A POSSIBILIDADE DE UMA ATIVIDADE INVESTIGATIVA COMO MÉTODO ALTERNATIVO PARA O ENSINO DE FÍSICA: O PROBLEMA DA QUEDA DA ILUMINAÇÃO DAS LÂMPADAS QUANDO O CHUVEIRO É LIGADO

## A possibilidade de uma atividade investigativa como método alternativo para o ensino de Física: O problema da queda da iluminação das lâmpadas quando o chuveiro é ligado.

## Diêgo Silva Santos 1 , Igor Azevedo Carvalho 2 , Helena Libardi 3

- 1 Departamento de Ciências Exatas, Universidade Federal de Lavras, diegosilva@fisica.ufla.br 2 Departamento de Ciências Exatas, Universidade Federal de Lavras, izc30@hotmail.com
- 3 Departamento de Ciências Exatas, Universidade Federal de Lavras, hlibardi@dex.ufla.br

## Resumo

Este trabalho foi desenvolvido como parte da avaliação de uma disciplina do curso de Licenciatura em Física. Ele foi aplicado e analisado em conjunto com o professor e os alunos da disciplina Produção de Material Didático B. Todos os alunos da disciplina já haviam concluído a disciplina de eletromagnetismo. O trabalho teve o objetivo apresentar uma atividade para uso em sala de aula do Ensino Médio com o objetivo de ensinar Física de forma diferenciada. Utilizando-se uma proposta de aula investigativa, pretende-se instigar os alunos a observar um fenômeno particular que ocorre em circuitos elétricos e a se questionarem sobre o problema que lhes foi apresentado, fornecendo em um roteiro as ferramentas necessárias para entender o assunto. A atividade foi criada usando-se como base uma pequena história envolvendo um aluno de física. Nela foram abordadas as características de um circuito elétrico, com o objetivo promover o entendimento sobre as características do mesmo. Através da mediação e condução do professor os alunos eram levados a investigar e entender quais fatores poderiam causar o problema de defasagem da luminosidade das lâmpadas de uma residência, na maioria das vezes antiga, quando um chuveiro ou outro aparelho de grande potência é ligado. Uma pequena discussão teórica sobre circuitos elétricos era intercalada com a análise e experimentação.

Palavras-chave : Ensino, Ensino de Física, Circuitos elétricos.

## 1. Introdução

Ensinar Física é uma tarefa difícil. Os alunos frequentemente reclamam da dificuldade da disciplina e muitas vezes pode ser observada nos alunos a falta de interesse com a disciplina, por causa das metodologias usadas em sala de aula. Por vezes os professores não são suficientemente capacitados, não possuem tempo extra para buscar uma formação continuada, ou até interesse em desenvolver aulas diferenciadas e, assim, instigar os alunos a obter um melhor aprendizado em Física através da interação deles com o professor e com os companheiros. Este método pode assim estimular o raciocínio dos alunos e abranger, inclusive, outras áreas do ensino.

Ensinar sobre os fenômenos ligados ao eletromagnetismo, no caso, a circuitos elétricos, é um grande desafio para os professores de escolas do ensino médio, visto que, muitas vezes, esta é a primeira vez que os alunos têm proximidade com estes fenômenos. Então, este trabalho visa ensinar o conceito buscando interagir com os alunos, montando situações problemas para que os mesmos possam discutir sobre, argumentar e propor soluções, trocando significados com o

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26 a 30 de janeiro de 2015

professor a partir de uma situação do cotidiano. Para tal foi desenvolvida uma aula em que, através da problematização, os alunos se vejam em uma situação inusitada, algo que possivelmente eles já tenham se deparado anteriormente, porém que precise de certo conhecimento em Física para entender o fenômeno. Através de um roteiro, buscou-se motivar os alunos, para conduzi-los na montagem dos circuitos, visando sua assimilação conceitual de forma investigativa, até solucionar o problema principal proposto inicialmente: o problema da defasagem da luminosidade das lâmpadas de uma residência quando um chuveiro é ligado.

- É fundamental para o êxito da atividade a ação de professores que entendam seu princípio e o objetivo. Os educadores são os principais agentes que direcionam o aprendizado dos alunos.

É o professor que propõe problemas a serem resolvidos, que irão gerar ideias que, sendo discutidas, permitirão a ampliação dos conhecimentos prévios; promove oportunidades para a reflexão indo além das atividades puramente práticas; estabelece métodos de trabalho colaborativo e um ambiente na sala de aula em que todas as ideias sejam respeitadas (GARRIDO e colaboradores 1998).

## 2. Fundamentos teóricos

- O ensino de Física pode ser melhorado usando, como meio alternativo de ensino, atividades científicas investigativas experimentais, semelhantes às feitas em laboratórios (HODSON, 1992 apud AZEVEDO, 2004). Através das atividades investigativas os alunos podem fixar melhor os conceitos científicos sobre determinado assunto do que o método tradicional, baseado em assistir aulas e resolver exercícios repetitivos.

Outro aspecto importante desse tipo de atividade é uma maior participação dos alunos ao longo da aula, debatendo uns com os outros e com o professor, raciocinando em relação aos conceitos teóricos obtidos, e desta forma entender por si sobre os fenômenos físicos encarados. 'Esse tipo de atividade experimental, é indispensável ao ensino de Física' (MOREIRA; LEVANDOWSKI, 1983 apud AZEVEDO, 2004).

A resolução de problemas que levam a uma investigação deve estar fundamentada na ação do aluno. Os alunos devem ter oportunidade de agir e o ensino deve estar acompanhado de ações e demonstrações que o levem a um trabalho prático (MOREIRA, 1983 apud AZEVEDO, 2004).

Desta forma, acredita-se que os alunos, acompanhados de um professor que os guie, dando-lhes as ferramentas necessárias para o aprendizado, possam aprender de forma sólida através da investigação, do questionamento sobre o porquê dos fenômenos observados, pois 'todo conhecimento é resposta a uma questão' (BACHELARD, 1996). A atividade investigativa propicia grandes mudanças internas no conhecimento dos alunos, no seu jeito de pensar, solidifica seus conhecimentos.

A situação de formular hipóteses, preparar experiências, realizá-las, recolher dados, analisar resultados, quer dizer, encarar trabalhos de laboratório como 'projetos de investigação', favorece fortemente a motivação dos estudantes, fazendo-os adquirir atitudes tais como curiosidade, desejo de experimentar, acostumar a duvidar de certas afirmações, a confrontar resultados, a obterem profundas mudanças conceituais, metodológicas e atitudinais (LEWIN; LOMÁSCOLO, 1998).

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Assim, pode-se destacar estas aulas como fundamentais para gerar a predisposição necessária do aluno para o aprendizado, conjuntamente com a interação com o professor e os colegas, ele poderá mudar, desde o seu jeito de pensar e raciocinar, até suas atitudes em sala de aula e seu interesse pela disciplina. 'O processo de pensar, que é fruto dessa participação, faz com que o aluno comece a construir também a sua autonomia' (GARRIDO e colaboradores, 1998).

## 3. Metodologia da pesquisa

Participaram da execução desta atividade alunos da graduação em Física, simulando uma classe de ensino médio. Para esta atividade foi elaborado um roteiro investigativo (apêndice). Buscou-se instigar a participação estudantes todo o tempo. Como esta era uma proposta investigativa, os dados do problema não foram fornecidos diretamente, portanto os alunos deveriam se concentrar na teoria para discernir quais dados deveriam ser coletados. Com isso, objetivou-se despertar o senso crítico dos estudantes, que deveriam identificar o que seria relevante ou não.

A atividade investigativa, seguindo o roteiro proposto, foi constituída de três etapas complementares estabelecendo uma ordem lógica e construtivista para prover aos alunos os conceitos. Cada etapa teve o propósito de fornecer os fundamentos para a etapa seguinte, visando um ganho conceitual progressivo sobre o fenômeno em questão. A primeira parte apresentou uma introdução ao problema, onde foi elaborada a questão a ser investigada. A segunda parte revisou conteúdos teóricos e buscou direcionar a atenção dos alunos para a situação que deveria ser investigada. A última etapa objetivou a coleta dos dados necessários pelos alunos e as discussões para concluir as causas do fenômeno.

## 3.1. Problematização do fenômeno

Contextualizando o problema, elaboramos a história de um aluno do ensino médio que observava uma considerável diminuição do brilho das lâmpadas na casa na zona rural quando ligado, ao mesmo tempo, outro aparelho eletrodoméstico de grande potência (no caso, o chuveiro), o que não ocorria em seu apartamento na cidade. Perguntamos: por que este efeito acontece na casa da roça e não no apartamento?

Buscou-se nesse primeiro momento despertar o interesse dos alunos, gerando curiosidade e contextualizando o ensino de Física, pois tal fenômeno provavelmente já foi observado pelos alunos no cotidiano. Conforme previsto, os alunos já haviam presenciado tal situação, mas não esboçaram soluções para o problema, nem levantaram hipóteses sobre as possíveis causas.

A partir desse momento os alunos presentes em sala de aula foram incumbidos de representar o professor de Física de Ronaldo (personagem citado ao longo da história descrita no roteiro), indicando o que há de fundamental a ser estudado e quais dados devem ser pesquisados e coletados. Foram então explicados os conceitos sobre potência, diferença de potencial, corrente elétrica e resistência elétrica. Como informação essencial a investigação, foi discutida a equação para determinar a resistência de um material, foi discutido sobre a Lei de Ohm, como pode ser obtida a potência de um aparelho ou de uma lâmpada, métodos para se obter a resistência equivalente em um circuito em série e em um

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circuito em paralelo. Estes conceitos foram discutidos amplamente e contextualizados de acordo com a história.

## 3.2.1.Investigação 1: Experimentos com os circuitos

No roteiro, em seu procedimento experimental, havia três circuitos a serem analisados pelos alunos: um circuito em série, um em paralelo e um circuito misto. Foi utilizada a fonte da rede elétrica (127 V), fios condutores, interruptores e 03 lâmpadas incandescentes iguais. Utilizamos lâmpadas iguais com o intuito simplificar o problema. O objetivo didático dessa parte foi conduzir os alunos às observações de circuitos elétricos similares aos circuitos presentes em residências.

No circuito 1 (série), os alunos executaram os procedimentos sem dificuldades e, conforme esperado, o brilho da lâmpada se manteve constante. Os alunos foram questionados em relação ao porque isso ocorria e por que a segunda lâmpada não acendia ao ser inserida paralelamente à chave fechada, nas extremidades livres dos fios (ver figura 1). Após determinada discussão, disseram que havia um curto circuito na chave e não havia passagem de corrente elétrica pela nova lâmpada, logo a resistência equivalente do circuito se mantinha, mantendo a potência dissipada na primeira lâmpada e a ausência de brilho na nova lâmpada. Após a abertura da chave, mais uma vez não houve dificuldades por parte dos alunos, que indicaram uma diminuição do brilho da lâmpada devido a uma menor diferença de potencial (ddp) em cada lâmpada, pois a resistência equivalente aumentou, também porque houve uma queda da potência dissipada na lâmpada, devido à presença da outra lâmpada conectada em série.

O procedimento para o segundo circuito (paralelo), consistiu na inserção de duas lâmpadas em paralelo e uma chave aberta ligada em série com a segunda lâmpada. Após serem executados os primeiros procedimentos, os alunos não hesitaram, responderam corretamente que o brilho se mantinha constante. Uma melhoria proposta nesse ponto do roteiro seria acrescentar uma pergunta sobre o porquê do brilho se manter constante. Para finalizar essa parte, os alunos tiveram que comparar os brilhos das duas lâmpadas. Para justificar os brilhos iguais das lâmpadas, os alunos responderam que estas estavam submetidas a mesma ddp e, por terem resistências iguais, passava a mesma corrente por ambas, portanto, a potência dissipada nas duas, que equivale ao brilho, foi igual.

O último circuito (misto). Após a montagem (orientada) correta dos materiais, não havia passagem de corrente pela terceira lâmpada, sendo então um circuito análogo ao circuito dois com a chave fechada, o que foi mostrado aos alunos por uma nota. Em seguida, ao ser aberta a chave e a corrente passar pela terceira lâmpada, os alunos indicaram que havia uma queda de potência da primeira lâmpada. Eles também se saíram bem na explicação dizendo que a terceira lâmpada estava ligada em série à resistência equivalente das outras duas, o que causa uma queda de tensão nos terminais dessas e, por haver aumento na resistência equivalente (relacionado ao circuito 2) de todo o circuito, também há uma menor corrente passando pelas resistências.

## 3.2.2. Investigação 2: Coleta e análise de dados, e discussões

Nesta etapa deveriam ser coletados dados referentes às residências e fazer a análise desses dados relacionando-os com o conteúdo teórico abordado para

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obter as conclusões finais. Ao responderem sobre os possíveis circuitos da casa da roça, indicaram os circuitos 1 e 3. Descartaram a possibilidade de um circuito em paralelo, alegando que como não havia perda no brilho das lâmpadas neste circuito, essa possibilidade não seria viável, pois na casa havia uma perda de potência.

Na etapa seguinte, considerada a parte mais relevante da atividade, os alunos coletaram dados da casa na roça e do apartamento na cidade para analisar quais as características poderiam levar à queda de potência nas lâmpadas. Como exemplo, o personagem da história observou que a casa da roça tinha uma instalação elétrica bem antiga. Outras características deveriam ser preenchidas na Tabela 1 do roteiro. Os professores detinham uma lista com outras características e informavam aquelas que eram solicitadas pelos alunos, (Tabela 2 do roteiro).

Dentre os dados disponíveis, os alunos coletaram as características dos fios, números de lâmpadas, chuveiros (e potências), eletrodomésticos (condições físicas), e a voltagem da rede elétrica. O fato de se especificar na tabela dos professores que os chuveiros estavam submetidos a uma voltagem diferente deixou os alunos um pouco confusos, mas foi dada uma informação, que amenizou essa confusão: a casa tinha apenas um disjuntor enquanto o apartamento tinha vários disjuntores. Os alunos também solicitaram dados que não constavam na lista e tiveram de ser determinados na hora como a alimentação de outras partes da roça, que poderia ser feita na mesma rede, os tipos de lâmpadas e o material dos fios. Por fim foram informados (avô de Ronaldo) que todos os aparelhos e lâmpadas da casa estavam ligados em paralelo. Esse fato levou a uma contradição, pois a possibilidade de um circuito em paralelo havia sido descartada quando se respondeu quais poderiam ser os circuitos presentes na casa, em uma parte anterior do roteiro.

Nesse momento, os alunos detinham as informações necessárias para concluir as causas da queda de potência na casa da roça. Apesar de perguntarem algumas vezes a respeito da fiação da casa e indicarem que seria relevante, não descobriram que o fenômeno ocorria devido à fiação da roça apresentar uma maior resistência interna, que não poderia ser desprezada. Tal fato é devido às suas características (fios finos, antigos e extensos). No apartamento, o número de disjuntores indica circuitos independentes, além dos fios serem novos e bem dimensionados (ABNT). A causa do fenômeno gerou várias dúvidas e tivemos que dar explicações detalhadas utilizando algumas equações e os circuitos. Para exemplificar o que ocorria na casa, foi montado um circuito misto (circuito 3), mas manteve-se uma das lâmpadas desligada e, portanto, passou a ser um circuito em série. Essa lâmpada desligada representava o chuveiro, a lâmpada em paralelo a esta representava as lâmpadas da casa e a lâmpada ligada em série a elas representava a resistência interna do fio. Mostramos que ao ligar a lâmpada que representava o chuveiro, o brilho na lâmpada que representava as lâmpadas da casa diminuía e o brilho da lâmpada que representava a resistência do fio aumentava. Explicou-se então que ao se ligar o chuveiro, a corrente total que passa pelo circuito aumenta, pois há uma diminuição da resistência equivalente. Sendo que a corrente total passa pela fiação e esta apresenta alguma resistência, temos que há uma maior queda de tensão nessa resistência devido ao aumento de corrente. Portanto, a potência dissipada na fiação que antes era desprezível passa a ter um valor que não é mais desprezível e a potência dissipada nas lâmpadas da casa e, consequentemente, seus brilhos, passam a ser menores, pois estão submetidos a uma menor diferença de potencial.

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Encerramos a análise da solução concluindo que, apesar de os aparelhos estarem todos ligados em paralelo, temos um circuito misto na casa da roça, pois a resistência interna dos fios não é desprezível pela alta corrente exigida ao se ligar o chuveiro e há uma queda de tensão que deve ser considerada, nas lâmpadas da casa, portanto, a potência dissipada é menor, gerando um brilho menor.

## 4. Considerações finais

As etapas desenvolvidas durante a atividade tiveram como objetivo dar autonomia ao aluno para buscar soluções para o problema proposto. A criação de uma história ligada a um experimento envolveu os alunos de forma produtiva, aproximando teoria à prática, e forneceu razões para se estudar os conteúdos.

Consideramos a revisão conceitual relevante e suficiente, pois continha todas as equações e conceitos necessários para a solução do problema, sendo assim muito utilizada. As montagens experimentais e testes feitos nos três circuitos propostos foram essenciais para observação do fenômeno. Apesar de ter um caráter investigativo, em determinadas situações o roteiro teve caráter tradicional, o que pode ser alterado para dar ainda mais autonomia aos alunos. Poder-se-ia indicar os três circuitos e deixar as observações a cargo dos estudantes, que anotariam aquilo que considerassem de relevante importância.

Na última etapa, a contradição levantada motivou os alunos a questionarem o problema e a solução, porém não houve hipóteses próximas à solução do problema. Mesmo assim, pontos benéficos para o aprendizado foram obtidos nessa fase, e as explicações dadas pelos professores foram suficientes para um bom esclarecimento do fenômeno. A coleta de dados foi bastante proveitosa, em parte pela mediação feita pelos professores aplicadores da atividade, e seu caráter investigativo ficou evidente. É aconselhável acrescentar o máximo de dados possíveis, incluindo os já citados no presente artigo. Outro fator importante foi o embasamento já adquirido pelos alunos. Era esperado que as respostas obtidas ao longo do roteiro fossem corretas pelo nível de conhecimento dos alunos, mas a interação e as discussões em busca da solução em cada etapa do problema foram muito importantes para a validação desta atividade.

Consideramos que a atividade teve seus objetivos cumpridos, mesmo não se alcançando a resposta final esperada. Os alunos se envolveram com a atividade e solicitaram as informações pertinentes para a resolução do problema, mostrando bom direcionamento na investigação. Recomendamos a atividade após a exposição teórica do conteúdo que este engloba e avalia-se como potencialmente significativo para o aprendizado dos conceitos relacionados a circuitos elétricos.

## Referências

AZEVEDO, M. C. P. S. Ensino por investigação: problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, A. M., P. Ensino de ciências: unindo a pesquisa e a prática. 2004.

BACHELARD, G. A formação do espírito científico: contribuição para uma psicanálise do conhecimento. Rio de Janeiro: Contraponto. 1996.

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GARRIDO, E., CASTRO, R. S., CARVALHO, A. M. El papel de las atividades em la constucción del conocimiento em clase. Investigación em la Escuela, v.25, p. 60-70, 1995.

LEWIN, A. M. F. e LOMÁSCOLO, T. M. M. La metodologia científica em la construcción de conocimientos. Enseñanza de las ciências, v. 20, n.2, p. 147-1510, 1998.

## Apêndice: Roteiro da aula investigativa

## 1. Problematização

Ronaldo, aluno do terceiro ano do Ensino Médio, mora em um apartamento novo na cidade de São Paulo. Durante o período de férias vai passar alguns dias na casa de seus avós, que moram na roça. Chegando lá, ele observa um fenômeno que não acontece em seu apartamento: quando alguém entra para o banho quente, o brilho das lâmpadas da casa diminui consideravelmente. Como esse evento nunca havia acontecido em seu apartamento, Ronaldo começa a se questionar quais seriam os motivos para o ocorrido, e o que teria de diferente em seu apartamento para evita-lo.

## 2. Embasamento teórico

Como Ronaldo está estudando para o vestibular, ele levou seu material de Física para estudar durante as férias e passa a investigar o problema, buscando analisar quais as características relevantes. Você é o professor de física de Ronaldo e deve auxiliá-lo na coleta de dados e resolução do problema, indicando características e conceitos necessários para resolvê-lo. Está à sua disposição um kit experimental e um livro contendo os conceitos físicos necessários. (nesta parte do roteiro explicamos e discutimos amplamente e contextualmente os conceitos de Diferença de Potencial, Corrente Elétrica, Resistência Elétrica, Lei de Ohm e Resistência equivalente em circuitos em série, paralelo e misto, de forma ao aluno ter todas as ferramentas necessárias para resolver os problemas propostos).

## 3. Procedimento experimental e questões problemas

## 3.1. Investigando circuitos em série, circuitos em paralelo e circuitos mistos

Monte o circuito 1, sendo que Vf é a fonte e L1 é a primeira lâmpada. Feche a chave e observe a intensidade do brilho da lâmpada.

Figura 1: Circuitos 1, 2 e 3 respectivamente.

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Em seguida, acrescente uma lâmpada L2 nas extremidades dos fios mantendo a chave fechada. A intensidade do brilho de L1 permaneceu constante, aumentou ou diminuiu? Por quê?

## A lâmpada L2 permaneceu apagada? Por quê?

Abra a chave e observe o que acontece com a intensidade do brilho de L1. A intensidade do brilho de L1 permaneceu constante, aumentou ou diminuiu? Por quê?

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Monte agora o circuito 2 de acordo com a figura 1. Observe a intensidade do brilho da lâmpada L1, agora feche a chave. A intensidade do brilho de L1 permaneceu constante, aumentou ou diminuiu?

Compare as intensidades dos brilhos de L1 e L2. Elas são iguais ou diferentes? Por quê?

Monte o circuito 3 de acordo com a Figura 1. Note que este circuito é igual ao circuito obtido na etapa anterior, porém com a adição de uma lâmpada L3 apagada em série com L1 e L2 e uma chave ligada em paralelo com L3. Abra a chave e observe o que acontece com L1 e L2. A intensidade do brilho de L1 permaneceu constante, aumentou ou diminuiu? Por quê?

## 3.2. Coleta de dados e discussões

Discuta agora as diferenças observadas entre os circuitos 2 e 3, relacionando também com o que foi observado no circuito 1. Indique quais são os possíveis circuitos presentes na casa da avó de Ronaldo e qual deve ser descartado.

(Pós-discussão) Após esse estudo geral sobre circuitos, Ronaldo passa a listar as características pertinentes a respeito do circuito da casa da roça e do apartamento da cidade, observando suas diferenças. A primeira observação feita por ele é que a casa de sua avó é bem antiga, então pode haver algum problema ligado a isso. Você deve indicar o que ele deve coletar na tabela a seguir:

Tabela 1: Características da casa/apartamento

(Pós-listagem) Ronaldo pergunta ao seu avô como é feita a ligação na casa da roça e ele responde que todos os aparelhos e lâmpadas foram ligados em paralelo. Você se depara com uma contradição nesse momento. Como você pode esclarecer essa divergência de acordo com o que foi estudado até agora e analisando os dados referentes à casa da roça e ao apartamento de Ronaldo?

Tabela 2: Características casa/apartamento. Dados são fornecidos conforme questionados

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