EXPERIMENTANDO EM FÍSICA: PRÁTICANDO NO REAL E NO VIRTUAL

## EXPERIMENTANDO EM FÍSICA: PRÁTICANDO NO REAL E NO VIRTUAL

Jefferson da Silva Felix , Rebeca Maria Batalha de Melo , Tatiana Miranda de 1 2 Souza 3 , Frederico Alan de Oliveira Cruz , Francisco Antonio Lopes Laudares 4 5

- 1 UFRRJ/Departamento de Física/PIBID-Física, jsfelix2000@yahoo.com.br
- 2 UFRRJ/Departamento de Física/PET-Física, rebeca.batalha@yahoo.com
- 3 UFRRJ/Departamento de Física/PET-Física, tizinhams@hotmail.com
- 4 UFRRJ/Departamento de Física/PET-Física, frederico@ufrrj.br
- 5 UFRRJ/Departamento de Física, laudares@ufrrj.br

## Resumo

Neste trabalho propomos uma forma de discutir os conceitos de eletricidade presentes nos livros de ensino médio, através de atividades motivadoras, visto que muitos alunos apresentam desinteresse ao se depararem com os conteúdos de Física. Em muitos casos porém, apesar do entendimento do processo matemático envolvido, muitos alunos apresentam dificuldades na compreensão do fenômeno físico propriamente dito. Sendo assim, o professor deve encontrar formas de abordar o conteúdo para torná-lo mais interessante, permitindo uma aprendizagem mais significativa. Uma das formas de contribuir na formação do aluno é o uso de tecnologias de informação e comunicação (TIC), que podem servir como material auxiliar na apresentação de certos conteúdos. Em função do exposto, apresentamos neste trabalho uma atividade que permita ao aluno reconstruir e validar um experimento virtual, a partir de uma atividade experimental simples, explorando assim o gosto natural dos adolescentes pelos computadores. O experimento trata da visualização e determinação da corrente elétrica que percorre um circuito, com o objetivo de trazer ao aluno a sensação de que a atividade virtual pode ser utilizada como fonte de consulta e complemento da aprendizagem.

Palavras-chave : Applets , eletricidade, ensino

## Introdução

Em geral, a grande dificuldade encontrada pelos professores de ensino médio para apresentar os assuntos ligados às cargas elétricas e circuitos elétricos, é exemplificar os fenômenos físicos, devido à falta de visualização do problema, que são extremamente abstratos, na maioria das vezes. Uma forma de solucionar esse problema seria através de uma mudança metodológica empregada, pelo professor, na apresentação desses conceitos. Isso pode ser realizado através da inserção de ferramentas que estimulem nos alunos a observação do fenômeno físico, sejam estas reais ou virtuais.

Na atualidade, as abordagens dos conceitos físicos são realizadas predominantemente de forma teórica, com aulas expositivas, pouco atrativas aos alunos (FERNADES, 2008). Com essa metodologia, vemos que existe pouca ou quase nenhuma conexão entre o professor e os alunos, dificultando o processo de ensino-aprendizagem na maioria das salas de aulas brasileiras.

Se considerarmos que deve existir um mesmo canal de comunicação entre professor e aluno, para produzir significados comuns para os diversos elementos que compõe o conhecimento científico escolar, então devemos pensar numa

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atividade que possa ter a participação de ambos de uma forma mais próxima (VILLANI & NASCIMENTO, 2003).

Nesse sentido, a forma mais conveniente para envolvê-los é através de atividades experimentais. O problema é que na grande maioria dos casos as escolas, sejam elas públicas ou privadas, não possuem laboratório de Física, e quando possuem são pouco utilizados (SILVA et al , 2009), nesse último caso por falta de uma estrutura adequada e/ou pela pouca habilidade experimental dos professores.

Uma das formas de contribuir para aprendizagem dos alunos é o uso de Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), em especial dos aplicativos em linguagem Java conhecidos como Applets . Os programas com caráter de animação, têm se mostrado uma ferramenta importante no processo de construção do conhecimento em várias áreas, não apenas no Ensino de Física (SILVA et al ., 2011).

Apesar da facilidade de trabalho que essa ferramenta proporciona, contribuindo para um contato mais próximo e interessante dos mecanismos e leis que estão envolvidos nos fenômenos apresentados, em alguns casos, pode existir, por parte do aluno, a desconfiança de que a animação não representa fielmente o que é medido em uma situação real.

Dessa forma, reconstruir e validar um experimento virtual, a partir de uma atividade experimental simples, pode servir de elemento motivador para realizações de outros procedimentos experimentais, em momentos diferentes daqueles em sala de aula.

## O Circuito Elétrico e seus componentes básicos

Na grande maioria dos livros de Ensino Médio, um circuito elétrico, que pode ser dividido em externo e interno, é descrito como qualquer conjunto de elementos ou aparelhos nos quais é possível estabelecer uma corrente elétrica. O gerador, aparelho que realiza a transformação de qualquer energia em energia elétrica, é a parte interna do circuito e os demais elementos que constituem o circuito, tais como resistores, lâmpadas e capacitores, por exemplo, compõem a parte externa (RAMALHO JÚNIOR et al , 1999; PENTEADO & TORRES, 2005).

Nos circuitos apresentados nos exercícios de ensino médio, os elementos mais comuns são: bateria, fios condutores, resistores, lâmpadas e chaves. A bateria representa o gerador de corrente do circuito, os fios condutores são responsáveis por conduzir a corrente entre a bateria e os outros elementos, os resistores são dispositivos projetados para limitar o fluxo de corrente que atravessa o circuito, as lâmpadas são dispositivos que transformam energia elétrica em energia luminosa e as chaves são responsáveis por permitir a passagem de corrente pelo circuito, quando fechadas, ou interromper, quando abertas (BASTOS FILHO, 2012).

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Tabela 01: Elementos básicos presentes em um circuito.

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Medida da intensidade de corrente, ddp e resistência elétrica.

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Para medir a intensidade de corrente elétrica que atravessa um circuito é utilizado um aparelho denominado amperímetro, que fornece uma leitura em unidades de ampère (A). A medida da corrente é realizada quando este aparelho é colocado de modo que a corrente a ser medida possa atravessá-lo, isto é, devem ser colocados em série, na região do circuito que se deseja fazer a medida (RAMALHO et al , 1999).

No caso da diferença de potencial (ddp), utiliza-se o aparelho denominado voltímetro e sua leitura é realizada em unidade de volt (V). A medida feita por esse aparelho ocorre pela sua colocação em paralelo a região de estudo, permitindo que seja obtida uma medida da ddp por comparação entre os pontos analisados.

A resistência elétrica (r) de um material é determinada pela utilização de um aparelho denominado ohmímetro, que deve ser utilizado, em função das suas características de funcionamento, quando o elemento está livre de correntes. E por conta disso este aparelho nunca é representado em um circuito. A medida, que

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fornece a leitura em escalas de ohm ( Ω ), é realizada pelo posicionamento do aparelho em paralelo aos terminais do elemento a ser analisado.

Tabela 02: Representação esquemática dos aparelhos de medida.

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Apesar de serem representados de forma separada, todos esses instrumentos de medida estão contidos no medidor conhecido como multímetro, ou multiteste, que também realiza análises em corrente alternada e contínua.

## Materiais e Métodos

Em geral as propostas de utilização de Applets nas atividades ligadas ao ensino das propriedades elétricas, podem representar uma nova forma de interação dos conteúdos facilitando o processo de aprendizagem. A questão que aparece é que em muitos casos os alunos podem não acreditar que a atividade virtual possui as equações dos conceitos discutidos em sala de aula, inseridos em seu cerne, podendo ocasionar o reforço de pensamentos e atitudes existente numa aprendizagem mecânica (ARAÚJO et al , 2007).

Para contribuir com o entendimento de todos os conceitos relacionados com o conteúdo a ser apresentado, propomos uma atividade que deve ser realizada em dois momentos distintos: primeiro realizar uma atividade experimental e posteriormente reproduzir a mesma situação virtualmente. Como proposta usaremos um experimento em eletricidade, e que reproduz uma situação muito encontrada nos livros didáticos do Ensino Médio, onde uma resistência, de um resistor comum ou de lâmpada, é percorrida por uma corrente gerada por uma bateria.

Figura 1: Circuito proposto em nosso experimento

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Para a parte experimental foram utilizados os seguintes equipamentos: um potenciômetro deslizante de valor máximo nominal igual a 300 Ω , duas pilhas alcalinas de valor nominal igual a 1,5 V, um soquete duplo para pilhas, fios, uma matriz de contato ( protoboard ) e um multímetro DT830B, da marca CE.

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Como o potenciômetro podia variar entre 0 Ω e 300 Ω , realizamos uma análise dos possíveis valores a serem utilizados na atividade. O procedimento foi realizado através da expressão:

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onde U representa a ddp do circuito, ε a força eletromotriz, i a corrente do circuito e r a resistência interna. Se levarmos em consideração que a ddp pode ser escrita como o produto entre a resistência total (R) do circuito e a corrente elétrica, podemos obter:

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

ou

Se considerarmos R &gt;&gt; r, podemos escrever:

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

A aproximação realizada pareceu consistente visto que pilhas alcalinas possuem resistência interna em torno de 0,12 Ω (SILVEIRA &amp; AXT, 2003) e assim permitiu limitar os valores do potenciômetro entre 100 Ω e 240 Ω em passos de 20 Ω.

Com esses elementos foi realizada a montagem do circuito, como proposto na (fig. 1), na matriz de contato.

Figura 2: Montagem do circuito proposto na fig. 1 .

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Com o circuito já definido, inicialmente realizamos a determinação da ddp gerada por duas pilhas com o auxílio do multímetro. Esse passo foi fundamental para que pudéssemos utilizar esse mesmo valor na experimentação virtual e assim podermos comparar os dois procedimentos.

Os valores obtidos foram então tabelados, para posteriormente análise e comparação com o comportamento a ser observado na construção do mesmo circuito com o Applet .

Para determinar a incerteza da corrente elétrica, foi utilizado um método imediato e simples, que envolve apenas álgebra elementar. Como todas as grandezas tem incertezas, substitui-se:

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onde é a incerteza da medida da corrente i, e são as incertezas de medida da ddp e da resistência total da corrente respectivamente, na equação (4):

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

Multiplicando a equação (6) por , e aplicando a propriedade distributiva, obtem-se:

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

Assumindo que os instrumentos de medida usados para determinar e R são ε precisos o suficiente, então e são muito menores que ε e R. Desta forma desprezamos o resultado do produto , bem como a parcela , pois ambas comparadas a R 2 são muito pequenas (NEVES, 2006). Neste caso, ficamos com:

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

Como idealmente , então pela última relação acima tem-se a incerteza da medida experimental:

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

Na construção do circuito de forma virtual utilizamos o Applet conhecido como PhET, já utilizado em outros trabalhos sobre o tema (LOPES et al , 2009; SILVA et al, 2011), onde optamos pela simulação chamada 'Lei de Ohm' (UC, 2011). A escolha dessa simulação ocorreu pela possibilidade de fixação da ddp e de mudança gradual da resistência, permitindo assim analisar a alteração corrente para diferentes valores de R.

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Figura 3: Esquema virtual reproduzindo o circuito observado na fig. 1 (UC, 2011).

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Os valores utilizados na simulação foram os mesmos que os observados na atividade experimental, para a diferença de potencial e a resistência.

## Resultados e Discussão

A determinação da corrente real foi realizada através da medida direta obtida pelo amperímetro conectado ao circuito, e os valores da corrente no Applet foram obtidos pela visualização em uma caixa de diálogo presente na simulação.

No gráfico 1 são demonstradas as duas situações, sendo a primeira com apenas uma pilha (1,5 V), e na segunda com duas pilhas (3,0 V). Os pontos, e suas respectivas barras de erros, representam as medidas obtidas através do multímetro e a linha representa os valores obtidos na situação ideal, oferecia pelo Applet .

Gráfico 1: Valores obtidos da corrente em função da resistência. Os pontos representam a medida experimental. A linha sólida representa o resultado do Applet para ddp de 3,0 V e a pontilhada 1,5 V.

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Os dados do gráfico 1, Corrente (ampère)×Resistência (ohm), onde é possível observar que existe uma pequena diferença entre os valores obtidos pelo Applet , e na atividade experimental. Apesar disso, o comportamento qualitativo permite ao professor discutir e validar a utilização do Applet , oferecendo novas atividades e desafios aos alunos.

Com os dados do gráfico 1, Corrente (ampère)×Resistência (ohm), é possível observar que existe uma pequena diferença entre os valores obtidos através do Applet , e através da atividade experimental. Percebe-se que, mesmo existindo essa diferença, a curva passa pelas barras de erro, indicando que os valores estão dentro de uma margem aceitável de incerteza. Apesar disso, o comportamento qualitativo permite ao professor discutir e validar a utilização do Applet , oferecendo novas atividades e desafios aos alunos.

Finalmente é possível verificar experimental e virtualmente a relação entre a corrente e a resistência do circuito, extraindo daí uma medida bastante precisa dessas quantidades. Essas experiências, típicas de um curso introdutório de física experimental, mostram que o sistema proposto pode ser usado com sucesso em laboratórios didáticos de diferentes níveis de formação.

## Conclusões

Consideramos que o uso dos Applets é uma ferramenta interessante para facilitar o entendimento dos conceitos físicos, diminuindo o distanciamento entre o conteúdo apresentado pelo professor e os alunos. Em função do contato praticamente diário de muitos jovens com computadores, a Física pode se tornar uma experiência de aprendizagem natural, facilitando a construção do conhecimento por parte do estudante em um momento diferente do formal da sala de aula. É importante ressaltar que o uso dos Applets não deve ser encarado como uma solução definitiva para a abordagem dos problemas em Física, mas apenas como um método diferenciado com o objetivo de tornar a aula e a atividade de aprendizagem mais dinâmica.

## Apoio Recebido

O presente trabalho foi realizado com apoio do Programa de Educação Tutorial - PET, do MEC - Ministério da Educação - Brasil.

Este trabalho conta com a participação de Bolsista do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência - PIBID, da CAPES -Brasil.

## Referências

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