IMPLEMENTAÇÃO DE UM CURSO DE LABORATÓRIO DE FÍSICA GERAL III (ELETRICIDADE E MAGNETISMO) BASEADO EM INVESTIGAÇÃO

## IMPLEMENTAÇÃO DE UM CURSO DE LABORATÓRIO DE FÍSICA GERAL III (ELETRICIDADE E MAGNETISMO) BASEADO EM INVESTIGAÇÃO

Gláucia G. G. Costa , Edson V. Roberto , Rui C.Pietronero , Tomaz Catunda 1 2 3 4

1 Escola Estadual Prof. José Juliano Neto, gggcosta@gmail.com.br

2 Escola Estadual São Judas Tadeu, edsontaccari@yahoo.com.br

3 Instituto de Física de São Carlos/USP, pcr1304@ifsc.usp.br

4 Instituto de Física de São Carlos/USP, tomaz@ifsc.usp.br

## Resumo

Este trabalho descreve as modificações introduzidas nos roteiros experimentais do curso de Laboratório de Física Geral III - Eletricidade e Magnetismo, oferecido aos alunos de Química, Computação e Engenharia Mecânica pelo Instituto de Física de São Carlos (USP). Estas modificações foram motivadas por uma pesquisa (COSTA; CATUNDA, 2009), feita com 286 estudantes de quatro Universidades Públicas, usando um teste sobre circuitos elétricos simples com baterias e lâmpadas. Nesta pesquisa observamos que apenas 13% dos estudantes mostraram ter adquirido o conhecimento conceitual suficiente para poderem analisar circuitos simples que não requerem cálculos. Desta forma, concluímos que a maior parte dos estudantes que cursam Física Introdutória não apresenta uma aprendizagem significativa, embora consigam resolver problemas tradicionais. Assim, com o intuito de melhorar esse quadro, os roteiros experimentais foram alterados, introduzindo experimentos baseados em investigação, onde os alunos são requisitados a todo o momento a confrontarem suas concepções prévias com a observação dos fenômenos físicos que se apresentam. Os estudantes trabalham circuitos com resistores, capacitores, indutores, ímãs, etc., desenvolvendo definições operacionais para termos técnicos, construindo modelos físicos relevantes e aplicando estes modelos a novas situações para testar suas previsões. A discussão permeia todo o trabalho, pois inicialmente eles fazem previsões, discutem estas previsões com seus pares (às vezes também com os instrutores) realizam os experimentos, observam, e se necessário reavaliam suas previsões. Geralmente, os experimentos qualitativos são realizados antes de medidas e análises quantitativas. No final de cada prática, os roteiros contêm exercícios conceituais e tradicionais. Nós observamos que, com este tipo de abordagem, os estudantes parecem estar mais dispostos a ter responsabilidade com sua própria aprendizagem, resultando em uma compreensão mais sólida dos conceitos. Em 2009 comparamos os resultados do pré-teste com um pós-teste e observamos um aumento de 13 para 47% no aproveitamento dos alunos.

Palavras-chave : Circuitos Elétricos, Eletromagnetismo, experimentos investigativos, eletricidade, laboratório

## Introdução

Muitos são os trabalhos, na literatura, que mostram que os estudantes saem do curso de física introdutória com um entendimento conceitual deficiente (McDERMOTT; REDISH, 1999; McDERMOTT; SHAFFER, 1992; SHAFFER; McDERMOTT, 1992). Mas também, observa-se que muitos são os esforços realizados procurando entender as causas destas dificuldades bem como encontrar as soluções possíveis (McDERMOTT, 1996; McDERMOTT, 1998; LAWS, 1997).

A 'American Association of Physics Teachers' (AAPT) elaborou um documento para auxiliar os professores na tarefa de planejar seus cursos

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

introdutórios de Laboratório de Física (AAPT, 1997). Segundo este documento, os objetivos do curso devem ser:

- I. A arte da experimentação : O laboratório introdutório deve engajar todo estudante em experiências significativas com processos experimentais, incluindo alguma experiência em projetar experimentos.
- II. Habilidades experimentais e de análise : O laboratório deve ajudar os estudante a desenvolver uma séria de habilidades básicas e ferramentas da experimentação e análise de dados.
- III. Aprendizagem conceitual : O laboratório deve ajudar os estudantes dominar os conceitos básicos da Física.
- IV. Compreensão da base do conhecimento da Física : O laboratório para ajudar a estudantes compreender o papel da observação direta em Física e o distinguir a diferença entre as inferências baseados na teoria e os resultados experimentais.
- V. Desenvolver Habilidades de aprendizagem Colaborativa : O laboratório deve ajudar o estudante a desenvolver as habilidades de aprendizagem colaborativa que serão vitais a toda sua vida profissional. (AAPT, 1997)

A parte de experimentação e análise (itens I e II da lista acima) é abordada no Instituto de Física de São Carlos (IFSC) nos cursos de laboratório. Por exemplo, o curso de Laboratório de Física Geral I começa com uma prática específica sobre análise de erros. Assim, vamos comentar mais sobre os problemas relacionados à aprendizagem conceitual e o significado do método científico (itens III e IV), visto que nossa vivência nos mostra que a maioria dos estudantes tem grande dificuldade em discernir o que pode ser inferido de uma observação experimental de um resultado esperado. Em vista a isso, de 2006 a 2008 (COSTA; CATUNDA, 2009), realizamos um estudo sistemático com diversas instituições universitárias públicas, através de uma questão conceitual (Anexo 1) sobre Circuitos Elétricos Simples, similar à aplicada por McDermott (McDERMOTT, 1991) e seu grupo. Aplicamos somente como pós-teste, para verificar como nossos estudantes estavam saindo de seus cursos de física básica - Eletricidade e Magnetismo. Este tópico foi escolhido, visto que tem seu desenvolvimento iniciado no ensino médio e posteriormente é retomado nos cursos de terceiro grau, tanto no bacharelado, quanto na licenciatura, bem como nos cursos tecnológicos da área de ciências exatas. Através de 286 provas, comprovamos que ~13% dos estudantes são capazes de resolvê-la com justificativa correta, assim muitos conseguem ser aprovados nos cursos, talvez por decorarem os algoritmos necessários para realizarem suas avaliações, mas ainda imbuídos de concepções errôneas.

Com este quadro formado, e na tentativa de melhorar o desempenho dos estudantes do curso de Física Introdutória oferecido pelo IFSC-USP, inicialmente estamos reformulando o curso de Laboratório de Física Geral III - Eletricidade e Magnetismo, com a inserção de atividades investigativas. Com isso, intentamos dois objetivos principais, ou seja, o objetivo de conteúdo, onde se pretende que os alunos entendam e aplicam os modelos conceituais para explicar uma gama de fenômenos observáveis, e o objetivo metacognitivo, onde se pretende ajudar os estudantes a terem mais consciência e responsabilidade de suas próprias aprendizagens, aprendendo a aprender. Assim, as atividades procuram extrair os conhecimentos prévios e promover suas mudanças quando forem apropriadas. Desta forma os alunos são solicitados inicialmente a fazerem a predição sobre o que irá acontecer se, por exemplo, alguma mudança for feita no experimento. Eles devem discutir suas

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

idéias com seus pares, e escrever e desenhar esquemas que dêem sustentação às suas idéias. Importante é dar a oportunidade aos alunos de exporem suas idéias, de escutarem as dos outros, explorarem os fenômenos envolvidos, criticarem suas próprias idéias e aplicar os conhecimentos desenvolvidos em novos contextos. Consequentemente eles são desafiados constantemente, ocorrendo uma participação ativa, fazendo com que eles se vejam como os desenvolvedores das idéias.

Estas atividades procuram fazer com que os estudantes possam desenvolver as definições operacionais dos conceitos envolvidos, construir modelos (ETKINA; WARREN; GENTILE, 2006) dos fenômenos físicos e aplicar esses modelos a novas situações testando suas previsões. Desta forma, acreditamos que são levados a desenvolverem uma base conceitual sólida, e a transporem os padrões de pensamento concreto para os de raciocínio formal ou abstrato, além de se aplicarem em formas indutivas do raciocínio mais do que somente dedutiva.

Neste trabalho estamos interessados em verificar o desenvolvimento ocorrido com o material reformulado, assim vamos inicialmente descrever as reformulações feitas no currículo desta disciplina e a seguir os resultados obtidos.

## Metodologia

- O Laboratório de Física Geral III é feito em um semestre, constando de 06 aulas de quatro horas cada. Em cada turma tem-se a participação de 30 alunos, que são divididos em 10 grupos de três alunos. Eles realizam durante o curso 06 práticas que visam a parte de Eletricidade e de Magnetismo. A apostila que recebem consta de uma pequena parte teórica, as questões que devem ser respondidas antes de realizarem os experimentos, os roteiros dos experimentos e por fim uma lista de exercícios (PARKS, 2006) que serve para que os mesmos consolidem ou aperfeiçoem seus conhecimentos. A avaliação é realizada através de relatórios e provas, sendo que os relatórios constam das respostas às questões colocadas nos roteiros, mais os dados experimentais que obtiveram.

Os alunos do perfil (a grande maioria) são do terceiro semestre (segundo ano) e fazem, além do laboratório, um curso teórico de 4 horas semanais (2 vezes por semana), porém os dois cursos são independentes e normalmente o laboratório está avançado em relação aos tópicos a serem estudados.

Neste novo formato de Laboratório que está sendo implantado, e para que possamos ter uma avaliação melhor deste material, estamos ainda aplicando a mesma questão conceitual (Anexo 1), mas agora como um pré-teste e um pós-teste.

## Roteiros baseados em investigação

Os roteiros foram escritos supondo que os alunos não possuem conhecimento anterior, tanto teórico quanto prático, do conteúdo eletricidade e magnetismo. Os conceitos teóricos são introduzidos ao longo do roteiro junto com os experimentos. Pretende-se assim que os estudantes desenvolvam os conceitos físicos e habilidades de raciocínio científico, paulatinamente, através dos experimentos. Assim, inicialmente é colocada uma questão, e é solicitado aos alunos que discutam e registrem todas as questões ou experimentos seguindo a ordem proposta no roteiro e quando ocorrer divergência de opinião entre os estudantes do grupo, isto deve ser registrado. As dúvidas relativas à interpretação

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

de cada experimento ou seção devem ser esclarecidas (através de discussão entre o grupo e/ou monitoradas por um instrutor) antes de dar prosseguimento aos outros experimentos.

Os relatórios das práticas consistem das respostas de todas as questões apresentadas ao longo do roteiro, com todos os registros das discussões realizadas pelos grupos, mais os dados experimentais que obtiveram, e devem ser feitos ao longo da prática, para serem entregues no mesmo dia.

A seguir apresentamos um sumário das seis práticas.

## Prática 1 - Introdução a Circuitos Elétricos:

Nesta prática, os estudantes desenvolvem definições operacionais para circuitos completos, as quais serão necessárias para todas as outras práticas a serem realizadas no curso.

Inicialmente, levantam hipóteses que o brilho da lâmpada está relacionado à quantidade de fluxo de corrente através dela, e exploram como o conceito de corrente se relaciona com o fluxo. Uma outra definição operacional importante desenvolvida é a de corrente elétrica, baseada em seus efeitos sobre lâmpadas. Os estudantes usam uma lâmpada indicadora (circuito de lâmpada única) para medir a corrente através de uma fonte de tensão e observar os efeitos de configurações de diferentes circuitos série, paralelo e misto.

Após estarem aptos a observarem o que ocorre em circuitos série e paralelo, é introduzido um estudo mais quantitativo se iniciando pelo uso de amperímetros, observando a conservação da corrente, e assim, desenvolvendo e aplicando a 1ª Lei de Kirchhoff. A habilidade de medir a quantidade de corrente fluindo leva ao desenvolvimento de uma definição operacional para resistência elétrica.

A seguir os estudantes investigam o uso de um voltímetro e medem as diferentes voltagens entre partes de um circuito. Eles desenvolvem a definição correta de resistência e aplicam a situações onde ela é constante, Lei de Ohm, e onde depende da corrente, uma lâmpada por exemplo.

## Prática 2 -Circuitos de Corrente Contínua:

Nesta prática, o interesse é que os estudantes estudem o brilho de diferentes lâmpadas, o funcionamento de um divisor de tensão, a limitação na corrente de um gerador de tensão elétrica (resistência interna de uma fonte), o comportamento de resistores especiais (LDR) e analisar a influência da temperatura num resistor, pela medição de nulo.

Desta forma eles aplicam os modelos desenvolvidos para corrente, voltagem e resistência a uma nova situação, onde as lâmpadas possuem diferentes resistências. Reconhecem que o modelo de corrente original é inadequado para descrever o efeito de ter lâmpadas com diferentes resistências em série. Assim, desenvolvem a correta relação entre o brilho da lâmpada e a potência dissipada.

Os estudantes, por diversas vezes, são solicitados a aplicarem os conhecimentos, até agora adquiridos, em situações diferentes, em circuitos de interesse tecnológico, como por exemplo, balança de precisão, medidores de ph, controladores de temperatura, etc..

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Prática 3 - Capacitores:

Os objetivos colocados neste tópico são: estudar o processo de carga e descarga de um circuito RC através de diversos experimentos qualitativos, e através da análise da curva de decaimento de tensão de um capacitor, que é traçada, determinar o valor da constante de tempo do circuito.

Os estudantes usam capacitores eletrolíticos de altos valores para visualizar os efeitos dos capacitores nos circuitos. Eles aplicam as definições de capacitância para predizerem o comportamento dos circuitos com lâmpada e capacitor.

Inicialmente o trabalho é feito com uma lâmpada e um capacitor, depois são colocados mais capacitores para que observem a carga e descarga dos mesmos através da visualização pelo brilho da lâmpada. E por meio da curva de decaimento estimam o valor da constante de tempo do circuito.

## Prática 4 - Medidas de Campos Magnéticos e Estudo de um Dipolo Magnético:

Nesta Prática, os objetivos principais são que os alunos determinem a componente horizontal do campo magnético terrestre utilizando-se uma bússola e bobinas de Helmholtz, bem como o momento dipolar magnético de uma barra magnetizada.

Para que os objetivos sejam alcançados, os estudantes mapeiam o campo magnético devido a várias configurações de ímãs permanentes com bússolas magnéticas, relacionam a força do campo com a configuração de linhas de campo, desenvolvem uma definição operacional para o campo e reconhecem a aplicabilidade do princípio de superposição.

## Prática 5 - Indução Eletromagnética:

Os objetivos aqui propostos são demonstrar as diferenças existentes no comportamento elétrico dos circuitos de corrente contínua e alternada, composta por resistores, condensadores e indutores.

As práticas desenvolvidas levam os estudantes a observarem que campos magnéticos podem produzir correntes elétricas, e, para tanto, eles investigam o efeito de um campo magnético variando sobre uma bobina. Eles desenvolvem um método para variar o campo magnético através de um solenóide e estudam como a direção do campo variando agem na direção e intensidade da corrente induzida.

## Prática 6 -Circuitos RLC, Transientes e Ressonância:

Nesta prática o objetivo é analisar o comportamento de circuitos RL, LC e RLC, as analogias eletro-mecânicas e investigar o efeito da ressonância do circuito RLC no regime de oscilação forçada (sob ação de uma tensão harmônica) e no regime de oscilação livre (transiente elétrico).

Nos experimentos os estudantes são levados a observar o comportamento análogo entre um circuito elétrico (RLC) e um oscilador mecânico (sistema mecânico massa-mola), e os efeitos da combinação dos elementos RLC que são utilizados em

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

muitas aplicações práticas, como telecomunicações, conexões de aparelhos eletrônicos, por exemplo.

Abaixo são descritos dois dos procedimentos experimentais em detalhes.

## Prática 1 - Introdução a Circuitos Elétricos

Esta primeira prática é projetada para que os estudantes consigam, basicamente, desenvolver o conceito de circuito completo e de corrente e tensão aplicadas. Nela são utilizados componentes simples e de fácil manipulação, como lâmpadas e bateria.

Os estudantes devem se conscientizar de que a construção de um modelo científico é um processo passo a passo, no qual se deve especificar apenas o número mínimo de atributos necessários para explicar os fenômenos a serem considerados.

Assim, inicialmente, eles são levados a construir um modelo que consiga explicar o comportamento de um circuito simples. Observando os pressupostos para que um circuito seja completo e que o brilho de uma lâmpada em um circuito pode ser utilizado como indicador da intensidade da corrente que atravessa essa lâmpada.

Através desse modelo os estudantes, inicialmente observam o brilho de um circuito composto apenas de uma lâmpada (indicadora) e uma bateria, que no nosso caso utilizamos uma fonte de tensão (Figura 1a), e tomarão esse brilho como indicador da intensidade de corrente. São solicitados, então, a predizerem o brilho de duas lâmpadas num circuito série (Figura 1b), em relação à lâmpada indicadora.

<!-- image -->

<!-- image -->

Figura 1. Circuito composto de uma bateria e: (a) uma única lâmpada, (b) duas lâmpadas em série, (c) duas lâmpadas em paralelo.

<!-- image -->

Eles observam que as duas lâmpadas possuem brilhos iguais e que é mais escuro que o da lâmpada indicadora. Em suas justificativas do porque isso ocorre, muitos interpretam como sendo causado pelas lâmpadas gastarem uma parte da corrente. Esta concepção errônea é parcialmente devida à crença de que a bateria sempre fornece uma corrente constante. Assim, os alunos são levados a comparar o brilho de cada lâmpada e interpretar isto de acordo com nossas hipóteses da relação entre o brilho da lâmpada e a quantidade de corrente.

Observando que a lâmpada pode ser tida como um obstáculo, ou seja, uma resistência ao fluxo da corrente no circuito, os estudantes são solicitados a pensarem sobre o que ocorreria à resistência total se inserissem mais lâmpadas em série no circuito.

Na construção do modelo os estudantes observam que o escurecimento das lâmpadas indica uma redução da corrente através delas e, portanto através da

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

bateria. Eles explicam que adicionar lâmpadas em série aumenta a resistência e causa uma diminuição da corrente.

Em seguida, eles são requeridos a predizerem o brilho de duas lâmpadas num circuito paralelo (Figura 1c), em relação à lâmpada indicadora. Muitos ficam surpresos com o brilho das lâmpadas.

Eles observam que as duas lâmpadas possuem brilhos iguais e que são iguais ao da lâmpada indicadora. Ao serem questionados sobre o resultado dessa observação, são levados a concluírem que o fluxo de corrente através de cada lâmpada é a mesma, e é também a mesma que através da lâmpada indicadora. Reconhecem, então, que a adição de mais resistores nesta configuração em paralelo leva a resistência total a diminuir.

Neste momento os estudantes são solicitados a discutirem como eles acreditam que seja o fluxo de corrente através da bateria, como ele se divide numa junção e como a quantidade de corrente correlaciona com o brilho observado, levando-os assim a construírem a 1ª Lei de Kirchhoff.

Voltando agora ao circuito de lâmpada única (Figura 1a) é solicitado que meçam a diferença de potencial na lâmpada e na fonte e que comparem os valores obtidos. É pedido que aumentem e depois diminuam um pouco mais o valor da tensão na fonte e observem o que ocorre com o brilho da lâmpada em cada caso. Com a observação é requerido que discutam sobre a relação que pode ocorrer entre tensão e corrente.

Em seguida eles devem montar novamente os circuitos em série e paralelo das Figuras 1b e 1c, e medir as diferenças de potencial (ddp) em cada elemento comparando-os com o circuito da lâmpada indicadora, bem como comparando a classificação de brilho e de ddp. Através destas comparações os alunos são questionados se a ddp e a corrente através da bateria dependem do circuito a qual esta bateria está conectada.

## Prática 3 - Capacitores

Esta prática é projetada para que os estudantes consigam observar o processo de carga e descarga de um circuito RC, bem como construir a curva de decaimento da tensão de um capacitor e através de sua análise obter o valor da constante de tempo do circuito.

Como elemento indicador serão utilizados lâmpadas miniaturas, que servirão como meio de medida de capacitância ajudando, assim, os estudantes a entenderem que os capacitores são dispositivos armazenadores de energia. Nestes experimentos são usados capacitores eletrolíticos de altos valores (0,1F/5,5V) para que seja facilitada a visualização dos efeitos dos capacitores nos circuitos, como pode ser observado na Figura 2(a).

Inicialmente é solicitado aos estudantes que analisem o que ocorre ao brilho da lâmpada do circuito da Figura 2b, supondo que o circuito tenha sido ligado há muito tempo, ou seja, com o estado estacionário atingido. A seguir, devem comparar o brilho da lâmpada ao do circuito de lâmpada única.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 2. (a) Foto da montagem do Circuito, (b) Circuito RC simples, (c) curva de carga, (d) curva de descarga

<!-- image -->

É requerido, então, que removam o capacitor do circuito da Figura 2b e que prevejam o valor da tensão sobre esse elemento, e verifiquem experimentalmente com o auxílio de um voltímetro digital, se a previsão foi correta. Neste ponto devem responder se é possível acender uma lâmpada usando somente o capacitor, sem a fonte. Muitos estudantes se surpreendem ao testar experimentalmente suas respostas, e verificarem que o capacitor pode funcionar como uma bateria, mas que se descarrega rapidamente.

Após este passo, os alunos devem repetir o experimento, mas agora, prestando atenção na resposta transiente do circuito, ou seja, em como o brilho da lâmpada evolui no tempo, após a chave ser fechada.

A seguir devem trabalhar com combinações de capacitores, principiando com capacitores em série, como mostrado na Figura 3.

Figura 3. Circuito composto de dois capacitores e uma lâmpada, todos em série.

<!-- image -->

De início é colocado o seguinte prognóstico feito por um estudante: ' A corrente irá fluir do lado positivo da bateria para o lado negativo. Uma vez que a lâmpada está isolada da bateria por dois capacitores, a lâmpada não irá acender (ou

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

brilhar)' . E, então é solicitado que discutam em grupo e expliquem se concordam ou não com o prognóstico. Depois é pedido que montem o circuito, fechem a chave e verifiquem a tensão na lâmpada e a diferença de potencial nos capacitores.

O circuito da Fig. 3 é muito interessante para a discussão de vários tópicos. Por exemplo, no circuito com lâmpadas é introduzida a noção de circuito fechado onde a corrente elétrica percorre o filamento da lâmpada. Os alunos percebem que a interrupção do circuito, cortando um fio ou tirando um conector, por exemplo, causa a interrupção da corrente e a lâmpada se apaga. Como se dá a condução de corrente no circuito com um capacitor que, em princípio, é constituído por duas placas planas e paralelas? Há condução de corrente entre as placas do capacitor? Sabemos que a resposta a esta questão é negativa e a discussão é introduzida pedindo aos estudantes para discutir o prognóstico feito por um estudante 14 .

Após a observação do experimento o professor deve conduzir a discussão para concluir que embora não haja corrente entre as placas do(s) capacitor(es) a corrente no circuito se deve ao fato de que os elétrons saem da placa do capacitor C2 para o capacitor C1 e o brilho da lâmpada é uma indicação do movimento destas cargas. A partir deste ponto, é fácil mostrar porque o valor da carga deve ser o mesmo num circuito de dois capacitores em série.

Um outro circuito é então proposto (Figura 4a), e é requerido que verifiquem e discutam o que acontece em duas situações, primeira: logo após a chave ser fechada, e segunda: muito tempo após a chave ser fechada, bem como comparem as intensidades das correntes e as tensões nas lâmpadas A e B, no capacitor e na bateria. Depois devem fazer o mesmo para o circuito da Figura 4b.

Figura 4. Circuito composto de uma lâmpada em série com uma segunda lâmpada que está em paralelo a um capacitor: (a) chave em série com a lâmpada, (b) chave em série com o capacitor.

<!-- image -->

É interessante discutir, neste momento com os estudantes, o circuito da Fig.4b, pois se inicialmente o capacitor está descarregado, QC(t=0)=0, então quando a chave é fechada (t=0) a lâmpada B não brilha, pois ela está em paralelo com C e VC(t=0)=0. Logo, em t=0 o capacitor se comporta como um curto circuito, pois segundo a conservação da corrente (Lei de Kirchhoff abordada na prática 1) toda a corrente que passa por A passa por C visto que a lâmpada B está apagada ( em t=0, IA= IC e IB=0). Por outro lado, no estado estacionário (em t → ∞ ) a corrente no capacitor é nula (IA= IB e IC =0) e as duas lâmpadas têm o mesmo brilho (VA=VB= VC= Vo/2)

Por fim, os estudantes devem discutir os circuitos da Figura 5, que visam mostrar que embora haja conservação da carga, não há conservação da energia eletrostática dos capacitores.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Para o circuito da Figura 5a, sabendo que o C1 é carregado. Supondo que C2 esteja inicialmente descarregado, os estudantes devem discutir o que ocorrerá quando a chave for colocada na posição direita. Devem também discutir se a lâmpada vai acender e como será o comportamento da corrente e das cargas nos capacitores. O mesmo deve ser discutido para o circuito da Figura 5b, onde a placa negativa de C1 está ligada à placa positiva de C2, e para o circuito da Figura 5c, onde a placa negativa de C1 está ligada à placa negativa de C2. Finalmente devem justificar em qual circuito a lâmpada brilha mais, antes de montarem e observarem o que ocorre nos circuitos.

<!-- image -->

## RESULTADOS

Dentre as possíveis formas de validação do currículo proposto, optamos por aplicar a questão (Anexo 1) que já estávamos trabalhando, mas agora como um pré e pós-teste. Ela foi aplicada a 240 alunos, mas apenas 192 fizeram o pré e o pósteste, portanto, somente esses estudantes foram considerados, e mais, apenas foi julgado como correto aqueles que estabeleciam a relação de ordenação da luminosidade e a justificativa corretas. No pré-teste 15% dos alunos responderam corretamente e no pós-teste tivemos 47% acertando.

Hake (HAKE, 1998), na procura de uma medida da efetividade na promoção do entendimento conceitual, definiu que essa medida poderia ser o ganho normalizado pelo ganho máximo possível como uma medida, ou seja,

<!-- formula-not-decoded -->

onde Si e Sf são as pontuações iniciais e finais, ambas expressas em porcentagens.

Na busca da efetividade na promoção do entendimento conceitual, no Laboratório de Física III, aplicamos a medida de g a nossos dados e obtivemos um g = 0,4, que está, dentro do intervalo considerado por Hake (HAKE, 1998), como sendo um g-médio (entre 0,3 e 0,7) e que representam os cursos em que ocorre um engajamento ativo dos estudantes. Consideramos esse um resultado muito bom, visto estarmos no nosso segundo ano de uso do material e muitos dos professores ainda estão se adaptando à nova forma de trabalhar os experimentos.

Um outro ponto interessante que pudemos observar é que as justificativas dadas nos pós-testes os estudantes utilizaram-se de uma resposta com justificativa mais conceitual do que com o uso de algoritmos, contrariamente ao observado no pré-teste e nas respostas obtidas no levantamento que fizemos em anos anteriores (COSTA; CATUNDA, 2009).

## CONCLUSÕES

Através do trabalho que estamos realizando com este novo material, observamos que os experimentos de laboratório baseados em investigação são

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

mais interessantes para o envolvimento dos estudantes nas discussões e assim utilizarem mais altos níveis de habilidades de pensamento do que os roteiros típicos utilizados. Quando os estudantes usam os métodos de investigação eles parecem estar mais dispostos a ter responsabilidade com suas próprias aprendizagens e a compreensão dos conceitos se torna mais sólida, o que é verificado com as respostas das avaliações, bem como, é um momento importante para os que nunca tiveram uma oportunidade de realizar experimentos e pensar segundo um método científico, de construção passo a passo. Os exercícios propostos, que também exigem um conhecimento mais conceitual, permitem aos estudantes reforçarem seus embasamentos teóricos, ou pelo menos, é mais um momento para que possam rever suas concepções.

## Referências

AAPT - American Association of Physics Teachers, Goals of the introductory physics laboratory, Physics Teacher , v.35, n.9, p. 546-548, Dec. 1997.

COSTA, G. G. G.; CATUNDA, T. Investigação das dificuldades conceituais dos estudantes sobre circuitos elétricos. In: ENCONTRO DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA, 11, 2008, Curitiba. Resumos ... Curitiba, 2008. Disponível em: &lt;http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/xi/sys/resumos/T0210-1.pdf&gt;. Acesso em: 21 fev. 2009.

ETKINA, E.; WARREN, A.; GENTILE, M. The Role of models in physics instruction, Physics Teacher , v. 44, n.1, p.34 - 39, Jan. 2006.

HAKE, R.R. Interactive-engagement versus traditional methods: a six-thousandstudent survey of mechanics test data for introductory physics courses, American Journal of Physics, v. 66, n.1, p. 64-74, Jan. 1998.

LAWS, P. Workshop Physics Activity Guide . New York: Wiley, 1997.

McDERMOTT, L.C. Millikan Lecture 1990: What we teach and what is learnedclosing the gap, American Journal of Physics. v. 59, n.4, p. 301-315, April 1991.

McDERMOTT, L.C.; SHAFFER, P.S. Research as a guide to curriculum development: an example from introductory electricity. Part I: investigation of student understanding, American Journal of Physics, v.60, n.11, p.994-1003, Nov 1992.

McDERMOTT, L.C.; Physics Education Group at the University of Washington. Physics by Inquiry . New York: Wiley, 1996. v.1-2.

McDERMOTT, L.C. ; Physics Education Group at the University of Washington, Tutorials in Introductory Physics . Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1998.

McDERMOTT, L.C.; REDISH, E.F., Resource letter: PER-1: physics education research, American Journal of Physics, v.67, n.9, p.755 - 767, Sept 1999.

PARKS, B. Research-inspired problems for electricity and magnetism, American Journal of Physics, v.74, n.4, p. 351 - 354, 2006.

SHAFFER, P.S.; McDERMOTT, L.C. Research as a guide for curriculum development: an example from introductory electricity. Part II: design of instructional strategies, American Journal of Physics, v.60, n.11, p.1003-1013, Nov 1992.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Anexo1

Uma lâmpada nada mais é do que uma resistência. Se essa lâmpada for ideal significa que a sua resistência é aproximadamente constante e desta forma obedece à Lei de Ohm.

Suponha 4 (quatro) lâmpadas idênticas e ideais (A,B,C,D) e uma bateria ideal (V0), compondo os circuitos, nos esquemas (I, II, III) abaixo. Para cada caso [(I), (II) e (III)], classifique as lâmpadas, por ordem de luminosidade. Explique sucintamente o seu raciocínio em cada caso.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_