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Noções iniciais de Cosmologia

 

02/01/2012

Autor e Coautor(es)
Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Fundamental Final Ciências Naturais Terra e universo
Educação de Jovens e Adultos - 1º ciclo Estudo da Sociedade e da Natureza Seres humanos e o meio ambiente
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula

O objetivo principal da aula é que os alunos compreendam o modelo cosmológico de maior aceitação no meio acadêmico. 

Os objetivos secundários são:

- Obtenção de informações iniciais sobre os movimentos em larga escala no Universo.

- Motivação para compreender noções básicas de cinemática e de dinâmica.

- Realização de uma análise crítica do modelo do Big Bang.

Duração das atividades
2 aulas com 50 minutos cada
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

- Noções básicas de análise do movimento (Cinemática)

- Noções básicas de Leis de Newton (Conceito de inércia e de Força)

- Noções básicas de Óptica (decomposição da Luz)

- Noções Básicas de Astronomia (Sistema Solar, Estrelas e Galáxias)

Estratégias e recursos da aula

Sugerimos que a aula seja apresentada dividida em três momentos, como apresentado a seguir:

1o Momento 

Sugerimos que essa atividade seja realizada em uma sala de informática para que os estudantes possam acessar o vídeo sugerido ou em um espaço (sala de aula ou auditório) onde o professor tenha a sua disposição um computador conectado a um projetor multimídia.

O professor deve apresentar informações sobre os principais astros do Universo: Planetas e Estrelas.

Vídeo com o tamanho comparativo de planetas do sistema solar e de algumas estrelas conhecidas (na versão com legendas em português foram incluídas citações religiosas):

Star Size

http://www.youtube.com/watch?v=HEheh1BH34Q (vídeo com texto em inglês)

http://www.youtube.com/watch?v=SncOVlA3pxI (legendas em potuguês)

Uma dúvida que surge com frequência é a definição de planeta e planeta anão. Abaixo apresentamos a definição oficial da União Astronômica Internacional:

Definições de planetas do sistema solar

No dia 24 de agosto de 2006, na XXVI Assembléia Geral da União Astronômica Internacional (IAU, sigla em inglês) realizada em Praga, capital da República Tcheca, com a participação de 750 astrônomos, foram aprovadas resoluções que definem os planetas e outros corpos do Sistema Solar. O texto integral (tradução livre) das resoluções que foram aprovadas é:

Resolução 5A

A IAU decide que planetas e outros corpos em nosso Sistema Solar são definidos em três categorias distintas da seguinte forma:

1) Um planeta é um corpo celeste que a) está em órbita do Sol, b) tenha massa suficiente para que a gravidade supere as forças de coesão dos materiais que o constituem de modo que ele assuma uma forma em equilíbrio hidrostático (aproximadamente redonda) e, c) “tenha afastado” (“has cleared” no original) a vizinhança em torno de sua órbita.

2) Um planeta anão é um corpo celeste que a) está em órbita do Sol, b) tenha massa suficiente para que a gravidade supere as forças de coesão dos materiais que o constituem de modo que ele assuma uma forma em equilíbrio hidrostático (aproximadamente redonda), c) não “tenha afastado” (“has cleared” no original) a vizinhança em torno de sua órbita e d) não é um satélite.

3) Todos os outros objetos que estejam orbitando o Sol devem ser chamados de “Pequenos Corpos do Sistema Solar” ("Small Solar System Bodies").

Desse modo, passa a ser considerada a existência de somente oito planetas: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

Na terceira definição estão incluídos a maioria dos asteroides, dos objetos Trans-Netunianos (localizados após a órbita de Netuno), os cometas e outros pequenos corpos.

Resolução 5B

Insere a palavra “clássico” antes de planeta na Resolução 5A, seção (1).

Resolução 6A

A IAU ainda decide:

Plutão é um planeta anão pela definição anterior e é reconhecido como um protótipo de uma nova categoria de objetos Trans-Netunianos.

Resolução 6B

A seguinte sentença será adicionada a Resolução 6ª:

Esta categoria será chamada de “objetos plutonianos” (“plutonian objects”)"

Por essas resoluções passamos a ter somente oito planetas no Sistema Solar. Plutão, Ceres e outros objetos Trans-Netunianos passam a ser chamados de planetas anões do Sistema Solar. Estarão sendo analisados novos astros que poderão vir a também serem considerados planetas anões. 

Uma outra informação que surge com frequência é o anúncio da descoberta de planetas que orbitam outras estrelas, chamados de planetas extra-solares ou exoplanetas. Abaixo informações sobre esses astros:

Definição de planetas extra-solares

Um planeta extra-solar (ou exoplaneta) é um planeta que orbita uma estrela que não seja o Sol e, desta forma, pertence a um sistema planetário distinto do nosso.

Referências:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Exoplaneta

http://www.astro.iag.usp.br/~sylvio/exoplanets/planetas.htm

Definição de Estrelas

Uma outra informação importante é a definição de estrelas, já que muitas vezes são apresentadas informações incorretas nos meios de comunicação e em livros paradidáticos. Um desses erros é dizer que o Sol é uma "bola de fogo". Um gravíssimo erro. Uma estrela é composta por gases em estado de alta energia, chamado de plasma. De modo mais preciso uma estrela é definida como: Uma estrela é uma grande e luminosa esfera de plasma, mantida íntegra pela ação do campo gravitacional.  O Sol é a estrela mais próxima do planeta Terra.

Abaixo duas referências onde é possível obter informações mais detalhadas:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Estrela

http://discoverybrasil.uol.com.br/guia_espacio/estrellas/index.shtml

Formação e Evolução do Universo

Após a breve apresentação dos principais astros, o professor deve apresentar um relato sobre a comprovação da expansão do Universo realizada por Edwin Hubble e informar porque George Gamow e outros utilizaram esse resultado para a elaboração de um modelo para a formação do Universo.  

"No dia 17 de janeiro de 1929 Edwin Hubble encaminhou o trabalho “Uma relação entre distância e velocidade radial entre as Nebulosas Extragalácticas” para publicação no “Proceedings of the National Academy of Sciences (EUA)”.  Hubble percebeu que a maior parte das galáxias que ele havia observado estava se afastando de nós. Esse resultado foi obtido a partir da análise do espectro da luz enviada por esses objetos. Estava ocorrendo o mesmo efeito que percebemos quando estamos acompanhando uma corrida de Fórmula 1. Quando os carros estão se aproximando percebemos um ruído mais agudo, e quando estão se afastando percebemos um ruído mais grave. Chamamos esse fenômeno de efeito Doppler. Um fenômeno parecido ocorre com a luz. Quando a fonte emissora está se afastando de nós há um deslocamento do espectro luminoso para freqüências menores. Quando se aproxima de nós, há o deslocamento para freqüências maiores. Na faixa do visível, as maiores freqüências estão na direção da cor azul e as menores freqüências na direção da cor vermelha. Assim, quando uma fonte luminosa está se afastando dizemos que está ocorrendo um desvio para o vermelho. Hubble também notou que quanto mais distante de nós estava localizada uma galáxia, maior era a sua velocidade de afastamento. Um forte impacto no meio acadêmico. Ajustes precisavam ser feitos. Os modelos que consideravam o Universo estático passaram a ter problemas.

George Gamow, baseado nos dados apresentados inicialmente por Hubble, apresentou a hipótese de que o Universo teria tido no passado um momento com valores exageradamente altos para a sua densidade e energia. Um momento inicial bem quente, em linguagem popular... A partir desse momento o Universo começaria a expandir. Como uma granada que explode. Liberando pedaços em todas as direções. Antes dele, nos anos 20,  Georges Lemaitre  e Alexander Friedmann já haviam imaginado um cenário parecido. A proposta de Gamow acabou ficando conhecida como a Teoria do Big Bang. Uma Grande Explosão inicial. Ele propôs que um resquício dessa expansão ainda poderia ser detectada hoje em dia. Uma radiação de fundo permeando todo o Universo. Em 1965 Arno Penzias e Robert Wilson por acaso descobriram essa radiação. É muito curiosa a forma como ela foi descoberta. Eles estavam trabalhando para a empresa “Bell Telephone Laboratories” testando receptores. Antenas parabólicas preparadas para analisar sinais vindos do espaço. Por acaso depararam com um ruído persistente que parecia vir do espaço em todas as direções. Foram verificar a antena parabólica que estavam utilizando e encontraram... um ninho com um casal de passarinhos... Ah!!! Esse era o problema. Retiraram o casal. O ruído mudou um pouco, mas continuava presente!!! Estava sendo descoberto o que se imagina ser um resíduo das condições do Universo, se aceitamos o modelo do Big Bang, em seu momento inicial. Os dois pesquisadores ganharam o Prêmio Nobel.

Recentemente foi anunciado que os físicos Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess foram os vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2011. Eles descobriram que o Universo está expandindo com uma aceleração maior do que a prevista. Um resultado que fez com que fossem incluídas mudanças drásticas nos modelos existentes. Para poder justificar esse comportamento foi necessário considerar que a maior parte do Universo é composta por uma misteriosa energia escura que seria responsável por essa expansão mais rápida do Universo. O que é a energia escura??? Por enquanto ninguém sabe...

São conjeturas. O ser humano em sua breve existência tentando compreender a Natureza. Modelos mutáveis. Passo a passo. De geração em geração. Informações, obtidas a partir de intensas observações, são registradas para serem transmitidas. Como um corredor que passa o bastão para o seu companheiro... Para quem sabe... Algum dia... "

Fonte: Marcelo de Oliveira Souza - livro "Uma Passeio pelo Céu", páginas 70 e 71, editora Muiraquitã, 2007

Abaixo apresento algumas referências:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cosmologia

http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/enfpc/xx/procs/res297/res297.html

http://www.das.inpe.br/thyrso/divulgacao_cientifica/cosmologia.pdf

2o Momento

Nesse momento sugerimos a realização de uma atividade para demonstrar a expansão do Universo como proposta no modelo mais aceito academicamente. Para essa atividade é necessário uma caneta para retroprojetor de cor preta ou azul marinho e uma bexiga (balão de aniversário) de cor clara. Deve-se desenhar, com auxílio da caneta para retroprojetor, pontos na superfície da bexiga. Aos poucos deve-se encher a bexiga. À medida em que a bexiga for enchendo os pontos estarão se afastando um dos outros. Uma representação de como se imagina deve ter ocorrido a expansão do Universo. Resultado comprovado experimentalmente de modo pioneiro por Edwin Hubble em 1929. É importante ressaltar que entre as galáxias mais próximas a interação gravitacional tem uma ação mais destacada. Assim temos galáxias, mais próximas, se aproximando uma das outras. Esse efeito de afastamento de grandes estruturas (como galáxias) é percebido quando se analisa objetos mais afastados, como distintos grupos de galáxias.

Abaixo, uma ilustração dessa atividade: 

Expansão do Universo

Imagem mostrando a bexiga, com os pontos marcados, em dois momentos: vazia e cheia

Autor da montagem: Marcelo de Oliveira Souza 

Com essa experiência pode ser discutido com os estudantes uma questão prioritária: A Expansão do Universo possui um centro? 

3o Momento

Nessa atividade propomos que seja realizado um debate tendo como tema a Fé e a Ciência. As religiões apresentam um relato particular para a formação do Universo e a Ciência apresenta modelos. São excludentes? Um bom momento para reflexão. Os modelos acadêmicos para a formação e evolução do Universo devem ser considerados como precisos? 

Como uma referência para esse debate sugerimos os vídeos abaixo:

Depoimento do Bispo Dom Fernando Areas Rifan

Fé e a Razão 2

http://www.youtube.com/watch?v=sTJJJd16kDo

Depoimento do Prof. Aristides Arthur Soffiati Neto

Fé e a Razão 1

http://www.youtube.com/watch?v=k1557TxRt3s

Sugerimos que o professor proponha aos estudantes que elaborem um relatorio, texto ou trabalho e os apresentem em grupo, para consolidacao dos conhecimentos trabalhados. Os estudantes também podem ainda pesquisar teorias alternativas de formacao do Universo e confrontá-las com o modelo mais aceito academicamente.

Recursos Complementares

Livro online escrito pelo Kepler de Souza Oliveira Filho:

http://astro.if.ufrgs.br/univ/

Curso de Cosmologia online:

http://www.astro.iag.usp.br/~ronaldo/intrcosm/

Avaliação

Avaliação oral identificando se os estudantes compreendem o modelo cosmológico que atualmente é o mais aceito academicamente.

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