Definir a teoria da relatividade especial de Albert Eisnteim, mostrando aos alunos uma visão mais concreta da disciplina de Física.
Reconhecer a relação da teoria da relatividade especial na cinemática e no limite clássico, no exemplo do encontro de dois objetos, a física clássica não admite altas velocidades, como a da luz, a relatividade então complementa e fornece uma visão mais geral, já que contempla a física clássica e relativística.
Velocidade, aceleração, Ondas e Óptica.
O professor pode iniciar a aula, comentando sobre a teoria da relatividade de Eisntein, citando a frase relacionada no cotidiano com essa teoria, "Tudo é relativo". A partir deste momento faça um pequeno debate sobre o tema, para que o professor possa perceber qual o nível de conhecimento que os estudantes possuem sobre o tema, inclusive suas percepções do senso comum. Desafie-os a pensar e resolver a seguinte questão: Existe alguma ligação da Teoria da Relatividade com fenômenos físicos?
Após o início da aula, comente sobre a teoria da relatividade, nos currículos de Física do ensino médio, a relatividade raramente faz parte dos assuntos estudados, ou é deixada para o final da disciplina, e tratada algumas vezes como curiosidade. Trata-se de um teoria muito importante e interessante como objeto de estudo.
Professor, após as discussões anteriores, veja qual o maior desafio, a questão que mais instiga seus alunos para definí-la como objeto de estudo da aula. Ela será a ligação da curiosidade de seus aluno como tema proposto.
Utilizando este recurso, a seguir, disponível no Portal do Professor em Materiais de Estudo, vamos apresentar a teoria proposta nesta aula.
Na disciplina de Física, na cinemática, estudamos o movimento dos corpos, com velocidade constante, ou com aceleração, em que a velocidade varia. Através das funções horárias, conseguimos prever em que posição um objeto estará no espaço, sabendo a sua velocidade. Conseguimos calcular a velocidade relativa entre dois carros, um vindo ao encontro do outro, apenas somando as velocidades.
Os postulados da Relatividade Especial dizem que:
As Leis da Física valem para todos os referenciais inerciais
- A velocidade da luz é medida como uma constante em todos os referenciais.
A velocidade da luz é definida como uma constante no universo, c = 300000km/s. Para velocidades próximas as da luz, as leis da cinemática atingem o seu limite clássico, imagine dois objetos, com velocidades próximas a da luz, em um determinado ponto do espaço eles passam um pelo outro, qual é a velocidade relativa entre eles ? Na cinemática diríamos que seria duas vezes a velocidade da luz, mas sendo a velocidade da luz uma constante, isso não acontece. A relatividade especial de Einstein não invalida a física clássica, mas permite ir além, pois é possível realizar cálculos e e compreender fenômenos em que as velocidade são próximas as da luz.A relatividade especial define energia de uma partícula como a produto da sua massa pela velocidade da luz ao quadrado, essa é a equação famosa da relatividade e é expressa algebricamente assim:
Com essa equação percebemos a grande quantidade de energia existente em uma pequena porção de matéria.
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Paradoxo dos gêmeos Imagem disponível em : <
http://www.fsc.ufsc.br/~tomazelli/cursos/mgre/twin_paradox.gif> do Departamento de Física da Universidade Federal de Santa Catarina, acessado em 01/08/2009.
O paradoxo dos gêmeos é uma antiga questão envolvendo a relatividade especial, imagine dois irmãos gêmeos, um deles permanece na Terra, e o outro viaja em uma nave espacial capaz de atingir velocidade póxima a da luz, com a equação de contração do tempo, observamos que o tempo corre mais lentamente para o gêmeo que está em movimento, quando o irmão voltar da viagem espacial, o seu irmão na terra estará mais velho, assim como todas as pessoas que ele conhecia.
Professor, explore o paradoxo dos gêmeos com seus alunos. Discuta com eles a teoria e procure relacionar com seus conhecimentos prévios do tema. Solicite a eles que anotem as observações em seu caderno.
Para saber mais sobre relatividade especial, sugira como fonte de pesquisa aos alunos o site do Instituto de Física da USP - Ensino de Física online, em Livros > Física Moderna > A Teoria da
Relatividade Especial no
Instituto de Física da Usp. Disponível em: <http://efisica.if.usp.br/moderna/relatividade/> acessado em 01/08/2009.
O site traz a teoria básica da relatividade especial, comentando os postulados a as transformações causadas por eles na Física que conhecemos hoje em dia:
A teoria da relatividade especial está ligada ao conceito de referencial, no vídeo encontrado no site
Youtube, os alunos podem compreender esse conceito observando a animação criada, relatando a simultaneidade de eventos.
Este vídeo é interessante, vamos analisar os seguintes aspectos:
- A teoria da relatividade mudou paradigmas. A velocidade limite para qualquer corpo em movimento no universo não pode ser superior a da luz.
- Tempo e espaço dependem do observador, ou seja, dependem do referencial adotado.
No laboratório de informática, peça para os alunos, em grupo de 3 estudantes, explorem uma simulação em que é possível experimentar um exemplo de dilatação do tempo, aumentando a velocidade de uma nave espacial até valores próximos a velocidade da luz, podemos perceber que a diferença entre os intervalos de tempo medidos por relógios em referenciais diferentes.
Professor, sugerimos o seguinte roteiro de análise da simulação. Não deixe de solicitar aos alunos que anotem em seu caderno.
1 - Se o foguete sair do ponto inicial a uma velocidade menor, qual será o resultado?
2 - Se você acionar para aumentar a velocidade do foguete o que acontecerá?
3 - Observe os diferentes relógios do simulador e analise os seus movimento.
4 - Qual a relação entre temp e velocidade?
5 - Se o mesmo experimento fosse realizado na atmosfera de nosso planeta o que aconteceria?
Além destas questões, os alunos também podem sugerir várias hipóteses antes de usar o s imulador.
Após as atividade práticas, cada grupo apresenta suas observações, que devem ser discutidas e analisadas pela turma, confrontando com as hipóteses iniciais.
Para complementar esta atividade, você pode sugerir a turma que acesse o seguinte arquivo, do X V I SI M P Ó S I O NA C I O N A L D E EN S I N O D E F Í S I C A, sobre
Influências da teoria da relatividade na obra de Salvador Dalí.Disponível em:
http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/T0221-1.pdf, acessado em 01/08/2009.
Veja que interessante esta ponte com a disciplina de Artes, neste momento o estudante poderá perceber que a física também esta na arte e em nossa vida. Muitos valores pessoais e conceitos estão fundamentados em teorias da física.
A frase famosa ligada com a relatividade, que diz que: "tudo é relativo", diz respeito aos referenciais inerciais, e ao contrário do que se pode imaginar, não se pode dizer que tudo é relativo, pois o segundo postulado define o valor da velocidade da luz como uma constante, um valor absoluto.
Solicite aos alunos que produzam um texto dissertativo sobre "Será que tudo é relativo?
Vamos propor a turma que pesquisem os usos da teoria da relatividade especial no cotidiano. Como os fisicos e os pesquisadores utilizam esta teoria para o desenvolvimento tecnológico? Que sites abordam este tema e como ele é importante para o estudante do Ensino Médio. Que questões do Enem foram aplicadas esta teoria?
Referências:
Física.net.
Paradoxo dos gêmeos. disponível em: <http://www.fisica.net/relatividade/paradoxo_dos_gemeos.php> acessado em 01/08/2009.
A avaliação pode ser realizada pelas observação do nível das questões levantadas pela turma, pelas hipóteses sugeridas pelos alunos, suas considerações após os experimentos e estudos do tema, onde o professor perceberá quando deve retomar alguns conceitos e poderá avançar em outros. Também será realiza analisando o conhecimento adquirido após explorar a simulação e fazer a leitura dos vídeos, através dos registros do caderno do aluno. A produção da dissertação pode fazer parte da avaliação formal deste tema. Posteriormente o professor pode organizar uma discussão com os alunos, para avaliar o conhecimento e as habilidades adquiridas através de questionamentos.