AS CONCEPÇÕES DOS ALUNOS SOBRE A FÍSICA NO ENSINO MÉDIO: UMA ABORDAGEM EXPERIMENTAL PARA O ENSINO DA DILATAÇÃO TÉRMICA DE LÍQUIDOS

## AS CONCEPÇÕES DOS ALUNOS SOBRE A FÍSICA NO ENSINO MÉDIO: UMA ABORDAGEM EXPERIMENTAL PARA O ENSINO DA DILATAÇÃO TÉRMICA DE LÍQUIDOS

Deise Silva Lima , Roberta Lavor Serbim Uchôa Lopes , Laffert Gomes Ferreira 1 2 da Silva , Marcelo Ferreira da Silva 3 4

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Universidade Federal de Rondônia/Departamento de Física/deise.silvalima@yahoo.com 2 Universidade Federal de Rondônia/Departamento de Física/roberta\_lavor@unir.br 3 Universidade Federal de Rondônia/Departamento de Física/laffert@unir.br

4 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/ Campus de Apucarana/marfersilva@yahoo.com

## Resumo

O fenômeno da dilatação térmica dos líquidos é freqüentemente tratado nas escolas de ensino médio partindo-se de uma formulação matemática pronta, que é utilizada pelo aluno na resolução de diversos problemas. Em muitos casos, verifica-se que tais questões parecem identificar mais o poder de memorização e a habilidade de cálculo dos alunos, do que seu conhecimento físico sobre o fenômeno em questão. Neste trabalho apresentam-se os resultados de uma pesquisa ação-colaborativa, realizada com alunos da Escola Estadual de Ensino Médio Major Guapindaia, localizada no município de Porto Velho, capital do Estado de Rondônia, como parte das atividades do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência da Fundação Universidade Federal de Rondônia. A metodologia empregada nesta pesquisa foi a do método prático-conceitual. A experiência consistia em observar e evidenciar a dilatação dos líquidos. O instrumento utilizado para levantamento dos dados, com o objetivo de elaborar um censo que verificou a compreensão dos alunos sobre o fenômeno envolvido na experiência, foi um relatório individual. Os resultados mostram que, através da aplicação da aula experimental, grande parte dos alunos conseguiu entender o fenômeno envolvido no experimento .

Palavras-Chave: Ensino de Física, Dilatação dos Líquidos

## Introdução

No cotidiano escolar os conteúdos são ministrados basicamente por meio de exaustivas aulas teóricas onde o contato do aluno com o assunto é dado através do livro e quadro-negro. Em muitos casos, a compreensão do aluno a respeito de determinado fenômeno físico fica comprometida pela falta de relação entre o fenômeno estudado e o modelo teórico apresentado. Nas aulas experimentais o aluno tem a oportunidade de visualizar na prática, através de aplicação e/ou confecção de um experimento o fenômeno estudado, além de apelar para o lado lúdico de todos. A matematização de um fenômeno físico é importante, mas o fato da Física ser uma Ciência experimental, ligada a vida real, a experimentação é fundamental.

Em vários trabalhos que abordam a confecção de experimentos de baixo custo, encontram-se diversas posições que justificam a atividade experimental

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escolar, sendo organizadas em quatro categorias: epistemológica, instrucional, motivacional e funcional (Laburú, 2005). Em especial, o presente estudo enquadrase na categoria funcional, uma vez que está ligado a atividade empírica e a sua adequação para implementação em sala de aula (Ferraro, 2004).

Neste contexto, aplicamos um experimento de baixo custo para os alunos do segundo ano do ensino médio da Escola Estadual Major Guapindaia, envolvendo o conteúdo de dilatação térmica dos líquidos, com o objetivo de contribuir para uma melhor aprendizagem de seu significado físico. Como as aulas experimentais não são uma prática comum na Escola, em particular na disciplina de Física, procurou-se identificar, por meio de relatórios, sua contribuição na aprendizagem do aluno.

## Dilatação Térmica

Nos sólidos, as moléculas da substância se dispõem de maneira regular e entre elas agem intensas forças de coesão. As moléculas não permanecem em repouso, mas seu movimento é muito limitado, havendo apenas uma vibração em torno de certas posições. À medida que se aumenta a temperatura de um sólido, a amplitude das vibrações moleculares aumenta. Assim, tornam-se maiores as distâncias médias entre as moléculas. Em conseqüência, aumentam as dimensões do corpo sólido. Ao fenômeno dá-se o nome de dilatação térmica (Ueno, 1988). Observa-se experimentalmente que as dimensões de um corpo variam com o aumento ou a diminuição de sua temperatura. Já no século XVII, esse fenômeno era estudado por inúmeros cientistas, que buscavam sua compreensão através de experiências e da elaboração de modelos matemáticos que refletissem os resultados obtidos (Pereira, 2009).

Os líquidos se dilatam obedecendo às mesmas leis dos sólidos, mas devese lembrar que, como os líquidos não têm forma própria, tomam a forma do recipiente que o contém. O que interessa, em geral, é o conhecimento de sua dilatação volumétrica. O volume de quase todos os materiais cresce quando sofre um aumento de temperatura porque a vibração das moléculas do material aumenta. Assim as moléculas passam a ocupar um espaço maior e conseqüentemente o volume de todo o material também aumenta. O inverso ocorre quando um material sofre uma diminuição de temperatura. Para observarmos a dilatação de um líquido, devemos colocá-lo em um frasco e aquecer esse conjunto. Ambos se dilatarão e, como a capacidade do frasco aumenta a dilatação que observaremos, para o líquido, será aparente (Luz, 2005).

Em nosso cotidiano existem inúmeras situações que envolvem a dilatação térmica dos materiais. Quando se coloca, por exemplo, café muito quente em um copo de vidro pode ocorrer de ele trincar devido ao fato que sendo o vidro um mau condutor a parte externa demora para ser aquecida resultando em uma diferença de dilatação entre as parte externa e interna do copo. As fissuras nas calçadas e nas quadras esportivas, os espaçamentos entre os blocos de pontes e rodovias, são bons exemplos de dilatação térmica. Nas ferrovias os trilhos são separados por pequenos espaços de forma a possibilitar que eles dilatem sem causarem danos à estrutura. Na cozinha de nossas casas temos inúmeras situações em que ocorre o fenômeno da dilatação, por exemplo, quando a tampa de um pote de doce está difícil de abrir, usa-se um pouco de água quente, o que faz com que a tampa se dilate facilitando a abertura do pote. Outro exemplo, o aquecimento de água numa panela para se fazer uma determinada comida resulta numa dilatação tanto da

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panela como da água (caso a panela esteja completamente cheia de água, verificase que certa quantidade de água derrama no fogão, evidenciando o fenômeno de dilatação).

## Aspectos Metodológicos

A presente pesquisa foi desenvolvida no primeiro semestre do ano de 2010, como parte das atividades do PIBID vinculado ao curso de Licenciatura Plena em Física do Campus da UNIR na cidade de Porto Velho, capital do Estado de Rondônia. A apresentação do experimento para os alunos foi realizada em uma sala destinada exclusivamente ao PIBID e contou com a participação de oitenta e um alunos, sendo separados em quatro turmas. Para cada turma foi destinado uma aula de sessenta minutos para desenvolvimento da atividade. A forma de exposição da experiência foi ilustrativa, ou seja, a observação do experimento pelos alunos deu-se depois de os mesmos já terem estudado o conteúdo. Pesquisou-se quatro turmas de segundo ano, perfazendo um total de oitenta e nove alunos. No geral, os alunos distribuíram-se perto da mesa onde se encontrava a experiência já montada, explicava-se o processo de montagem e em seguida sua demonstração. Depois da observação do fenômeno físico, foi pedido aos alunos que colocassem na forma de relatório, sob o ponto de vista dos mesmos, o fenômeno ocorrido durante o experimento. Nos dados obtidos por meio deste relatório se buscou captar as perspectivas e significados pessoais dos alunos. Nos casos de relatórios ambíguos, foram feitas entrevistas de esclarecimento. Portanto, o tratamento dos dados foi qualitativo e o foco central foi nos tipos de falas apresentadas pelos alunos.

## Experimento Proposto

Os materiais utilizados para a realização da experiência foram:

- 1 frasco de vidro de 50 ml;
- 1 tubo externo de caneta;
- 1 borracha escolar;
- 1 garrafa de refrigerante de 2 litros;
- 2 latinhas de refrigerante;
- 1 caixa de palitos de fósforo;
- 1 pacote de velas comuns;

Água gelada;

- 1 estilete;
- 1 abridor de latas;
- 1 pano de limpeza;
- 1 escala de 12 cm

O experimento é bem simples e foi montado com materiais de baixo custo. Encheu-se totalmente com água, misturada a um corante de cor vermelha, um vidro de 50 ml (cuja dilatação própria será desprezível em relação ao líquido), depois o vidro foi isolado com uma rolha feita de borracha, a rolha foi interligada verticalmente a um tubo de caneta, sem furo na lateral, no centro em contato com a água (Figura 01a). Esse conjunto foi colocado em cima de uma fonte de calor, que consiste em um suporte de duas velas feito com duas latinhas de refrigerante (Figura 01b). O

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objetivo da experiência é mostrar que quando um material é aquecido ele sofre um aumento de volume e quando resfriado sofre uma diminuição de volume. A idéia do experimento é aquecer um frasco cheio de água e verificar a variação do volume através do deslocamento do nível de água num tubo ligado ao frasco. A água é aquecida colocando uma vela para aquecer o frasco. Quando está sendo aquecida ela dilata (aumenta o volume), ou seja, passa a ocupar um espaço maior. Como o frasco está cheio e não há espaço para onde ir, então ela sobe pelo tubo ligado ao frasco. O volume de água que sobe é o quanto a água dilatou (Figura 02a). Depois o frasco é colocado dentro de um recipiente contendo água fria. Isso faz com que a água de dentro do frasco esfrie rapidamente. Conforme a água vai resfriando, ela diminui o volume, ou seja, vai se contraindo e a água que se encontra no tubo vai descendo (Figura 02b)

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Figura 01: (a) Materiais utilizado no experimento proposto e (b) o experimento montado.

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Figura 02: (a) Dilatação do líquido e (b) frasco na água gelada.

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## Resultados e Discussões

Os resultados obtidos podem ser sintetizados e organizados nas seguintes categorias:

- A. Percentual de alunos que entenderam e souberam explicar satisfatoriamente o fenômeno ocorrido durante a execução da experiência.
- B. Percentual de alunos que entenderam e explicaram regularmente.
- C. Percentual de alunos que não conseguiram entender, depois de observar a demonstração, o fenômeno ocorrido durante o experimento.

Tabela 01: Rendimento dos alunos em função das categorias A, B e C.

Na Tabela 01 mostra-se a distribuição dos oitenta e nove alunos nas três categorias. Nela pode-se observar que mais da metade do número de alunos 51%, obtiveram êxito, entendendo satisfatoriamente o fenômeno ocorrido durante a execução da experiência. Nesta categoria, nota-se um sólido conhecimento dos conceitos físicos envolvidos, conforme se observa no exemplo:

'A água do recipiente estava em temperatura ambiente, uma vez colocada sobre a estrutura, com as duas velas, houve a variação de temperatura, quanto mais aquecida a substância, as partículas se agitam, e não havendo mais espaço dentro do recipiente o líquido começou a subir pelo tubo. Depois utilizamos um recipiente com água gelada, introduziu-se recipiente contendo a substância, a temperatura da água, ela volta ao seu estado inicial.' (aluno do 2º ano)

Não obstante, 37% dos alunos entenderam regularmente, esquecendo-se apenas de pequenos pontos. Nesta categoria observou-se um razoável conhecimento, no entanto um pouco fragmentado. Por exemplo,

'Com o aquecimento da água no vidro, ocorre sua dilatação, pois o coeficiente da dilatação do vidro é desprezível em relação ao da água, com isso ocorreu a dilatação volumétrica.' (aluno do 2º ano)

Já apenas 12% dos alunos demonstraram, em suas respostas, não terem entendido o fenômeno ocorrido durante o experimento. Nesta categoria ficou evidente a falta de conhecimentos físicos dos alunos, não sendo possível para os mesmos relacionar o que estava acontecendo, com as informações que já dispunha em aulas anteriores. Por exemplo,

'Na temperatura ambiente estava inicial a 2.5 cm, com o aquecimento a água dilatou 6 cm.'(aluno de 2º ano)

Comentário: 'apesar do aluno usar a escala para mostrar a variação de volume, não soube explicá-la'. Nesta categoria pode-se realizar um estudo melhor detalhado para verificar os motivos ou causas do não entendimento satisfatório

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sobre o assunto. Uma das hipóteses a ser investigada é que alguns dos alunos nesta categoria não estavam frequentando regularmente as aulas de física.

## Conclusão

- O experimento apresentado neste trabalho é interessante, pois estuda dois fenômenos diferentes, o aquecimento e o resfriamento dos corpos, e permite visualizar numa montagem muito simples a dilatação térmica, não exigindo muitos recursos ou materiais de difícil acesso.

A experiência utilizada para o estudo da dilatação térmica foi aplicada com sucesso. Na realização do experimento, os conhecimentos prévios dos alunos contribuíram para a compreensão do fenômeno e consequentemente para uma visão crítica de sua aprendizagem. Os próprios grupos entravam em debates sobre o experimento e já conseguiam relacioná-los com várias atividades que estavam acostumados a fazer no seu dia-a-dia, familiarizando-se cada vez mais com o conceito físico.

Outro ponto positivo que pode ser citado foi a boa aceitação da aula experimental pelos alunos. Mas, tem-se que destacar também que apesar da demonstração do experimento ter sido bem realizada, um pequeno grupo de alunos não conseguiu compreender com êxito o fenômeno abordado. Como continuidade da pesquisa pretende-se trabalhar com uma turma de controle, onde o mesmo assunto será ministrado de forma convencional, assim será possível uma comparação entre os resultados.

Propõe-se, que a questão das aulas experimentais, para a descrição dos fenômenos seja abordada mais freqüentemente nas aulas de Física do Ensino Médio, a fim de que nossos alunos desenvolvam um pensamento crítico sobre o desenvolvimento da ciência e suas técnicas de investigação.

## Agradecimentos

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior por meio do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência.

À Secretaria de Educação do Estado de Rondônia - SEDUC.

## Referências

FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antônio de Toledo; Física Básica, Volume Único; 2ª ed. São Paulo: Atual, 2004. 250 p.

LABURÚ, C. E. Seleção de Experimentos de Física no Ensino Médio: Uma investigação a partir da fala de professores. Investigações em Ensino de Ciências , v.10, n. 2, p. 161-178, 2005.

LUZ, A. M. R; ALVARES, B. A; Curso de Física, v. 2, 6. ed. São Paulo: Scipione, 2005. 336 p.

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PEREIRA, M. M; SOARES, S. Uma Abordagem Alternativa para o Ensino da Dilatação Térmica de Líquidos no Ensino Médio. In: Simpósio Nacional de Ensino de Física, 18. Vitória, 2009. Anais. Vitória: SNEF, 2009. p. 455-468.

UENO, Paulo T., Noções Fundamentais de Física, v. 2: Termologia, Óptica e Ondas, 1ª ed. São Paulo: Moderna, 1988.

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