Forno Solar - Experimento Exploratório de Física no Ensino Médio

## FORNO SOLAR - EXPERIMENTO EXPLORATÓRIO DE FÍSICA NO ENSINO MÉDIO

## Paola Beatriz Lauria , Ruy Morgado de Castro 1 2,3

- 1 Universidade de Taubaté/Departamento de Matemática e Física, lauriapb@gmail.com
- 2 Universidade de Taubaté/Departamento de Matemática e Física, rmcastro@unitau.br
- 3 Instituto de Estudos Avançados / Divisão de Geointeligência, rmcastro@ieav.cta.br

## Resumo

Este trabalho teve como objetivo verificar o quanto a parte experimental da disciplina de física faz com que o aluno se interesse mais pelo assunto abordado em sala. A partir da leitura dos Parâmetros Curriculares Nacionais PCN's, pode-se propor uma medida para a melhora da questão analisada a partir da aplicação em sala de uma aula associando a teoria e a prática por meio do experimento. Neste caso, o experimento escolhido foi o 'Forno Solar', que envolve diretamente a disciplina de física além de vários outros temas interdisciplinares e contextualizados no dia a dia dos alunos. Mais especificamente, na disciplina de Física, está relacionado à área de Termodinâmica ministrada no terceiro ano do ensino médio. Contudo, para que esse trabalho fosse realizado com os alunos, foi feito um estudo preliminar do protótipo de Forno Solar Parabólico. A partir disto, foram planejadas aulas e atividades sobre o tema para os alunos. A aplicação desta proposta foi executada em uma escola municipal de Taubaté. A avalição das atividades, pelos alunos, foi realizada por meio de questionários. Após a análise dos questionários verificou-se que as atividades foram avaliadas positivamente pelos alunos, visto que 100% dos alunos responderam que gostariam de trabalhar os conceitos físicos a partir da experimentação. Assim, do ponto de vista motivacional, aliar as aulas teóricas e expositivas de física, com atividades experimentais pode ser importante para aumentar o interesse dos alunos pela disciplina.

Palavras-chave : Física; Ensino Médio; Forno Solar.

## Introdução

Aulas de física no ensino médio são, tradicionalmente, ministradas de maneira expositiva, tendo como costume o ensino de física de maneira teórica, seguindo livros e apostilas tornando o assunto cansativo e acabando por não despertar o interesse dos alunos. Este quadro é reforçado pelo método de ensino empregado, pois mesmo que boa parte dos professores que ministram tais aulas possuam uma preparação e formação adequadas para essa finalidade, acabam por não exercer essa atividade em sala devido a não disponibilidade de tempo para a preparação de uma aula diferenciada.

Assim, esse método de ensino tradicional, adotado por essas instituições acaba por inibir os alunos do contato com a parte prática da disciplina, impedindo-o de conhecer os diferentes aspectos físicos envolvidos nos conteúdos vistos em sala de aula. Com isto existe uma grande rejeição pela disciplina de Física, que começa nos primeiros anos do ensino médio e acaba refletindo posteriormente no ensino superior e nas carreiras profissionais.

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23 a 27 de janeiro de 2017

Uma das maneiras de melhorar esta situação é a inclusão de atividades incentivando a participação do aluno, onde ele passa a ser peça fundamental para o desenvolvimento e conclusão do trabalho. Dentre estas atividades podemos citar a experimentação, que pode ser realizada tanto em sala de aula quanto em atividades extraclasse. Para que o aluno se envolva, o ideal é que a escola seja equipada com laboratório seguro e equipamento adequado para a experimentação facilitando o acesso do aluno às experimentações. Porém a realidade que vemos hoje, principalmente em escolas publicas, é outra, lembrando que em grande parte dessas escolas os alunos possuem dificuldade de acesso a materiais mais sofisticados para a experimentação. Portanto, podemos enfatizar aqui o uso alternativo de materiais de baixo custo, de preferência recicláveis encontrados dentro de casa ou na própria escola.

Está prevista para esse ano a conclusão de versão final da Base Nacional Comum Curricular - BNCC, ela trará uma nova diretriz curricular para as escolas de todo o país e a princípio, se encontra aberta para receber contribuições e críticas online. Contudo, a BNCC ainda não se encontra em vigor sendo assim, para esse trabalho, adotamos como base a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional LDB e os Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN's, podemos citar o trecho que é mencionada a necessidade de que o aluno saiba interligar a teoria com a prática (BRASIL, 2015):

IV - a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina.

A Física deve apresentar-se, portanto, como um conjunto de competências específicas que permitam perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo distante, a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos. Pág. 75

A partir dos argumentos que complementam tanto a LDB quanto o PCN, um dos temas que pode ser explorado no ensino médio é a Calorimetria, mais especificamente na construção de um Forno Solar, que contempla a multidisciplinaridade envolvendo a física (troca de calor, condutividade térmica dos materiais, etc.), matemática (através de cálculos para a análise de perda e ganho de calor, como também a geometria luz proveniente de Sol que chegam a superfície do forno) e meio ambiente (reciclagem de materiais e produção de energia limpa).

Assim, neste trabalho, buscou-se estudar esta metodologia em um experimento voltado para uma turma de terceiro ano do ensino médio, de uma escola pública municipal de Taubaté. O experimento extraclasse explorado foi o 'Forno Solar', que permite trabalhar conceitos físicos voltados à parte de temperatura e calor. Basicamente, o roteiro da aplicação desta atividade envolveu: uma aula teórica sobre o conteúdo; e posteriormente foi proposto que, grupos de alunos, construíssem com materiais 'recicláveis' um 'Forno Solar', capaz de aquecer certa quantidade de água. Finalmente, para avaliar o desempenho da atividade aplicada foi proposto um relatório para que pudesse ser analisado o quanto a parte experimental de um determinado conteúdo incentiva o interesse dos alunos em sala de aula. Além disso, procurou-se avaliar a opinião dos alunos em relação aos dois métodos de ensino: o método tradicional, contando com aula teórica passada aos alunos através do quadro branco, limitando-se apenas a fórmulas e a descrição de fenômenos físicos, eventualmente utilizando livros didáticos sobre o conteúdo; e o por meio de experimentação contando com exibição do protótipo

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estudado e incentivo às atividades extraclasse, apresentado neste trabalho, concluindo qual dos dois terá melhor aceitação e compreensão por parte do publico alvo.

## Forno Solar - Construção e Teste

Não é novidade a ideia de fogões alimentados por energia solar (MOURA, 2007). Os primeiros experimentos com fornos solares tipo caixa (fogões solares tipo caixa) para a preparação de alimentos foram descritos por Nicholas de Saussure, por volta de 1770. A construção era constituída por uma caixa retangular isolada, seu interior pintado de preto, composta por uma tampa de vidro, quando a radiação entrava na caixa era absorvida e aquecia os alimentos contidos dentro dela, chegando a uma temperatura de aproximadamente 160 ° C. Em 1837 John Herschel, astrônomo inglês, produziu um equipamento semelhante ao de Nicholas, para uso pessoal, que também consistia numa caixa pintada de preto com sua tampa feita de vidro fazendo com que os raios solares que a ela chegassem fossem impedidos de escapar. Para que houvesse um maior isolamento térmico essa caixa era enterrada na areia aquecendo o alimento contido dentro dela, dessa maneira o astrônomo registrou uma temperatura de 116 º C.

Atualmente existem vários modelos de Forno Solar (LIMA, 2012), que podem ser construídos facilmente com materiais de baixo custo. Entre os vários modelos existentes podemos citar: a) o Forno Solar tipo Caixa; e b) o Forno tipo Painel, feito de papelão (ou outros materiais de baixo custo) com superfície reflexiva, como papel alumínio, nos quais os painéis são dobrados de maneira que o foco incida na amostra a ser aquecida.

Entretanto, antes que fosse proposto aos alunos a construção e o estudo de um Forno Solar foi necessário construir e analisar a eficiência desse tipo de aparelho para assim obter parâmetros na utilização dos arranjos experimentais que permitissem elaborar uma atividade, bem como prever as eventuais dificuldades e resultados.

Deste modo, para explorar quantitativamente o experimento, e aproveitar melhor a radiação solar, foi necessário estabelecer algumas condições iniciais para a realização da atividade: a) foi utilizado como recipiente uma latinha de alumínio, facilmente encontrada e que possui boa condutividade térmica; b) para aumentar a absorção da radiação solar o recipiente (latinha de alumínio) foi pintado com tinta preta fosca; c) Para aumentar a eficiência de coleta da radiação foi utilizada uma antena parabólica DHT (com diâmetro de 60 cm), obtida em uma loja de sucata, revestida com papel alumínio. A escolha da antena parabólica deve-se ao fato de que, quando ela está apontada para o sol, toda a radiação que chega até ela é quase inteiramente refletida em direção ao foco da antena; e d) para minimizar a perda de calor por convecção, escolhemos um recipiente que foi colocado dentro de um vasilhame de vidro, diminuindo o seu contato com o ambiente. Além disso, o vasilhame de vidro também serve como uma eventual estufa.

No experimento exploratório a temperatura, da mesma quantidade de água (aproximadamente 200 g), em três de latinhas de alumínio, foi acompanhada por meio de termômetros digitais nas configurações experimentais: 1) no foco da antena parabólica; 2) exposta ao sol; e 3) exposta ao sol dentro de um recipiente de vidro.

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Durante o experimento, também foi acompanhada a temperatura ambiental. Na Figura 01 pode ser observada a realização dos testes preliminares além de uma imagem termal dos arranjos experimentais. Com os resultados obtidos, na Figura 02 podemos verificar que o aumento da temperatura, em função do tempo, em todos os arranjos foi aproximadamente exponencial onde a variação obtida foi de aproximadamente 12, 6 e 12 º C, respectivamente, nos recipientes 1, 2 e 3. A partir desses resultados pode-se verificar a eficiência do protótipo construído e também uma possível variação do arranjo utilizado, ou seja, o efeito estufa que o recipiente de vidro provocou na amostra 3 foi fundamental para uma melhor eficiência comparada aos recipientes 1 e 2.

Figura 01: Imagens do arranjo experimental: a) no espectro visível; e b) no infravermelho termal (em composição de falsa cor). (Fonte: Lauria 2014).

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Figura 02: Gráfico das medições, de temperatura realizadas durante o experimento. A temperatura do recipiente 1 foi determinada com dois multímetros, de resoluções diferentes. (Fonte: Lauria 2014).

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## Aplicação em Sala de Aula

Realizado o experimento exploratório, foi elaborado um roteiro com as atividades:

- · Primeira aula: Aula teórica, na qual seria comentada a diferença entre calor e temperatura e apresentada uma breve introdução sobre transferência de calor, abordando conceitos teóricos com exemplos práticos do dia a dia para que o entendimento por parte dos alunos fosse fixado. Assim, todo o conteúdo a ser explorado em sala teria como propósito a proposta da construção do Forno Solar pela turma. Também seria realizada uma avaliação do desempenho dos alunos por meio de um questionário, contendo um total de oito questões, sendo cinco voltadas à parte física do conteúdo aplicado, e outras três explorando a opinião do aluno perante sua visão atual da física.
- · Segunda aula: Seria feita a apresentação do experimento exploratório realizado com o intuito de que por sua vez elaborassem um modelo de Forno Solar, ficando a critério de cada grupo a busca por materiais que seriam utilizados. Assim, a atividade extraclasse da construção do Forno Solar foi lançada como desafio aos alunos. Houve aceitação e empolgação por parte de toda a turma, surgindo várias dúvidas a respeito dos materiais que melhor conduziriam calor ao recipiente contendo a água.
- · Terceira aula: Seria efetuada a entrega dos relatórios dos grupos e exibidos os fogões solares construídos.

## Descrição das Atividades

As atividades foram propostas à escola EMEFM Prof. José Ezequiel de Souza, na cidade de Taubaté - São Paulo. Nessa escola, as aulas são aplicadas de maneira tradicional/teórica, sem o uso da experimentação envolvendo assuntos relacionados ao dia a dia, e sem a utilização de outros recursos didáticos, como o projetor, por exemplo. A turma, 3º B, foi indicada pelo professor de física responsável, por contar com alunos que demonstraram interesse e dedicação durante o ano letivo e que possuíam boa conduta dentro de sala. A classe contava com 38 alunos com idade em torno de 17 anos.

Conforme mencionado, foram utilizadas três aulas com cinquenta minutos cada, para que o conteúdo teórico e experimental fosse aplicado à turma. Apesar do curto prazo para a aplicação, o desenvolvimento da aula ocorreu perfeitamente bem, havendo colaboração por parte da sala e do professor, contando também com o apoio da direção que disponibilizou uma sala contendo Datashow para a apresentação dos slides explicativos que continham a aula.

Do momento em que os slides foram apresentados até a entrega dos relatórios experimentais, houve atenção e interesse por parte dos alunos sobre o conteúdo abordado. Todos demonstraram empolgação pela maneira que o tema foi transmitido. O fato de a aula conter imagens e demonstrações de processos que envolvam o conteúdo acabou ganhando a atenção dos alunos.

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## Experimentação

Com as fotografias fornecidas pelos alunos, ver Figura 03 e os relatos em sala, após a experimentação, pode-se perceber que a interação entre eles no momento da construção, houve até mesmo um grupo que preferiu realizar a construção numa praça, Santa Terezinha - cartão postal em Taubaté, para que a proximidade deles fosse mais viável e também para aproveitar o espaço para a interação do grupo.

Figura 03: Fotografias fornecidas pelos grupos de alunos no momento da construção e teste do Forno Solar: a) grupo 1; b) grupo 2; c) grupo 3 e d) grupo 4.

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Sobre os materiais utilizados nas construções, ficou claro o aproveitamento da apresentação do protótipo proposto na segunda aula, como mencionado na Aplicação, onde foram sugeridos materiais recicláveis e de baixo custo para a elaboração dos fornos.

Também podemos verificar que o modelo padrão dos Fornos Solares elaborados foi o Tipo Caixa, que possui um grau de eficiência alto comparado ao Tipo Painel (LAURIA, 2015), e também por sua construção ser mais fácil comparada ao Parabólico. Contudo, para a medição de temperatura da água no recipiente aquecido, foram utilizados termômetros comuns de farmácia, que possuem como limite superior da escala a temperatura de 42 º C, impedindo que fossem feitas todas as medições sugeridas anteriormente.

Os relatórios elaborados pelos grupos de alunos contaram com a descrição sobre o clima no dia e horário do experimento, a temperatura inicial e final da água utilizada, a ação negativa do vento sobre os recipientes que não foram mantidos em estufa como o do Grupo 2, fazendo com que esses perdessem calor por Convecção, a não eficiência do termômetro utilizado por eles, bem como a eficiência dos Fornos

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Solares. Os resultados relatados por eles através das fotos refletiram na seriedade e comprometimento de todos com a pesquisa proposta. Os relatórios podem ser consultados em Lauria (2015).

## Questionários

A aplicação do questionário, limitado a 8 questões, por conta do tempo disponível (20 minutos), se deu para verificar a opinião dos alunos diante da disciplina de física que haviam tido até o momento, contando também com questões sobre o assunto apresentado. Além disso, houve um espaço para que o aluno deixasse seu comentário, critica ou sugestão da aula, para que o experimentador pudesse ter uma visão de como o assunto foi recebido pelos alunos, podendo aprimorar sua metodologia no decorrer de outras aulas ou pesquisas

Da avaliação da primeira parte dos questionários (referentes a disciplina de física) podemos enfatizar:

Questão 1 GLYPH&lt;1&gt; Você gosta de estudar física? Por quê?

Do total de alunos 57% que disseram sim. A maioria justifica que é porque se dá bem na área de ciências exatas, compreendem a presença da física em seu cotidiano e assimilam fenômenos naturais ocorridos no dia a dia. Gostam de trabalhar com fórmulas e cálculos e alguns pretendem seguir carreira na área de pesquisa. 34% dos alunos relataram que, mesmo sendo uma disciplina interessante, não gostam de física porque têm muita dificuldade de entendê-la, devido muitas vezes a dificuldade da compreensão de cálculos e conceitos aplicados em sala. E outros mencionaram que não gostam porque não se identificam com a matéria.

Questão 2 GLYPH&lt;1&gt; Você consegue assimilar facilmente os conceitos físicos abordados em sala de aula? Por quê?

Dos alunos que responderam sim na primeira questão 66% responderam que sim, 6% responderam que não e 28% responderam que dependendo do assunto entendem com bastante facilidade. Já os alunos que responderam não na primeira questão, 26% responderam que sim, 57% responderam que não e 17% responderam que possuem dificuldade em alguns assuntos, mas em outros conseguem entender algo.

Questão 3 GLYPH&lt;1&gt; Você acharia interessante estudar física não apenas de forma teórica, mas também envolvendo a prática com experimentos?

100% dos alunos responderam que sim, gostariam de ter aulas práticas sobre o conteúdo abordado em sala de aula, alegando que desta maneira, dinâmica e interativa, eles conseguiriam aprender melhor a matéria e não deixaria a aula tão cansativa como é de costume para a maioria.

## Conclusões

Podemos ressaltar que o vínculo da teoria em sala com a prática extraclasse, foi viável para os alunos do terceiro ano do ensino médio porque acabou induzindo-os à busca por alternativas relacionadas à energia limpa, tema que está em discussão na atualidade.

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A abordagem descrita no trabalho pode ser utilizada não somente para a disciplina de física, mas também para outras áreas do conhecimento, trabalhando a interdisciplinaridade com o aluno. No entanto, para que essa metodologia seja implantada nas escolas e utilizada pelos profissionais da docência, é necessário que sejam disponibilizados cursos ou oficinas para a preparação do profissional formado nas áreas de licenciatura, para lidar com esse tipo de didática.

A partir da análise dos questionários respondidos e resultados obtidos através dos relatórios é possível afirmar que uso da prática relacionando a física ao cotidiano dos alunos é uma alternativa a ser implantada, sempre que possível, nas escolas públicas e privadas buscando aumentar o interesse do aluno pela disciplina de física.

## Referências

BRASIL. MEC. Parâmetros Curriculares Nacionais + Ensino Médio: Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. 2015. Disponível em: &lt;http://www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN\_CNMT.pdf&gt;. Acesso em: 14 set. 2015.

LAURIA, Paola Beatriz. Estudos Preliminares com Fogão Solar. In: CONGRESSO INTERNACIONAL DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E DESENVOLVIMENTO, 3., 2014, Taubaté. Poster. Taubaté: -, 2014. p. 1 - 1.

LAURIA, Paola Beatriz. EXPERIMENTO DE CALORIMETRIA NA DISCIPLINA DE FÍSICA PARA O ENSINO MÉDIO. 2015a. 81 f. TCC (Graduação) Curso de Física, Departamento de Matemática e Física, Universidade de Taubaté Unitau, Taubaté, 2015.

LIMA, Augusto et al. Desenvolvimento de um Protótipo para o Posicionamento de um Forno Solar Parabólico. Disponível em: &lt;http://propi.ifto.edu.br/ocs/index.php/connepi/vii/paper/viewFile/5417/2473&gt;. Acesso em: 28 ago. 2015.

MOURA, Johnson Pontes de. Construção e Avaliação Térmica de um Fogão Solar Tipo Caixa. 2007. 209 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2007. Cap. 1.

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