OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSENA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE

Produções Didático-Pedagógicas

Versão Online ISBN 978-85-8015-079-7Cadernos PDE

II

Título: O uso de simuladores como recurso didático para aprendizagem de

Circuitos Elétricos.

Autor: José Vicente Zenf

Disciplina/Área: Física

Escola de Implementação do Projeto e sua localização:

Centro Estadual de Educação Profissional Professora Maria do Rosário Castaldi - Ensino Médio, Integrado e Subsequente

Av. Arthur Thomas, 1181 – Jd. Jamaica – C.E.P. 86065-000 – Londrina – PR

Município da escola: Londrina – PR

Núcleo Regional de Educação:

Londrina – PR

Professor Orientador: Dr. Marcelo Alves de Carvalho

Instituição de Ensino Superior:

Universidade Estadual de Londrina – UEL

Resumo:

O ensino da eletrodinâmica da Física tem mostrado vários problemas nas didáticas aplicadas. Quando não há experimentação, o conteúdo é bastante abstrato para os alunos e na maioria das vezes é apresentada de maneira monótona. Este trabalho propõe uma alternativa didática que visa tornar a relação ensino e aprendizagem mais próxima da realidade do aluno, usando o simulador do projeto PhET (Physics Educational Technology). Esse simulador está disponível na internet, pode ser usado também off-line e tem um grande potencial de tornar as aulas mais dinâmicas e interativas. A interatividade proporcionada pela lousa digital na sala de aula pode tornar a relação do aprender e do ensinar muito mais agradável e principalmente significativa para o aluno.

Palavras-chave: Circuitos Elétricos; Simuladores; Eletrodinâmica; Ensino de Física ; Lei de Ohm

Formato do Material Didático:

Unidade Didática

Público:

Alunos da 3ª Série do Ensino Médio.

Introdução

A Unidade Didática, a partir do simulador do projeto PhET (Physics

Educational Technology), tem por finalidade apresentar de forma clara o

funcionamento e a utilização dos simuladores como recurso didático para uma

aprendizagem significativa de Circuitos Elétricos, conteúdo este que faz parte da

Eletrodinâmica.

Para isso, diversas estratégias integradas ao simulador de circuitos e à

lousa digital foram utilizadas nesta unidade didática, com o objetivo de favorecer a

interatividade e uma aprendizagem significativa dos conteúdos. Dessa maneira é

possível valorizar o papel do aluno no processo de construção de aprendizagens

significativas (MOREIRA, 2006).

Acredita-se que se aplicadas já no início dos conceitos da

eletrodinâmica e após o estudo da Eletrostática, melhorará os resultados na

aprendizagem. Dessa maneira, os conteúdos apresentados serão desenvolvidos

com alunos do 3º ano do ensino médio.

Em geral, os livros didáticos de física adotados pelos professores e

pelas escolas apresentam o ensino da eletrodinâmica associados a experimentos e

muito raramente explanam sobre o uso do simulador. É relevante falar que os

experimentos demandam tempo, dinheiro, habilidade do professor com o manuseio

de ferramentas e conhecimento dos riscos inerentes aos experimentos relacionados

a eletricidade. Além disso, é importante ter consciência da falta de simuladores nos

livros didáticos e associar a facilidade do uso do simulador com a facilidade dos

alunos em manusear programas de computador.

Refletindo sobre todas essas questões foi criada e elaborada essa

Unidade Didática, para servir como um instrumento para a práxis pedagógica nas

aulas de Física.

Objetivos Gerais

Utilizar os simuladores disponíveis na internet, para o ensino da

eletrodinâmica, como meio de auxiliar as construções de novos saberes científicos e

maior aprofundamento cognitivo.

Objetivos Específicos

Tornar o discurso e as ideias científicas mais integradas e significativas; Promover situações que favoreçam uma aprendizagem mais eficaz dos

conceitos científicos relacionados à Eletrodinâmica, Lei de Ohm e circuitos

elétricos; Interpretar o brilho de lâmpadas e relacioná-la com a corrente elétrica; Identificar a corrente elétrica que circula na lâmpada, o resistor, a

resistividade e a fonte de tensão; Compreender os conceitos de resistência e resistividade;

Diferenciar circuito em série e circuito em paralelo;

Integrar o simulador de circuitos elétricos aos diferentes modos de

representar os conceitos.

Conteúdo

PRIMEIRA LEI DE OHM;

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES.

Desenvolvimento

AULAS: 1 e 2

Primeira Lei de Ohm

Nestas aulas será apresentado o projeto de Intervenção Pedagógica

aos alunos do 3º ano do Ensino Médio, bem como seus objetivos gerais e

específicos para que eles tomem conhecimento do que será desenvolvido e

trabalhado em sala de aula. Partindo desse pressuposto, e tendo como objetivo

explanar, nesta aula, acerca da 1ª Lei de Ohm, será discutido e debatido com os

alunos alguns experimentos com eletricidade do Físico alemão Georg Simon Ohm (

1787-1854). É interessante, você professor, comentar que a intensidade da corrente

elétrica que atravessa um condutor é diretamente proporcional a diferença de

potencial e, inversamente proporcional à sua resistência elétrica.

Ohm, em seus

experimentos percebeu que à

medida que aumentava a tensão

elétrica aplicada em um circuito a

corrente elétrica mantinha uma

proporcionalidade.

Em seguida, apresente a figura 1 que representa a relação de

proporcionalidade entre tensão e corrente obtida de acordo com a primeira Lei de

Ohm.

R E SI STÊ N CI A E LÉT RI CA

O valor matemát ico da res i stênc ia e lét r i ca é obtido

pe la d iv i são entre a tensão e lét r i ca e a corrente

e lét r i ca.

Figura 1 – Gráfico Tensão versus Corrente

Comentar que, quando George Ohm transformou seus dados

experimentais em uma reta, ele estava propondo a chamada PRIMEIRA LEI DE

OHM. A resistência elétrica tem uma relação com as forças de choque que atuam

nos elétrons em movimento no material condutor. Um condutor é chamado de

ôhmico quando a sua resistência permanece constante com a variação da tensão

elétrica nele aplicada. Então, a tensão elétrica aplicada é proporcional à corrente

elétrica.

AULA 2 - Apresentação do simulador Phet

Nesta aula, será apresentado aos alunos o Simulador do Projeto PhET

(Physics Educational Technology) disponível no site:

https://phet.colorado.edu/pt_BR/ e do kit de construção de circuitos elétricos DC, da

Universidade de Colorado. Após acessar o site, o aluno deverá clicar no botão azul

“entre aqui e simule”, conforme figura 2:

Figura 2 - Página de abertura do simulador interativo PhET Fonte: Disponível em < http://phet.colorado.edu/pt_BR/>

Na sequência informar que eles visualizarão um índice de simulações

na coluna da sua esquerda, conforme figura 3:

Figura 3 - Índice das simulações interativas do PhET Fonte: Disponível em < http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations>

Ressaltar que o objetivo da aula é simular circuitos elétricos, assim,

deverão clicar inicialmente em “Física” e depois em “Eletricidade, Imã & Circuitos,

como é apontado na figura 4:

Figura 4 – Simulações Interativas do PhET / Física / Eletricidade, Imãs & Circuitos Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulations/category/physics/electricity-magnets-and-circuits>

Na sequência demonstrar para os alunos as duas maneiras de

utilização do simulador “kit de Construção de Circuitos (DC)”. É importante destacar

para o aluno que o simulador pode ser utilizado tanto de forma online quanto off-line.

Desse modo, basta clicar diretamente no simulador sem ter que baixar o mesmo em

seu computador. Caso queira utilizar off-line, basta clicar em “copiar” em seu

computador, assim terá uma cópia do simulador.

Clicar no ícone correspondente ao “kit de Construção de Circuitos

(DC)” na figura 5.

Figura 5 – Página de apresentação do início do Kit de Construção de Circuito (DC) Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>

Ao clicar no botão ou ícone do “Kit de Construção de Circuitos (DC)”,

figura 6, o sistema irá preparar o seu computador para que o simulador seja aberto,

verificando a instalação do Software Java e também pedindo autorização para

instalar em seu computador.

Figura 6 - Ícone ou botão do Kit de Construção de circuito (DC) Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>

É importante mencionar aos alunos que o simulador abre tão somente

com o software Java e que no canto inferior esquerdo terá um pedido de autorização

para manter o arquivo “circuit-construction-kit-dc_pt_BR.jnlp”. No lado direito ao

pedido, conforme figura 7, aparecerá uma barra que consta a palavra “manter”,

assim basta clicar uma única vez e ao clicar, imediatamente, abrirá o arquivo a ser

executado (figura 8).

Figura 7 – Barra de download – Arquivo não baixado

Figura 8 - Barra de download - Arquivo pronto para execução

Após a execução do software Java e do simulador do PhET aparecerá

uma área de trabalho em azul e uma caixa de comandos à direita, uma sacola de

surpresa e uma coluna de componentes, como fio, resistor bateria etc., como

aparece, por exemplo na demonstração apresentada na figura 9:

Figura 9 – Pagina de abertura do Simulador Interativo – Kit de Construção de Circuito (DC) (3.20) Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>

Na figura 10, é apresentado uma breve descrição sobre cada item da

barra de menu.

Circuito: é possível salvar e abrir um circuito por esse simulador Visual: é possível uma visão mais realista ou esquemática e ainda mostrar ou não valores dos componentes Ferramentas: São ferramentas para medição.

Voltímetro: temos um voltímetro na área de trabalho; Amperímetro: temos um amperímetro na barra de componentes e podemos ter vários, de acordo com a necessidade; Amperímetro sem contato: Este não é necessário conectar em série, só arrastar e colocar sobre o fio ou componente que deseja medir. Tamanho: é a forma de apresentação da área de trabalho Avançado: altera a resistividade do fio e pode ocultar representação dos elétroens Reiniciar tudo? : utilizado para apagar a área de trabalho inteira; Ajuda: apresenta balões nos componentes para indicar algumas

possibilidades

Figura 10 – Ferramentas e Instrumentos

Na sequência, a figura 11 mostra alguns dos componentes disponíveis.

Os componentes apresentam conexões em suas extremidades

Fio: pode alterar a resistividade do mesmo na opção avançado

Resistor: o valor de cada um é de 10 Ohm;

Bateria: o valor é de 9 volts

Lâmpada: o valor é de 10 Ohm

Interruptor: clicar e arrastar até fechar e para abrir clicar e

arrastar;

Amperímetro: é um Instrumento de medida que deve ser

colocado em sério no circuito. Obs. Ele só estará nesta barra,

caso esteja marcado na caixa de comandos

Figura 11 – Lista de componentes.

Além do resistor apresentado no quadro de componentes, poderá ser

usado outro resistor da Sacola de Surpresa que está apresentado na figura a seguir:

Figura 12 – Componentes com resistências diferentes

Aula 3 e 4 – Demonstração

O objetivo desta aula é retomar conceitos da primeira lei de ohm e

informar aos alunos que devem acompanhar pelo projetor multimídia a construção

de um circuito simples no simulador do kit de Construção de Circuito (DC). Esse

aplicativo permite montar circuitos contendo lâmpadas, baterias e também

medidores de tensão e corrente elétrica. Para que a aula se torne mais dinâmica é

essencial convidar um aluno para selecionar os componentes adequados para o

circuito, como por exemplo: uma bateria, uma lâmpada, os fios condutores e os

medidores. Em seguida, informar que ele deverá clicar e arrastar os componentes

selecionados para a área de trabalho azul. Segue exemplo, como apresentado na

figura 13:

Figura 13 - Componentes e ferramentas para medição de um circuito.

Fonte: Adaptado de PhET , disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>

Em seguida, solicitar ao aluno para clicar e arrastar nas extremidades

(alças pontilhadas) dos elementos inseridos na área de trabalho visando montar o

circuito com uma bateria, uma lâmpada e fios condutores.

Na figura 14, apresentamos um exemplo de montagem de um circuito:

Figura 14 - Sequência de circuitos simples Fonte: Adaptado de PhET, disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-

dc>

Seguindo a sequência dos circuitos apresentados na figura 14,

comente que na primeira montagem a lâmpada foi ligada com uma bateria e fios

condutores, a fim de observar o fluxo de elétrons e o brilho da lâmpada. Na

sequência, foi acrescentado o amperímetro com a finalidade de medir o fluxo de

elétrons, em seguida foi acrescentado o voltímetro para medir a tensão elétrica no

circuito.

Destacar que amperímetro deve ser inserido no circuito em série,

enquanto o voltímetro deve ser inserido em paralelo.

Posteriormente, convidar outro aluno para selecionar outros elementos

disponíveis dentro do retângulo branco, arrastar para a área de trabalho azul e

montar um novo circuito, como o descrito na figura 15, por exemplo.

Figura 15 - Circuito simples no Kit de Construção de Circuito (DC) Fonte: Adaptado de PhET . Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-

dc>

Após a construção e a realização do circuito feita por um aluno e com a

participação dos demais, solicitar a um terceiro aluno que altere o valor da tensão da

bateria. Em seguida, solicitar aos demais que anotem em uma tabela o valor da

tensão obtida por meio do multímetro, o valor da corrente mostrado no amperímetro

e a partir desses valores calcular o valor da resistência da lâmpada e, ainda, solicitar

para que os alunos interpretarem o brilho da lâmpada.

Calculando matematicamente a resistência de um material:

Apresente estas tabelas para seus alunos e oriente-os para que as

completem, utilizando a primeira lei de Ohm. Ao final, eles deverão verificar se

possui caráter ôhmico.

Tabela 1: Dados coletados do circuito simples.

Tensão (Volts)

Corrente (Ampére)

Resistência (Ohm)

Brilho observado na Lâmpada.

Valor inicial 9,00 0,9 médio

1ª medição

2ª medição

3ª medição

4ª medição

5ª medição

Solicitar aos alunos que representem graficamente os valores obtidos

da tensão versus corrente elétrica.

Figura 16 - Coordenadas de Tensão versus Corrente para construção do gráfico.

Solicitar aos alunos que verifiquem se o gráfico formou uma linha reta e

comentem sobre o valor constante que foi observado por Georg Simon Ohm, para

este resultado lembrar que é a característica de um resistor ôhmico.

AULA 5 E 6

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE NO CIRCUITO ELÉTRICO

Iniciar a aula apresentando as propriedades da associação em série:

Na sequência solicitar a um aluno para montar um circuito com dois

resistores em série, como mostra na figura 17. Durante a montagem, e antes de

concluir, questionar os alunos, quanto ao brilho das lâmpadas e também, quanto à

corrente elétrica.

Figura 17 - Circuito com duas lâmpadas em série Fonte: Adaptado de PhET . Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-

dc>

Após ouvir a resposta dos alunos, medir com os instrumentos do

simulador a tensão em cada lâmpada e a corrente elétrica com o amperímetro sem

contato e anotar na tabela 2.

Solicitar que um aluno altere o valor da resistência de uma das

lâmpadas, a qual será chamada de L1. Para isso, deve clicar com o botão direito do

• A corrente elétrica é constante em todos os

resistores (lâmpadas) • A tensão elétrica total é igual soma das tensões • A tensão elétrica em cada resistor é diretamente proporcional a sua resistência elétrica • A soma dos resistores em série é igual a um resistor equivalente. • A potência elétrica dissipada em cada resistor é diretamente proporcional a sua resistência elétrica.

mouse sobre uma das lâmpadas, onde abrirá uma caixa de diálogo, clicar em alterar

resistência. Solicitar ao aluno que altere para o valor sugerido na tabela 2.

Novamente questionar os alunos sobre o que se observa, quanto ao

brilho da lâmpada e também quanto a corrente elétrica. Sempre anotar os valores

medidos na tabela 2.

Repetir o procedimento até o preenchimento da tabela.

Tabela 2: Dados coletados do circuito em série.

R1 (Ohm) L1

R2 (Ohm) L2

U1 (Volt) U2 (Volt) I1 (A) I2 (A)

1ª medida 10 10

2ª medida 5 10

3ª medida 5 15

4ª medida 2 20

AULA 7 E 8

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO NO CIRCUITO ELÉTRICO

Iniciar a aula revisando as propriedades de uma associação de

resistores em série e enfatizar a diferença das propriedades de uma associação em

paralelo:

Na sequência solicitar a um aluno para montar um circuito com dois

resistores em paralelo, como mostra na figura 18. Durante a montagem, e antes de

• A corrente elétrica total é a soma da corrente elétrica em cada resistor • A tensão elétrica é igual em todos os resistores. • A Corrente elétrica em cada resistor é inversamente proporcional a sua resistência elétrica • A resistência equivalente (Req) é dada pela seguinte equação: 1/Req = 1/ R1 + 1/ R2 + ...1/ Rn • A potência elétrica dissipada em cada resistor é inversamente proporcional a sua resistência elétrica.

concluir, questionar os alunos, quanto ao brilho das lâmpadas e também, quanto à

corrente elétrica.

Figura 18 - Circuito com duas lâmpadas em paralelo Fonte: Adaptado de PhET . Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-

dc>

Após ouvir a resposta dos alunos, medir com os instrumentos do

simulador a tensão em cada lâmpada e a corrente elétrica com o amperímetro sem

contato e anotar na tabela 3.

Solicitar que um aluno altere o valor da resistência de uma das

lâmpadas, a qual será chamada de L1. Para isso, deve clicar com o botão direito do

mouse sobre uma das lâmpadas, onde abrirá uma caixa de diálogo, clicar em alterar

resistência. Solicitar ao aluno que altere para o valor sugerido na tabela 3.

Novamente questionar os alunos sobre o que é observado, quanto ao

brilho da lâmpada, e a corrente elétrica. Anotar os valores medidos na tabela 3.

Repetir o procedimento até o preenchimento completo da tabela 3.

Tabela 3: Dados coletados do circuito em paralelo.

R1 (Ohm) L1

R2 (Ohm) L2

U1 (Volt) U2 (Volt) I1 (A) I2 (A)

1ª medida 10 10

2ª medida 5 10

3ª medida 5 15

4ª medida 2 20

Avaliação

Inicialmente é preciso considerar a avaliação como um instrumento a

partir do qual o professor identifica e analisa a evolução, o rendimento e as

modificações do educando, confirmando ou não a construção do conhecimento. A

partir desta perspectiva, a sugestão é avaliar os alunos por meio da participação em

sala de aula e, também, com a entrega de um relatório escrito, contendo as tabelas

preenchidas durante a aula, além das conclusões obtidas em cada atividade

realizada. Assim, será possível perceber se a intervenção e/ou a aula atingiu seus

objetivos de forma satisfatória e producente.

Referências

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; Walker, Jearl. Fundamentos de Física: v.1 - Mecânica. 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

MOREIRA, M. A. Mapas conceituais e Diagramas V. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2006. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/~moreira/Livro_Mapas_conceituais_e_Diagramas_V_COMPLETO.pdf>. Acesso em: 17 mar. 2015.

PARANÁ, Secretaria de Estado da Educação. Diretrizes Curriculares de Física

para a Educação Básica. Curitiba: SEED, 2008.

Projeto PhET, Physics Educational Technology. Disponível em

<https://phet.colorado.edu/pt_BR/.> Acesso em 21 mar 2015.