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Isso é Legal
A forma de mudança
O texto da Lição 4: Fazendo Amigos
do livro
A Forma de Mudança
De Rob Quaden e Alan Ticotsky
Com Debra Lyneis Ilustrado por Nathan Walker
Publicado pelo Creative Learning Exchange Maio 2004
Revisado Janeiro 2005
Preparado com o apoio da The Gordon Stanley Brown Fund
Baseado no trabalho apoiado por The Waters Foundation
A Forma de Mudança Apresentando onze atividades de sala de aula
Formatadas e ilustradas atrativamente Disponibilizado pela
The Creative Learning Exchange Acton, Massachusetts
(978) 635-9797 http://www.clexchange.org
Permissão concedida para cópia e distribuição eletrônica para finalidades educacionais não-comerciais.
Introdução
Nesta lição, os estudantes aprendem o método científico enquanto medem, interpretam
dados, e representam graficamente a mudança da temperatura água fervente em um copo
enquanto ela resfria. Eles procuram padrões de comportamento ao longo do tempo e
formulam hipóteses. A lição reforça conceitos da ciência incluindo a transferência de
energia, a escala de graus centígrados, a técnica de laboratório e as habilidades de medida.
As habilidades e os conceitos da matemática incluem a medição, a interpretação de dados,
fazer gráficos, e trabalhar com taxas de mudança. 1
Materiais
• Alguma forma de ferver a água na sala de aula
• Cronômetro ou relógio que marque a passagem de minutos
• Um copo para líquidos quentes e um termômetro de laboratório para cada equipe de
estudantes
• Uma copia de cada uma das folhas de trabalho para cada estudante
1. Gráfico da Previsão de Refrigeração (pag .12)
2. Tabela dos Dados de Refrigeração (pag.13
3. Gráfico da Experiência de Refrigeração (pag.14)
Como Funciona
Há uma diferença entre o calor e a temperatura. O calor é uma forma da energia que faz as
moléculas na água se moverem, ao redor, muito rapidamente. Quando a água é aquecida,
esta ganha mais energia de calor. Quando a água esfria, a energia flui para fora da água e
vai para o ar.
A temperatura é uma medida da quantidade de energia de calor que um objeto tem, e é
medido em um termômetro em graus. O calor é a quantidade de energia necessária para
trazer a água a uma determinada temperatura. Dois objetos diferentes podem ter a mesma
temperatura mas conter quantidades diferentes de energia de calor. Duas quantidades
diferentes de água na mesma temperatura prendem quantidades diferentes de energia de
calor. Os vários alimentos cozinhando juntos em um forno contêm quantidades diferentes
de energia de calor. A energia de calor é medida em calorias ou em BTUs. A energia de
calor vai sempre de uma região com temperatura mais alta para uma região com
temperatura mais baixa.
Na experiência da sala de aula, o calor da água fervendo flui para o ar, a água esfria, e a
temperatura cai. A temperatura cai rapidamente no início, mas a taxa de mudança diminui
quanto a água se aproxima da temperatura ambiente.
Procedimento
1. Explique aos estudantes que eles estarão conduzindo uma experiência científica “real”.
Eles estarão medindo a temperatura de uma água muito quente enquanto ela esfria,
registrando e representando graficamente seus dados.
2. Enfatize que a experiência funciona corretamente apenas se os estudantes seguirem as
recomendações.
• A água fervendo é muito quente e perigosa, assim eles devem ter muito cuidado.
• Eles devem registrar seus dados muito precisamente.
• Eles devem trabalhar em equipe para completar a tarefa
Primeiro Segurança!!!
Certifique-se de usar os termômetros e os copos que são projetados para líquidos quentes.
Os termômetros comuns podem estourar na água quente
3. É interessante recordar alguns valores da escala Celsius, discuta algumas das seguintes
medidas:
100 graus: a água ferve
40 graus: febre
37 graus: temperatura normal do corpo
30 graus: um dia de verão
20 graus: temperatura ambiente
0 graus: a água congela
4. Desenhe um gráfico no quadro. A linha horizontal é nomeada “Tempo (Minutos)”. A
linha vertical é nomeada “Temperatura (Graus Celsius)” com um valor mínimo de 0 graus
Celsius e um valor máximo de 100 graus Celsius.
Escolha estudantes para ir ao quadro desenhar o comportamento do gráfico ao longo do
tempo
(o comportamento do gráfico com o tempo é uma linha gráfica que esboça como algo
muda ao longo do tempo.)
• A temperatura da água em um recipiente no fogão começa em 50 graus e ascensões em
uma taxa constante até 90 graus.
• A temperatura ambiente é 20 graus e não muda.
5. Peça que os estudantes pensem sobre o que acontecerá com a temperatura da água
fervendo em um copo ao longo do tempo. Peça que eles esbocem um gráfico do
comportamento ao longo do tempo de suas previsões na folha Gráfico da Previsão de
Refrigeração (Anexo 1).
Previsões
Uma previsão é o que os estudantes pensam que acontecera -- não importa se isso for
errado ou certo. isso irá ajudá-los a pensar sobre o que está acontecendo na experiência, ao
comparar os dados com suas previsões.
6. Dê a cada equipe um copo e encha-o com água fervendo. Peça aos estudantes para medir
imediatamente a temperatura inicial e registra-la na folha de trabalho Tabela dos Dados de
Refrigeração (Anexo 2). Note que a temperatura inicial é menos de 100 graus porque a
fonte de calor foi removida.
7. Usando o cronômetro, anuncie cada minuto subseqüente com um aviso de dez segundos
e diga aos estudantes "para medir e registrar" sua temperatura da água
• Certifique-se de que mais de um estudante lê o termômetro. Isto aumenta a
aprendizagem e a precisão das medidas.
• Quando as equipes recolherem e verificarem seus dados, cada estudante
individualmente termina o seu ou a sua própria tabela e o gráfico dos dados.
8. Depois de aproximadamente cinco minutos, quando todas as equipes estiverem bem
orientadas, ajude os estudantes a traçarem seus dados na folha de trabalho Gráfico da
Experiência de Refrigeração (Anexo 3)
• Trace uma linha unindo os primeiros poucos pontos, assegurando que os estudantes
coloquem a temperatura inicial sobre a linha vertical e um ponto em cada linha de
minutos subseqüente.
• Isto pode ser confuso se não tiverem cuidado. Sugira que os estudantes usem uma régua
para seguir exatamente cada linha de minutos, da base até o local onde cruza a linha da
temperatura.
Enquanto isso, continue a anunciar os minutos com instruções para “medir e registrar”.
Continue representando por ao menos vinte minutos.
7. Finalmente, peça que os estudantes conectem os pontos em seus gráficos. Esta deve ser
uma linha curva lisa, assim é melhor se os estudantes fizerem este sem usar uma borda reta.
Trazendo a Lição para Dentro de Casa
Os estudantes fizeram previsões e conduziram uma experiência. O importante nessa parte e
que eles tirem as suas conclusões do experimento.
Para a comparação, colete diversos gráficos de previsão e gráficos da experiência dos
estudantes e afixe-os na parede. Enquanto os estudantes olham para os gráficos da
experiência, conduza uma discussão na classe. Perguntas como estas irão ajudar os
estudantes a construírem sua compreensão do processo de refrigeração.
• Como os gráficos mostram o que aconteceu com a temperatura da água?
A temperatura caiu rapidamente no início, depois mais lentamente. Os gráficos
mostram uma curva descendente inclinada que começa a nivelar quando a água aproxima
da temperatura ambiente.
• Qual era a temperatura da água no início da experiência?
A água estava fervendo no recipiente (100º), mas é refrigerada rapidamente quando
derramada nos copos. Os estudantes podem relatar suas leituras iniciais.
• Qual era a uma temperatura da água após 1 minuto? 5 minutos? 15 minutos?
Cada equipe começou com os mesmos resultados?
• A água esfriou em uma taxa constante? O que você observa sobre a forma da
linha?
A linha não é reta porque a água não esfriou em uma taxa constante.
• Quando a água refrigerou mais?
A taxa refrigeração era a mais elevada no começo onde a curva é mais inclinada.
Neste momento, a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente era
maior, assim a energia de calor fluiu rapidamente.
• Quando refrigerou o menos?
A taxa de refrigeração era mais baixa no final quando a temperatura ambiente
aproximava lentamente da água. Quando a diferença da temperatura for pequena, os
fluxos de calor fluem mais lentamente.
• Os gráficos mostram a temperatura durante um período de 20 minutos. Prediga a
temperatura após 30 minutos. Explique sua lógica.
A temperatura continuará a ir para baixo, mas em uma taxa mais e mais lenta. Uma
vez que a água alcança a temperatura ambiente, ela permanecerá com esta.
• Prediga a temperatura após 60 minutos, 100 minutos.
A temperatura permanecerá constante na temperatura ambiente.
Este gráfico mostra como a temperatura da água aproximaria a temperatura ambiente se
os estudantes continuarem a experiência por um tempo mais longo.
Peça que os estudantes revejam seus gráficos originais de previsão..
• Algum dos gráficos são semelhantes?
• Em que as previsões estavam corretas?
• Quais as diferenças entre os resultados reais das previsões?
Previsões
Os estudantes necessitam saber que não importa se suas previsões originais estiverem
corretas ou não. O que é importante é que eles fizeram uma previsão. É importante também
saber dos estudantes o que eles pensavam antes da experiência e comparar esses
pensamentos com os seus pensamentos após a experiência.
Envolva-os revendo e explicando a experiência em um diálogo guiado com os estudantes.
• A água começou quente (a energia de calor foi adicionada na chaleira).
• A temperatura da água era muito mais elevada do que a temperatura ambiente, assim
energia de calor começou a fluir fora da água em uma taxa rápida.
• Esta perda de calor fez a água refrigerar, assim a diferença da temperatura entre a água
e o ar era um pouco menor. Consequentemente, a energia de calor começou fluir fora
do copo em uma taxa mais lenta.
• Este processo foi sobre e sobre, até que a temperatura da água estivesse a mesma que a
temperatura ambiente. Esta é a razão do gráfico ser muito curvado no início e depois
mais liso enquanto o tempo foi passando. Este padrão da mudança é chamado de
declínio exponencial.
• Você é capaz de pensar em outros exemplos de transferência de calor que
apliquem o padrão que nós observamos?
• Um sorvete derrete muito mais rapidamente em um dia quente do que no
inverno. A energia de calor flui mais rapidamente quando há uma grande
diferença entre a temperatura do sorvete e a temperatura do ar.
• Uma casa perde o calor mais rapidamente em um dia frio do inverno
• Você é capaz de pensar em outros exemplos de declínio exponencial?
• Excitamento sobre alguns brinquedos: Quando o brinquedo é novo, você está
muito interessado nele, mas enquanto o tempo vai passando, você usa o
brinquedo menos e menos, até que se você coloque na prateleira com todos os
brinquedos restantes.
• O valor de um carro quando ele envelhece: Primeiramente o valor cai
rapidamente e anos depois o valor cai lentamente.
• O declínio exponencial é comum em muitos outros sistemas. Os estudantes que
jogam o Jogo do Mamute (lição 3) reconhecerão o mesmo padrão em uma
população declinando.
Isso é Legal A forma de mudança
Estoques e Fluxos
O texto da
Lição 4: Isso É legal do livro
A Forma de Mudança
Estoques e Fluxos Um começo
De Rob Quaden e Alan Ticotsky Com Debra Lyneis
Ilustrado por Nathan Walker Publicado pelo Creative Learning Exchange
Maio 2004
Revisado Janeiro 2005
Preparado com o apoio da The Gordon Stanley Brown Fund
Baseado no trabalho apoiado por The Waters Foundation
A Forma de Mudança
Apresentando onze atividades de sala de aula
Ilustradas e formatadas atrativamente
Disponibilizado pela
The Creative Learning Exchange Acton, Massachusetts
(978) 635-9797 http://www.clexchange.org [email protected].
Permissão concedida para cópia e distribuição eletrônica
para finalidades educacionais não-comerciais.
Isso é Legal
A construção desta lição nas atividades da sala de aula é descrita na A Forma da Mudança, pelo
Rob Quaden, Alan Ticotsky e Debra Lyneis, 2004, The Creative Learning Exchange. Você pode
fazer o download do texto da única lição original ou começar os gráficos e a disposição do livro
completo do CLE em www.clexchange.org.
A Forma da Mudança
Na lição 4 da A Forma de Mudança, os estudantes conduziram uma experiência científica para
medir, registrar e representar graficamente a mudança da temperatura da refrigeração da água
fervente em um copo.
Visão Geral
Na atividade de refrigeração, o estoque é o calor na água e o fluxo representa a perda desse calor no
ar. Entretanto, ao contrário das taxas de nascimento e de morte no Jogo do Mamute (a lição anterior
em que esta se constrói), a taxa de refrigeração não é constante. Como os estudantes observaram em
suas experiências e gráficos, a temperatura da água caiu rapidamente no início, mas como a
diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente se estreitou, a taxa de refrigeração
diminuiu até que a água alcançou a temperatura ambiente.
Fazendo a experiência na sala de aula, os estudantes aprenderam que o calor flui sempre de uma
área de temperatura mais alta para uma área de temperatura mais baixa, fluindo mais rapidamente
quando a diferença da temperatura é maior.
Construir um diagrama de estoque/fluxo do processo de refrigeração ajudará explicar porque o
gráfico da temperatura não produziu uma linha reta e porque este declínio exponencial aproximou-
se da temperatura do lugar.
Vendo a Estrutura
1. Peça que os estudantes identifiquem o estoque e o fluxo da experiência de refrigeração.
Observe que o fluxo de saída está indo para a esquerda desta vez. Os fluxos podem ir em qualquer
sentido. A seta diz o sentido do fluxo.
2. Tenha certeza que os estudantes compreenderam a diferença entre o calor e a temperatura. (veja
"como funciona") A energia de calor acumula e dissipa-se; isso é medido nos graus de temperatura.
Conecte o estoque Temperatura da Água para mostrar que nós necessitaríamos converter a energia
de calor para graus Célsius.
3. Peça que os estudantes nomeiem os fatores que afetam a taxa em que o calor escapou da água. Os
fatores tipicamente mencionados pelos estudantes incluem as propriedades de isolação do
recipiente, a área de superfície da água exposta ao ar, a forma e o tamanho do recipiente, e assim
por diante. Para simplificar, combine todos estes fatores em uma variável nomeada de “Taxa de
Refrigeração” ou um nome similar para representar o efeito de todos estes fatores em como o calor
rapidamente escapa da água. Quanto mais elevada a taxa, mais rapidamente o calor escapa.
4. Lembre os estudantes a pensarem sobre a forma do gráfico da temperatura. A refrigeração era
mais inclinada no começo quando a diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente
era maior. Depois, quando a diferença era menor, a taxa de refrigeração retardou para baixo.
Adicione a temperatura ambiente ao diagrama.
5. Lembre que a diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura da água determinou como o
calor escapou (rapidamente ou lentamente). Adicione uma variável nomeada "diferença" para
representar o tamanho da diferença entre as duas medidas. Quanto mais elevada a temperatura da
água maior a diferença.
6. Finalmente, o tamanho da diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente afetou
a taxa de calor escapando. Quando a diferença era grande, o calor escapava rapidamente, como
aconteceu no início da experiência. A medida que o tempo passava, a temperatura ambiente
permaneceu constante enquanto a temperatura da água caia, reduzindo a diferença entre as duas
medidas.
Conecte a "Diferença" ao fluxo “Calor Escapando” para mostrar que a diferença da temperatura
causou a mudança da taxa de calor escapando – quanto maior a diferença, mais elevada é a taxa.
O diagrama estoque/fluxo explica agora como os fatores refrigeração originais do recipiente e a
diferença entre a temperatura da água e a temperatura ambiente afetaram a taxa de refrigeração. Isso
explica como a acumulação da energia de calor dissipou ao longo do tempo.
7. Siga o laço de realimentação no diagrama de estoque/fluxo usando setas para acima e para baixo
se necessário. Quando o estoque do "Calor" aumenta, a " Temperatura da Água" aumenta. Desde
que a " Temperatura Ambiente" é constante, a "Diferença" aumenta. Uma grande "Diferença" faz
o "Calor Escapando" aumentar, que faz o "Calor" diminuir desta vez. Como nós aprendemos na
lição anterior, quando os elementos invertem em um laço de realimentação, o laço está equilibrado.
A experiência de refrigeração é um exemplo de um laço realimentação equilibrado. A temperatura
da água aproxima-se da temperatura ambiente em uma taxa decrescente.
8. Olhe o gráfico de refrigeração outra vez e relacione-o ao diagrama de estoque e fluxo. O laço
equilibrado produz um gráfico do declínio exponencial da temperatura. O gráfico curva-se com uma
taxa elevada no início e aplaina-se, aproximando a temperatura ambiente.
Este gráfico é como o declínio exponencial causado pelo laço equilibrado no jogo do mamute.
Quando o rebanho era grande, muitos mamutes morreram. Como estas mortes reduziram o
tamanho da população, havia menos e assim poucas mortes em cada ano, e a população
aproximou-se lentamente de zero - extinção.
• Nesta lição nós medimos a temperatura de refrigeração de uma água fervente em um
copo. Por que a água aproximou-se da temperatura ambiente?
A água aproximou-se da temperatura ambiente porque o calor estava fluindo fora da água e
indo para o ar mais fresco. Fluiu mais ràpidamente no começo da experiência quando a diferença
entre a temperatura da água e a temperatura ambiente era maior. Quando a diferença diminuiu, o
calor escapou-se mais lentamente. Quando a água alcançou finalmente a temperatura ambiente,
ela permaneceu na temperatura ambiente.
Uma Extenção
Para um desafio adicional, alguns estudantes podem ser capazes de aplicar o que aprenderam em
uma maneira mais ampla.
• O que aconteceria se nós começassemos com a água congelada em vez da água fervente?
O calor fluiria do ar morno (temperatura ambiente) para a água congelada, da mesma forma
fluindo mais rapidamente quando a diferença da temperatura for maior, que é no começo da
experiência. A água irá aquecer até a temperatura ambiente e permanecerá com ela.
• Nosso diagrama de esqtoque/fluxo aplica-se para a água congelada também?
Sim. Para ficar mais claro, nós mudaríamos o "Calor Escapando" para "Transferência de
Calor" que significa que o calor se move sempre da área mais morna para a área mais fresca quer
você comece com água fervente ou água congelada.
Para a água fervente, os fluxos de calor vão para fora até a água alcançar a temperatura ambiente.
Para a água congelada, os fluxos de calor vão para dentro até a água alcançar a temperatura
ambiente. O estoque de calor aumenta.
A cabeça da seta em ambos os fins do fluxo indica que a energia de calor pode fluir dentro ou fora
do estoque, dependendo se você começa com água muito quente ou muito fria.
• O que o gráfico do aquecimento da água em um copo se assemelha?
Seria similar à experiência da refrigeração, exceto que desta vez a água aproxima da
temperatura ambiente enquanto se aquece .
Para a água congelada, o laço equilibrado faz com que a temperatura da água levante-se
aproximando da temperatura ambiente.
Diagrama de Laço Causal
Este diagrama nos dá uma visão geral do laço de realimentação equilibrado - a temperatura da água
ajusta-se para aproximar da temperatura ambiente. Nosso diagrama de estoque/fluxo nos dá uma
visão "operacional" mais precisa de como o calor acumula ou dissipa ao longo do tempo. Nós
usamos ambos os diagramas para compreender o comportamento que nós observamos e
representamos graficamente.
Outra Visão
Uma forma mais simples e genérica do laço equilibrado poderia mostrar o ajuste da temperatura
sem a interverção das conversões de temperature/calor. A taxa de mudança declina enquanto a
diferença de temperatura diminui, até que a temperatura da água alcance a temperatura ambiente.
Nesta lição, entretanto, nós incluímos as conversões porque o conceito da energia de calor como um
estoque era o foco da lição de ciência.
