- Constellation: A GalileoMobile Project
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- Constellation: A GalileoMobile Project
Guia do Explorador do Espaço Manual do Professor www.galileo-mobile.org [email protected] Conteúdo 1 O ciclo de atividades “exploração espacial” 1.1 Comentários introdutórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Sobre as atividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 I 3 Atividades 2 A Terra, a Lua e o Sol 2.1 Atividade 1: Como medir o tamanho da Terra . . . . . . . . 2.2 Atividade 2: O tamanho aparente do Sol e da Lua no céu . . 2.3 Atividade 3: Observação das fases da Lua . . . . . . . . . . 2.4 Atividade 4: Usando manchas solares para medir o perı́odo de rotação do Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 Sistemas Planetários 3.1 Activity 5: Create your own planetary system! . . . . . . . . 19 19 4 Estrelas e Constelações 4.1 Atividade 5: Constelações em três dimensões . . . . . . . . 4.2 Atividade 6: Como medimos ângulos no céu? . . . . . . . . 23 23 26 5 As cores da luz 5.1 Atividade 8: As cores do Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 28 II 31 Atividades Bonus 4 4 9 12 6 The Earth, the Sun and the Moon 6.1 Activity 8: The apparent motions of the Sun and the Moon in the sky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Activity 9: Measuring the distance to the Moon . . . . . . . 32 7 Sistemas Planetários 7.1 Atividade 10: Enviando uma mensagem para o Universo: As missões Voyager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 8 Galáxias 8.1 Atividade 12: Uma fusão de galáxias . . . . . . . . . . . . . 44 44 i 32 34 40 9 Properties of light 9.1 Activity 13: The colors of light . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 48 10 Appendix: Supplementary material 10.1 Activity 2: The shape of the Earth’s orbit . . . . . . . . . . . 10.2 Activity 3: Using sunspots to measure the rotation of the Sun 10.3 Activity 5: Constellations in three dimensions . . . . . . . . 51 51 56 64 Agradecimentos 65 References 66 ii 1 O ciclo de atividades “exploração espacial” 1.1 Comentários introdutórios Este ciclo de atividades se chama “exploração espacial” porque o projetamos como uma viagem a uma terra desconhecida. Começamos esta aventura sem saber exatamente o nosso destino, mas a cada passo estamos aprendendo a usar as nossas ferramentas e a absorver todas as maravilhas que vamos descobrindo. Este “Guia do explorador espacial” descreve o nosso caminho, uma atividade atrás da outra, nos dando instruções e levantando perguntas. Este é então um livrinho que pretende apresentar conceitos astronômicos básicos através de atividades práticas. Este livrinho deve ser uma das ferramentas principais do projeto “Galileo mobile constellation”, que acontecerá em 2015 em varias escolas de vários paı́ses de América Latina. Mas, este livro foi concebido para que possa ser usado por uma audiência mais ampla. O objetivo principal deste ciclo de atividades é mostrar aos alunos o método cientifico, onde uma hipóteses é testada através de um experimento. Este é o método baseado na pesquisa, que depende de um intercâmbio dinâmico entre professores e alunos, uma interação entre a duas partes para chegar juntos ao objetivo, que é a melhor compreensão de um fenômeno astronômico. Outro objetivo central é mostrar aos alunos a maneira como a comunidade cientı́fica opera: através da colaboração, do ceticismo saudável e do diálogo. Isto vai ensinar a eles que o caminho rumo a uma verdade cientifica não é um privilegio de poucos, mas sim uma atividade divertida e intelectualmente satisfatória para todo o ser humano. 1.2 Sobre as atividades As atividades foram desenvolvidas para uma audiência de adolescentes ou pré-adolescentes, mas não são limitadas a esta faixa etária. É necessário algum conhecimento de matemática, mas nada mais do que aritmética e trigonometria básicas. As atividades são curtas e foram descritas de forma concisa para deixar espaço para as idéias individuais dos professores e dos alunos. No começo, 1 damos uma breve introdução e uma lista de materiais que prevemos que vão ser necessários. Em seguida, listamos os possı́veis temas de discussão que podem surgir durante ou após da atividade. Dividimos o livro em duas seções. Na primeira, reunimos as atividades que vamos propôr durante o projeto GalileoMobile Constellation em 2015. Na segunda parte, preparamos algumas atividades bônus para os alunos e os professores que querem explorar o céu de forma um pouco mais. Desejamos que todos desfrutem desta viagem, onde estamos embarcando todos juntos. Evangelia Ntormousi - [email protected] Fabio Del Sordo - [email protected] Eleftheria Tsourlidaki - [email protected] 2 Parte I Atividades 3 2 A Terra, a Lua e o Sol As atividades neste capitulo referem-se às dimensões e propriedades da Terra, do Sol e da Lua. Além de aprender sobre nossos vizinhos próximos no céu, vamos desenvolver aqui a primeira experiência com os métodos utilizados pelos cientistas para determinar as propriedades básicas dos objetos celestes. Vamos descobrir no processo que nem sempre são necessários instrumentos caros ou complicados para explorar o espaço. Imaginação e habilidade podem ser suficientes. 2.1 Atividade 1: Como medir o tamanho da Terra Introdução Qual o tamanho da Terra? Como podemos saber seu tamanho? O raio da terra pode ser determinado em uma experiência muito interessante, fácil e educativa, empregando apenas materiais muito simples. No antigo egito, no séc III AC, uma variação desse método foi utilizada por Eratóstenes, que obteve um resultado impressionantemente preciso para o raio do nosso planeta. A versão apresentada aqui é mais divertida pois vamos calcular o raio da Terra colaborando com colegas de uma outra cidade. Na verdade você deve pedir que um ou mais nós da colaboração troquem os resultados de suas medições com você e verificar se o resultado se torna mais preciso! A Figura ?? ilustra o conceito. Nossa missão é medir o ângulo α definido pelos dos pontos A e B. Se a distância entre A e B é l, então: l α = 360o 2πR (2.1) onde R é o raio da Terra. Em outros termos, α é a fração de 360o no cı́rculo e l representa a mesma fração na circunferência total da Terra. Mas saber como determinar o ângulo α entre os dois lugares? Você pode dizer, observando a Figura 2.2, que α é a diferença entre os ângulos θ1 e θ2 que são formados pelos raios paralelos de luz do Sol, e uma direção vertical à superfı́cie da Terra em cada lugar. Agora você pode começar a ver como será seu experimento! 4 Figura 2.1: O ângulo α é a diferença de latitude entre os pontos A e B. Este ângulo é igual à diferença dos ângulos θ1 e θ2 formados em cada ponto pelos raios paralelos da luz do Sol e uma direção vertical à Terra. 5 Figura 2.2: A tangente do ângulo θ é igual ao comprimento da sombra, s, dividido pelo comprimento da barra ou trena utilizada para projetar a sombra. A Figura 2.2 mostra como medir o ângulo θ no lugar onde você está. Você vai precisar de um colega em um outro lugar a uma distância conhecida e que faça a mesma experiência aproximadamente no mesmo dia. Com isso você pode usar a equação (2.1) para calcular o raio da Terra R combinando as medições. Material e duração • Uma fita métrica/trena ou um objeto de comprimento conhecido; • Uma régua ou uma segunda fita métrica; • Duração: Entre uma ou duas horas para a atividade em si, mas o tempo de preparação e discussão das atividades. 6 Essa atividade é uma boa oportunidade para • Introduzir o conceito de que o planeta é esférico e discutir sua posição relativa ao Sol; • Discutir distâncias e tamanhos em grandes escalas; • Ganhar familiaridade com o método cientı́fico; • Exercitar a geometria de uma maneira divertida e explorar a relação entre a Matemática e a Natureza; • Colaborar com colegas a uma grande distância de nós para construir um resultado interessante! Preparação É evidente que algum conhecimento de trigonometria é necessário para que os estudantes entendam este cálculo, mas a real beleza deste experimento reside na simplicidade e na engenhosidade que conduziu à sua formulação. Antes de começar a introduzir a atividade, é interessante promover uma discussão com a turma sobre medição de distâncias. Por exemplo, como medimos o tamanho de nossa cidade, ou do nosso continente? Quão fácil ou difı́cil era saber onde estávamos antes de haverem satélites ou mesmo mapas? Como você mediria o raio da Terra? Dê aos estudantes alguns dias para pesquisar e levantar diferentes respostas. Peça o mesmo aos outros nós do projeto. Vocês seriam capazes de colaborar? Anotem as respostas e troquem ideias. Depois deste processo voce pode apresentar o experimento original de Eratóstenes, assim como o método que será utilizado nesta atividade. Tente também derivar as fórmulas junto com os estudantes. A Atividade Já apresentamos a essência do método na Introdução, mas daremos aqui os detalhes. Seguindo a Figura 2.2, será necessário colocar a fita métrica/trena ou uma barra de tamanho conhecido na direção vertical ao solo aproximadamente ao meio dia. Seus colegas em algum lugar distante farão o mesmo. Com a régua, deve-se medir o comprimento da sombra do objeto projetada pela luz do sol. Vocês vão então calcular a tangente do ângulo θ dividindo o comprimento da sombra pelo comprimento do objeto que tem 7 a sombra projetada. A medição do ângulo em seu local θ = arctan(s/h) vai ser combinado com a medição de outros colegas em outra localização e, com isso, será possı́vel calcular a diferença α desses ângulos. Voce deve assegurar-se de que pelo menos mais um nó do projeto está realizando a experiência aproximadamente na mesma data. Encotre uma (ou várias) escola(s) que possam colaborar com você. Deve-se lembrar que é uma boa prática tomar vários dados em uma experiência. Divida a turma em grupos de 2 ou 3 alunos. Cada time deverá ter uma fita métrica e uma régua com as quais possam fazer suas próprias medições. Peça aos alunos para manterem um registro com a data e o horário em que os dados foram colhidos. Ressalte que a barra de comprimento conhecido ou a trena devem ser colocados cuidadosamente na vertical em relação à superfı́cie da terra. É também importante fazer isso ao meio dia, quando o Sol está na posição mais alta do céu. Cada time deve calcular seu ângulo θ no perı́odo de dois a três dias. Reúna todas as medidas e tente obter o valor médio e a variância para a medida de ângulo realizada. Verifique se há alguma evolução do comprimento da sombra projetada com a variação da data de tomada do dado. Atividades sequenciais e compartilhamento O resultado obtido deve ser compartilhado com outros nós tão logo vocês tenham obtido os dados! Com o par de ângulos θ1 , θ2 vocês podem calcular o ângulo α formado entre as duas localidades e o centro da Terra. Sabendo a distância que separa as duas escolas, vocês podem calcular o raio da Terra! Primeiro discuta com os estudantes o procedimento de medida em si. Por que todas as medidas não têm o mesmo valor? Você pode discutir o significado de valor médio e o desvio da média. Discuta então o resultado com os estudantes. O que representa o número obtido. Quanto tempo levaria para viajar em torno da Terra de carro? E de avião? O raio da Terra é o mesmo em todos os pontos? Vocês podem também procurar um número mais acurado para o raio da Terra. Como vocês imaginam que esse número foi obtido? Um tema de discussão um pouco mais avançado são as hipóteses sobre as quais se baseiam essa medição. São fundamentais para esta experiência as hipóteses de que a Terra é esférica e que o Sol está a uma distância muito grande da Terra, e por isso projeta sombras paralelas. O que aconteceria se o Sol estivesse próximo da Terra? E o que aconteceria se a Terra fosse plana? Tente desenhar um tal modelo. (Dica: se a Terra fosse plana, seus 8 colaboradores em outras localizações veriam projeções de sombra maiores ou menores? Isso acontece?) Outras leituras • Mais sobre a experiência de Eratóstenes: http://difusion.df.uba.ar/Erat/InstructivoEratostenes2012.pdf • Há uma colaboração internacional para a experiência de Eratóstenes no Ano Internacional da Luz! http://df.uba.ar/actividades-y-servicios/difusion/proyecto-eratostenes/eratostenes2015 2.2 Atividade 2: O tamanho aparente do Sol e da Lua no céu Introdução Não é surpresa que o movimento do Sol e da Lua no céu estejam entre os primeiros fenômenos naturais estudados pelo homem. Várias civilizações desenvolveram calendários baseados nas variações perpétuas e repetidas da aparência do céu, dia e noite, estações do ano, fases da Lua. O calendário que usamos hoje é ainda amplamente baseado nestes movimentos. Nós sabemos hoje que a alternância entre dia e noite é devido à rotação da Terra em torno de seu eixo imaginário. A mudança das estações e as aparentes mudanças de posição do Sol e da Lua no céu são também devidas ao movimento terrestre. As estrelas distantes não tem seu posicionamento alterado no céu enquanto objetos mais próximos movem-se mais rápido e são interpretados como constelações. A Lua é o único satélite natural da Terra. Ela move-se em uma órbita praticamente circular em torno de nosso planeta, com um perı́odo orbital igual a seu perı́odo de rotação e igual a 27.322 dias. Esse movimento sı́ncrono significa que, a menos que exploremos a Lua do espaço, podemos apenas ver a metade de sua superfı́cie. Pode ser que vejamos sempre a mesma face de nosso satélite, mas sua posição relativa ao Sol muda durante sua rotação em torno da Terra. Essa mudança de posição relativa dá origem ao fenômeno conhecido com ”fases”da Lua, quando observamos diferentes porções da Lua iluminada enquanto ela percorre sua órbita. 9 O movimento da Lua no céu (significando em que constelação vemos sua projeção ao longo do ano), ao contrário do que ocorre com o Sol, é bastante complexo. Astrônomos precisaram de séculos de observação cuidadosa para desenvolver fórmulas analı́ticas para seu movimento. Isso claramente é devido à complicada dinâmica do movimento combinado da Terra em torno do Sol e da Lua em torno da Terra. Nesta atividade nós vamos estudar esses movimentos e tentar conectálos com a medição do tempo e construção de calendários. Um software astronômico muito útil para esta e outras atividades é chamado Stellarium e dá uma visão do céu em seu computador com informações sobre diversos objetos: http://www.stellarium.org (Inglês) http://www.stellarium.org/es/ (Espanhol) http://www.stellarium.org/pt BR/ (Português) Material e duração • Lápis, papel ou um diário • Dependendo de sua disposição para desenvolver esta atividade, ela pode tomar de um mês a um ano. Esta atividade é uma boa oportunidade para: • Discutir calendários e a marcação do tempo; • Falar sobre a gravidade e as órbitas; • Conectar-se com antigas civilizações através do estudo e discussão de seus calendários astronômicos. Preparação Pergunte aos alunos o que eles entendem por dia e noite. Pergunte a eles sobre o nascer e o pôr do sol. Eles sempre acontecem no mesmo horário? Ou no mesmo local? E a duração do dia e da noite? Se a Terra girasse sempre com a mesma velocidade, como poderia haver variação? Discuta sobre a Lua em sala de aula. Que idéias têm os estudantes sobre sua origem? Eles já observaram as diferenças em sua aparência? Em sua posição? O que eles sabem sobre as fases da Lua? Nota: é uma boa idéia combinar esta atividade com a próxima, Atividade 2.3. 10 A atividade Esta atividade é predominantemente observacional e pode ser feita sem telescópio. Ela requer muito pouco material mas bastante dedicação. Peça que seus alunos formem times. Alguns times vão observar o Sol, outros vão observar a Lua. Podem haver vários times para cada astro e pode haver revezamento nas observações. Os times observando a Lua deverão manter o registro de sua posição. Isto essencialmente inclui: • Eles devem manter um diário com as datas e horário das observações; • Neste diário eles podem preparar cı́rculos idênticos, nos quais eles podem ilustrar as fases da Lua como eles as vêem pintando a porção correspondente dos cı́rculos; • Eles devem anotar o horário do nascer e do pôr da Lua, se sabidos; • Eles devem anotar a constelação em que a Lua está projetada; • Se os estudantes forem familiares com coordenadas celestes, ou se estiverem utilizando um software como o Stellarium, eles podem anotar as coordenadas precisas. Os alunos observando o Sol devem também manter um diário, se possı́vel ao longo de vários meses. Eles devem: • manter o diário com as datas e horário das observações; • escolher e registrar o ponto de observação cuidadosamente e ter pontos de referências exatos (fotografias seriam excelentes); • anotar os horários de nascer e pôr do Sol; • registrar a posição exata em que elas acontecem. Como estes fenômenos podem acontecer fora do horário escolar, todos os registros podem ser dificultados por razões práticas. Neste caso o software astronômico pode ser utilizado. Se estiverem utilizando o software os estudantes podem também anotar a constelação sobre a qual o Sol se projeta no perı́odo. 11 Atividades sequenciais e compartilhamento O movimento da Lua: vocês observaram diferenças no horário de nascer e pôr da Lua durante o mês? Essas variações estão relacionadas com as fases da Lua? A Lua aparece durante o dia? Quanto muda a posição da Lua durante uma noite? E durante um mês? Se vocês observaram por perı́odos mais longos, comente sobre as observações. O movimento do Sol: A duração do dia e da noite mudaram durante os registros? E a posição do Sol com relação às estrelas fixas que formam as constelações? Há variações dos pontos de nascer e pôr do Sol? Discuta o que isso significa. Por que o Sol e a Lua aparentam estar mudando de posição? Porque a posição em que o Sol nasce e se põe mudam, se é que mudam? (E o mesmo com a duração do dia e da noite). Vocês conhecem mitos locais, ou lendas envolvendo o Sol e da Lua? Como seria possı́vel contar a passagem do tempo observando seus movimentos? É possı́vel pensar em calendários que usem a posição do Sol e da Lua no presente ou no passado? Compartilhe suas descobertas, suas inspirações e seus pensamentos com os outros nós do projeto! 2.3 Atividade 3: Observação das fases da Lua Introdução Vimos na atividade 2.2 que a Lua tem uma órbita praticamente circular em torno de nosso planeta com um perı́odo orbital praticamente igual a seu perı́odo de rotação e igual a 27.322 dias. Isso significa que a Lua sempre nos mostra uma de suas faces. Mas como se pode provar este fato? A Lua é, junto com o Sol, o objeto celestial com o maior tamanho aparente no céu. Podemos então testar através de observações se ela mostra sempre a mesma face para a Terra, ou se seu aspecto muda. Podemos também medir a duração do ciclo lunar. Material e duração • Um telescópio; • Um diário, um lápis; • A atividade pode ser conduzida por um perı́odo de dois meses a um ano, dependendo da disponibilidade para sua condução. 12 Esta atividade é uma boa chance para: • Discutir sobre calendários e marcação do tempo; • Falar sobre as fases da Lua; • Aprender sobre como se estudam objetos astronômicos; • Explorar a superfı́cie da Lua. Preparação Esta atividade pode ser realizada tanto durante o dia quanto à noite. Peça aos estudantes para formarem grupos de 3 ou 4. O objetivo da atividade é descrever tantas caracterı́sticas da Lua quanto possı́vel. Em particular, as primeiras questões a serem respondidas são: quão longo é o ciclo lunar? e se a Lua de fato mostra-nos sempre a mesma face? Se você já estiver realizando a Atividade 2.2, a preparação é essencialmente a mesma. A Atividade Cada time deve tomar notas da posição da Lua no céu sempre que ela estiver visı́vel. Por exemplo, eles devem anotar se há Lua Cheia, Minguante, Crescente ou Nova. Os estudantes devem discutir sobre a data exata em que há uma Lua cheia, minguante, crescente ou nova. Eles também deverão observar a Lua, o que pode ser feito a olho nu ou através de um telescópio. Se a escola tiver apenas um telescópio, os times deverão compartilhar o tempo de sua utilização. Isto é exatamente o que cientistas profissionais fazem! Há muitos objetos astronômicos a serem estudados, várias teorias a serem testadas pelos muitos astrônomos em todo o mundo, mas há apenas alguns poucos grandes telescópios! Há então a necessidade de reservar algumas horas ou alguns dias por ano para a utilização de um grande telescópio. Cada time vai então observar a Lua com o telescópio. Isso pode ser feito à noite ou durante o dia, dependendo da logı́stica de cada escola e da disponibilidade dos estudantes. Cada time deve produzir desenhos do que observam. Como há diversas tarefas para cada time, as responsabilidades de cada aluno devem ser bem definidas. Por exemplo, um dos alunos pode ser responsável por montar e apontar o telescópio, outro por anotar a data e horário das observações e outro por reservar o telescópio para a observação. Um, dois ou todos eles devem observar a Lua. Certifiquese de que eles desenham tantos detalhes quanto possı́vel de uma forma acurada. 13 No presente há câmeras fotográficas utilizadas para estudar o céu, mas esta é uma invenção relativamente nova. Você sabia que o primeiro mapa detalhado da Lua foi compilado pelo astrônomo Gian Domenico Cassini? Ele observou a Lua a partir do Observatório de Paris e produziu o primeiro mapa detalhado da superfı́cie da Lua em 1692. Atividades sequenciais e compartilhamento Como dissemos, esta é uma atividade de longa duração e tomará dois meses no mı́nimo. Pode ser interessante, contudo, discutir suas observações, métodos e boas práticas pelo menos uma vez por semana. Todos os times estão produzindo desenhos? E as medições das fases da Lua? Cada time terá provavelmente resultados levemente diferentes. Há algum resultado prevalente sobre os outros? Como decidir qual resultado é o mais acurado? Eles podem fornecer detalhes dos procedimentos que eles seguiram enquanto realizaram as observações? Uma vez mais, é assim que cientistas profissionais trabalham: cada grupo de pesquisa obtém normalmente resultados que são diferentes entre os diferentes grupos. É então fundamental que eles comparem seus resultados e discutam em detalhes o que obtiveram. Uma atividade sequencial muito interessante pode ser pedir aos estudantes para desenhar as posições relativas da Terra, Sol e Lua de acordo com as fases da Lua. Esta é uma excelente oportunidade para que eles compreendam por que o resto da Lua permanece escuro. E em relação aos mapas da Lua? Há caracterı́sticas recorrentes nos desenhos da superfı́cie? Ao final de dois meses de observação os estudantes serão capazes de apresentar seus resultados finais, consistindo de suas medições e dos mapas que puderam desenhar. Se ninguém antes tiver seguido estes procedimentos, estes serão os primeiros mapas lunares produzidos em sua escola! Outras leituras • Historical lunar maps: http://brunelleschi.imss.fi.it/galileopalazzostrozzi/object/GalileosMoons.html 14 2.4 Atividade 4: Usando manchas solares para medir o perı́odo de rotação do Sol Introdução: O Sol e as manchas solares Nas atividades anteriores exploramos o tamanho de nosso planeta e seu movimento relativo ao Sol. Com esta atividade veremos que o Sol é mais do que uma esfera quente. Trata-se de um objeto fascinante, onde fenômenos fı́sicos de grande complexidade acontecem. Quando observamos o sol com um filtro ou através de projeção podemos apreciar caracterı́sticas em sua superfı́cie que não são discernı́veis a olho nu. Podemos ver, por exemplo, pontos negros, chamados de manchas solares, sobre o disco brilhante do Sol. Manchas solares são escuras porque são mais frias que a superfı́cie do Sol. Há manchas de vários tamanhos e formas, mas elas normalmente aparecem em grupos. O mecanismo exato para a formação de manchas solares não é completamente conhecido, mas sua observação detalhada leva a um bom entendimento de seu estado fı́sico. Nessas regiões o campo magnético do Sol emerge de seu interior em grandes arcos e sua intensidade dentro e em torno deles é particularmente alta. O tempo de vida das manchas solares pode variar entre dias a semanas. Sua estatı́stica segue um ciclo de atividade bem estudado de 11 anos. Durante este ciclo o Sol passa de um máximo a um mı́nimo de atividade magnética. O máximo é associado a um grande número de manchas solares, espalhados até altas latitudes solares. Durante o mı́nimo, o Sol quase não produz manchas solares. Uma vez que as manchas solares são uma caracterı́stica da superfı́cie do Sol, podemos utilizá-las para estudar o movimento da superfı́cie de nossa estrela. Observando o disco solar durante alguns dias, nós podemos identificar as mesmas manchas solares e verificar se elas se moveram e em qual direção. Com esta atividade nós vamos descobrir que o Sol executa um movimento de rotação, e faremos isso exatamente através da observação da movimentação de manchas solares em sua superfı́cie. Há diversas maneiras de fazer isso, e em todas elas são necessárias imagens da superfı́cie do Sol. A maneira mais fácil de obter essas imagens é a Internet. Há dados reais de observação solares online que podem ser obtidas e utilizadas nesta atividade. Nós oferecemos tais imagens no Apêndice deste guia. Uma maneira um pouco mais complicada, mas muito educativa, caso se disponha de um pequeno telescópio, é observar o Sol com um filtro e 15 fazer fotografias. Alternativamente pode-se projetar o Sol em um pedaço de papel atrás da objetiva do telescópio e marcar as posições das manchas. Deve-se tomar cuidado para identificar corretamente as manchas entre um dia e outro. Esta atividade foi adaptada do Guia de Atividade GalileoMobile [1]. Material e duração • Imagens do Sol em diferentes datas (fornecidas); • Régua; • Duração: entre 1-2 horas para a atividade, mais preparação e atividades sequenciais. Esta atividade é uma boa chance para: • Discutir sobre a natureza do Sol; • Introduzir o fato de que o Sol é uma estrela e que se trata de um objeto muito diferente da Terra; • Introduzir a idéia de que o Sol não é estático nem imutável. De fato, é o oposto; • Fazer uma medida real usando dados de um satélite e instrumentos simples. Preparação Inicie um conversa sobre o Sol na sala de aula. Você pode pedir aos estudantes para enumerar o que eles sabem sobre o Sol enquanto uma estrela. Fale sobre a forma do Sol. Com o que ele se parece quando filtramos o excesso de luz? Voce pode mostrar imagens do Sol de vários observatórios e discutir os diferentes filtros e que parte do Sol pode-se ver com cada um deles. Há manchas solares para algum deles? Peça aos estudantes pesquisarem em casa sobre manchas solares e atividade solar. Esta atividade usa a noção de velocidade constante para viajar certas distâncias. Certifique-se de que seus estudantes sejam confortáveis com este conceito fazendo perguntas simples como a distância percorrida por um carro movendo-se a uma velocidade v durante um tempo t. 16 A atividade No Apêndice você pode encontrar imagens da superfı́cie do Sol obtidas pelo Solar Dynamics Observatory (SDO) (Seção 10.1 do Apêndice). Nessas imagens há a data e o horário em que foram tomadas e cada mancha solar é identificada com um número. Os números são dados automaticamente para cada nova mancha solar quando elas aparecem na superfı́cie do Sol e podem ser usados para identificá-las entre imagens diferentes. Peça aos estudantes para escolher duas ou mais imagens da superfı́cie do Sol e identificar nelas a mesma mancha solar. É melhor que tranalhem em duplas para isso. Eles devem medir (com uma régua sobre a imagem) quanto a mancha solar se moveu no tempo decorrido entre a tomada das imagens. A velocidade da mancha solar é dada por: v= x2 − x1 t2 − t1 (2.2) onde x1 e x2 são as posições das manchas solares nos tempos t1 e t2 . A trajetória circular local da mancha L sobre meio Sol pode ser calculada medindo o disco solar d na latitude da mancha: L = πd (2.3) É fácil daı́ determinar o perı́odo de rotação do Sol T , dividindo L pela velocidade da mancha: T = π ∗ L/v (2.4) Duas imagens do Sol são suficientes para este cálculo, mas se mais imagens forem utilizadas o resultado pode ser derivado várias vezes para comparação. Atividades sequenciais e compartilhamento Reúna os resultados da sua turma numa tabela e compartilhe com a colaboração. Qual o valor tı́pico do perı́odo de rotação do Sol de acordo com suas medições? Encontre uma resposta mais precisa online (média: 27.2753 dias). Este valor está de acordo com suas medições, ou com as medições de outros nós do projeto? Se não estiver, pergunte aos alunos por quê. Claramente os desvios que vocês observam vêm do fato de que a superfı́cie do Sol não é plana e que as manchas percorrem uma distância maior que a que vocês mediram. Provavelmente grupos que escolheram manchas solares mais próximas da região central do disco solar obtiveram respostas 17 mais próximas do valor medido com acurácia. Também é importante discutir que o Sol não roda com a mesma velocidade em todas as latitudes. Isso é chamado de rotação diferencial. Vocês devem esperar encontrar desvios no perı́odo de rotação calculado de acordo com as latitudes das manchas escolhidas. Outras leituras • Vocês podem encontrar imagens do Sol em diferentes comprimentos de onda obtidas pelo SDO no site: http://sdo.gsfc.nasa.gov/data/ • Se vocês querem fazer suas próprias projeções do Sol e obter suas imagens da superfı́cie, sigam as instruções no site: http://sdo.gsfc.nasa.gov/data/ 18 3 Sistemas Planetários 3.1 Atividade 5: Cria o teu próprio sistema solar! Introdução Dado o grande número de exoplanetas sendo constantemente descobertos (no momento em que este texto está sendo escrito há mais de 1500, número que aumenta a cada dia), não podemos deixar de nos perguntar: como são esses mundos? Como seria caminhar sobre suas superfı́cies, caso eles tenham uma superfı́cie? Esta atividade estimula a imaginação das crianças sobre os novos mundo sendo descobertos, ao mesmo tempo que ensina alguns conceitos básicos relacionados com planetas, como rotação, órbitas, massa, atmosfera e oferece a oportunidade de discutir os conceitos de densidade, gravidade e temperatura. Ao final, ela mostra como a realidade pode ser algumas vezes mais complexa do que a imaginação. Planetas em torno de estrelas distantes podem ser detectados usando diversas técnicas. A mais popular investiga variações na quantidade de luz recebidas de uma estrela distante: se ela diminui periodicamente, pode ser que um planeta esteja passando entre nós e a estrela e este eclipse parcial é o responsável pela mudança na luminosidade observada. Usando esta e outras técnicas nós descobrimos que muitas estrelas são circundadas por planetas gigantes, ainda maior que nosso Júpiter, localizados bastante próximos delas. Também há alguns planetas que estão à mesma distância de suas estrelas que a Terra do Sol, mas suas massas e raios são muito maiores. Esta variedade de sistemas planetários e a dificuldade de encontrar um sistema similar ao nosso estimulou a discussão do que seria a ”zona habitável”de uma estrela. A zona habitável é um intervalo de distâncias da estrela no qual, de acordo com uma série de fatores, vida poderia eventualmente se desenvolver no planeta. Para mais informações sobre exoplanetas e zona habitável, veja a seção ”Outras leituras”. Material e duração • Tintas, pincéis; • Pequenas bolas; 19 • Massa de modelar, papel; • Duração: aproximadamente 45 minutos + discussão. Esta atividade é uma boa chance para: • Discutir o que é um planeta; • Discutir onde planetas estão localizados; • Discutir a formação dos planetas, tanto no nosso sistema solar quanto em outros sistemas; • Discutir as caracterı́sticas de um planeta; • Explorar as diferenças entre os diferentes objetos em um sistema planetário; • Discutir unidades fı́sicas; • Imaginar os possı́veis mundos que poderão um dia ser descobertos! Preparação Inicie uma conversa sobre o Sistema Solar e seus diferente planetas. Peça aos alunos para descrever cada um deles, ou pesquisar em casa e fazer uma pequena apresentação individualmente ou em grupo sobre os planetas. Mantenha o foco da discussão na maneira pela qual as informações sobre os planetas puderam ser obtidas: eles são próximos e nós pudemos enviar sondas a vários deles. Pergunte depois sobre os outros corpos no sistema solar: asteróides, cometas e satélites. Qual o papel deles? Qual a relação desses corpos com o Sol? Pergunte às crianças como seria possı́vel detectar um planeta (ou vários) orbitando uma estrela distante. Vocês devem então discutir todos a missão de caça a exoplanetas e a missão Kepler. Por quê elas são importantes? Discuta com as crianças os diferentes tipos de estrelas. Podem haver planetas em torno de estrelas de outros tipos (maiores ou menores que a nossa, uma anã branca, uma estrela de nêutrons)? Vocês podem então iniciar a atividade, que é recriar nosso sistema planetário. Serão necessários alguns materiais: pequenas bolas, tintas, pincéis, massa de modelar e folhas de papel. 20 A atividade Dê uma breve introdução sobre as condições orbitais da Terra e seu meio, como mostradas na Tabela 3.1 Quantidade Gravidade Radio Massa Temperatura da superfı́cie Distância média do Sol Perı́odo orbital Lı́quido na superfı́cie Composição da atmosfera Vida espécies conhecidas Satélites naturais Valor 9.8 6371 5, 972 × 1024 16 149,597,887.5 1 70% Nitrogênio (N2 ) e Oxigênio (02 ) SIM! 2,000,000 1 Unidade mt/sec2 Km Kg graus Celsius Km Ano Água A Lua Tabela 3.1: Algumas caracterı́sticas da Terra. Os estudantes são divididos em grupos (em nossa experiência, é divertido que os estudantes dêem nomes a seus grupos). Cada grupo deve formar um sistema planetário, com uma estrela central (ou binário, os sistema triplo, como eles quiserem imaginá-lo), planetas e outros corpos como cometas e asteróides. Cada um dos estudantes do grupo deve se ocupar de um dos objetos que constituem o sistema. Eles terão que nomear o sistema, assim como seus objetos. Isso significa que eles deverão decidir as caracterı́sticas dos objetos de acordo com as escolhas dos outros para manter a consistência dentro do sistema planetário. Eles podem listar as caracterı́sticas em uma folha de papel e podem dar valores em duas maneiras diferentes: Ou usando o sistema de unidades mostrado na Tabela 3.1, ou com referência à Terra dizendo, por exemplo, ”este planeta tem o raio três vezes maior que o raio da Terra”. Uma vez que os grupos tenham concordado sobre como seus sistemas planetários devem ser, e sobre o papel de cada pessoa na sua construção, as matérias-primas para a confecção dos corpos celestes devem ser distribuı́das: as pequenas bolas, tintas etc. Ao mesmo tempo eles devem anotar as caracterı́sticas de seus sistemas em uma folha de papel. Ao fim da atividade, um representante de cada grupo deverá apresentar o sistema ao resto da classe. 21 Atividades sequenciais e compartilhamento Como seria a vida em cada um dos planetas desses sistemas? Poderia haver vida lá? Se sim, que forma de vida? Quão longos seriam os dias e as noites nesses mundos? Tente registrar os tipos mais populares de sistemas estelares: número de estrelas, tipos e tamanho dos planetas. Eles são similares ou inspirados no Sistema Solar? Seria ideal que o processo de elaboração e construção dos sistemas pudesse ser documentado. Se você tiver uma câmera, entreviste os alunos em diferentes fases da construção. Se não, tome nota de seus comentários e progresso. A apresentação final pode ser um evento para a escola: uma exposição à qual seriam convidados todos os alunos, mesmo os de fora do Clube da Astronomia. Compartilhe as experiências com os outros nós. Outras leituras • Detalhes sobre a missão Kepler, que está descobrindo novos exoplanetas http://kepler.nasa.gov/ • Sobre a zona habitável de estrelas (em inglês): https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l12 p4.html • Sobre a zona habitável de estrelas (em espanhol): http://www.abc.es/ciencia/20150205/abci-zona-habitabilidad-estrella201502041702.html • A União Astronômica Internacional está lançando uma nova iniciativa chamada ”name Exoworlds”(batize exomundos), em que organizações podem votar em nomes para novos mundos sendo descobertos. GalileoMobile pode ser um embaixador para vocês se vocês quiserem participar desta ou de futuras iniciativas! http://www.iau.org/news/pressreleases/detail/iau1404/ 22 4 Estrelas e Constelações 4.1 Atividade 5: Constelações em três dimensões Introdução Desde tempo remotos, a humanidade imaginou pessoas, animais e objetos da sua vida quotidiana, das duas crenças e cultura, no céu. Construı́ram essas figuras conectando as estrelas, e chamamos a essas figuras de constelações. As constelações e seus nomes podem ser encontrados num planisfério ou num mapa celeste. Antes do tempo dos relógios, mapas e calendários, observar o céu era muito importante para ajudar as pessoas a se orientar no tempo e no espaço. As constelações eram uma maneira de encontrar estrelas especı́ficas e regiões do céu, e uma maneira de determinar a própria posição. No meio do deserto, nas montanhas ou no mar, os viajantes e os marinheiros chegavam ao seu destino guiados pelas estrelas. O fato de uma estrela especı́fica ser visı́vel no céu ou não depende na nossa localização no planeta, da hora do dia e da época do ano. Hoje, graças a telescópios poderosos, sabemos que existem muito mais estrelas no céu do que as que os anciões registaram nos seus planisférios. No entanto, as constelações não são formações reais no céu. O que vemos são as projeções das estrelas no céu e formas que imaginamos, mas na realidade, essas estrelas estão geralmente localizadas muito longe uma da outra. A constelação é somente uma ilusão, criada do nosso ponto de vista do Universo. Essa atividade pretende ilustrar isso e a nos lembrar da tri-dimensionalidade do espaço. Ingredientes e duração • Fio de lã • Régua • Pequenas bolinhas • Folha de plástico transparente (deve ser fácil de perfurar, mas forte o suficiente para se manter firme) • O contorno da Constelação de Cisne (fornecida) 23 • Duração: aproximadamente 45 minutos + discussão Esta atividade é uma boa oportunidade de: • Conversar sobre o que é uma constelação • Conversar sobre o significado de diferentes constelações em diferentes culturas • Entender a posição relativa das estrelas dentro de uma constelação • Se perguntar como os astrônomos podem medir a distância das estrelas ao nosso planeta. Preparação Faça uma introdução aos alunos do que é uma constelação. Converse sobre o fato de as constelações poderem ser diferentes em diferentes culturas e tradições. Uma constelação é uma porção do céu que os humanos associaram com imagens da vida quotidiana (animais, pessoas, lugares) ou da mitologia local. Converse sobre o fato de estrelas a diferentes distâncias da Terra poderem aparecer próximas uma da outra no céu, mesmo que estejam muito longe uma da outra. Isto é uma consequência do fato de o céu nos parecer como uma superfı́cie, e de identificarmos conceitos como ‘à direita’, ‘à esquerda’, ‘para cima’ e ‘para baixo’ com ele. Contudo, não é fácil estabelecer a distância de um objeto no céu. Considere, por exemplo, o caso da Lua a pôr-se atrás de uma montanha: quando a lua se põe, vemos ela desaparecendo atrás de uma montanha, do mar ou de prédios. Porém, a Lua está a cerca de 370 000 km de nós, enquanto a montanha, ou o prédio, estão no máximo a uns quilômetros. Além disso, há uma outra consequência do fato das estrelas estarem a diversas distâncias da Terra: essa consequência é que vemos as constelações dessa forma devido à da nossa posição na Galáxia. Se a Terra estivesse em outro lugar da Galáxia, as mesmas estrelas teriam posições diferentes no céu e as constelações teriam outro aspecto. Converse sobre isto com os seus alunos. Podem fazer uma brincadeira em que os alunos desenham a sala onde estão numa folha de papel (em essência, projetando-a sobre uma superfı́cie) e depois comparam os desenhos da sala de aula de diferentes pontos de vista. 24 A atividade Nesta atividade, veremos como traçar as constelações e entender porque têm a aparência que têm desde a Terra. Para isso, vamos construir um modelo em 3D de uma constelação conhecida como Cygnus ou “o Cisne”. A estrela correspondente à cauda do Cisne chama-se Deneb, e é uma das estrelas mais brilhantes da Via Láctea. Dê a cada aluno ou par de alunos um gabarito da constelação do Cisne (Figura 8.7 no Apêndice), juntamente com 8 pedaços compridos de fio de lã. Usando a régua ou fita métrica, corte os fios coloridos no comprimento indicado no gabarito do lado de cada estrela (em cm). Fixe os fios às 8 posições das estrelas (colando-as com fita, ou passando-as através da folha de plástico e fazendo um nó). Fixe uma conta ou uma bolinha de papel ou uma plastilina fluorescente no final de cada fio. Observe o Cisne de cima. Deve parecer com o que está no céu! Atividades para avaliar e compartilhar Se agora olhamos as mesmas estrelas vistas de lado, será que ainda vemos o Cisne? Porquê ou porque não? Não vemos mais o Cisne porque a nossa posição no espaço mudou. Deste novo ponto de vista, as estrelas estão agora a distâncias diferentes de nós comparado com quando estávamos olhando de cima. Por outras palavras, as formas das constelações que vemos são apenas aparentes e relativas. O fio representa a distância que nos separa das estrelas. Cada cm de fio corresponde a 60 anos-de-luz (em km, são 5.7 seguidos de 15 zeros!!) no espaço real. Você consegue calcular a distância que nos separa a cada estrela da constelação de Cisne? Você conhece alguma constelação que é realmente um grupo de estrelas em que as estrelas estão fisicamente próximas umas das outras? Atividade 5b Tente reproduzir este procedimento com outra constelação. Escolha uma constelação e procure as distâncias a cada uma das suas estrelas principais. Depois desenhe um esquema desta constelação, escrevendo ao lado de cada estrela a sua distância a Terra. Depois siga os mesmos passos que no caso da constelação do Cisne. Discuta, para além disso, o número aproximado de estrelas que nós vemos no céu, e compare-o com o número aproximado de estrelas que se pensa que existem na nossa Galáxia. Esses números são diferentes? Porquê? Até que distância conseguimos observar a olho nú? 25 4.2 Atividade 6: Como medimos ângulos no céu? Introdução Em certas partes desse livro falamos do movimento de objetos no céu. O estudo desse movimento tem sido, ao longo da história, de extrema importância para compreender muitas propriedades de muitos objetos celestes, bem como para compreender o movimento da própria Terra. Atualmente, a tecnologia nos proporciona excelentes ferramentas para medir o movimento das estrelas, dos planetas, dos satélites, assim como as suas posições no céu. Mas em tempos remotos, não existiam essas ferramentas modernas. Como conseguiam as pessoas medir e estudar as posições dos objetos celestes no céu? Nesta atividade, vamos ver um exemplo de como estimar ângulos com apenas algumas ferramentas básicas e também sem ferramenta nenhuma. Ingredientes e duração • Mais nada do que seus braços, dedos e olhos! • Duração: 1-2 horas Esta atividade é uma boa chance de: • Conversar sobre o que é um ângulo • Conversar sobre as noções de posição e movimento de objetos celestes • Perguntar-se sobre as descobertas e as medições em tempos remotos Preparação Comece com uma conversa sobre a posição das estrelas e da Lua no céu. Pergunte aos alunos como acham que é possı́vel medir as posições de tais objetos no céu. Discuta se é melhor medir as posições como distâncias lineares ou como deslocamentos angulares. Escolha um objeto celeste do qual você quer medir a posição. A Lua, se estiver visı́vel durante o dia, ou uma estrela muito brilhante durante a noite são ótimas escolhas. Em caso de impossibilidade de observar tais objetos, escolha o topo de um edifı́cio ou o contorno de uma nuvem como referência. 26 A atividade Se você medir a razão entre o tamanho do seu polegar e do seu braço, vai obter um ângulo: este é o ângulo subtendido pelo seu polegar quando o seu braço está completamente esticado à sua frente. Pode fazer a mesma coisa com o seu punho, por exemplo, ou com a sua mão aberta, abrindo os dedos o mais possı́vel. O valor obtido é a medida do ângulo em radianos. Um radiano são 57 graus. Você verá que o ângulo subtendido pela sua mão aberta é aproximadamente de 20 graus. Desta forma, você pode medir a altura de objetos celestes acima do horizonte, na forma de um ângulo. Pode combinar as duas mãos abertas para obter um ângulo duas vezes maior do que o ângulo subtendido por uma mão só. Para se assegurar de que está medindo corretamente, pode começar por medir o ângulo que começa no horizonte e termina no zênite, que é o ponto imaginário no céu diretamente “acima” da sua cabeça (o oposto, o ponto imaginário que está diretamente debaixo dos seus pés chama-se de Nadir). Este ângulo é de 90 graus. Dessa forma, você pode medir a posição angular de um objeto celeste em respeito ao horizonte, ou em respeito a outro objeto celeste. Você pode também medir a extensão angular de um edifı́cio visto desde a sua posição. Atividades para avaliar e compartilhar Compare as medições feita por diferentes alunos. Se você está com um grupo grande, é possı́vel que os alunos tenham muitas medidas diferentes. Assim é a ciência. Muitas medições diferentes, então qual é a certa? Converse sobre as possı́veis fontes de erros e elabore maneiras de melhorar a confiabilidade de cada medição. Também: Você acha que tal medição angular pode ajudar a determinar a distância de um objeto longı́nquo? Se você conhece a altura de um edifı́cio, você pode medir sua distancia desde a sua posição usando este método de medir ângulos? 27 5 As cores da luz 5.1 Atividade 8: As cores do Sol Introdução Qual a natureza da luz? Esta questão é básica, mas sua resposta é incrivelmente complicada, embora seja de importância central tanto em nossa vida quotidiana quanto no estudo da astronomia. Recebemos todos os dias luz do Sol, e esta luz parece ser branca. Um arco-ı́ris, no entanto, não é branco. O arco-ı́ris é produzido pela luz do sol atravessando gotas de chuva: este é um dos exemplos que mostra como a luz do sol é composta de todas as cores do arco-ı́ris. Na verdade, a luz do sol é composta de muito mais do que apenas as cores do arco-ı́ris, mas estas cores são a parte visı́vel da luz do sol, e é nela que nos concentraremos. Nesta atividade apresentamos um método de separar a luz nas cores do arco-ı́ris. A luz muda sua direção de propagação quando passa de um meio material a outro. Este fenômeno é chamado de refração. O ângulo de refração da luz é calculado de acordo com a seguinte fórmula: senθ1 λ1 n2 = = senθ2 λ2 n1 (5.1) Na Equação (5.1), os ı́ndices 1 e 2 referem-se aos meios 1 e 2 nos quais a luz se propaga. Os ângulos θ1 e θ2 são os ângulos medidos entre o raio de luz e a vertical à superfı́cie de separação dos dois meios. λ1 e λ2 são os comprimentos de onda nos dois meios, e n1 e n2 são os ı́ndices de refração nos dois meios, que são caracterı́sticas de cada material. É claro que se forçamos a luz branca (composta de todos os comprimentos de onda e portanto de todas as cores) a mudar de meio, incidindo de um mesmo ângulo θ1 , cada cor terá um ângulo θ2 diferente no segundo meio. Esta atividade foi adaptada do livro de atividades GalileoMobine [1]. Material e duração • Caixa de plástico ou vidro; • Água; 28 • Um espelho; • Duração: 30 minutos. Esta atividade é uma boa chance para: • Discutir o que é a luz; • Discutir sobre a diferença entre as cores; • Discutir sobre duas cores especiais: branco e preto; • Discutir sobre fenômenos como os arco-ı́ris. Preparação Inicie uma conversa sobre a luz, incitando os estudantes a dizerem o que sabem sobre a luz, e especificamente sobre a luz que vem do Sol. Eles conhecem algum fenômeno mostrando que a luz não é apenas branca? Discuta a refração da luz. A atividade Em um diz ensolarado, vá ao ar livre levando a caixa de plástico, água e um espelho. Encha o recipiente com água coloque o espelho em seu interior de maneira que ele forme um ângulo com relação ao fundo da caixa. O espelho refletirá a luz do sol, que pode ser projetada em uma tela, em uma superfı́cie branca plana ou mesmo em sua camiseta! Na tela, vocês verão as cores do arco-ı́ris! Atividades sequenciais e compartilhamento Quando a luz do sol atravessa a superfı́cie da água, ele é refratado, isto é, sua direção de propagação muda como função de seu comprimento de onda. Em seguida a luz se propaga na água até que encontra o espelho, onde é refletida e viaja novamente em direção contrária atravessando a superfı́cie da água. O resultado dessas difrações pode ser visto projetado na tela: cores! Que cores podem ser vistas na tela? Pensando sobre a explicação dada na introdução sobre a luz e arco-ı́ris, vocês podem dizer o que aconteceu neste experimento? Se o experimento for realizado várias vezes, vocês 29 verão as cores aparecendo na mesma ordem ou em ordens diferentes? Tente desenhar o experimento e traçar os raios de luz de diferentes cores. As cores vistas são parte do espectro da luz do Sol. Vocês de fato construı́ram um espectroscópio. Manipulando o espectroscópio vocês podem descobrir como fazê-lo funcionar melhor. Que orientação, inclinação do espelho e quantidade de água dão os melhores resultados? 30 Parte II Atividades Bonus 31 6 The Earth, the Sun and the Moon 6.1 Activity 8: The apparent motions of the Sun and the Moon in the sky Introduction Not surprisingly, the motion of the Sun and the Moon on the sky are among the first natural phenomena to be studied by mankind. Many civilizations built their calendars according to this perpetual and repeated change of the sky’s appearance, day and night, seasons, and the Moon’s phases. The calendar we use today is itself mostly based on these motions. We know now that the alteration of day and night is due to the rotation of the Earth around an imaginary axis. The change of seasons and the apparent change of position of the Sun and the Moon on the sky are also a result of this motion: distant stars appear static to us, while closeby objects move faster and are hence projected onto what we interpret as constellations. The Moon is the Earth’s only natural satellite. It moves on an almost circular orbit around our planet, with an orbital period the same as its rotation period and equal to 27.322 days. This synchronous motion means that, unless we employ space travel, we can only ever observe half of its surface. We may always see the same face of our satellite, but its relative position with respect to the Sun changes as it rotates around the Earth. This causes a phenomenon known as ”phases”, where we see a different portion of the Moon illuminated as it completes an orbit. The motion of the Moon on the sky (meaning in which constellation we can see its projection in the course of one year), contrary to that of the Sun, is very complex. It actually took astronomers centuries of careful observations to work out analytic formulae for this motion. This is, of course, due to the complicated dynamics of the combined motion of the Earth around the Sun and that of the Moon around the Earth. In this activity we are going to study these motions and try to connect them with time keeping and calendars. 32 Ingredients and duration • Pencil and paper, or a journal • According to how far you feel like taking this activity, it may take from one month up to one year. This activity is a good chance to: • Discuss calendars and time keeping • Talk about gravity and orbits • Connect to ancient civilizations through studying and discussing their astronomical calendars Preparation Ask your pupils how they understand day and night. Ask them about sunrise and sunset. Do they always occur at the same time? Or at the same location? How about the duration of day and night? If the Earth always rotates at the same speed, how come day and night vary in duration? Discuss the Moon in the classroom. What are the theories your students know about its origin? Have they observed any changes in its appearance? In its position? What do they know about the Moon’s phases? The Activity This activity is largely an observational activity and it can be done without a telescope. It requires very little material, but a lot of dedication. Ask your students to form teams. Some teams will be observing the Sun and others will be observing the Moon. There can be various teams for each and take turns observing. The teams observing the Moon should keep track of its position. This in rough terms means the constellation on which the Moon is projected and, if your students are familiarized with coordinates, or if you are using a software like Stellarium, also its precise coordinates. They should keep a journal with the date and time of the observation, the time of moonrise and moon-set, if known or observable and the Moon’s position. In this journal they can prepare identical circles, in which they should try to illustrate the phase of the Moon as they see it by shadowing the corresponding portion of the circle. 33 The teams observing the Sun should keep a similar calendar, if possible over the course of several months: They should observe and keep track of the times of sunrise and sunset, as well as the exact position where this happens. For this, they should choose their point of observation very carefully and have exact points of reference. Whenever this is difficult, you can use astronomical software. If using such software, they should also document the constellation in which the Sun is projected during that period. Evaluation activities and sharing The Moon’s motion: did you observe differences in the time of moonrise and moon-set in the course of the month? Does it correlate with the Moon’s phases? What about the position of the Moon on the sky? How much does it change in the course of a night? And in a month? If you observed it for longer, comment on its longer-term motion. The Sun’s motion: Does the duration of the day and night change in your calendar? How about the position of the Sun with respect to the distant stars that form the constellations? The points of sunrise and sunset? Discuss what this means. Why do the Sun and Moon appear to be changing position? Why does the position of sunrise and sunset change, if they do? (The same with the duration of day and night.) Do you know any local myths, or fairy tales concerning the Sun and the Moon? How would you keep time using these motions? Can you think of calendars using the motions of the Sun and the Moon, nowadays or in older times? Share your findings, your inspirations and your thoughts with the other nodes! 6.2 Activity 9: Measuring the distance to the Moon Introduction By far the most precise and reliable way of measuring distances in Astronomy is parallaxes. In the second century BC, Hipparcus calculated the distance from our planet to the Moon using its parallax. This method is based the apparent change in position of a relatively close-by object with respect to more distant objects, when observed from different points of view. Figure ?? illustrates the idea. Picture a distant star; let’s call it S. S is much further from the Earth than the Moon is. And imagine two different observers, at locations L1 34 Figura 6.1: Measuring distances with parallaxes. and L2, at a distance D from each other. The angle p in Figure 6.1 is called the parallax, in this case, of the Moon. (The Moon is very close to us, so this angle is relatively large. Objects further away have smaller parallax angles.) It is clear that we can calculate the distance to the Moon, marked as f, if we know the angle p: D/2 ⇒ f D/2 f = tan(p/2) tan(p/2) = (6.1) But how can we measure this angle p? Remember the two observers we placed at L1 and L2? Let’s have them take a picture of the sky at the same time. The observer at location L1 will take photograph 1 and the observer at L2 will take photograph 2. To help us imagine how these photographs would look like, grey dashed lines show how the light would travel to the observers from the Moon, while the blue dotted lines show the same thing for star S. 35 We can calculate the parallax p by merging Photo 1 and Photo 2 in such a way that the images of the Moon overlap (or so that the images of the stars overlap, see Figure 6.2 later in the activity). In effect, this is equivalent to rotating the point of view from location L1 to location L2 by an angle p. When we do this, we get a picture similar to the one shown at the left bottom corner of Figure 6.1. The angular distance between the two positions of the star S, S1 and S2 is the parallax p. However, we cannot measure angular distances on a picture! The easiest way here is to use the well known angular size of the Moon, AM = 29.30 − 34.10 , where primes denote minutes of the arc (10 = 1/60 degree, so AM ' 0.5 degrees). So, if we measure the size of the Moon on the picture (in cm, for example) and call it DM and do the same for the distance between S1 and S2, and call that dm, the parallax p is calculated as: p dm = ⇒ DM AM dm · AM p= DM (6.2) Ingredients and duration • At least two images of the Moon next to a distant star, taken from different locations (provided) • A ruler • Duration: About 45 minutes This activity is a good chance to: • Discuss distances and how we measure them • In general, bring up the complex problem of distance measuring in astronomy • Talk about the Hipparchus satellite, which measured distances to thousands of stars! An alternative way for measuring angles is to refer to activity 6 and proceed in a similar fashion: one can start from measuring the angular distance of the Moon from the horizon. 36 Preparation Like Eratosthenes’ measurement (Section 2.1), this activity obviously requires some knowledge of trigonometry, so it would be advisable to refresh that knowledge beforehand. Alternatively, this activity could be used to trigger the pupils interest in trigonometry and have them revise! This experiment dates back to the second century BC. It would be a good opportunity to talk about that epoch with the class, discuss what humanity knew back then and what not and whether they were able to measure distances the way we do now. Ask the pupils if they know how distances are measured in general. Document the responses as best you can. This activity requires taking either photographs of the sky or snapshots with Stellarium. In the first case, you will need a good camera and a skilled photographer to capture the Moon and at least one known star in your photograph. In the second case, you will have to have Stellarium (or other related software) installed on at least one computer. You will also need image processing software. In either case, one needs photographs of the projected position of the Moon on the sky from (at least) two different locations. The ideal way to conduct this activity is to collaborate with at least one other school at a different location. The Activity Like described in the Introduction, the calculation is very straightforward. Two pictures of the sky are taken at the same time, from different locations. For this you can use a camera and take a picture of the Moon together with a known star at exactly the same time as another school of the network. Alternatively, you can arrange to print out snapshots of the same thing with Stellarium. Then you need to merge the two pictures so that the images of the Moon overlap, or so that the stars overlap, like in our provided picture, Figure 6.2. If you have a digital version of the photographs you can use image processing software to do this, and then print out the final result. Alternatively, you can use transparent paper to transfer one image to the other. Measure the apparent size of the Moon on the image. This is DM in Equation (6.2). Then measure the distance between the two positions of the star (or the two positions of the Moon), which would be dm in Equation (6.2). Then use AM=0.5 degree and evaluate Equation (6.2). (If you 37 wish, you can actually measure the angular size of the Moon by directly observing it.) Once you have the angle p from Equation (6.2), you can use it in Equation (6.1) to calculate the distance to the Moon. You can also share your photographs and measurements with different schools and do this calculation more than once. Then calculate the mean distance from all the measurements. Evaluation activities and sharing Reflect upon this calculation with the class. What does this distance mean? How much time would it take us to travel there by car? How much does light take to get there? Hipparcus measured the distance to the Moon almost 2000 years ago. Obviously, he had no photographs or image processing equipment. How did he do it? Can we think of other ways to measure the distance to the Moon? How far do you think an object can be until parallaxes don’t work any more? What would be the limitation? Can we think of ways to measure distances where parallaxes are not possible? Further reading • http://www.esa.int/Our Activities/Space Science/Hipparcos overview 38 Figura 6.2: A composite picture taken for measuring parallaxes. The distances to the three locations are indicated at the bottom right. (Credits on the picture) 39 7 Sistemas Planetários 7.1 Atividade 10: Enviando uma mensagem para o Universo: As missões Voyager Introdução As sondas espaciais gêmeas Voyager 1 e Voyager 2 foram lançadas pela NASA no verão de 1977 a partir do Cabo Canaveral, Flórida. Conforme o planejamento original, as sondas Voyagers tinham como objetivo conduzir estudos bem próximos aos planetas Júpiter e Saturno, bem como estudar os anéis de Saturno e as maiores luas desses dois planetas. Para atingir tais objetivos, as sondas foram construı́das visando um tempo de vida útil de cinco anos. No entanto, dado o exito da missão e a conclusão dos objetivos primários, as sondas também foram capazes de estudar os planetas gigantes mais externos, Urano e Netuno. No total, as Voyagers 1 e 2 exploraram todos os planetas gigantes do nosso sistema solar e 48 das suas luas. Ingredientes e duração • Tintas, pincéis, papéis, cartolinas • Livros, revistas e encartes • A imaginação das crianças é o limite para a atividade: a duração vai depender de quanto tempo ou material estiver disponı́vel! Essa atividade é uma boa oportunidade para: • Discutir as missões Voyager • Discutir nossa cultura global, no sentido de desenvolver um sentimento de união com toda a Humanidade • Explorar os limites da comunicação, verbal e não-verbal, simbólica e matemática. 40 Preparação Comece perguntando aos estudantes questões tais como: ”Você acredita em alienı́genas?” ”Se existem alienı́genas lá fora, quão longe nós devemos ir para encontrálos?” ”Você acha que futuramente será possı́vel entrar em contato com eles?” Para avaliar o conhecimento dos seus estudantes sobre o tema, continue a conversa baseando-se nas seguintes questões: ”Você já ouviu falar de algum projeto no qual os astrônomos tentaram receber mensagens de civilizações alienı́genas?”Para prosseguir e explorar ainda mais o tema, você poderá consultar alguns recursos virtuais listados no fim da atividade como, por exemplo, o projeto SETI e o radio-telescópio Big Ear (cuja tradução literal é ”orelha grande”). ”Você sabe se astrônomos já tentaram enviar mensagens para o Espaço visando realizar um contato com civilizações alienı́genas que possam existir” Informe seus alunos a respeito das Voyagers e dos das gravações que elas carregam. (alguns links relevantes podem ser consultados na seção ”Leia mais”.). Você pode complementar a conversa com questões tais como: ”Se você pudesse gravar um disco como aquele que está viajando com a sonda Voyager, o que você gostaria de colocar nele? Qual mensagem você gostaria de enviar ao Espaço?O que você acha que deveria ser incluı́do numa gravação supostamente criada para ser escutada por uma civilização alienı́gena?” A atividade Essencialmente, a atividade consiste em planejar uma missão similar à da Voyager e enviar nossas próprias mensagens para o Espaço. Primeiramente, motive seus alunos dizendo que eles foram selecionados pelos habitantes do planeta Terra para fazerem parte de um comitê que irá decidir e compor o conteúdo de uma gravação a ser enviada para o Espaço sideral. Eles deverão discutir qual o tipo de informação que deverá ser incluı́da na mensagem. Os estudantes deverão procurar em livros, revistas e quaisquer mı́dias disponı́veis para reunir as informações que eles gostariam de colocar em seus próprios discos. Assim que a primeira parte da atividade for concluı́da e o material estiver completo, os estudantes deverão se re41 unir numa segunda conferência do comitê. Nessa conferência, os grupos deverão apresentar o material coletado. A turma deverá filtrar o material e decidir o que eles irão incluir no disco. Relembre que eles fazem parte de um comitê cientı́fico e que o material deve ser selecionado baseando-se em argumentos sólidos. Uma vez que os estudantes finalizarem o processo de seleção, peça que eles façam um painel (ou outro tipo de apresentação) para apresentar o material coletado. Avaliação e compartilhamento. Durante a atividade, você pode mostrar aos estudantes fotografias do disco de ouro da Voyager e seu conteúdo, explicando o porque de ele ser feito de ouro e o que representam os sı́mbolos gravados no disco. É importante enfatizar o motivo de se escolher uma linguagem simbólica e não escrita. Quão factı́vel seria para uma civilização alienı́gena compreender nossa mensagem? Pensando na situação contrária: seria possı́vel decifrar uma mensagem escrita por alienı́genas? Peça aos seus estudantes para comparar o conteúdo do disco da Voyager com o material que eles coletaram. Um ponto interessante da discussão seria comparar a época na qual as sondas Voyagers foram enviadas (1977) com a atualidade. Muitas coisas aconteceram desde então. Quais informações extras das últimas décadas deveriam ser gravadas na mensagem? Organize uma pequena celebração onde os estudantes deverão apresentar seus painéis e o material coletado. Compartilhe seu disco e suas fotografias com o resto da rede! Leia mais • http://voyager.jpl.nasa.gov/spacecraft/goldenrec.html • http://voyager.jpl.nasa.gov/science/planetary.html • http://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer 10 • http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager program • http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager Golden Record • http://voyager.jpl.nasa.gov/spacecraft/index.html • O radiotelescópio ”Big Ear”e o sinal ”WoW”: http://paraportal.gr/index.php/na 42 • O projeto SETI: http://www.seti.org/ • ”Mensagens da Terra”: http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/613444.stm 43 8 Galáxias As galáxias são enormes coleções de estrelas, gás e poeira ligados entre si devido à sua interação gravı́tica. O seu nome vem do nome em grego antigo para a nossa própria galáxia, a Via Láctea (“galaxias” em grego, originária da palavra grega “gala” para leite): a vista das milhares de estrelas na nossa galáxia da nossa posição na Via Láctea é uma mancha esbranquiçada no céu que estas pessoas imaginaram como leite derramado. Mas levou aos cientistas vários séculos mais até descobrirem que existem milhares de objetos como estes, em toda a parte no Universo, e a explorar a sua natureza. Hoje em dia sabemos que, dentro de uma galáxia, estrelas são criadas e destruı́das. Também sabemos que as galáxias estão ligadas umas às outras em grupos ou grandes aglomerados e também interagem umas com as outras com frequência. Uma interação comum é a fusão de duas galáxias criando uma nova galáxia, maior e com propriedades diferentes. 8.1 Atividade 12: Uma fusão de galáxias Introdução Fusão de galáxias é um fenômeno relativamente comum no Universo. De fato, temos observado fusões em diversas fases e em diversos comprimentos de onda com os observatórios mais avançados. Uma fusão ocorre quando duas galáxias se encontram perto uma da outra. Aı́ a força gravı́tica as puxa uma para a outra. Dependendo da razão das massas das duas galáxias, elas podem espiralar em torno uma da outra várias vezes, tendo algum do seu gás e estrelas desbastadas pelas forças de maré, enquanto noutras regiões o gás é comprimido por grandes choques e forma novas estrelas. O resultado, tipicamente depois de centenas de milhões de anos, é uma nova galáxias, cuja forma e propriedades dependem da razão das massas e das propriedades das duas galáxias participando na fusão. Material e duração • No mı́nimo 20 estudantes • Vı́deo sobre colisões galácticas 44 • Um espaço aberto ou uma sala grande • Duração: aproximadamente 45 + conversa Esta atividade é uma boa oportunidade de • Descobrir e conversar sobre o que é uma galáxia • Conversar sobre o significado e origem da palavra “galáxia”, e fazer comparações com outras lı́nguas • Apresentar aos estudantes os elementos que formam uma galáxia • Questionar-se sobre como as componentes da galáxia se movem • Questionar-se sobre como as componentes de duas galáxias diferentes se comportam durante a fusão galáctica Preparação Apresente a turma à dinâmica de galáxias e colisões. É recomendado o uso de um vı́deo, por exemplo o “Cosmic Collisions” (“Colisões Cósmicas”) do Museu de História Natural Americano. (O mesmo vı́deo também é usado na palestra inicial do GalileoMobile.) Alternativamente, vı́deos de simulações numéricas reais de fusão de galáxias também são úteis. A Atividade O objetivo desta atividade interativa e divertida é proporcionar uma compreensão básica sobre a dinâmica de galáxias, principalmente o mecanismo da colisão de galáxias. A primeira parte da atividade é a “feira de Galáxias”, na qual é atribuı́da aos estudantes uma galáxia, como na Figura 8.1 (por exemplo, a Via Láctea ou Andrómeda) e eles escolhem qual tipo de objeto eles querem ser: um buraco-negro supermassivo no seu centro, uma estrela ou aglomerado de estrelas, uma nebulosa ou uma supernova, etc. É recomendado que eles recebam uma folha de papel com informação acerca do seu objeto. Se a atividade for realizada em escolas onde haja estudantes que falam diferentes lı́nguas, recomendamos muito que seja conversado como a palavra “galáxia” é traduzida em cada uma destas lı́nguas. Também aconselhamos a conversar sobre o significado e etimologia da palavra, como fizemos brevemente com a palavra “galáxia” na introdução desta atividade. 45 Figura 8.1: Uma galáxia de estudantes - expedição GalileoMobile “BraBoA”, 2014 A segunda parte deve idealmente ser conduzida num espaço aberto. As crianças são posicionadas em “órbitas” na sua galáxia. As órbitas podem ser desenhadas no chão com giz. Aqui podemos discutir a dinâmica interna galáctica: o buraco negro central, formação estelar, e órbitas estelares. Eventualmente, as galáxias fundem-se (é provavelmente mais prático parar de orbitar e focar-se apenas na rota da colisão). Lembrem às crianças que objetos numa fusão de galáxias muito raramente colidem! Os buracos negros no centro vão provavelmente acabar por colidir, o gás sim colide e forma novas estrelas, mas as estrelas ou passam umas pelas outras ou podem ser desbastadas pelas forças de maré. Atividade 6 bis-Variação Expansão do Universo: Um grupo grande de estudantes pode ser dividido para representar muitas galáxias. Enquanto cada grupo pertencente à mesma galáxia deve permanecer junto, as galáxias podem lentamente começar a afastar-se. Fotos tiradas desde cima durante os diferentes estágios da fusão (ou expansão) pode ser material usado para conversar depois. Atividades de sequenciais e compartilhamento Tente estimar a massa final da sua galáxia em estrelas e em gás comparada com as duas galáxias mãe. Quantas estrelas e gás você perdeu devido ao 46 desbastamento por forças de maré e quantas novas estrelas você formou comprimindo o gás? O que você acha que aconteceu aos objetos desbastados pelas forças de maré? Discuta a escala de tempo de uma fusão comparada com o perı́odo orbital de cada objeto e o tempo de vida de cada objeto. Quanto tempo vai demorar desde agora até a fusão da nossa galáxia com Andrómeda ser completada? Será que o nosso Sol ainda estará por cá? Tente estimar quantas mais fusões de galáxias podem acontecer no tempo de vida de uma galáxia. É realmente difı́cil de chegar a um número! Que pistas você precisa para fazer uma boa estimativa? 47 9 Properties of light 9.1 Activity 13: The colors of light Introduction This activity is some way similar to activity 5.1, so you can refer to it for the introduction. It is an activity about light and colors. This activity has been adapted from the GalileoMobile Handbook of activity [1] Material and duration • Match box • 1 used CD • Tape • Torch (in case of a cloudy day) • 45 minutes This activity is a good chance to: • Discuss what light is • Discuss what colors are • Wonder about atmospheric phenomena like the rainbow Preparation Paint the interior of a match box black. Make a longitudinal cut, similar to figure 9.1: the observer will look at the color spectrum inside the box through that cut. Using scissors, cut a CD that you do not need into eight equal parts (to make it easier to cut, pre-cut the CD with a cutter). Glue one of them at the bottom of the box with the recording side (the reflector) upwards. 48 cloudy day) Fig. 1 Figura 9.1: A scheme of the spectroscope The Activity Activity adapted from http://www.csic.es/unaw The activity starts when you close the box, making sure to leave just a slit open in the area opposite where you made the cut. Then you can point the match box so that sunlight (or artificial light) gets in through the open slit and look through the aperture (Figure 9.1). At this point the students can start playing with the match box to find the appropriate orientation to observe the different colors of Sunlight. Follow-up activities and sharing Did you manage to see the colors? What do you think happened? Like in the rainbow experiment, sunlight enters through the slit and the CD surface refracts the light, decomposing it into different colors. Why did we not have to use water in this case to split the light into the different colors of the rainbow? 49 We have seen that the light contains several colors. But what happens if we repeat the experiment and put a red filter (or a filter of any other color) where the light enters the spectroscope? Do we still see colors? Also: Are these the only colors present in the light? Does any of the students know about other features of sunlight? 50 10 Appendix: Supplementary material Here a list of material needed to be used to perform the activities listed in this handbook 10.1 Activity 2: The shape of the Earth’s orbit These are images taken from the Yohkoh Satellite several years ago. The reason why we are using these photographs instead of more modern satellite data from the SOHO satellite (see material of Activity 3), is that SOHO was designed to orbit around the First Lagrangian Point (L1), and not around the Earth. This is a point where the combined gravity of the Earth and Sun keep the satellite in an orbit locked to the Earth-Sun line. This is very good because it does not get ”eclipsed”by the Earth, but it also means it has an orbit with a different eccentricity than that of the Earth. The Yohkoh Satellite might have suffered from eclipses (and its data are lower quality), but it moved around the Earth, so it saw the same size variations as the Earth did along its orbit. 51 Figura 10.1: The Sun on October 19th, 1992. 52 Figura 10.2: The Sun on July 21st, 1992 53 Figura 10.3: The Sun on April 22nd, 1992 54 Figura 10.4: The Sun on January 23rd, 1992 55 10.2 Activity 3: Using sunspots to measure the rotation of the Sun Below are several images of the Sun’s surface taken by the SOHO solar observatory over a period of 7 days. Figura 10.5: The Sun’s photosphere, with the date and time. Sunspots are numbered. 56 57 58 59 Figura 10.6: The Sun’s photosphere, with the date and time. Sunspots are numbered. 60 61 62 63 10.3 Activity 5: Constellations in three dimensions Below a template of the Cygnus constellation. The numbers at the positions of the stars are their distances in light years. We recommend you translate each light year to 1 cm, but you can change that according to your needs. Figura 10.7: Template of Cygnus constellation. 64 Agradecimentos GalileoMobile deseja agradecer a todos os seus patrocinadores, aqueles que forneceram fundos para esta expedição e aqueles que doaram material e treinamento para as escolas que visitamos. Vai um agradecimento especial para aqueles que também contribuiram na organização e planeamento da expedição: · Nome (afiliação e/ou profissão) · Nome (afiliação e/ou profissão) · Nome (afiliação e/ou profissão) 65 Referências [1] GalileoMobile activity handbook, http://galileomobile.astro. ufsc.br/mediawiki/images/3/3f/Handbook_v1.4_EN.pdf 66