanto houver fome no mundo, não haverá futuro sustentável”

(José Graziano da Silva, Valor Econômico - SP - Colunas - 16/12/2009)   

Disponível em: http://www.fomezero.gov.br/artigo/com-fome-nao-havera-um-futuro-sustentavel-jose-graziano-da-silva acessado em 12/11/2010.    

A citação acima de José Graziano da Silva chama-nos a atenção a uma “crise de percepção” da atual sociedade – cuja lógica do progresso e desenvolvimento está sustentada na devastação nefasta dos recursos naturais, em especial, dos paises subdesenvolvidos ou em desenvolvimento - que leva, dentre outras consequências, à geração da fome e da subnutrição infantil. Em um encontro anterior a esta aula, disponibilize aos alunos o texto completo para leitura e reflexão. No encontro proposto, inicie a aula com a citação abaixo, retirado do documento “Exigências Evangélicas e Éticas de Superação da Miséria e da Fome”, produzido pela Conferência Nacional dos Bispos do Brasil:   

"Garantir o alimento para todos, superando a miséria e a fome, exige de cada um de nós o engajamento pessoal. Mais do que isto, supõe a experiência pessoal do humilde e corajoso processo de gestação de uma nova sociedade, que atenda aos direitos e às necessidades básicas da população: educação, saúde, reforma agrária, política agrícola, demarcação das terras indígenas e das terras remanescentes dos quilombos, distribuição de renda, reforma fiscal e tributária, moradia" 

(Conferência Nacional dos Bispos do Brasil, Exigências Evangélicas e Éticas de Superação da Miséria e da Fome )   

Disponível em: http://www.catedralgo.com.br/site/index.php?option=com_content&view=article&id=101:-exigencias-evangelicas-e-eticas-de-superacao-da-miseria-e-da-fome&catid=46:pastoral-urbana&Itemid=69  acessado em 12/11/2010   

Use esta citação e o texto disponibilizado anteriormente como elementos de motivação e sensibilização para as discussões que seguirão ao longo da aula. Finalize esta introdução passando aos seus alunos a reportagem a seguir, a qual relata a instalação de fogões solares no sertão da Paraíba.

Figura 1: Reportagem do fogão solar

Disponivel em: http://www.youtube.com/watch?v=j5zddIut_9g acessado em 12/11/2010  

Com estes dois textos, e com a reportagem, peça para os alunos que façam uma resenha crítica sobre as inovações tecnológica e suas implicações positivas para o desenvolvimento social e cultural da humanidade.

Atividade 1 – Espelhos esféricos: espelho côncavo ou convexo?

O recurso 1, disponível abaixo, apresenta um rápido experimento para que os alunos compreendam melhor a diferença entre um espelho esférico côncavo e um espelho esférico convexo.   

Espelhos esféricos 

Recurso 1: Espelhos esféricos

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=17927 acessado em 12/11/2010 

Disponibilize uma cópia do recurso 1 para os alunos (pode ser uma roteiro por aluno ou grupo de alunos). Conforme orienta o roteiro deste recurso, leve para a sala de aula espelhos esféricos côncavos e convexos. Não há a necessidade de que sejam comerciais, isto é, espelhos construídos com finalidade pedagógica. Podem ser espelhos (esféricos) que utilizamos no próprio cotidiano, como colheres, espelhos para fazer maquiagem ou a barba, etc. Oriente os alunos para aproximar um objeto, pode até mesmo ser a própria mão, como indica o roteiro, dos espelhos (primeiramente do espelho côncavo e depois do espelho convexo). Na sequência, devem registrar as informações, detalhadamente, no próprio roteiro.

A atividade não deverá levar que mais dez minutos. Para complementar a atividade, passe o vídeo referente ao recurso 2 (antes mesmo de qualquer discussão ou explicação do experimento).

A óptica e a reflexão da luz 

Recurso 2: óptica e a reflexão da luz

Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=29633 acessado em 12/11/2010

A primeira metade do vídeo retrata os fundamentos da reflexão da luz. A partir do quarto minuto, a discussão passa a ser sobre os espelhos esféricos. As questões abaixo devem servir de base para a observação do vídeo e elaboração de um relatório simplificado:

1) Quais os espelhos podem projetar a imagem de objetos?

2) Qual a característica da imagem nos espelhos convexos? (Quanto a natureza, ampliação e orientação)

3) Qual a característica da imagem em espelhos côncavos (quanto a natureza, ampliação e orientação) nas seguintes circunstâncias: objeto antes centro de curvatura do espelho; objeto entre o centro de curvatura e o foco do espelho; objeto sobre o foco do espelho; objeto entre o foco e o espelho.

 4) Quais as aplicações dos espelhos esféricos

5) Quais importâncias dos estudos de Gauss?

Para finalizar esta primeira parte acerca da fundamentação teórica dos espelhos esféricos, disponibilize o recurso 3 abaixo.

Recurso 3: Imagem em espelhos esféricos

Disponível em: http://www.labmetro.ufsc.br/Disciplinas/EMC6422/APPLETS/EspelhoEsferico/EspelhoEsferico.html acessado em 12/11/2010   

Identifique para os alunos os elementos ilustrados no simulador: a barra amarela representa o objeto; a azul, a imagem; a linha curvada, o espelho; e as linhas avermelhadas, os raios de luz que partem do objeto. Relembre com os alunos que a imagem pode ser localizada na posição onde os raios (principais) de luz se cruzam. Utilizando primeiramente o espelho convexo, posicione o objeto nas seguintes posições:

 a) atrás do centro de curvatura,

 b) sobre o centro de curvatura,

 c) entre o centro de curvatura e o foco,

d) sobre o foco,

e) entre o foco e o espelho.

Repita o procedimento alternando o espelho para o formato côncavo. Faça as mesmas observações, para cada posição do objeto em relação ao espelho. Os alunos terão, desta forma, a oportunidade de visualizar as informações passadas no vídeo anterior e compreender melhor o que aconteceu no experimento que fizeram. Explique, a partir deste simulador, por que o espelho convexo não pode projetar a imagem, e em que circunstâncias o espelho côncavo pode fazer esta projeção.

Atividade 2 – Fundamentos físicos do forno solar

Disponibilize aos alunos o site produzido por Quinton Stowell, no qual ele apresenta a construção de diversos tipos de forno solar. O site de Stowell foi elaborado a partir de um projeto para a instrução e construção deste forno em comunidades carentes no Peru. Embora esteja em inglês, na terceira atividade desta aula apresentamos detalhadamente os passos para construção de um forno solar.   

Figura 2: Projeto Sunspot

Disponível em: http://www.sunspot.org.uk/ewb/ acesso em 12/11/2010

Apresente aos alunos as duas ilustrações abaixo do forno solar, e estimule-os, a partir das questões abaixo, a fundamentar o funcionamento deste dispositivo a partir dos princípios da física:   

Figura 3: Fogão Solar

Disponível em: http://www.sunspot.org.uk/ewb/ acesso em 12/11/2010  

1) Qual o fenômeno óptico principal que o forno solar utiliza para o aquecimento?   

2) Qual deve ser a posição onde a panela deve estar para que o forno tenha o melhor rendimento? (Foco)

3) Por que a panela, para aquecer mais, deve ser escura? (para aumentara absorção da radiação) (Reflexão)

4) Qual o tipo de espelho que o forno representa? (espelho esférico, ou parabólico, côncavo)

5) Qual é a diferença entre um espelho côncavo de um espelho convexo? Um espelho convexo poderia aquecer a panela?

Para que os alunos compreendam melhor porque um espelho convexo não seria eficiente para o aquecimento da panela, apresente-lhes o seguinte simulador:      

Recurso 4: Convergência dos raios solares em um espelho esférico

Disponível em: http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=tex&cod=_espelhoesferico acesso 3m 12/11/2010

Oriente aos alunos que selecionem o espelho côncavo na simulação.

1) Comparando o espelho côncavo ao forno solar, o ponto amarelo com o sol, em que posição deveria estar colocada a panela para que seu aquecimento fosse mais efetivo?

Oriente agora os alunos que selecionem o espelho convexo.

2) Será que este espelho convexo poderia ser utilizado para aquecer a panela?   

Atividade 3 – Construindo um forno solar   

O forno solar funciona a partir da reflexão convergente dos raios solares em sua superfície de formato esférico ou parabólico. A panela de cozimento, conforme á apresentado na aula, é posicionada no foco do espelho, de forma que os raios que atingem a área do forno convirjam para ela. A absorção da energia solar na panela (preferencialmente pintada de preta para aumentar o índice de absorção) provocará seu aquecimento e, consequentemente, do alimento que estará em seu interior.

Figura 4: Representação da lateral do forno

Disponível em: http://www.sunspot.org.uk/Solar1000/solar1000.htm acessado em 12/11/2010 

O fogão deve ser construído com dimensões de 1x1m, com um “esqueleto” de compensado e papelão, coberto por uma folha de alumínio. Uma lâmina de compensado cortada em formato quadrado de 1m² é a base do fogão. As quatro laterais também são construídas com compensado, com 1 metro de comprimento (34,28 cm de altura na parte mais alta e 18,4 cm de altura na parte mais baixa, como consta a imagem).

Figura 5. Protótipos do forno solar

Disponível em: http://www.sunspot.org.uk/Prototypes.htm acessado em 12/11/2010 

As “costelas” internas são feitas com papelão em dois formatos: 1) formato retangular (cinco costelas); 2) formato igual ao das laterais, com borda superior com curvatura parabólica (nove costelas). As nove costelas côncavas são encaixadas transversalmente sobre as cinco retangulares. Após montar as estruturas internas e prender o suporte metálico da panela no centro da base, o forno deve ficar com a aparência abaixo. Para finalizar a construção do forno solar deve-se ainda revesti-lo com a folha flexível de alumínio. Quinton descreve em seu site que para fazer este revestimento basta recortar a folha, com ângulos de 15º entre cada corte, deixando a parte central da folha sem ser cortada, como ilustra a foto abaixo.

Figura 6. Protótipos do forno solar

Disponível em: http://www.sunspot.org.uk/Prototypes.htm acessado em 12/11/2010 

 Terminando o corte da folha, basta sobrepô-la ao esqueleto do forno e prendê-la nas bordas das laterais da caixa.                      

Figura 7: Forno solar

Disponível em: http://www.sunspot.org.uk/Solar.htm acessado em 12/11/2010 

Nome	Tipo
A óptica e a reflexão da luz	Vídeo
Espelhos esféricos	Experimento prático

Você pode complementar as informações da aula com o material do site "e-física", que dispõe de um conteúdo multimidia interessante e bem organizado.

http://efisica.if.usp.br/otica/basico/espelhos_esfericos/ 

Outro material interessante é este video produzido pelo professor Flávio, sobre espelhos:

http://www.youtube.com/watch?v=J8H9fTa5-wc 

A avaliação da aula deve ser feita por meio da resenha escrita pelos alunos, na introdução, pelos relatórios da atividade 1 e 2 e pela construção de um pequeno fogão solar, como proposto na atividade 3.