PROPOSTA DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS EM FÍSICA TÉRMICA PARA O ENSINO MÉDIO COM A UTILIZAÇÃO DO SISTEMA CBL

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## PROPOSTA DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS EM FÍSICA TÉRMICA PARA O ENSINO MÉDIO COM A UTILIZAÇÃO DO SISTEMA CBL 1

Denise Borges Sias [denise@cefetrs.tche.br] a Rejane Maria Ribeiro Teixeira b [rejane@if.ufrgs.br] a Mestrado Profissionalizante em Ensino de Fisica, Instituto de Física, UFRGS e CEFET-RS b Instituto de Física, UFRGS

## RESUMO

Neste trabalho é apresentada uma proposta de utilização do sistema CBL (Calculator Based Laboratory) no ensino de Física de nível médio. Inicialmente é analisada a importância da aquisição automática de dados no laboratório de Física. A seguir, é feita uma breve descrição a respeito desse projeto e após são relatados dois exemplos de atividades experimentais em Física Térmica. Finalizando, são feitas algumas considerações a respeito da utilização desses dispositivos.

## INTRODUÇÃO

É fato conhecido que o Ensino de Física passa por dificuldades: o aluno não relaciona a Física que lhe é apresentada na sala de aula com o seu dia-a-dia, muitas vezes associa a disciplina a um tipo de "matemática mais complicada", não consegue alcançar o nível de abstração necessário e isso é refletido no resultado obtido nas avaliações, onde o número de reprovações costuma ser significativo. Ao professor de Física cabe a tarefa de identificar e combater as dificuldades de seus alunos, buscando proporcionar a estes experiências de aprendizagem eficazes atualizando, tanto quanto possível, os instrumentos pedagógicos que utiliza. Uma das maneiras de tentar amenizar as dificuldades encontradas no ensino de ciências é através de aulas de laboratório. Porém, deve-se considerar algumas críticas feitas às atividades práticas no ensino de ciências. Dentre elas, o fato dos estudantes dedicarem-se pouco à análise e interpretação dos resultados devido a que quase todo tempo disponível é consumido, na maioria das vezes, em atividades de coleta de dados e cálculos para obter respostas esperadas [1].

Na busca por um laboratório mais eficiente para o ensino de Física a utilização da aquisição automática de dados pode, sem dúvida, contribuir muito. Neste caso, através da utilização de sensores e de softwares apropriados o aluno pode medir em tempo real grandezas como temperatura, pressão, força, velocidade, aceleração. Os resultados, neste caso, lhe são apresentados já em forma de gráficos e tabelas, liberando-o do trabalho maçante, deixando mais tempo para dedicar-se à exploração e entendimento do fenômeno físico envolvido. A utilização dessas ferramentas pode vir a propiciar o desenvolvimento de competências e habilidades em Física requeridas pelos PCNEM e PCNs+ [2].

## APRESENTAÇÃO DA PROPOSTA

Neste artigo são propostas duas atividades experimentais que envolvem a aquisição automática de dados, mais especificamente através do uso de sistemas como CBL [3]. Este sistema é um dispositivo portátil de coleta de dados em tempo real. Neste caso, os dados recolhidos através de sensores 2 adequados podem ser recuperados e analisados através de calculadoras gráficas, existindo também a possibilidade de conectar a calculadora ao microcomputador para, então,

trabalhar os dados coletados. Um trabalho completo, com uma abordagem mais ampla, está sendo desenvolvido no projeto de dissertação [4] do Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física (Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, Instituto de Física, UFRGS) e será aplicado em turmas do ensino médio do Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas (CEFET-RS), durante o primeiro semestre letivo do ano de 2005. Pretende-se, através deste projeto, verificar a relevância do uso destes dispositivos na aprendizagem de Física no ensino médio, assim como elaborar materiais que orientem tanto o professor, quanto o aluno, em atividades experimentais em Física Térmica.

Certamente, em qualquer trabalho dedicado ao ensino é muito importante a adoção de referenciais teóricos. A abordagem que pretende-se dar neste trabalho pode ser evidenciada pelos referenciais adotados: a teoria da aprendizagem significativa, de David Ausubel e a teoria da interação social, de Vygotsky. Entende-se que a busca de uma aprendizagem realmente significativa em Física pode ser auxiliada, sem dúvida, pela prática de laboratório, pois, através dela pode ser facilitado ao aluno o entendimento de conceitos, incentivando uma postura menos passiva por parte deste. Para que o laboratório esteja realmente voltado para a construção de uma aprendizagem significativa é necessário dar uma ênfase maior na discussão do fenômeno envolvido, procurando estabelecer um confronto entre as conclusões decorrentes das leis físicas envolvidas e as concepções alternativas do aluno [5]. A teoria de aprendizagem de Vygotsky enfatiza a interação social através da troca de significados como condição principal para a aprendizagem. Desta forma, a aprendizagem não resulta da atividade em si (seja ela teórica ou experimental), mas de interações sociais decorrentes destas atividades. Através deste pensamento entende-se que atividades experimentais possuem um potencial muito maior para este tipo de interação do que atividades teóricas [6].

Aqui são apresentados apenas dois exemplos dos vários experimentos que se pretende utilizar. Todo o material elaborado, tanto aquele a ser distribuído aos alunos com orientações sobre as atividades, como os textos de apoio para os professores, será disponibilizado na Web [7].

## EXEMPLOS DE EXPERIMENTOS

Dois exemplos de atividades experimentais envolvendo o estudo das transformações isotérmica e isovolumétrica em gases são relatadas nesta seção.

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Figura 1: Fotografia da montagem experimental usada para medidas de pressão na transformação isotérmica (a), e de pressão e temperatura na transformação isométrica (b).

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No primeiro experimento utiliza-se uma seringa conectada ao sensor destinado a medidas de pressão em gases, conforme ilustrado na Fig. 1.a. O experimento, de fácil realização, envolveu coleta de valores da pressão para diferentes volumes de ar obtidos através do movimento do êmbolo da seringa, o qual foi reduzido de um volume inicial de 20cm até um volume de 10cm . Foram 3 3 coletados os valores da pressão correspondentes a cada valor do volume de ar reduzido de 2 em

2cm 3 . O gráfico da pressão versus volume obtido é mostrado na Fig. 2.a, onde a pressão é medida em kPa e o volume, em cm . Além de coletar os dados, a calculadora gráfica disponibiliza, no 3 mesmo programa, a possibilidade de diferentes ajustes, podendo-se verificar a relação entre os dados coletados e a função matemática usada para descrever o fenômeno físico envolvido. A Fig. 2.b mostra o ajuste obtido para os resultados deste experimento, quando foi escolhida a função potência, resultando P= A.V , com A=1646,241104 e B= -0,9206992884, verificando a relação B esperada entre as variáveis termodinâmicas pressão e volume.

Figura 2: (a) gráfico da pressão versus o volume de ar na seringa; em (b) é mostrado o ajuste da curva apresentada em (a).

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(b)

No segundo experimento o objetivo é levar o aluno a analisar o comportamento da pressão e da temperatura de um gás mantido a volume constante. Dessa forma foi utilizado além do sensor para medida de pressão em gases, um sensor de temperatura. A montagem do experimento é mostrada na Fig. 1.b.

Figura 3: Os gráficos obtidos com uma planilha eletrônica são apresentados em: (a) curva de resfriamento da água (gráfico da temperatura absoluta versus tempo); em (b) o gráfico da pressão versus tempo e em (c) o gráfico da pressão versus temperatura acompanhado de seu ajuste (linha).

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O sensor de pressão é acoplado a um erlenmeyer de forma a manter-se um volume de ar constante no seu interior. Esse recipiente, juntamente com um termômetro, foi submerso em um béquer contendo água aquecida. Aguardaram-se alguns minutos para que o ar no interior do erlenmeyer, inicialmente à temperatura ambiente, entrasse em equilíbrio térmico com a água do béquer para, então, ser iniciada a coleta de dados do processo de resfriamento do sistema. Conforme esperado, uma diminuição da temperatura do ar no interior do recipiente é acompanhada de uma diminuição da pressão do mesmo. Em sala de aula, pode-se optar por começar a coletar os dados logo após a montagem do experimento, enriquecendo ainda mais as discussões. Neste caso, no início têm-se uma diminuição da temperatura da água do béquer acompanhada de um aumento de pressão no interior do erlenmeyer até que o ar no seu interior entre em equilíbrio térmico com a água. Este aumento de pressão é esperado, pois no início o ar no interior do erlenmeyer sofre um aquecimento. Neste experimento opta-se por analisar os dados em um microcomputador através de uma planilha eletrônica. Os três gráficos referentes a este experimento são apresentados na Fig. 3. Na Fig.3.a é mostrada a curva de resfriamento através do gráfico da temperatura da água versus tempo. No segundo gráfico (Fig. 3.b) é mostrada a pressão do ar versus tempo. E, finalmente, na

Fig. 3.c, é apresentado o gráfico (acompanhado do respectivo ajuste) da pressão do ar versus a temperatura da água. Neste caso o ajuste foi linear através da equação P = 0,4314 T - 27,286. Neste caso considera-se que a temperatura do ar no interior do erlenmeyer varia da mesma forma que a temperatura da água no béquer. Pode-se verificar, através da boa concordância apresentada pelo ajuste linear escolhido para o gráfico (Fig. 3.c), ser esta uma aproximação razoável.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

Analisando-se os dois experimentos relatados espera-se que o uso do sistema CBL possa contribuir para o ensino de Física. Devido à facilidade de manipulação e acessibilidade aos dados obtidos em tempo real, o estudo dos fenômenos físicos pode ter um maior significado para os alunos, tornando-se uma forma mais atrativa de aprender Física. Neste caso não se pretende em momento algum que o aluno seja levado a uma "redescoberta" das Leis da Física, mas sim utilizar o experimento realizado para provocar discussões a respeito do fenômeno envolvido. Mesmo resultados o btidos que divergirem do esperado podem ser motivo para se aprofundar uma discussão das possíveis variáveis que estariam afetando as medidas. Outro fator importante é que na realização desses experimentos pelos alunos não é necessário um grande número de e xemplares do sistema CBL, já que é possível, através de conexão entre a calculadora gráfica e o microcomputador, transferir os dados coletados para posterior análise com programas de fácil acesso como, por exemplo, planilhas eletrônicas.

Existe uma variedade de outras experiências em Física Térmica, além das aqui citadas, nas quais se podem utilizar estes dispositivos, entre elas: experimentos envolvendo medidas de calor específico de líquidos e sólidos, análise do comportamento da temperatura em uma transição de fase, medidas de pressão de vapor de líquidos e análise da condutividade térmica do ar.

## REFERÊNCIAS

- [1] BORGES, A. T. Novos Rumos para o Laboratório Escolar de Ciências, Cad. Bras. Ens. Fís ., Florianópolis, v. 19, n. 3, p. 291-313, Dez. 2002.
- [2] BRASIL. Ministério da Educação, Secretaria de Educação Media e Tecnológica:. (a) Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio. Brasília. MEC. 1999 e (b) PCNs+ Ensino Médio : orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília. MEC. 2002.
- [3] TEXAS INSTRUMENTS, Introdução ao CBL2. Dalas: Texas Instruments Incorporated, 2000, 88p.; BRUENINGSEN, C. et al. Real-World Math with the CBL System: Activities for the TI-83 and TI-83 Plus. Dalas: Texas Instruments Incorporated, 1999, 200p .
- [4] SIAS, D. B. Atividades Experimentais em Física Térmica para o Ensino Médio com a Utilização do Sistema CBL (Calculator Based Laboratory) . 10f. Projeto de Dissertação (Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física) -Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004.
- [5] MOREIRA, M. A. Teorias de Aprendizagem . São Paulo: EPU, 1999, p. 151-164.
- [6] GASPAR, A. Experiências de Ciências . São Paulo: Editora Ática, 2003, p. 24-26.
- [7] SIAS, D. B. Física Térmica . Disponível em http://cref.if.ufrgs.br/~denise Acesso em: 10 set. 2004.