Realização de Experimentos de Baixo Custo no Ensino de Física

Resumo

Este projeto visa desenvolver, implementar e apresentar experimentos de baixo custo no ensino de Física como suporte para o ensino de conceitos de Física Geral nos primeiros semestres de cursos do Ensino Superior, o que pode ser aproveitado para o ensino de Física no ensino médio. Os experimentos foram concebidos para demonstrar conceitos fundamentais de Física, especialmente da disciplina de Fundamentos da Ondulatória e da Termodinâmica inicialmente realizados para a turma do curso de graduação de Física de Materiais da UPE. Ao permitir que os alunos observem diretamente os comportamentos físicos abordados em sala, espera-se promover uma aprendizagem mais significativa articulada com o ensino de Física Geral. Usando recursos acessíveis para todos, foi elaborado experimentos acompanhado do roteiro do kit de experimentos na forma de materiais confeccionados por impressão 3D de uma máquina térmica, da modificação de experimentos da Olimpíada Brasileira de Física das Escolas Públicas - OBFEP, e também de experimentos selecionados do livro de Jucimar Peruzzo com experimentos de coeficiente de restituição, deformação elástica, a fumaça que desce, chamas em rotação, dilatação térmica dos líquidos, máquina de Stirling e entre outros foram adicionados. Esses experimentos utilizam um aspecto didático que o aluno pode fazer individualmente, junto ao kit acompanha um Guia para que o aluno possa compreender o passo a passo, alguns dos experimentos obtêm um modelo onde é preciso tirar medidas e responder questões. Neste contexto, será abordado um pouco de alguns experimentos que estão incluídos no kit, começando pelo experimento de coeficiente de restituição que tem como objetivo determinar o coeficiente de restituição a partir da colisão entre um corpo e uma mola fixa. A atividade permite revisar conceitos fundamentais de mecânica, como energia cinética, energia potencial e momento linear, além de introduzir a ideia de perdas de energia em colisões. Já a deformação elástica das molas tem como objetivo verificar a validade da Lei de Hooke, que descreve o comportamento da força elástica em molas. Utilizando arruelas como massas e uma régua para medir a elongação, os estudantes investigam a relação entre a força aplicada e a deformação da mola (SBF, s.d.). Em chamas e rotação observa-se o movimento rotacional de chamas causado pela combinação de convecção térmica e da força centrífuga. O ar aquecido pela chama perde densidade e sobe, enquanto a rotação do sistema faz com que esse fluxo seja desviado lateralmente, criando um movimento espiralado. A explicação se baseia na equação dos gases ideais para densidade do ar e na taxa de transferência de calor por convecção, evidenciando como fatores térmicos e dinâmicos influenciam os fluxos de ar. No experimento a fumaça que desce demonstra o comportamento da fumaça em uma garrafa PET aquecida com papel em combustão. Ao queimar o papel, o ar dentro da garrafa aquece, dilata-se e sobe, sendo substituído por ar mais frio e denso que entra pela lateral. Isso cria uma circulação que, curiosamente, faz com que a fumaça desça por convecção forçada. A análise se apoia nas leis dos gases ideais e na variação da densidade com a temperatura, explicando o fenômeno pelo princípio de Arquimedes (Peruzzo, 2006). Então o experimento com a máquina de Stirling tem como objetivo demonstrar, de forma prática, os princípios da termodinâmica aplicados à conversão de calor em trabalho mecânico. A máquina utiliza a expansão e compressão cíclica de um gás (como o ar) ao ser aquecido e resfriado entre dois compartimentos. Esse processo movimenta um pistão, gerando energia mecânica. Construída com materiais simples como tubo de ensaio, bolinhas de gude, seringa e mangueira e base 3D, a montagem permite visualizar conceitos como ciclo termodinâmico, eficiência térmica, transferência de calor, trabalho realizado por um gás. O experimento também reforça a importância da diferença de temperatura entre os reservatórios quente e frio para o funcionamento do sistema. A elaboração e utilização do Kit de Experimentos de Física mostrou-se uma ferramenta pedagógica eficaz para o ensino de conteúdos de Termologia e Oscilações. Por meio da realização prática dos experimentos, os estudantes podem vivenciar conceitos teóricos de forma concreta, desenvolvendo uma compreensão mais profunda e contextualizada dos fenômenos físicos. Além disso, o caráter acessível dos materiais utilizados permite a democratização do ensino experimental, contribuindo para a formação científica crítica e criativa. Como perspectiva futura, a ampliação do kit com novos experimentos e a aplicação em diferentes níveis de ensino poderão reforçar ainda mais seu impacto educacional.