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Aula 56 — Dilatação Linear de Sólidos (O aumento do comprimento)

50 min

Objetivo geral

Compreender a dilatação linear de sólidos como o aumento do comprimento de um corpo devido ao aumento de temperatura, ΔL=L₀⋅α⋅ΔT.

Objetivos específicos

  • Definir dilatação linear como a variação de comprimento de um corpo sujeito a uma variação de temperatura.
  • Calcular a dilatação linear usando ΔL=L₀⋅α⋅ΔT.
  • Reconhecer que o coeficiente de dilatação linear α é uma propriedade específica de cada material.
  • Explicar por que trilhos de trem e pontes têm juntas de dilatação.

Conhecimentos prévios

  • Conceito de temperatura e sua variação (Aulas 53-55).
  • Proporcionalidade direta (Módulo 0).

Recursos didáticos

  • Apresentação de slides — Possor_Aula56_Apresentacao.pptx.
  • Quadro/lousa e material de escrita.
  • Fotos ou descrição de juntas de dilatação em trilhos de trem e pontes.

Desenvolvimento da aula

Acolhida e Sondagem de Conhecimentos Prévios

5 min · Ausubel — ativação de subsunçores

O professor pergunta: "por que os trilhos de trem têm pequenos espaços entre os segmentos de metal, em vez de serem uma peça contínua?" Ouvir hipóteses.

Problematização Inicial

5 min · Bachelard — obstáculo epistemológico antecipado

Perguntar se sólidos mudam de tamanho com a temperatura, ou se são "fixos". Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que sólidos são rígidos e de tamanho fixo — sem perceber que todo material sólido se expande (ou contrai) mensuravelmente com a temperatura, e que ignorar isso pode causar problemas estruturais reais.

Desenvolvimento Conceitual

20 min · Exposição dialogada

Apresentação dos slides 2 a 8: ΔL=L₀⋅α⋅ΔT, com α dependendo do material. Resolução explícita do obstáculo do Momento 2: sem a junta de dilatação, o trilho aquecido no verão se expandiria e, sem espaço para isso, empenaria ou dobraria — a junta absorve essa expansão prevista pela fórmula.

Resolução Guiada

10 min · Vygotsky — Zona de Desenvolvimento Proximal

O professor calcula a dilatação linear de uma barra dado L₀, α e ΔT. Em seguida, propõe à turma, em duplas, calcular a dilatação de outro material com α diferente, mesmo L₀ e ΔT, comparando os resultados.

Exercícios de Fixação

7 min · Prática independente

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano). O professor circula pela sala, corrigindo erros de unidade no coeficiente α.

Síntese e Fechamento

3 min · Consolidação (fechamento circular)

Retomar a pergunta do Momento 1: a junta de dilatação existe para acomodar a expansão térmica prevista, evitando que o trilho empene. Reforçar ΔL=L₀⋅α⋅ΔT.

Avaliação formativa

Ao longo da aula: perguntas rápidas de verificação (Momento 3) e observação direta durante a resolução guiada (Momento 4), checando se os alunos aplicam a fórmula corretamente. Ao final: correção coletiva dos exercícios, com atenção especial a erros de unidade no coeficiente de dilatação.

Lista de exercícios

1. Uma barra de aço (α=12×10-6 °C-1) com 10 m de comprimento sofre uma variação de temperatura de 40°C. Calcule sua dilatação linear.

Gabarito: ΔL = L₀⋅α⋅ΔT = 10×12×10-6×40 = 0,0048 m = 4,8 mm.

2. A mesma variação de temperatura do exercício anterior é aplicada a uma barra de alumínio (α=24×10-6 °C-1) de mesmo comprimento inicial. Calcule e compare com o aço.

Gabarito: ΔL = 10×24×10-6×40 = 0,0096 m = 9,6 mm — o dobro da dilatação do aço, pois o alumínio tem α duas vezes maior.

3. Por que trilhos de trem têm pequenos espaços entre os segmentos de metal?

Gabarito: Para acomodar a dilatação térmica prevista, especialmente no verão, evitando que o trilho empene ao se expandir sem espaço disponível.

4. Uma ponte de aço de 200 m (α=12×10-6 °C-1) sofre uma variação de temperatura de 30°C ao longo do ano. Calcule quanto ela se expande.

Gabarito: ΔL = 200×12×10-6×30 = 0,072 m = 7,2 cm.

5. Explique por que o coeficiente de dilatação linear é uma propriedade específica de cada material, e não uma constante universal.

Gabarito: Porque a estrutura atômica e as ligações entre as partículas de cada material respondem de forma diferente ao aumento de agitação térmica, dilatando mais ou menos para a mesma variação de temperatura.

Observações e extensão

Próxima aula: Dilatação Superficial e Volumétrica. Nota para o professor: a Aula 57 generaliza essa mesma lógica para 2 e 3 dimensões — importante frisar que β≈2α e γ≈3α são consequências da dilatação linear, não coeficientes novos e independentes.