A 2ª lei de Newton: Uma abordagem investigativa

Comece por descrever o seguinte cenário aos seus alunos: Imagine que você é um contemporâneo de Isaac Newton. Ele tem vindo a trabalhar febrilmente na compreensão da natureza do movimento, e acredita que condensou todas as suas observações e experiências de forma sucinta numas poucas "leis" que parecem governar o modo como os objetos se movem. Você é um dos seus amigos e colegas cientistas de maior confiança. Ele desenvolveu um método muito sistemático de executar as suas experiências, mas ele quer que você desenvolva o seu próprio método independentemente do dele, para realmente testar se as ideias dele são corretas.

Um aspeto da explicação de Isaac pode ser resumido pela seguinte equação:

F_total = (massa) x (aceleração)

Se um objeto acelera, é porque uma força total atua sobre ele. A força total é o resultado da combinação de todas as forças que atuam sobre um objeto. Levando em consideração a grandeza e a direção, a força resultante sobre um objeto tem uma grandeza medida em newtons, e uma direção específica. A aceleração resultante do objeto será proporcional à força total e na mesma direção que a força total, e inversamente proporcional à massa do objeto. Aqui está um exemplo específico. Uma caixa cheia de maçãs é puxada através de uma força de 25 N para a direita, tal como mostrado em baixo. Existem três outras forças que atuam sobre a caixa: gravidade, atrito e a força de apoio no chão. Se Newton estiver correto, a aceleração da caixa vezes a massa da caixa será igual à soma das forças exercidas sobre a caixa, tendo em conta a direção. Assim, a força de apoio e a força da gravidade anulam-se mutuamente, e a força total é simplesmente a diferença entre a força aplicada e a força de atrito. Uma vez que a força aplicada é maior, a força resultante será nessa direção.

Forneça as seguintes indicações aos seus alunos: Com um parceiro ou em grupo, determinem um método para testar a hipótese de Newton que uma força resultante produz uma aceleração na mesma direção, proporcional à força total, e inversamente proporcional à massa do objeto. Escrevam um procedimento completo, que utilize dispositivos de medição e equipamento disponível para testar a totalidade ou parte desta hipótese. O procedimento deve incluir algumas informações básicas sobre a relação entre as variáveis, bem como o que vocês estão a tentar testar. Incluam uma tabela de dados e quaisquer suposições específicas que tenham de ser feitas de modo a completar a experiência (por exemplo, vocês estão a assumir que o atrito é constante durante todo o movimento?). Forneçam uma explicação de qualquer tipo de análise que seja necessária. Sejam o mais específicos possível.

Nos vossos resumos escritos do processo, pensem e respondam a estas perguntas:

Que relação é que estão a tentar testar?
Há três variáveis na equação. Em quais duas é que vocês se vão concentrar em primeiro lugar?
Como é que vão manter a outra variável constante?
Que tipo de equipamento é que vocês precisam para medir as outras variáveis?
Que tipo de dados é que vocês esperam conseguir?
Como é que vão apresentar e analisar os dados?
Vocês precisam de fazer quaisquer simplificações ou aproximações? Essas suposições são justificadas?
Que outras equações é que vocês têm que usar para completar o teste?
A vossa experiência testa todos os aspetos da hipótese de Newton?
Vocês vão "provar" que as ideias de Newton estão corretas?
Qual é o papel do "erro" na conceção e execução da experiência?

Peça aos alunos para partilharem o seu método experimental com alunos de outro grupo. Aconselhe-os a olharem objetivamente para o segundo projeto e a notarem as semelhanças e diferenças em relação ao seu próprio método.

Dê tempo aos alunos para refletirem. Pergunte: Qual foi o caminho que vocês seguiram quando fizeram observações iniciais e na conceção, execução e interpretação da vossa experiência? Em que pontos é que tiveram mais sucesso? Em que pontos é que vocês enfrentaram os maiores desafios? No fim, o que é que vocês aprenderam de mais importante sobre o processo da ciência? Como turma, discutam os diferentes métodos utilizados por cada grupo. Em particular, discutam se todos os alunos usaram a mesma abordagem, que ajustes tiveram que ser feitos em relação às vossas ideias originais, e se os alunos sentiram ou não que tinham "provado" que Newton estava correto.