1

AULA 1517/06/08

1. ARTIGO DE DUIT/RHÖNECK2. CONCEPÇÕES SOBRE ELETRICIDADE DOS ALUNOS EM DIVERSOS PAÍSES

3. ELETRICIDADE – CAP. 6- ARONS4. CD – LABORATÓRIO INTERATIVO DE ELETROMAGNETISMO

5. EXPERIÊNCIAS SIMPLES DE ELETRICIDADE [ PSNS (Introdução a las ciencias físicas, 1971, Ed. Reverté, Espanha]

Aprendizagem de física

Ensinar os conceitos de eletricidade a partir das dificuldades de aprendizagem dos alunos

Ø Mudança conceitual versus o que sobra a partir da instrução.

Ø Recomendação do Modelo híbrido = Substituição conceitual.

Ø Predominância do modelo mais útil...e mais manipulado também...

Ø Compreender e também acreditar: Ø Raciocínio vs EMOÇÃO??? (CONTEXTO).Ø Conflito cognitivo e dificuldades para criá-lo.Ø Criar estratégias que enfrentam as CA dos alunos para

construção dos conceitos físicos.Ø Analogia com circuitos em tubos de água mostrando

diferenças e limitações.

A SEGUIR MOSTRAMOS RESULTADOS DE DIVERSAS PESQUISAS SOBRE CA´S EM ELETRICIDADE FEITAS EM DIVERSOS PAÍSES

2

Conceitos alternativos em eletricidade- I. Mitchell, Monash University, NZ (estudo feito

com crianças de ~12 anos)

v (a) A eletricidade não requer um circuito para fluir: um único fio é necessário para ligar a fonte ao aplicativo eletrico.

v (b) O isolamento dos fios condutores mantém a eletricidade dentro do fio da mesma forma que os tubos mantem água confinada nos canos.

v (c)Precisamos ISOLAR os fios para manter a eletricidade quando negocia um vértice do circuito.

v (d) quando a chave está ligada a corrent eletrrca flui entre ostermnais da baseda lãmpadamesmo que esteja não esteja lá.

v (e) A eletricidade é gasta quando anda no circuito: há mais eletricidade no início do circuitoque perto do final dele. .

v (f) A corrente positiva sai de um termInal da bateria e a corrente negativa sai pelo outroterminal e elas colidem na lâmpada. Nada volta para a bateria.

v (g) As baterias contem uma certa quantidade de eletricidade ou eletrons., não existempartíclas elétricas nos fios antes de ligar a chave. Eles fluem para fora da bateria ou datomada.

R. Duit & Ch. von RhöneckAprendizagem e compreensão dos conceitos

chave em eletricidade

ØSignificados cotidianos de corrente.ØEfeito causal linear entre baterias e lâmpadasØConsumo de correnteØRaciocínio local versus sistemaØVoltagem em circuitos fechadosØRaciocínio seqüêncial.ØResistência.ØVer e acreditar: a evidência empírica, a

concepção prévia e a crença.

3

Johannes TveitaNesna University College, Norway, email:

johs.tveita@hinesna.no

• 1) corrente e voltagem são confundidas.• 2) a bateria é a fonte de corrente dos

eletrons. • 3) as lâmpadas e outras resistências

consumem corrrente.• 4) A bateria é um gerador constante de

corrente. A corrente gerada pela bateria éconsiderada ser constante a pesar de outras mudanças acontecerem no circuito.

PACCA ET AL.

4

OS ALUNOS DEMONSTRAM DIFICULDADES NA APRENDIZAGEM DE CONCEITOS DE ELETRICIDADE EM RELAÇÃO À:

I) Desenvolver raciocínio sistêmico:Ø Um tipo de raciocínio linear causal é empregado para explicar o funcionamento dos circuitos

elétricos.

Ø Em circuitos simples a energia da fonte é ´consumida.

Ø Após aprenderem conceitos sobre resistência, a corrente anda numa direção e afeta as componentes do circuito.

Ø O raciocínio linear diferente do raciocínio sistêmico, que é necessário compreender o circuito elétrico como um sistema fechado, em que todos os componentes interagem uns com os outros e qualquer perturbação estende em todas as direções.

Ii) Diferenciação Conceptual :Ø Alunos confundem características da corrente e da energia; Ø A tensão é considerada uma propriedade que mede a "força".

iii) Estabelecer relações fenomenológicas Ø Para os estudantes, não existem características comuns entre a atração / repulsão dos corpos

eletrizados e a iluminação de uma lâmpada eléctrica.

iv) Articular diferentes modelosØ Relações entre vários modelos - qualitativos com os quantitativos, macroscópicos com

mecanismos subjacentes microscópicos.

5

ØConhecer as dificuldades dos alunos pré e pós instrução.

ØLevantamento dos CA Duit/Rhöneck e outros mostram as mesmas idéias.

ØSignificados cotidianos diferentes e são mais próximos da idéia de energia.

ØLembrar que a companhia que distribuía eletricidade no Brasil por anos era a LIGHT e que o primeiro serviço importante para a população foi iluminar...LUZ .

ØAPÓS INSTRUÇÃO PERSISTE A IDÉIA DE ´CONSUMIR´CORRENTE.. MAS ELES VÊEM A PILHA : ´ ACABOU - GASTA´ - FOI EMBORA... .

ØO circuito É VISTO como conjunto de elementos independentes e não como um SISTEMA.

ØAnálise fig 2 (p.3) seria importante utilizar voltímetro e ohmímetro...Seráque falta realmente falar da corrente como um efeito devido à causa de : 1. haver uma fonte de energia que estabelece um d.d.p. e que os que se encontra no circuito modifica como a corrente se estabelece??

Ø Os verbos utilizados estão errados? Haver, ter , existir em vez de ESTABELECER... FORMAR...CONSTITUIR...GERAR

ØCOMO SABER QUE OS ALUNOS INDIFERENCIAM OS CONCEITOS DE corrente e tensão?

REFLEXÕES SOBRE O ARTIGO DUIT (SUSANA)

COMO ESTÃO seqüenciadas NO TEMPO as evidências empíricas e as concepções alternativas ? Quanto de teoria deve se conhecer antes de mostrar o comportamento físico?

p.6-7 O que significa CONVENCER os alunos sobre a leitura do medidor e encontrar que isso não se sustenta???

DIFICULDADES NO ENSINO - NA APRENDIZAGEM...

Co-existência das CA´s com conceitos científicos deve ser aceita?

Há possibilidade de substituição?

FATOR TEMPO E SIGNIFICADOS DO COTIDIANO QUE SÃO ÚTEIS PARA O USUÁRIO E EXPLICAM SUA PERMANÊNCIA

1. Corrente como fluído/ combustível= energia ?

2. O que é a bateria para os alunos? Ou a tomada onde ligamos os aparelhos para que funcionem?

3. Estamos habituados a ver o carro parar quando falta gasolina...

6

Recomendações de Duit e Rhoneck

1. Discriminar fluxo de corrente de fluxo de energia.Sugiro usar a bateria nova e a velha...Com lâmpadas novas idênticas...Sugiro que o aluno conheça a história da bateria e como esta funciona:

volta e galvani...Fazer experiências de eletrolise.

2. Diferenciar corrente e tensão de início: estabelecer significado e uso de linguagem e verbos apropriados deverá ajudar:

Aplicar tensão : CARACTERÍSTICA DA FONTE.Estabelecer uma corrente NUM CIRCUITO FECHADO.Noção de circuito aberto e fechado.Papel da chave QUE LIGA E DESLIGA O CIRCUITO.A função da tomada e da bateria no circuito.

3. O raciocínio localizado numa parte de um circuito é seqüencial, e depende da posição DA COMPONENTE no circuito.

4. É importante definir i. CIRCUITO COMO SISTEMA.ii. IDENTIFICAR AS COMPONENTES DE UM CIRCUITO

Arons (III. Cap 6, p. 167):HÁ PROBLEMAS PARA A COMPREENSÃO DOS

CONCEITOS DA ELETRICIDADE ESTÁTICAAbstração

Ø Evidência : movimento de corposØ Observação de interação a distânciaØ Transferência de energiaØ Forças atrativas e repulsivas

Construção de conceitos abstratos:

Ø cargas elétricas igual/opostaØ corrente elétricaØ diferença de potencialØ intensidade de campoØ Força de Lorentz

... a estrutura conceitual dos conceitos necessários para a compreensão da eletricidade estática estão ainda mais afastados de suas manifestações concretas do que a estrutura conceitual da mecânica.

7

Como compreender?

Os conceitos utilizados paracompreender o que é um circuitoelétrico são abstratos e os estudantesprecisam desenvolver modelosconceituais das relações que existementre quantidades não observáveis:corrente, diferença de potencialresistência, em termos de outrasquantidades não observáveis comoenergia e eletrons.

LEMBRAR QUE É NECESSÁRIO tempo para a assimilação de novas definições operacionais confrontar os alunos com perguntas como:

ØComo sabemos...?

ØPorque acreditamos...?

ØEstabelecer conexões estáveis entre os conceitos e os fenômenos...

Ø ...é importante lembrar e APLICAR, sempre que oportuno, os conceitos da mecânica jáestudados: posição, tempo, velocidade, aceleração, força, massa, momento, energia.

8

TRÊS FORÇAS CONHECIDAS poderiam explicar SEMELHANÇAS E DIFERENÇAS

Ø ELÉTRICAS

ØMAGNÉTICAS

Ø GRAVITACIONAIS

Diferenciação entre força elétrica, magnética e gravitacional (p. 168-69)

PSNS : Physical science for non science studentsEvidenciar existência de alguma coisa que se encontra em todo tipo de

substância: sal, papel, alumínio, vidro, chá, arroz, café, clip, taxinhas, plástico....

1. atritar régua plástica e colocar perto de quantidades muito pequenas desses materiais. Descrever as observações.

2. Colocar um imã perto dos mesmos materiais.

Comparar as duas situações e desenvolver idéias para encontrar explanações que permitam explicar:

1. O que mantém os átomos de um grão de sal coesos?

2. Colocar os números e fazer os cálculos e informações necessárias para poder entender as semelhanças e diferenças dos comportamentos observados.

9

À procura de evidências do tipo de força nos sólidos

A figura ao lado representa um modelo muito simplificado de uma cadeia de átomos de sal (ClNa). Supondo que a última partícula seja um átomo de sódio de massa m ~ 4 x 10-26 kg e peso P = 4 x 10-25 N. Por tanto a força para que esse átomo se mantenha ligado à cadeia acima é

F = 4 x 10-25 N para acima

Conceitos básicos as ser estabelecidoseletricidade por atrito interação elétrica e carga elétrica

• Cargas iguais e opostas• Interação elétrica• Carga: propriedade da matéria• Metais e papel e plástico são diferentes

em relação a mobilidade/transferência da carga

• Condutor • Isolante

10

Experiências eletrostáticas no cotidiano

Arons diz que...SÃO DIFÍCEIS E TEDIOSAS...MAS TÊM QUE SER FEITAS e sugere que sejam solicitadas como dever de casa:

Preparar roteiro programado solicitando que as observações sejam feitas controlando: 1. Materiais utilizados.2. Tamanhos dos objetos.3. Corpo atritado ou sem atrito. 4. Reconhecimento de forças atrativas ou repulsivas.5. etc.,etc.

Observar Cargas iguais e opostas

DIFICULDADESDefinição operacional de cargas do mesmo tipo.Prover evidências da existência de cargas

´opostas´.1. Corpos com a mesma carga exercem forças

repulsivas entre eles.2. Os diferentes estados de carga. 3. Corpos neutros atraem corpos carregados?

11

Convenção arbitrária para distinguir as cargas elétricas POSITIVAS E NEGATIVAS e os pólos magnéticos de um imã: N e S

Compreensão de positivo e negativo de carga através de excesso e defeito.Distinção de duas espécies de eletricidade que atraem e repelem corpos neutros.

Observação dos efeitos de varetas de vidro e enxofre quando atritadas com seda sobre pequenospedaços de papel.• o vidro atritado com seda exerce força de atração sobre papel que é repelido• a enxofre com seda exerce força de atração sobre papel que é repelido

• O papel repelido pelo vidro é atraído pela enxofre.• O papel repelido pela enxofre é atraído pelo vidro

Repetindo a experiência com outros corpos veremos que todos eles dividem-se em dois grupos: uns comportam-se do mesmo modo que o vidro atritado com seda; outros, como o enxofre atritado com seda.

ELETRICIDADE POSITIVAELETRICIDADE NEGATIVA

Os pólos magnéticos : N e S são indissociáveis

AÇÕES SEMELHANTES (atração e repulsão) com sistemas físicos diferentes

Eletricidade positiva e negativa

Observar os efeitos sobre corpos leves [papel [1] e [2] ] exercidos por um bastão de vidro e outro de enxofre após os dois serem atritados com seda.

COMPORTAMENTO

MESMO Bastão de vidro atrai o papel [1] e logo o repele Bastão de enxofre atrai o papel [2] e logo o repele

OPOSTO Bastão de vidro atrai [2] e o bastão de enxofre atrai [1]

CONCLUSÃO: [1] é repelido pelo vidro e atraído pelo enxofre[2] é repelido pelo enxofre e atraído pelo vidro

12

Polarização (ler p. 177)

A importância da evidência experimental que aponta para o papel da carga elétrica na estrutura da matéria.

Aceitar que: 1. A matéria é discreta

2. Existência de cargas diferentes mantém os átomos o e moléculas ligados

3. Faíscas através do ar dão evidência da existência de cargas em sistemas inicialmente neutros (condução)

4. Condução, produção de corpo carregado por atrito ou por indução mostram o grau de mobilidade da carga elétrica nos diversos materiais

5. Comportamento dentro do material neutro das distribuições de carga elétrica.

6. Visualizar deslocamento e separação de carga.

7. Comportamento da carga em condutores e isolantes

8. Eletron é familiar e explica todos os fenômenos: é preciso manter a diferença entre observação e experimentos macroscópicos que não discriminam o tipo de carga.

9. Mostrar que não apenas os eletrons conduzem carga: os gases ionizam e nos eletrólitos a carga se movimenta através de íons positivos e negativos.

Arons, p.179

O ponto de partida apropriado não é o modelo mas o fato observado...e este é a interação entre cargas elétricas e corpos neutros.

A explicação é portanto decorrente da observação e a esse fato chamamos POLARIZAÇÂO. Esse conceito é explicado a posteriori e não a priori...

Levar os alunos a considerar os efeitos análogos nos imãs permanentes.

Mostrar efeito de corpo carregado por atrito sobre diversos materiais.

Mostrar efeito de um imã permanente sobre os mesmos materiaisIdem sobre conjunto de tachinhas

Intensidade da interação eletrostática e das forças de atração gravitacional

13

CARGA POR INDUÇÃO

Ø indução eletrostática ocorre quando um corpo carregado (indutor) é colocado perto de um condutor neutro (induzido). Ø cargas do indutor atraem ou repelem as cargas

negativas do corpo neutro (polarizam).Ø A distribuição de cargas no corpo induzido

mantêm-se na presença do indutor.ØO corpo induzido permanece carregado quando

após ser polarizado é colocado em contato com a terra ou outro corpo neutro antes de afastá-lo do indutor.

Arons (I. Cap.6, p.181 - 182) A lei de Coulomb e a quantificação da carga

Não se deve perder a oportunidade de lembrar aos alunos que, tanto a lei de Coulomb éinduzida, e não derivada ou provada, quanto as leis do movimento de Newton, a lei da gravitação universal e as leis da conservação.

14

A lei de Coulomb• Carga elétrica é imponderável.• É possível medir as forças exercidas entre

corpos carregados numa balança de torção.• Têm vídeos interessantes no LADIF (VHS)

Project Group (# Eletricidade I) ou PSSC (Eric Rogers)

• As leis físicas são conhecidas por indução e não por dedução.

CONSERVAÇÃO DE CARGA

ØFormulada pela primeira vez por Benjamim Franklin (1747).Ø Um corpo neutro tem quantidades iguais de

cargas positivas e negativas. ØQuando um objeto I transfere carga de um dado

sinal para outro objeto II, o objeto I fica carregado com carga de mesmo valor absoluto, mas de sinal contrário. ØEsta hipótese, é considerada a primeira

formulação da lei de conservação de carga elétrica.

15

Intensidade do campo elétrico

ØE = F/qprova

ØArons chama atenção desta expressão ser uma identidade e não uma igualdade.ØE é o nome para denotar a idéia de

campo elétrico no ponto em que a ponta de prova é colocada.ØForça por unidade de carga positiva.ØQuantificação do campo elétrico.ØFazer analogia com campo gravitacional.

Princípio de superposiçãoØ Toda carga pontual numa distribuição de cargas contribui para o valor do

campo elétrico num dado ponto, independentemente das outras cargas presentes.

Ø Os efeitos das cargas são somados para indicar o campo elétrico num dado ponto do espaço.

Ø Dificuldades: (p. 187) quando se superpõe os efeitos de mais de uma distribuição de cargas.

Ø 1.Campo produzido por mais de dois esferas carregadas tratadas como cargas pontuais no centro da esfera é válido quando a interação entre as esferas é desprezível, o campo elétrico é definido pela distribuição final das cargas. O campo total resultante é àquele determinado pela distribuição final estática atingida.

Ø 2. A presença de corpos reais e não somente distribuições de cargas incorpóreas apresenta outra dificuldade : penetração do campo de um corpo no campo de ouutrotravés de um corpo.

Ø 3. Blindagem devida ao cancelamento dos campos é resultado da redistribuição das cargas

16

Interação eletrostática e as leis de Newton

Problema (Arons, 6.10, p. 182)A figura mostra duas esferas uniformemente carregadas, isoladas eletricamente fixas e fixas a um disco que se movimenta livremente sobre uma mesa de ar. Uma das esferas tem carga q = +2,0 x 10-8

C e a outra q´= + 6,0 x 10-8 C. Os discos se movimentam livremente sobre a mesa de ar.Trace os diagramas de força do corpo livre, das esferas e dos discos, mostrando todas as forças que agem sobre cada um dos 4 objetos. Seja cuidadoso quando traça os vetores e escolha uma escala que mostre claramente a intensidade da força que você estárepresentando.

q = +2,0 x 10-8 C q´= + 6,0 x 10-8 C

+ ++ + ++

++

Resultados observados por Arons com 40 estudantesuniversitários após ter aprovado um curso universitário de Física Introdutória com cálculo.

i. 65% mostram a força elétrica numa esferacomo sendo 3 vezes maior que a outra.

i. 85% não mostram a interação horizontal entre as esferas e os discos.

i. 60% erram em algumas das forças verticais.