Idade do universo



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Encontro30.07.2016
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Plano de aula da oficina “Idade do universo”

Apresentação


Introdução:

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Objetivo:

Temática:

Público-alvo:

Número de aulas: 8 aulas, 1 hora cada uma


QUADRO SINTÉTICO





Aulas

Aula 1


Introdução à cosmologia

Apresentar Documentário da BBC sobre “O que é cosmologia?”

Discutir diferenças entre cosmologia e astronomia.

Apresentar vídeos sobre Escalas no Universo.

Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da luz dos corpos celestes.

Desenvolver atividade prática sobre espectros utilizando um CD





Aula 2

Estimando a idade do universo com dados de Hubble



Aula expositiva sobre Hubble e a descoberta da expansão do universo

Apresentar o documentário sobre redshift e efeito Doppler

Análise do documentário comparando ondas sonoras e luminosas

Estimar a idade do universo a partir dos dados de Hubble.





Aula 3

O problema da idade do universo



Discutir os resultados obtidos na aula anterior

Relacionar com o problema da idade do universo, comentando sobre possíveis soluções.




Aula 4

Estimando a idade do universo com dados atuais



Estimar a idade do universo com dados contemporâneos. Discutir os resultados e mostrar soluções atuais para o problema da idade do universo.



DESCRIÇÂO DAS AULAS

AULA 1


Tema: Introdução à cosmologia

Objetivo: Nesta atividade discutimos a questão “O que é cosmologia?”, diferenciando a cosmologia antiga, mais próxima dos mitos de criação, da cosmologia científica que se consolidou no século XX. Buscaremos aproximar a linguagem utilizada pelos licenciandos e pelo professor, definindo os significados atribuídos a certas palavras importantes para o desenvolvimento da atividades seguintes, como cosmologia e universo.

Também discutimos como astrônomos podem estimar a idade do universo, apresentando os conceitos de alargamento e contração de comprimento de onda, diferenciando as duas possíveis causas para esse efeito (velocidades relativas das fontes de emissão de ondas luminosas ou expansão/contração do espaço).



Conteúdo Físico: cosmologia, astronomia, espectroscopia, ondas, luz

Recursos Instrucionais: Slides, giz e lousa, vídeo-documentário, objeto de aprendizagem: Astrônomo Mirim

Motivação: Apresentando o conceito de “cosmologia”, esperamos diferenciar cosmologia de astronomia, já que é comum que se confundam estas áreas do conhecimento. Ensinar conceitos básicos de astronomia que serão necessários para compreender como é possível estimar a idade do universo a partir da constante de Hubble. Verificar os conhecimentos prévios dos professores sobre o tema e ensinar de modo superficial alguns conceitos básicos de astronomia.

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões em grupo

1º Momento: “O que é cosmologia?”


Iniciar a aula com a apresentação dos primeiros minutos (1min40s) do documentário “Lost Horizons - The Big Bang” (Al-Khalili, 2008), em que se apresenta uma definição de inicial de cosmologia, relacionando-a com o mitos de criação de povos antigos, chegando até os dias atuais em que a teoria do Big Bang se consolidou como a principal teoria científica sobre a origem e evolução do universo.

Verificar a compreensão dos alunos pedindo para responderem a pergunta: o que é cosmologia? Vamos anotando as mais variadas respostas na lousa. Objetiva-se ter acesso às ideias prévias dos alunos sobre o assunto, criando uma linguagem comum entre professores e alunos. Esta atividade foi pensada inspirada na primeira atividade do GREF de mecânica (GREF 1993). Esperamos que os alunos falem termos como “universo, espaço, criação, origem, big bang” entre outros.

Nessa sequência didática vamos abordar a cosmologia científica, que se desenvolveu a partir do século XX. Apresentar uma proposta de diferenciação entre cosmologia e astronomia, argumentando que a cosmologia estuda o universo como um todo, em larga escala. Para isso, serão apresentadas imagens e animações de computador sobre o universo em larga escala em diferentes “potências de dez”, do micro ao macro.

2º Momento: Explicar algumas informações que podem ser obtidas a partir da luz dos corpos celestes.


Apresentar a importância da luz, já que tudo o que se sabe em astronomia vem da analise da luz observada dos corpos celestes.

Fornecer CDs aos alunos, organizados em duplas ou em trios. Esses CDs devem ser utilizados para decompor a luz de lâmpadas, mostrando que no espectro existem linhas negras ou “falhas” que fornecem informação sobre o elemento químico que absorve a luz naquele comprimento de onda específico. Uma proposta de atividade como essa pode ser encontrada em: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/13999


3º Momento: Espectros em astronomia


Mostrar como é possível saber a composição química dos astros fazendo uso do recurso Astrônomo Mirim, disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=20776.

AULA 2


Tema: Estimando a idade do universo

Objetivo: Apresentar observações astronômicas que foram interpretadas como indícios de que o universo está em expansão. Mostrar como é possível estimar a idade do universo a partir das observações astronômicas realizadas por Hubble, na década de 1930.

Conteúdo Físico: Lei de Hubble, redshift, velocidade,

Recursos Instrucionais: Atividade do TNE

Motivação: Criar um contexto histórico para as medidas da idade do universo, que depois serão comparadas com as medidas contemporâneas. Discutir a relação entre teoria e observação, no caso, a expansão do universo e o Big Bang e o redshift das galáxias

Dinâmica da Aula: atividade prática, feita em grupos de 4 alunos

1º Momento: Apresentar o astrônomo Edwin Hubble e a descoberta da expansão do universo


Com o auxílio de slides, e de outro trecho do documentário “Lost Horizons – The Big Bang” (Al-Khalili, 2008) apresentar Hubble e seu papel na descoberta do universo em expansão, relembrando que Friedman e Lemaître já haviam criados modelos teóricos de universo em expansão antes da publicação dos trabalhos de Hubble.

A visão das galáxias se afastando no documentário pode dar a impressão de que Hubble teria apontado seu telescópio para as galáxias e descoberto a partir da observação direta que as galáxias estão se afastando. E talvez até seja possível imaginar que ele descobriu isso sozinho, por ser um grande gênio.

No entanto, vale questionar a proposta amplamente difundida de que Hubble descobriu o universo em expansão. Ele mesmo tinha dúvidas sobre a interpretação do redshift. Para mais detalhes sobre esse assunto, ver Assis et al. (2008).

2º Momento: Explicar o conceito de desvio espectral.


Apresentar outro trecho do documentário “Lost Horizons – The Big Bang” (Al-Khalili, 2008) sobre redshift e efeito Doppler. O documentário trata de uma filmagem de trompetistas sobre um vagão de trem cujo som é analisado por um especialista em música capaz de perceber a diferença entre os tons dos sons dos trompetes quando estão se afastando e se aproximando do especialista.

Desenvolver com os alunos uma breve análise do documentário, comparando ondas sonoras e luminosas. É importante que o professor chame a atenção dos alunos para os efeitos sonoros notados no dia a dia, como por exemplo o som da ambulância quando se afasta e se aproxima. Esses efeitos sonoros são fundamentais para que o aluno associe as cores azul e vermelha à luz como se esta estivesse se tornando mais “aguda” ou mais “grave” enquanto a fonte luminosa se aproxima ou afasta do observador. Recursos como imagens sobrepostas ou “gifs animados” podem auxiliar na apresentação desses efeitos luminosos.

Apresentar as animações que ilustram as diferenças entre o redshift da luz como movimento próprio em espaço estático, há um deslocamento espectral para o vermelho no afastamento e um deslocamento espectral para o azul quando há aproximação:

http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/cosmic_reference/redshift.html

Já no caso do redshift cosmológico é o próprio espaço que está em expansão. Assim os comprimentos de onda se alteram por causa da expansão do espaço, mesmo que o corpo não tenha movimento próprio ainda há a velocidade de recessão:



http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162/Unit5/Images/hu_animexp.gif

3º Momento: Medida da idade do universo com dados de Hubble


Fornecer tabela com dados do original de Hubble e pedir façam um gráfico de velocidade X distância. Estimar a idade do universo a partir do inverso da constante de Hubble.

FIM DO PRIMEIRO DIA:

Comentar brevemente o que será feito no dia seguinte


AULA 3


Tema: O problema da idade do universo

Objetivo: Discutir os resultados obtidos na década de 1930 para idade do universo e sua relação com o “problema da idade do universo”.

Conteúdo Físico: Lei de Hubble, redshift, velocidade,

Recursos Instrucionais: Atividade do TNE

Motivação: Criar um contexto histórico para as medidas da idade do universo, que depois serão comparadas com as medidas contemporâneas

Dinâmica da Aula: aula expositiva e discussões

1º Momento: Retomar os principais conceitos da aula 2


Relembrar os conceitos de espectro, redshift e Efeito Doppler e o valor da idade do universo medido no dia anterior.

2º Momento: O “problema da idade do universo”


Introduzir o “problema da idade do universo”: não é lógico que a idade estimada para qualquer corpo seja maior que a idade do universo. Esta questão envolve tanto problemas religiosos (no caso do criacionismo de Terra jovem) quanto científicos.

3º Momento: Soluções para o “problema da idade do universo”


Perguntar sobre como os professores resolveriam esse problema e discutir em grupos. Apresentar brevemente como alguns cosmólogos (Friedman, Lemaître Hoyle e Bondi) tentaram solucionar o problema da idade do universo.

AULA 4


Tema: Estimando a idade do universo com dados contemporâneos

Objetivo: Mostrar a solução mais aceita para o “problema da idade do universo”, refazendo a estimativa com dados contemporâneos

Conteúdo Físico: Lei de Hubble, redshift, velocidade,

Recursos Instrucionais: Atividade do TNE

Motivação: Finalizar a atividade, mostrando como é nossa visão atual sobre a idade do universo

Dinâmica da Aula: atividade prática, feita em grupos de 4 alunos

1º Momento: Dados observacionais


Fornecer tabela com dados contemporâneos e pedir façam um gráfico de velocidade X distância.

2º Momento: Medida da idade do universo com dados atuais


Estimar a idade do universo a partir do inverso da constante de Hubble.

3º Momento: A solução do problema da idade do universo


Comparar o resultado com o da aula 2, discutindo a solução do problema da idade do universo com slides.

Referências


AL-KHALILI, J. Lost Horizons: The Big Bang. [Filme-vídeo]. BBC, British Broadcasting

Corporation, 2008.

ASSIS, André. K. T.; NEVES, Marcos C. D. e SOARES, Domingos S. d. L. A cosmologia de Hubble: De um universo finito em expansão a um universo infinito no espaço e no tempo. In: M. C. D. Neves e J. A. P. d. Silva (Editores), Evoluções e Revoluções: O Mundo em Transição, Editora Massoni e LCV Edições, Maringá, pp. 199-221, 2008.

GREF, Física, 3 volumes Edusp, São Paulo, 1993.

HENRIQUE, Alexandre B. e SILVA, Cibelle C. Discutindo a natureza da ciência a partir de episódios da história da cosmologia. Dissertação de Mestrado (em andamento). Programa Interunidades em Ensino de Ciências, Universidade São Paulo, 2011.

HENRIQUE, Alexandre B. e SILVA, Cibelle C. Discutindo a natureza da ciência a partir de episódios da história da cosmologia: o universo teve um começo ou sempre existiu? In: Atas do VII Encontro de Pesquisa em Educação em Ciências- ENPEC. Florianopolis, SC, 2009.



HENRIQUE, Alexandre B. e SILVA, Cibelle C. Relações entre ciência e religião na formação de professores: estudo de caso acerca de uma controvérsia cosmológica. Artigo submetido ao XII Encontro de Pesquisa em Ensino de Física –EPEF. Águas de Lindóia, 2010.



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