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Projetos e Idéias


Minicurso de Física Experimental - Em Construção...

Mecânica, Acústica, Hidrostática, Termodinâmica, Óptica e Eletromagnetismo

Por Luciano Camargo Martins - dfi2lcm@joinville.udesc.br

Mecânica
+ Movimento Retilíneo Uniforme (MRU)
+ Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV)
+ Ação e Reação

Acústica
Hidrostática
Termodinâmica
Óptica
Eletromagnetismo
Nota do Revisor


Mecânica

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Movimento Retilíneo Uniforme (MRU)

Objetivo

* Mostrar as características deste movimento ideal;
* Chegar à compreensão do conceito de velocidade uniforme.

Contexto

As formas de estudar os movimentos independentemente de suas causas, dirigindo as observações e análises apenas para a descrição matemática do movimento, acompanhando as diferentes posições ocupadas pelos objetos móveis, em função do transcorrer do tempo é denominada Cinemática.

O movimento que descreve uma trajetória retilínea cuja velocidade é constante, é conhecido como Movimento Retilíneo Uniforme (MRU).

Este experimento leva-nos a entender o este movimento ideal. Sua finalidade é, por meio de dados experimentais, determinar uma velocidade constante do movimento.

Material

* Tubo fluorescente queimado (tamanho curto);
* Água;
* Cola para fórmica;
* Fita de papel (tamanho do tubo);
* Faca, ferro ou chave de fenda média;
* Terra ou areia;
* Calço, mesa;
* Cronômetro.

Construção

Com a ajuda de uma faca, corte um pouco do alumínio do tubo fluorescente, a fim de retirar o plástico de cor marrom que está por baixo, numa das extremidades. Segurando o tubo com um pano, dê leves pancadas na parte central da extremidade descoberta, a fim de furar o tubo, utilizando um ferro ou chave de fenda.

Pelo furo aberto, introduza areia ou terra seca até alcançar (8 a 10 cm) dentro do tubo. Faça movimentar a areia ou terra sacudindo o tubo, até este ficar completamente transparente.

Jogue a areia ou terra fora sacudindo o tubo com o furo para baixo e complete a limpeza com água introduzida no mesmo duas ou três vezes.

Faça um furo de 5mm a 8mm na parte central do plástico retirado no início e coloque-o na posição inicial, colando-o na extremidade do tubo. Se o plástico retirado não tiver o tamanho suficiente, corte um pedaço de um recipiente de plástico qualquer, faça o furo e cole-o na extremidade do tubo.

Prepare uma tampa de borracha para o furo central, que será colocada depois de encher o tubo de água, deixando apenas uma bolha de ar de 0,5 cm a 1 cm.

Cole a fita de papel ao longo do tubo, divida-a com traços (0,5 a 0,5 cm) e numere 1, 2, 3, 4, etc.., em divisões alternadas.


Montagem experimental para estudo do MRU.

Procedimento

Coloque um pequeno calço numa das extremidades do tubo e faça os alunos observarem o movimento da bolha, que é muito aproximado do MRU.

Para a coleta de dados, pode proceder-se da seguinte maneira:

* Um aluno controla o tempo pelo relógio, limitando-se a dar batidas com a caneta na mesa a cada dois ou três segundos. (Se não tiver relógio, pode improvisar um pêndulo com um peso e um barbante).
* Um segundo aluno diz, em voz alta, a posição da bolha de ar, no momento que escuta a batida do cronometrista.
* Finalmente, um terceiro aluno anota os dados num caderno para posterior análise.

Existindo certa dificuldade na observação, por falta de prática, convém fazer vários ensaios, antes de anotar os dados a serem analisados.

Uma vez obtidos valores aceitáveis, fazem-se e analisam-se os gráficos da posição em função do tempo (d x t) e da velocidade em função do tempo (v x t), comparando-os com os que trazem os livros-texto.

Observação

O professor deverá ter em mente que, sendo MRU um movimento ideal, não existe na realidade. Só se consegue com aproximação razoável em aparelhos muito sofisticados. Utilize esta idéia na interpretação dos gráficos que serão obtidos a partir de um movimento real.

É importantíssimo ter cuidado ao abrir a lâmpada fluorescente. É preferível que esta já esteja aberta e limpa para assim o aluno utilizá-la.

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Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV)

Objetivo

Mostrar o conceito de aceleração.

Contexto

O Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (MRUV) caracteriza-se por apresentar uma aceleração constante cuja trajetória descreve uma linha reta. Este movimento é evidenciado dentro da Cinemática, a qual descreve os movimentos independentes de suas causas, voltando as observações e as análises apenas para a descrição matemática do movimento, acompanhando as diferentes posições ocupadas pelos objetos móveis, em função do tempo.

Sendo a aceleração constante, esta faz variar a velocidade do objeto. Se a velocidade aumenta com o tempo, o movimento é dito Acelerado; caso a velocidade diminua com o tempo, o movimento é Retardado.

Este experimento nos possibilita compreender o Movimento Retilíneo Uniformemente Acelerado, através da obtenção de uma aceleração constante, a partir da análise dos dados experimentais coletados.

Material

* Dois tubos fluorescentes de 120 cm;
* Duas borrachas elásticas;
* Fita de papel (tamanho do tubo);
* Bola de rolamento (de preferência, grande) ou bola de gude;
* Cola e Calço.

Construção

Cole a fita de papel num dos tubos, divida-a com traços (0,5cm a 0,5cm) e numere 1, 2, 3, 4, etc.., em divisões alternadas, como na experiência relacionada ao Movimento Retilíneo Uniforme.

Amarre os tubos com as borrachas elásticas colocadas nas extremidades. Você terá um “trilho”.

A bola, ao rolar entre os tubos, não deverá encostar na fita de papel, mas no vidro.


Como colar as lâmpadas com a fita adesiva.


Montagem da rampa inclinada.

Procedimento

Coloque um calço numa das extremidades dos tubos, de tal modo que a bola deixada em liberdade na mesma extremidade adquira um movimento acelerado não muito rápido.

Uma vez familiarizados com o movimento, faça os alunos observarem que, à medida que o tempo transcorre, a velocidade da bola vai aumentando.

A relação das variações destas duas grandezas (velocidade e tempo) chama-se aceleração.

Como no processo da experiência do Movimento Retilíneo Uniforme, obtenha os dados da variação da distância em relação ao tempo.

Faça os alunos observarem que a relação distância/tempo vai aumentando em cada intervalo tempo.

Com os dados obtidos, faça os alunos construírem os gráficos do Movimento Retilíneo Uniformemente Acelerado: distância em função do tempo (d x t), velocidade em função do tempo (v x t) e aceleração em função do tempo (a x t).

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Ação e Reação

Objetivo

Mostrar que, quando se faz força num sentido, ação, automaticamente aparece outra força igual de sentido contrário, chamada reação.

Contexto

A Terceira Lei de Newton afirma que a ação de uma força sempre corresponde a uma reação, dada por uma outra força que é igual à primeira em módulo e em direção, mas com sentido oposto. A Ação e Reação atuam em objetos diferentes, e portanto, em diferentes partes do sistema. Quando um jogador chuta uma bola de futebol, ele aplica uma força na bola que a fará rolar, neste mesmo instante, surge a força de Reação, aplicada pela bola no pé do jogador, esta força de Reação tem igual intensidade, igual direção e sentido oposto à força de Ação. Essas forças de Ação e Reação SEMPRE aparecem AOS PARES.

Este experimento enfatiza a existência do par de forças Ação e Reação.


Figura imcompleta (REVER)!!!

Material

* Balão;
* Elástico (20 a 30 cm);
* Dinamômetros.

Procedimento

* Pegue o elástico, pelas extremidades, com ambas as mãos e separe-as, espichando.
* Observe que a força é feita pelas duas mãos simultaneamente em sentidos contrários.
* Espiche agora o elástico com a mão direita. É possível, sem que a mão esquerda faça força em sentido contrário?
* Junte, pelos ganchos, o seu dinamômetro com o de um aluno e espiche o seu, fazendo um pouco de força.
* Observe a força que está fazendo o seu aluno, medindo no outro dinamômetro, comparando-a com a sua mão.
* Leve os alunos a tirarem as conclusões.
* Pegue um balão, encha-o de ar e solte-o com a saída para baixo. Oriente os alunos a associarem este fenômeno com o anterior.
* Oriente os alunos a descobrirem como se movimenta um avião a reação.

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Força Centrípeta

Objetivo

*

Mostrar que, quando um corpo gira, mesmo em movimento circular uniforme, age sobre ele uma aceleração dirigida para o centro que o mantém em movimento curvo.
*

Mostrar como um satélite pode girar em torno da Terra sem cair.

Contexto

As forças responsáveis pelas trajetórias curvilíneas devem pelo menos ter uma componente que aponte para o centro da curva. Esta componente da força, que aponta para o centro é denominada Força Centrípeta. Ao girar uma pedra presa à extremidade de um barbante, exercemos no pedra uma força que garante a sua trajetória curvilínea. Se o barbante romper ou soltar de nossas mãos, a pedra sairá tangencialmente em linha reta.

A Lua ou um satélite artificial gira em torno da Terra devido à força gravitacional que os mantêm em trajetória curvilínea, esta força gravitacional é a força centrípeta do movimento.

A cada força centrípeta está relacionada uma aceleração centrípeta responsável pela mudança na direção do movimento.

Este experimento mostra a atuação da força centrípeta nos movimentos curvilíneos e a relação existente em sistemas como Satélites-Terra.

Material

*

Pilha grande de lanterna gasta;
*

Rolha de borracha ou borracha escolar, grande;
*

Fio de nylon (corda de pescar fina) de 1,5 cm;
*

Vidro de anestésico de dentista, vazio;
*

Cano de plástico fino, de 12 cm;
*

Fita durex e cola;
*

Arame fino, de 10 cm.

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Construção

Acomode os 10 cm de arame para fazer uma alça na pilha e segure-a com fita durex. Acomode o vidro no cano de plástico, de tal modo que apareça apenas 0,5 cm, utilizando papel e cola, se for necessário, para que o vidro fique firme.

Agora passe o fio de nylon no tubo e segure a pilha numa das extremidades – a inferior e, na outra extremidade – a superior, a rolha ou borracha; use uma agulha.

Procedimento

Coloque o tubo na vertical com os dois corpos (pilha e rolha ou borracha) à mesma altura. Solte o fio e observe o que acontece, apontando o motivo.

Comece a fazer girar horizontalmente e devagar a rolha de borracha ou borracha escolar. Os alunos deverão observar que a rolha ou borracha girando é capaz de puxar a pilha. Aumente a velocidade de giro e faça-os observarem o efeito sobre a pilha e sobre a rolha ou borracha.

A pilha exerce uma força (igual ao seu peso) sobre a rolha ou borracha chamada força centrípeta e é responsável pelo movimento curvo da rolha ou borracha. A rolha ou borracha girando faz também uma força sobre a pilha (através do fio) capaz de mantê-la sem cair.

Faça girar a rolha ou borracha a diferentes raios a partir do tubo, procurando estabelecer uma relação entre raio e velocidade de giro, para que a pilha fique em equilíbrio. Relacione o raio de giro e a força que a mão tem de fazer para segurar o cano.

Faça uma associação entre esta experiência e os satélites (naturais e artificiais) girando em torno da Terra. Que aconteceria com um satélite se diminuísse sua velocidade tangencial? Se não encontrar resposta, tente com o aparelho começando com uma certa velocidade e deixando que diminua.

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Arrastão

Objetivo

O experimento visa mostrar que não há relação entre a força de atrito que age em um objeto e sua área de contato com a superfície em que desliza.

Contexto

Pelo princípio da inércia, um objeto em movimento tende a permanecer em movimento a menos que uma força o pare. Imagine um carro se movendo em linha reta com velocidade constante ao longo de uma pista plana. Em determinado instante o motorista deixa de pisar no acelerador do carro e, através do câmbio, “corta” a conexão do motor com as rodas (“ponto morto”). O carro segue livre da força do motor que o impulsionava. Então, pelo princípio da inércia, ele nunca pararia. Mas pára, sem que bata ou seja freado ou alguém o empurre. A força que o faz parar vem do atrito do carro com o ar e com o chão. Visto pelo microscópio, as superfícies do pneu e do asfalto são rugosas.

Entre as superfícies, pequenas “soldas” acontecem nos pontos de contato. Cada “solda” faz surgir uma pequena força contrária ao movimento do objeto (ou quando ele tenta sair do repouso). Aquelas forças microscópicas somadas criam uma força relevante. Esse tipo de força é comum, pois as coisas estão sempre em contato umas com as outras. Chamamos essas forças que se opõem ao movimento de forças de atrito, pois sempre fazem com que o objeto tenda a parar. É possível sentir esta força quando tentamos pôr um objeto em movimento. Como surge do contato entre as superfícies, essa força vai depender apenas da natureza delas e do peso do objeto (já que quanto maior a força que junta os dois objetos, mais “soldas” acontecerão). É por isso que é mais fácil empurrar um guarda roupa ou uma cômoda sobre um piso encerado do que num cimentado: o piso encerado produz “soldas” mais fracas que o cimentado.

Idéia do Experimento

A maior parte das opiniões a respeito da relação entre a força de atrito e a área de atrito entre um objeto qualquer e uma superfície é que quanto maior a área de contato, maior a força de atrito. A idéia do experimento consiste em algumas caixas de CD puxadas por um elástico fino de duas formas: na primeira estão dispostas espalhadas como um tapete, na segunda elas estão empilhadas – com uma área de contato com a superfície muito menor que a primeira. Se na iminência do movimento das caixas, a distensão do elástico for igual nas duas situações, conclui-se que a força de atrito não depende da área de contato entre as superfícies. Estamos supondo que a distensão do elástico mede a força aplicada para vencer a força de atrito.

Em nossa experiência a força de atrito aumentou quando a área de contato diminuiu (mas não na mesma proporção), fato que vai contra a idéia que a maioria das pessoas têm a respeito. Percebe-se neste caso, que ao empilhar as caixas e ocasionar um aumento de pressão de contato, aumentamos o número de soldas microscópicas, apesar da área ter diminuído.

Material

*

Três caixas de CD (compact disk);
*

Um elástico fino e roliço;
*

Uma régua e fita adesiva;
*

Caneta hidrocor e lápis.

Montagem

Coloque as três caixas de CD sobre uma mesa e prenda o elástico na primeira caixa; prenda as outras duas caixas uma atrás da outra na primeira.

Puxe o elástico até que ele fique esticado, porém não distendido; faça uma marquinha nele com a caneta. Esta marca será seu indicador. Ainda na mesma posição, risque uma reta na mesa na direção do elástico com o lápis e marque, na reta, qual a posição do indicador no elástico. Deslize a régua sobre a reta (para que ela não atrapalhe o movimento das caixas) até que ela marque Zero centímetros na marca que você fez na mesa. Puxe o elástico até que o conjunto esteja quase se movendo. Registre o quanto o elástico esticou. Repita mais algumas vezes e faça uma média dos valores registrados.

Descole a última caixa; dobre a segunda sobre a primeira e coloque a terceira sobre as outras duas.

Repita o procedimento de medida anterior e compare os valores das duas medidas.

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<<??>>

Comentários

Cuidado para não colocar a fita adesiva, que prende o elástico, em contato com a mesa; isto pode acarretar erros sensíveis.

Caso a mesa seja muito lisa, ponha um papel contínuo sob o conjunto das caixas para aumentar a força de atrito. Caso não tenha papel contínuo, disponha as folhas de papel que tiver (a ponta de uma sobre o final da outra) de modo que não interfiram no movimento das caixas.

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Conservação da Energia

Objetivo

O objetivo deste experimento é mostrar a transformação da Energia Potencial Gravitacional em Energia Cinética, ilustrando a Conservação da Energia Mecânica.

Contexto

O Princípio da Conservação da Energia diz que “a energia pode ser transformada ou transferida, mas nunca criada ou destruída”. Em um determinado sistema mecânico, em que formas de energia relacionadas a fenômenos eletromagnéticos ou fenômenos térmicos não estão presentes, pode-se dizer que a energia total do sistema é puramente mecânica. Desse modo, o Princípio da Conservação da Energia implica a Conservação da Energia Mecânica. Esta, por sua vez, é a soma das quantidades de Energia Potencial e Energia Cinética. Embora a Energia Mecânica seja sempre constante, a quantidade de cada uma de suas componentes pode sofrer variação, de tal modo que a energia total permaneça constante.

Neste experimento podemos identificar uma transformação de um tipo de energia em outro. Inicialmente um objeto possui energia potencial gravitacional, que é a energia de interação entre a massa do objeto com a massa da Terra. Essa energia está armazenada no sistema Terra-objeto, e a energia vai diminuindo à medida que o objeto e a Terra se aproximam. A energia potencial gravitacional de um objeto, que é diretamente proporcional ao produto da sua massa, da aceleração da gravidade (g) e da sua distância vertical em relação a um ponto de referencia, se transforma em energia cinética do objeto, que está associada ao seu movimento. A energia cinética é diretamente proporcional à massa e ao quadrado da velocidade do objeto.

Idéia do Experimento

A idéia do experimento é mostrar que quanto maior a Energia Potencial gravitacional no início do movimento de queda de um objeto, maior será sua Energia Cinética ao final da queda. A quantidade de energia cinética poderá ser avaliada através de um mecanismo de freamento do movimento do objeto em queda.

Neste experimento, uma bolinha em queda em um plano inclinado transfere sua energia mecânica para um copo. Ao iniciar o movimento, a bolinha transforma sua energia potencial gravitacional em energia cinética. Durante o movimento há diminuição da energia potencial gravitacional e aumento da energia cinética. Devido a conservação da energia mecânica, no final do plano, toda a energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética. Parte desta energia é transferida para o copo que se move e parte é transformada em energia térmica e sonora. Neste caso o valor destas formas de energia chega ser desprezível. Assim podemos supor que toda energia cinética da bolinha seja transferida para o copo.

Após a bolinha entrar em contato com o copo ela é toda transformada em outras formas de energia. Por exemplo, em energia térmica e sonora do barulho que o copo faz, dissipando assim a energia cinética que recebeu da bolinha.

O atrito sobre o copo é praticamente constante. E o copo necessita de uma quantidade fixa de energia cinética para vencer uma distância fixa. Portanto, se o copo se desloca mais, isto implica um recebimento maior de energia cinética. O que se observa é que: quanto mais alta estiver a extremidade do sistema de réguas de onde parte a bolinha, mais energia potencial gravitacional a bolinha terá, pois a energia potencial é função da altura; isso faz com que a bolinha adquira mais energia cinética ao rolar pelo plano inclinado, o que implica numa transferência maior de energia para o copo, que percorre cada vez distâncias maiores até parar, devido ao atrito com a superfície.

Material

*

Copo plástico;
*

Duas tampinhas de refrigerante de dois litros ou 600ml;
*

Duas réguas de 30cm;
*

Bolinha (de gude);
*

Fita adesiva, suportes (livros, por exemplo).

Montagem

Corte um quadrado de aproximadamente 3 cm de largura por 6 cm de altura junto à borda do copo plástico.

Fixe com fita adesiva, as tampas plásticas nas extremidades de uma das réguas, de modo que fiquem alinhadas, fixe a outra régua, horizontalmente, sobre a outra face das tampinhas. Esta junção das duas réguas, separadas pelas tampinhas, fica parecendo uma canaleta. Para evitar que a bolinha ao rodar pela canaleta abra as duas réguas, passe uma fita adesiva na parte de baixo da canaleta, de tal modo que as réguas não possam ser abertas.

Coloque o copo sobre uma das extremidades da régua sendo que o final da régua deverá tocar a face posterior do copo. Levante a outra extremidade da régua usando como suporte um livro.

Coloque a bolinha no sulco da régua, na parte de cima do suporte. Libere a bolinha e observe o copo. Repita o procedimento usando diferentes suportes, que permitam diferentes alturas. Observe as reações do copo.

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Comentários

Se houver falha no experimento, verifique os seguintes aspectos: a abertura no copo deve ter uma altura maior que a da bolinha sobre a rampa; a face posterior do copo deve estar encostada no final da régua.

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Centro de Gravidade

Objetivo

Mostrar que o centro de gravidade tende a colocar-se o mais baixo possível.

Contexto

O Centro de Massa é a posição média de toda a massa que constitui um corpo ou sistema. Por exemplo, num corpo homogêneo e simétrico (uma bola ou um cubo), o seu Centro de Massa (CM) está localizado no seu Centro Geométrico.

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Em um corpo não simétrico, o CM está mais próximo a extremidade que possui mais massa. Por exemplo, num martelo, o CM está mais próximo à cabeça deste.

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Poderíamos também dizer que o CM é o ponto no qual toda a massa do corpo está concentrada. Para equilibrarmos um corpo, basta suspende-lo pelo seu CM.

Centro de Gravidade (CG) é o termo popularmente usado para expressar o CM e ambos se referem ao mesmo ponto.

Este experimento verifica a posição do Centro de Massa em objetos assimétricos.

Material

*

Três lâmpadas queimadas;
*

Areia;
*

Duas velas;
*

Lata redonda (de azeite, de achocolatado em pó ou leite em pó);
*

Pedra ou outro corpo pesado (mais ou menos 100 g);
*

Cola;
*

Ferro fino ou chave de fenda;
*

Copo;
*

Plano inclinado;
*

Fogareiro ou lamparina;
*

Mesa;
*

Caixa.

Construção

Apanhe duas lâmpadas comuns e retire, cuidadosamente, a parte metálica e o isolamento perto da rosca (não tire a rosca). Com um ferro fino ou uma chave de fenda, quebre a parte interior de vidro, dando pequenas batidas, até partir.

Pelo furo, introduza areia misturada com a cera de uma vela em cada lâmpada.

Esquente o conjunto e, quando a cera ficar completamente líquida, remova um pouco e coloque a lâmpada num copo, na mesma posição que pretende ficar depois. (Pode ser uma vertical e a outra inclinada).

Na lata, cole uma pedra na parede interna e tampe a lata.

Procedimento

Tendo as lâmpadas numa caixa, tire a lâmpada sem nada em seu interior e coloque-a sobre a mesa. Ela tomará a posição indicada na figura A, o que não chamará muita atenção dos alunos. Tome a segunda lâmpada e coloque-a sobre a mesa, na mesma posição da primeira, soltando-a depois (figura B). Faça a mesma coisa com a terceira lâmpada (figura C). Faça os alunos constatarem onde está a parte pesada das lâmpadas e o que faz esta parte quando a lâmpada toma a posição definitiva.

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Pegue a lata e coloque-a sobre um plano inclinado, cuidando que a pedra fique na parte superior, um pouquinho adiantada (figura D). Solte-a. Depois de observar o fenômeno, abra a lata e mostre a pedra colada.

Faça os alunos relacionarem esta experiência com a das lâmpadas e observarem que, em ambas as experiências a parte mais pesada tende a descer.

Peça aos alunos para pesquisarem o que é centro de gravidade.

Troque, nas observações anteriores, “parte mais pesada” por “centro de gravidade”.

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Eletromagnetismo

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Nota do Revisor

Este belo projeto de Ensino de Física através de experimentos simples nos foi enviado pelas ex-alunas Iara Maité Campestrini e Claudia Dums, ambas do Curso de Licenciatura Plena em Física da UDESC, hoje já graduadas.

O texto foi apenas revisto e reformatado para a inclusão nesta página, sendo delas todos os direitos e méritos devidos.

Professor Luciano Camargo Martins
Joinville, 02/07/2005 20:42

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