Aulas Saber Ciência Aquecimento e arrefecimento da superfície da Terra

Autora: Jennifer Skene, The University of California Museum of Paleontology, Berkeley

Resumo: Os alunos realizam uma experiência para determinar a taxa a que dois materiais, areia e água, aquecem e arrefecem. Então, com base nas suas observações, eles fazem hipóteses sobre por que é que materiais aquecem e arrefecem a taxas diferentes. Os alunos realizam experiências para testar as suas hipóteses, e compartilham os seus resultados com a turma.

Conceitos:

Nível de Ensino: 6-8

Materiais:

Preparação prévia: Reunir materiais.

Tempo: Duas aulas

Organização:A turma inteira, depois grupos de quatro alunos, e de seguida novamente toda a turma

Informação de Apoio:

Fundamentos e princípios: O princípio físico central envolvido nesta aula de laboratório é o calor específico de materiais diferentes. Se esta for uma atividade introdutória, então não é realmente importante que os alunos compreendam os detalhes do calor específico! É apenas importante que os alunos compreendam que os materiais diferentes aquecem e arrefecem a taxas diferentes, o que tem implicações importantes para a vida na Terra.

O calor específico de um material é a quantidade de calor (ou energia) necessária para aumentar a temperatura de um quilograma do material em 1 °C. Você pode pensar sobre a capacidade de calor como sendo "inércia térmica". Da mesma forma que para objetos com muita inércia física é necessário fornecer muita energia para os fazer mover, para objetos com muita inércia térmica, é preciso fornecer muita energia para os fazer aquecer. Cada material tem o seu próprio calor específico.

O calor específico de um material tem a ver com muitos fatores, mas um das mais importantes é a massa dos seus átomos ou moléculas individuais. Acontece que materiais com átomos leves tendem a ter calores específicos maiores (precisam de mais energia para aquecer) do que materiais com átomos mais pesados. Isto pode parecer contraditório à primeira vista, mas pense nisto desta maneira. Se temos um material com átomos muito leves, como hidrogénio, quantos átomos é que são precisos para fazer um quilograma? Muitos! Se temos um material com átomos principalmente pesados, como chumbo, quantos átomos são necessários para fazer um quilograma? Menos. O calor está relacionado com as vibrações de todas as moléculas do material. Então, para aquecer 1 kg de hidrogénio, você tem que fornecer muita energia para colocar todas essas moléculas em movimento. Aquecer 1 kg de chumbo significa colocar menos átomos a vibrar, e assim requer menos energia. Embora não seja uma regra absoluta, materiais mais densos tendem a ter massas atómicas menores e menores calores específicos, enquanto que o inverso tende a ser verdadeiro para materiais menos densos.

Natureza e processo da ciência: O que é uma hipótese? A palavra "hipótese" é muitas vezes usada incorretamente nos livros didáticos. A hipótese deve envolver uma explicação, com base em observações, conhecimento prévio, e lógica. Uma hipótese não é apenas um palpite. Cuidado com o mau uso da palavra "hipótese" nos livros didáticos e diga aos seus alunos para estarem atentos também!

Gráficos: Gráficos e figuras são uma parte importante do processo científico. Muitas aulas de laboratório encontradas em livros de estudo exigem que os alunos façam gráficos dos seus dados, mas não fornecem nenhuma orientação sobre o que fazer com esses gráficos. Os gráficos não são um fim em si mesmos. Na verdade, eles servem um propósito duplo: os gráficos (juntamente com as análises estatísticas) ajudam os cientistas a interpretar os seus dados, e ajudam os cientistas a comunicar as suas descobertas a outras pessoas. Nesta aula, os alunos usam os seus gráficos para comparar as taxas de aquecimento e arrefecimento de materiais diferentes. Eles também usam os seus gráficos para compartilhar os seus resultados com o resto da turma.

Vocabulário: Hipótese, evidência, experiência, dados

Realização da Atividade:

  1. Peça aos alunos para pensarem sobre as suas próprias experiências envolvendo a temperatura da areia e da água, pois eles podem mais tarde basear as suas explicações e previsões nesse conhecimento. Faça com que eles pensem em caminhar na praia ou no pavimento num dia muito quente, com os pés descalços. Como foi (frio, morno, quente)? Em seguida, eles devem imaginar entrar numa poça de água perto da praia ou do pavimento. Como é que foi? (mais quente ou mais frio do que a areia ou pavimento?)
  2. Dê a cada grupo de alunos duas taças, uma cheia de areia e uma cheia com um volume igual de água. Peça-lhes para fazerem uma previsão ou palpite sobre o que eles acham que vai aquecer mais rápido, a areia ou a água, e por que é que eles acham isso. Nesta altura, as explicações dos alunos não são suscetíveis de ser hipóteses reais sobre por que é que alguns materiais aquecem mais rápido do que os outros — mas eles devem ser capazes de descrever alguma experiência pessoal que possa informar o seu palpite.
  3. Escreva as ideias dos alunos no quadro. Sugira que eles podem recolher alguns dados para descobrir se as suas ideias são corretas.
  4. Distribua as folhas de dados e papel para gráfico.
  5. Diga aos alunos para colocarem cada copo sob o candeeiro. Coloque um termómetro em cada copo, segurando o termómetro de modo a ficar no meio da areia ou da água, e não assente no fundo do copo. Diga aos alunos para registarem a temperatura da areia e da água na folha de dados. Diga aos alunos para ligarem a luz e iniciarem os seus cronómetros ao mesmo tempo. Eles devem registar a temperatura da areia e da água a cada minuto, durante 15 minutos. Depois de 15 minutos, eles devem desligar a luz, e, novamente, registam a temperatura da areia e da água a cada minuto, durante 15 minutos.
  6. Peça aos alunos para traçarem os dados sobre o papel de gráfico, com o tempo no eixo dos x e a temperatura no eixo dos y. Eles devem desenhar duas linhas separadas, uma para a areia e outra para a água.
  7. Peça aos alunos para examinarem os seus gráficos. Saliente que os gráficos podem ajudar-nos a ver padrões nos nossos dados. O que aqueceu mais rápido, a areia ou a água? O que arrefeceu mais depressa? Pergunte aos alunos por que é que eles acham que isso aconteceu. As suas respostas podem ser algo parecido com isto: Os alunos podem precisar de algum estímulo para chegar a algumas destas ideias.
  8. Os alunos podem agora usar essas ideias para fazer e testar hipóteses sobre o aquecimento. Com base no que eles já observaram, peça aos alunos para colocarem uma hipótese sobre a taxa a que diferentes materiais aquecem e arrefecem. Lembre aos alunos que a hipótese deve envolver uma explicação. Para ajudar os alunos a escrever uma boa hipótese, você pode pedir-lhes para preencher esta frase: "A areia aquece mais rapidamente do que a água, porque __________." Isso pode dar-lhes ideias sobre quais os fatores que podem causar diferentes taxas de aquecimento e arrefecimento. Os alunos provavelmente irão precisar de orientação neste assunto. Se você preferir, a turma inteira poderia debater em conjunto para chegar a fatores que poderiam explicar o que eles observaram. Eles poderiam considerar: Claro, os alunos provavelmente não irão chegar à explicação para o calor específico; o ponto importante é que eles encontrem uma explicação que pode ajudar a responder a questão de porque é que alguns materiais aquecem/arrefecem mais depressa do que outros.
  9. Cada grupo de alunos deve procurar (ou escolher) uma hipótese para testar. Pergunte aos alunos se a sua hipótese é testável e peça-lhes para pensarem sobre o que eles poderiam fazer para a testar.
  10. Saliente que eles vão fazer uma experiência exatamente da mesma maneira que os cientistas fazem experiências. Mostre aos alunos os outros materiais. Peça que cada grupo escolha um dos materiais, que seja apropriado para testar a sua hipótese. Eles irão comparar o aquecimento e arrefecimento desse material com a areia e a água. Peça aos alunos que escrevam a sua hipótese (explicação) e, com base nesta hipótese, o que esperam que aconteça (a sua previsão): será que o material aquece e arrefece mais depressa ou mais devagar do que a areia ou a água?
  11. Diga aos alunos para medirem a temperatura do novo material com a luz acesa durante 15 minutos, e com a luz desligada durante 15 minutos. Entretanto, faça um gráfico no quadro para resumir o aquecimento relativo e as taxas de arrefecimento de todos os materiais — veja o exemplo de gráfico de resumo (página 2 do pdf).
  12. Peça que cada grupo trace os seus resultados, e que os alunos discutam em grupo as suas observações. Será que os seus resultados apoiam a sua hipótese, contradizem a sua hipótese, ou o que é que os resultados poderiam querer dizer?
  13. De modo a compartilhar os resultados da turma, faça com que um aluno de cada grupo apresente as descobertas do seu grupo à turma. Eles devem trazer o seu gráfico, prendê-lo no quadro, escrever os resultados das suas experiências no gráfico de resumo, e explicar brevemente à turma a sua hipótese, previsão, resultados, e que é que eles acham que esses resultados significam para a sua hipótese.
  14. Depois de cada grupo ter apresentado os seus resultados pergunte à turma se alguém vê quaisquer padrões nos resultados. Pergunte aos alunos se eles mudaram de ideia sobre qual hipótese é a melhor. Será que conseguem propor novas explicações depois de fazer esta experiência? Como é que eles podem testar essas explicações? Pode não haver nenhum padrão real nas taxas de aquecimento e de arrefecimento de diferentes materiais — o ponto principal é que materiais diferentes aquecem e arrefecem a taxas diferentes . Não fique preocupado se não há um padrão claro, você pode usar isso para chamar a atenção dos alunos que é assim que a ciência funciona muitas vezes. Nós não encontrámos uma resposta definitiva para a pergunta "porque é que alguns materiais aquecem e arrefecem a taxas diferentes?" mas sabemos muito mais do que sabíamos quando começámos! E nós temos muitas ideias sobre outros testes que poderíamos fazer para aprender mais. É assim que funciona o processo da ciência — muitas vezes, os cientistas não podem responder a uma pergunta com uma única experiência. Podem ser necessárias muitas experiências, durante muitos anos, para lentamente aprender mais sobre uma questão.

Extensões:

  1. Para realçar o processo da ciência de forma mais explícita, dê aos alunos a oportunidade de refletir sobre a forma como eles realizaram esta investigação; ou, para rever os principais conceitos sobre a natureza e o processo da ciência, os alunos poderiam traçar os seus caminhos usando o Fluxograma da Ciência. Isso pode ser feito através de uma discussão em turma ou nos seus pequenos grupos. Dê um fluxograma a cada aluno e faça-os refletir sobre o que fizeram durante esta investigação. Os alunos colocam um nº 1 no fluxograma indicando a primeira coisa que eles fizeram, um nº 2 para o passo seguinte, etc. No fim, eles simplesmente ligam os números e estabelecem um retrato do caminho que eles seguiram. Os alunos podem então comparar os seus percursos e discutir as diferenças e semelhanças. Isso ajuda a enfatizar que a ciência é um processo não linear e dinâmico, que envolve observação, exploração, descoberta, testes, comunicação e aplicação.
  2. Placard "Coisas que nós gostaríamos de saber": Os alunos podem colocar questões científicas no quadro. As perguntas podem resultar de aulas de laboratório ambíguas como esta, ou partir de discussões em turma. As perguntas também podem abordar coisas sobre as quais algum aluno esteja curioso. Se alguém obtém nova informação, tem uma ideia luminosa, ou faz uma observação relevante durante o período, isso pode ser adicionado à questão relevante no placard.
  3. Relacione o aquecimento e arrefecimento com os biomas da Terra: Peça aos alunos que pensem em lugares na Terra onde há uma grande quantidade de água, e lugares onde há muita areia. As zonas costeiras são um exemplo de lugares perto de uma grande quantidade de água. Desertos são um exemplo de lugares com muita areia. A presença de água ou areia afeta o clima em cada uma destas áreas. Pergunte aos alunos que padrões de temperatura esperariam ver nessas áreas. Como é que eles poderiam testar as suas ideias?

Informação relevante: É necessária muita energia para aquecer água. Grandes massas de água, como o oceano, não variam de temperatura muito ao longo do ano. Essa é em parte a razão porque, nas zonas costeiras, a temperatura não muda muito ao longo do ano, ou entre o dia e a noite. O oceano mantém a temperatura na terra relativamente estável.

É necessária menos energia para aquecer areia. Isso é parte da razão pela qual desertos como o Saara e o Mojave são tão quentes — a areia aquece muito rapidamente. E os desertos são geralmente muito frios à noite - porque uma vez que o Sol se põe, a areia arrefece muito rapidamente. (Note que os desertos não têm necessariamente areia, e que os desertos não são necessariamente quentes! Por definição, os desertos são lugares que recebem muito pouca precipitação — o Ártico e a Antártida são desertos, e eles nem têm areia nem são quentes!)

Os materiais que compõem a superfície da Terra (água, areia, rocha) não são as únicas coisas que determinam o clima de uma área. Características como latitude, altitude, vento e os seus padrões, e precipitação também são muito importantes para determinar o clima de uma área.

Modificado de California Focus on Earth Science, Pearson Education, Inc.

 
Uma aula Saber Ciência
© 2010 The University of California Museum of Paleontology, Berkeley, and The Regents of the University of California