Experimentos de Física para Professores de Ciências

## EXPERIMENTOS DE FÍSICA PARA PROFESSORES DE CIÊNCIAS

Mônica de Mesquita Lacerda 1 , Isabel Virgínia Gomes 2 , Marlon Jefferson Gomes 3

- 1 Universidade federal do Rio de Janeiro - Campus Xerém, monica\_lacerda@xerem.ufrj.br
- 2 Universidade federal do Rio de Janeiro - Campus Xerém, isabel-icm@hotmail.com
- 3 Universidade federal do Rio de Janeiro - Campus Xerém, marlon.kba@gmail.com

## Resumo

Este trabalho tem como proposta apresentar conceitos de Física para professores de Ciências do ensino fundamental, através de experimentos práticos sobre fluidos, eletricidade e magnetismo. Professores da rede pública de ensino do município de Duque de Caxias, no estado do RJ, participaram de atividades realizadas no Campus Xerém da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e na Escola Municipal Dr. Ely Combat, também, em Xerém. As atividades constituem-se da realização de experimentos, observação, discussão dos resultados e, finalmente, fundamentação teórica sobre os fenômenos observados. O objetivo do trabalho foi alcançado, também, através da preparação de cinco conjuntos de experimentos, sobre os temas já citados, que foram doados a cinco escolas públicas de Xerém, tendo seus professores recebido treinamento para o uso e aplicação em sala de aula. Material escrito explicativo e com sugestões de atividades complementaram o material preparado. A simplicidade dos experimentos, o baixo custo e a possibilidade de exploração de conceitos diversos tiveram um impacto positivo sobre os professores participantes, tendo cada um deles expressado o interesse em aplicálos em suas atividades didáticas cotidianas. A aceitação dos professores por este trabalho confirma a necessidade de oferecer continuamente aos docentes recursos alternativos tanto para sua formação básica, quanto para a melhoria contínua de suas práticas pedagógicas.

Palavras-chave : Professores de ciências, experimentos de física, ciências físicas, educação continuada

## Introdução

A educação fundamental tem entre seus objetivos ensinar a utilizar as diferentes linguagens, seja na forma matemática, gráfica, verbal ou corporal, como meio para produzir, expressar e comunicar idéias. Também, é ela quem deveria formalmente propiciar a utilização de diferentes fontes de informação e recursos tecnológicos como forma de adquirir e construir conhecimentos [Brasil, 1998]. Porém, a realidade é outra. O ensino brasileiro enfrenta dificuldades que refletem na formação das nossas crianças e dos nossos adolescentes. Como crianças de 10-12 anos de idade que chegam no 6º ano do fundamental sem saber ler e escrever. Também, o estudante egresso do 9º ano que ao chegar no 1 ano do ensino médio o tem dificuldades para interpretar um texto e para realizar operações matemáticas, como frações e funções lineares. Esses fatores, entre outros, levam a evasão na transição entre os níveis fundamental e médio.

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Um problema existente e conhecido no ensino da disciplina de Ciências é a falta de formação do professor nas áreas de Física e Química. Por lei, o profissional habilitado a lecionar Ciências é aquele licenciado em Biologia ou Ciências Biológicas. No entanto, isto representa 1/3 do conhecimento mínimo necessário, o que provoca ansiedade e angústia no professor que tem que discorrer sobre temas que desconhece. A preocupação quanto ao conteúdo de Ciências Físicas trabalhado nos 3º e 4º ciclos do ensino fundamental é antiga [DE MATOS, 2005] e mostra a necessidade de um trabalho na base conceitual do formador de conhecimento, o professor. Trabalhar os conceitos fundamentais de Física, experimentar as leis que regem os fenômenos e fornecer ao educador material didático adequado ao conteúdo de nível fundamental, abre inúmeras possibilidades para a realização de uma prática didática estimuladora que resultará na formação de um indivíduo crítico. A importância dos conhecimentos físicos para o desenvolvimento da tecnologia dispensa comentários neste trabalho. Porém, vale a pena ressaltar que os temas propostos neste projeto, individualmente e coletivamente, são a mola mestra para a tecnologia do século 20 [QUINTAL, 2005; SILVA, 2005].

A proposta das nossas atividades é auxiliar este profissional atualizando (às vezes apresentando) os conteúdos de Física explorados nos ciclos da educação fundamental. Para isso discutimos temas como energia, onde diversos aspectos fundamentais das Ciências Físicas estão interligados. Apresentamos ferramentas virtuais e físicas para o emprego em sala de aula de práticas experimentais. Acreditamos que a experimentação prática de atividades de Física propicia ambientes de reflexão, instiga a curiosidade, auxilia no desenvolvimento e construção de idéias e contribui para que os estudantes desenvolvam métodos, procedimentos e atitudes que levem a um comportamento autônomo em sala de aula e na vida. Finalmente, fornecemos material escrito e pequenos itens experimentais que contribuem para o aumento da qualidade de suas aulas, conforme avaliação feita com cada professor participante das atividades.

Este trabalho, também, engloba a construção de kits experimentais doados a 5 escolas da região de Xerém, em Duque de Caxias - RJ. Escolas municipais e estaduais que receberam um conjunto de experimentos abrangendo temas como eletricidade, magnetismo, fluidos e movimento. Os professores dessas escolas receberam treinamento para utilizar e explorar cada uma das práticas elaboradas e material impresso com explicações e proposta de atividades a serem realizadas em sala de aula.

## 1- Descrição das atividades

Este item está dividido entre os dois tópicos tratados neste trabalho, as atividades com professores de Ciências (1.1) e a preparação do kit experimental (1.2) doado às escolas públicas.

## 1.1 Atividades experimentais

É consenso que atividades experimentais na educação fundamental prendem a atenção dos estudantes, estimulam a curiosidade, promovem maior

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interação entre colegas e melhoram a relação aluno-professor em sala de aula. Porém, o próprio professor tem dificuldades em elaborar e aplicar aulas dessa natureza. Duas dificuldades que identificamos têm origem na logística das escolas. São elas: a falta de um ambiente próprio para a aula experimental e a falta de recurso ou de equipamentos experimentais. A fim de mitigar estes dois problemas legítimos, elaboramos materiais didáticos de baixo custo para aplicação em sala de aula. Um terceiro problema inerente à formação do professor de ciências (biólogo) é a falta de conhecimento do conteúdo para a preparação do material. Para tentar ajudar na formação desse profissional, o material preparado é apresentado, discutido e explorado com os professores participantes.

## 1.1.1 Preparação do material

As atividades com professores empregaram materiais considerados de consumo e pouco usuais para fins didáticos, mas com custo muito baixo, como balões de festa, hastes de plástico (canudinho ou tubos PVC, por exemplo), agulhas, ímãs de geladeira, entre outros. Materiais reutilizáveis, descartáveis e recicláveis, também, serviram para a preparação do material, como rolha de garrafa, copinho de café, caixa de sapato, tampa de vedação metálica das embalagens de achocolatados e etc. A utilização de materiais específicos de baixo custo, como LED's e fios de cobre, foi necessária para a preparação de experimentos de eletricidade. O emprego deste tipo de material serviu para mostrar aos professores que é possível realizar experimentos demonstrativos com material de uso rotineiro e doméstico. Pode-se utilizar os materiais descritos acima, mesmo para experimentos conduzidos pelos estudantes. As experiências e os conteúdos discutidos nestas atividades serão mostrados no item elaboração dos experimentos, que inclui, também, o uso de recursos virtuais disponíveis na internet [PHET, 2013].

## 1.1.2 Elaboração dos experimentos

O objetivo central foi apresentar experimentos para professores sem formação em conteúdos de Física, que possam facilitar suas práticas pedagógicas. Para isto, eles devem ser baratos, de fácil realização e que funcionem em qualquer circunstância.

As atividades foram divididas em dois grandes temas: eletricidade, magnetismo. Abaixo, segue a descrição de cada uma.

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## 1.1.2.1 Eletricidade

## Conceitos Básicos

Começamos este tema discutindo a idéia de força realizada a distância, sem que haja contato entre os agentes que realizam e sofrem força. O objetivo foi introduzir o conceito de campo, especificamente, campo elétrico e de carga elétrica. Para isto utilizamos bolinhas de isopor, bolinhas de ping-pong e balões de látex comuns e do tipo canudo, como corpos que sofrem força. Utilizamos canudinhos de plástico rígido ou flexível e tubos de PVC como corpos que realizam a força, após serem atritados com um tecido sintético ou de lã. Os professores tiveram liberdade de experimentar o que acontecia com cada material. Puderam identificar qual sistema era mais eficiente. Puderam observar a existência de forças atrativas e repulsivas. A explicação para os fenômenos observados foi realizada com a ajuda de experimentos virtuais [Phet, 2013] e através de questões, previamente definidas, que auxiliaram sua compreensão.

Em seguida exploramos o conceito de corrente elétrica. Utilizamos uma mesa de pregos para esta finalidade e introduzimos o conceito de diferença de potencial e resistência elétrica . A inclinação da mesa, a distribuição dos pregos e o 1 tamanho das bolinhas, analogamente, explicam estes conceitos. Esta atividade tem caráter demonstrativo e auxilia na compreensão dos fenômenos. Neste ponto, discutimos sobre materiais isolantes e condutores. Os experimentos virtuais, nesse caso, foram utilizados para explicar os efeitos de transformação de energia elétrica em térmica, aplicando os conceitos desenvolvidos.

## Aplicação Cotidiana

Finalizamos esta etapa fazendo ligações em série e em paralelo de lâmpadas do tipo LED (muito baratas). Os professores utilizaram fios de cobre para as conexões entre os LED's e dos LED's com as pilhas. Cada um fez seu próprio circuito e pode concluir que tipo de circuito é utilizado nas instalações elétricas de uma casa e em geral.

## 1.1.2.2 Magnetismo

Dentre os 3 temas explorados, o de magnetismo é aquele que considero como tendo maior interface com outras áreas do conhecimento. Apresentamos o conceito utilizando, também, como exemplos o magnetismo terrestre e animal. O primeiro, assunto de estudo da geologia e o segundo, da biologia.

## Conceitos Básicos

Começamos este trabalho testando o conhecimento dos professores sobre materiais magnéticos. Os professores, com o auxílio de um ímã, separaram materiais magnetizáveis dos não-magnetizáveis. O conceito foi explorado do ponto

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de vista dos domínios magnéticos da matéria, sem tratar a questão de spin ou do momento magnético orbital do elétron. Nesse ponto, apresentamos a idéia dos polos magnéticos, da organização dos domínios magnéticos e da força magnética. Com materiais simples como copo descartável, agulha ou alfinete com cabeça colorida, bolinha de isopor ou rolha de garrafa e um ímã, produziram uma bússola e observaram os efeitos dos campos magnéticos externos sobre ela. Experimentos virtuais sobre o geomagnetismo complementaram a explicação sobre o funcionamento da bússola e ajudaram a elucidar a relação entre os polos magnéticos e geográficos da Terra.

- A formação de campos magnéticos oriundos de corrente elétrica foi introduzida construindo-se eletroímãs, utilizando-se fio de cobre, pregos e pilhas. O eletroímã foi testado com os materiais separados, inicialmente, como magnetizáveis, e a interação atrativa entre eletroímã e cada um deles comprovou a formação de campos magnéticos não permanentes, existentes apenas enquanto o eletroímã estivesse ligado.

## Aplicação Cotidiana

Combinar os conhecimentos adquiridos até este ponto, tanto de magnetismo quanto de eletricidade, leva à concepção do motor e gerador elétricos. Duas das mais importantes aplicações tecnológicas do último século, que possibilitaram atravessar oceanos em poucas horas, construir arranha-céus com centenas de metros e a comunicação instantânea entre continentes.

A construção de um protótipo de motor elétrico foi realizada por cada participante das atividades. Utilizaram ímãs permanentes, pilhas e.fios de cobre, para construir uma pequena bobina e para fazer as conexões elétricas. Este experimento requer cuidados especiais para que a energia elétrica se transforme em movimento, cuidados referentes ao contato elétrico entre as partes do motor. O experimento do gerador elétrico foi demonstrado por um protótipo de usina eólica. Detalhes desta atividade, que faz parte do kit de experimentos, encontram-se no item seguinte.

## 1.2 Elaboração dos kits experimentais

A idéia da criação dos kits experimentais surgiu durante a realização das atividades descritas acima. Através de conversas com professores de escolas públicas, notamos a dificuldade que teriam em aplicar o que havia sido discutido. A falta de tempo para preparar o material passou a ser principal dificuldade para a realização em sala de aula, uma vez que conteúdo e custos deixaram de ser os motivos centrais.

Os experimentos que resolvemos desenvolver tinham que abranger, preferencialmente, mais de um conteúdo e permitir que diferentes tópicos pudessem ser abordados. Consideramos da experiência anterior, que os experimentos demonstrativos do gerador eólico e do análogo mecânico da corrente elétrica (caixa de pregos) provocavam muita curiosidade e levavam a discussões sobre os fenômenos básicos e sobre aplicações tecnológicas mais avançadas. Eles foram os primeiros definidos para formar o kit, que inclui ainda um 'robot' hidráulico, um sistema de composição de cores e uma luneta. Uma breve discussão sobre os três

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primeiros segue abaixo. Deixaremos os experimentos sobre óptica para serem discutidos em outro trabalho.

## 1.2.1 Análogo mecânico da corrente elétrica

Se propõe a explicar o que é diferença de potencial, corrente e resistência elétricas através de uma caixa de madeira com pregos ordenadamente localizados sobre ela [BAGNATO, 1994; BAGNATO, 2006]. A caixa faz papel de fio condutor, os pregos são a estrutura do fio e utilizamos pequenas bolinhas de vidro ou de metal como elétrons. Podemos variar a inclinação da caixa e mudar o tamanho das bolinhas de forma a construir o significado das grandezas elétricas. Em outro nível educacional, este mesmo sistema pode servir para explicar a estrutura atômica de metais, ou para desenvolver conceitos estatísticos como média, valor mais provável, entre outros.

## 1.2.2 Gerador eólico

Consiste em utilizar uma ventoinha de computador como turbina de uma usina eólica ou, mesmo, de uma hidroelétrica. A diferença é o meio que coloca em movimento as hélices da turbina. Essa ventoinha é ligada a um conjunto de LED's em paralelo. Os LED's acendem quando certa diferença de potencial elétrico é gerada em seus terminais. Neste experimento exploramos os conceitos de geração e transmissão de energia elétrica e as formas como distribuímos essa energia em nossas casas. Pode ainda ser empregado para explicar o que é um semicondutor, a diferença entre lâmpadas comuns e LED's, por exemplo.

## 1.2.3 Robot hidráulico

Este experimento utiliza o princípio de Pascal para produzir movimentos de rotação em pequenos elementos móveis. Estes elementos foram feitos de madeira e conectados entre si por dobradiças, formando o que chamamos de robot. Utilizando 3 pares de seringas, exercemos força (como uma alavanca) sobre a parte que se quer movimentar. Empregamos seringas de pequeno volume e mangueiras plásticas preenchidas completamente com água. A pressão exercida em uma extremidade de uma seringa se transmite igualmente sobre todas as partes do conjunto. Dessa forma, o êmbolo da 2ª seringa em contato com a parte móvel provoca o movimento desejado no 'robot'.

Este experimento é muito admirado por crianças e por adolescentes por ser uma atividade interativa. Além de ter que movimentar o 'robot', o manipulador das seringas é desafiado a pegar algum objeto localizado em um ponto qualquer ao seu alcance. Para isso, um eletroímã na forma de gancho está fixado na extremidade livre do robot (não mostrado na figura 3).

Este sistema pode se tornar mais sofisticado e ser explorado em nível técnico, ou universitário, quando se emprega sistemas eletro-eletrônicos a fim de movimentá-lo.

## 2- Discussão e Conclusões

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Este trabalho descreve um conjunto de atividades e experimentos sobre eletricidade e magnetismo realizados com professores de ciências da educação fundamental e, também, 3 experimentos construídos na UFRJ e doados a 5 escolas públicas da região de Xerém - RJ.

17 participantes inscreveram-se nas atividades experimentais e têm em comum a necessidade de entender os conceitos físicos explorados nos últimos anos do ensino fundamental. Participaram professores, majoritariamente, com formação em Biologia, com diferentes conhecimentos sobre os conteúdos de Física e com tempos diferentes de experiência didática. Havia no grupo professor com apenas um ano e outro com 34 anos de experiência. O tempo médio, porém, é de 12 anos. Desse grupo, 13 responderam um questionário sobre a importância das atividades realizadas. 100% afirmou que utilizará as idéias em suas práticas pedagógicas, e que considera fácil a utilização nas escolas, dado o baixo custo do material empregado. Quanto ao processo em si, além dos experimentos, empregamos simulações virtuais. Especificamente, utilizamos as simulações do Phet, elaboradas pela Universidade do Colorado, Estados Unidos, com 'sites' espelho em outros países e no Brasil. Muitos professores mostraram ter preconceito contra este recurso, porém concluíram que o uso correto torna-o um facilitador para a compreensão dos fenômenos estudados. Experimentos sobre mecânica e termodinâmica foram solicitados por 70% do grupo. Porém, acústica, ondas, espelhos esféricos, refração e gravitação foram citados como temas que precisam ser melhor compreendido por esse grupo de professores.

Sete professores de escolas públicas participaram das atividades de doação dos kits experimentais. Receberam treinamento através da apresentação dos experimentos e uso do material, além de roteiro experimental com descrição dos fenômenos, propostas de experimentos, questões para discussão com os alunos e dicas do que fazer caso o experimento não funcione e principais causas de problemas. Junto com os kits, receberam material de consumo como pilhas e LED's como forma de garantir o uso do material. Este grupo de professores solicitou a realização de atividades que os ajudassem a preparar o próprio material. Como resultado inesperado da atividade realizada, os professores de uma das escolas formaram um grupo para viabilizar o uso do kit e para preparar outros experimentos para aplicação em sala de aula.

Finalmente, a realização deste trabalho teve como objetivo aproximar o professor de ciências dos conceitos e fenômenos Físicos da educação fundamental. Existe a necessidade de oferecer aos docentes recursos alternativos para suas práticas didáticas e para sua própria formação básica.

## Agradecimentos

À UFRJ pela bolsa PIBEX cedida ao autor Marlon J. Gomes. À FAPERJ pelo financiamento dos projetos E-26/111.294/2012 e E-26/112.283/2012.

## Referências

BAGNATO, VANDERLEI S. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 16, n os 1 - 4 (1994) 129 - 131.

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BAGNATO, V. S. e RODRIGUES, V. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 28, n 1 (2006) 35 - 39. o

BRASIL. Secretaria de Educação Fundamental. Parâmetros curriculares nacionais : primeiro e segundo ciclos do ensino fundamental (Tema Transversal Ciências Naturais). Secretaria de Educação Fundamental - Brasília: MEC/SEF, 1998a.

DE MATOS, E. C. T., MASSUNAGA, M. S. de O. Anais do XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, Rio de Janeiro - RJ, 2005.

PHET: https://phet.colorado.edu/pt\_BR/

QUINTAL, J. R., SANTOS, W. M. S., GASPAR, M. B. Anais do XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, Rio de Janeiro - RJ, 2005.

SILVA, M. A. F. M. da , TAVARES Jr., A D. Anais do XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, Rio de Janeiro - RJ, 2005.

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