EXPERIMENTOS DE FÍSICA COM MATERIAIS DE BAIXO CUSTO: A FONTE DE HERON, CONDUTORES E ISOLANTES

## EXPERIMENTOS DE FÍSICA COM MATERIAS DE BAIXO CUSTO: A FONTE DE HERON, CONDUTORES E ISOLANTES

## *Darcy Cristiana Fernandes Bezerra , Valnice Sá de Brito Rocha 1 2 , Walisson Martins Artiman 3

[1] Secretaria de Estado de Educação do Maranhão, cristiana.fernandes@hotmail.com [2] Secretaria de Estado de Educação do Maranhão, valnicesarocha@hotmail.com Secretaria Municipal de Educação de Santa Inês - MA, walisson-artiman@hotmail.com

## Resumo

Esse trabalho teve o objetivo de propor a realização de uma oficina de Física com materiais de baixo custo, de maneira que os experimentos desenvolvidos auxiliem os professores da educação básica em sua prática de sala de aula, tornando-as mais dinâmicas, atrativas e prazerosas para seus alunos, motivando-os e aproximando-os um pouco mais do universo da Física. O trabalho é um relato de experiência que traz como sugestão para o estudo de hidrodinâmica e hidrostática construiu-se uma representação da Fonte de Heron (fonte portátil) e para o estudo da eletricidade, elaborou-se um experimento que demonstra a condutividade de alguns materiais. A oficina foi realizada com 20 estudantes universitários no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA, na cidade de Santa Inês, Maranhão, em novembro de 2013. Com isso, comprovou-se que quando se faz uso da experimentação como ferramenta de ensino, o educador leva seus alunos a participarem mais ativamente das aulas favorecendo um aprendizado significativo. Além de promover a socialização e crescimento intelectual, demonstra alguns fenômenos não percebidos pelos alunos em seu cotidiano, possibilitando assim, uma discussão crítica do assunto abordado.

Palavras chave: Oficina de Física. Experimentos de baixo custo. Hidrodinâmica e hidrostática. Eletricidade.

## Introdução

O Ensino de Física sempre foi visto como um dos mais dogmáticos dentre as disciplinas do currículo da educação básica, predominando a concepção tradicional de ensino, sendo esta, muitas vezes, incapaz de motivar o aprendizado do aluno. No século IV a.C., o ensino da Física era visto apenas no plano da contemplação e observação, sem base experimental para validar as ideias discutidas. No decorrer dos séculos, vários estudiosos e teorias surgiram, porém, somente no século XVII com a criação da Mecânica Clássica por Isaac Newton, os conceitos físicos foram sendo elaborados e desenvolvidos. A Física ganhava mais poder e beleza com a evolução da Matemática, a ciência estava em pleno desenvolvimento, porém no Brasil isso não ocorreu devido à falta de contato com as civilizações europeias. As mudanças no ensino só ocorreram com a vinda da família real para o país. Foi a

partir daí que alunos brasileiros começaram a ter contato com professores europeus, através de intercâmbios.

Na década de 1820 teve início às aulas práticas de Física e em 1832 a Física começa a ser lecionada como disciplina autônoma, porém com a qualidade limitada em comparação aos padrões europeus. Louis Agassiz fez a seguinte observação:

... em nenhuma parte do Brasil vi um estabelecimento de instrução, onde os métodos aperfeiçoados sejam tão altamente apreciados, tão geralmente adotados. Os cursos de Matemática, de Química, de Física, de Ciências Naturais são extensos e seriamente feitos, mas mesmo nestes estabelecimentos notei a mesquinharia dos meios de demonstração prática e experimental: os professores não me parecem ter suficientemente compreendido que as ciências físicas não se ensinam unicamente ou principalmente com manuais. (LOUIS AGASSIZ apud FIRME, 1994).

O modelo brasileiro, exportador de produtos agrícolas, não favorecia a investigação científica e o desenvolvimento tecnológico, diferente do europeu, onde a prática de ensino e pesquisa nas Universidades já era um marco cultural. O ensino de Física no mundo e em especial no Brasil passou por diversas mudanças, entretanto, não houve um avanço significativo no ensino e aprendizagem dessa Ciência. Chiquetto (2011), em seu trabalho sobre o currículo de Física no Brasil afirma que na visão dos alunos do ensino médio, a Física é uma disciplina formada por um grande número de fórmulas que servem apenas para resolver problemas nas provas, com poucas aplicações no cotidiano. Eles não conseguem vê-la como provocadora de pensamento, pois a mesma, geralmente é fundamentada em apenas um pilar, o da matematização, e como consequência, o ensino de Física fica distante da prática experimental. Os professores, em sua maioria, conseguem perceber esse sentimento de frustração nos alunos e entendem que o ensino de Física precisa de uma urgente reforma.

'Para o professor que não tem formação específica em Física, a maior dificuldade está no fato de nunca ter vivenciado uma atividade experimental durante sua formação. Por outro lado, entende-se que não basta dizer ao professor que deva realizar atividades experimentais com seus alunos, mas sim como fazê-los nas condições das escolas.' (SILVA E BUTKUS, 1985, p.109 apud PENA e RIBEIRO FILHO, 2009, p.6).

É indispensável que a experimentação esteja presente ao longo do desenvolvimento da aprendizagem em Física, levando o aluno a manusear, operar e agir de diferentes formas e níveis, evitando a aquisição do conhecimento científico como uma verdade estabelecida e inquestionável. A experimentação em si faz parte do ser humano e responde por suas interações com o meio ambiente. A prática experimental é uma ferramenta utilizada na construção do conhecimento científico.

Segundo Pozo (2009, p. 252), nada melhor para aprender ciência do que seguir os passos dos cientistas, enfrentar os mesmos problemas que eles para encontrar as mesmas soluções. É a partir dessa perspectiva que os professores devem criar situações didáticas com a finalidade de descobrir esse conhecimento, para que se criem suportes para facilitar os conhecimentos adquiridos ou construídos pelos estudantes, e a utilização de experimentos simples de Física, na

ausência de um laboratório, pode favorecer nessa construção da aprendizagem pelo aluno, e servir como uma grande ajuda na prática desses professores.

Sobre o uso da experimentação, é fácil perceber que a não utilização da mesma em sala de aula está muito mais relacionado ao saber profissional do professor, do que ao discurso negativo da falta de recursos.

Schutz (2009, p. 10), afirma, que:

A experimentação é um recurso capaz de assegurar uma transmissão eficaz dos conhecimentos escolares, porém a falta de preparo dos professores faz com que essa não seja uma prática constante nas escolas e o ensino de ciências acaba se tornando algo distante da realidade e do cotidiano do aluno. Esquece-se que estes conteúdos estão presentes na vida dos alunos a todo o momento e que sempre se pode experimentar e avaliar até que ponto foram utilizados esquemas válidos para a construção dos conceitos (SCHUTZ, 2009, apud SANTOS et al, p. 5, 2011)

Nesse sentido, propôs-se através desse trabalho a realização de uma oficina de Física com materiais de baixo custo, com o objetivo de que os experimentos desenvolvidos nela possam vir a auxiliar os professores da educação básica em sua prática de sala, tornando suas aulas mais dinâmicas, atrativas e prazerosas para os alunos, motivando-os e aproximando-os mais do universo da Física.

## Descrição do Trabalho Desenvolvido

Atualmente o ensino de Física vem deixando, aos poucos, de ser simplesmente memorização e aplicação de fórmulas matemáticas em situações artificiais e complexas. É necessário que esse ensino tenha um significado, desde o momento de sua aprendizagem ainda no ensino médio e o professor é o responsável por essa nova metodologia.

De acordo com os PCNEM+, diante de tantas solicitações, dimensões e recomendações a serem simultaneamente contemplados, os professores têm se sentido perdidos, sem os instrumentos necessários para executarem as novas tarefas, sem orientações mais concretas em relação ao que fazer.

Diante desse desafio, buscou-se meios para auxiliar os professores nesse novo modelo de ensino, através da realização de uma oficina de Física no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão - IFMA, na cidade de Santa Inês - MA, em novembro de 2013. Participaram do evento 20 alunos universitários dos cursos de Física, Química, Biologia e Matemática do IFMA de todos os campi do Estado.

A proposta apresentada neste trabalho, favorecendo a construção desses dois experimentos se baseia na importância dos assuntos no cotidiano do estudante e na praticidade da construção dos mesmos pelos professores e posteriormente por seus alunos, além de possibilitar ao professor conciliar teoria e prática ou vice versa. Os conceitos de eletricidade, pressão, gravidade e condutividade são tão presentes na vivência do homem, que por isso nos levou a escolha desses experimentos: a fonte de Heron e condutores e isolantes.

Heron de Alexandria foi um pensador, inventor, matemático, físico e escritor grego que viveu entre 10 d.C. e 70 d.C. Realizou trabalhos notáveis na Física, Mecânica, Geometria e Astronomia. É atribuída a ele a fórmula para calcular a área de um triângulo conhecidos seus três lados ( fórmula de Heron ), foi o inventor da primeira máquina a vapor de que se tem notícia, chamada Eolípila (aparelho usado para medir os ventos). Também construiu dispositivos que moviam água, um deles conhecido como a fonte de Heron, que foi criada há aproximadamente 2.200 anos, na época utilizada como objeto de decoração. Esta foi reproduzida neste trabalho como recurso pedagógico no ensino de Física, com ênfase à hidrodinâmica e hidrostática.

Os princípios abordados neste experimento mostram que recipientes conectados colocados em alturas diferentes produzirão diferenças de pressões internas nos recipientes, o que pode proporcionar um chafariz operando sem baterias elétricas ou algum tipo de entrada de energia, apenas com a força exercida pela gravidade.

Para a construção desse experimento são necessários os seguintes materiais: 3 garrafas PET com tampa de 3 L, ou ainda, garrafas de água mineral de 5L, mangueira (mangueira de nível, com um diâmetro pequeno), bastão de cola quente e pistola de cola quente ou cola de PVC, um conta gotas ou tubo de caneta.

Figura 01: Imagem ilustrativa da fonte de Heron

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As três garrafas PET (ou garrafas de água mineral) são os principais componentes do experimento, pois foram utilizadas para a construção dos níveis da fonte. Nas tampas das garrafas foram feitos dois orifícios para encaixar as mangueiras de uma garrafa para a outra.

O próximo passo foi a construção do recipiente superior da fonte. Para ele, corta-se uma garrafa PET (ou de água mineral), utilizando-se apenas sua parte superior, ou seja, o gargalo da garrafa. Nesta parte foi encaixado o conta gotas (ou tubo de caneta) através do orifício feito na tampa.

Conecta-se os recipientes 1 ao 2 (ver figura 01) através de uma mangueira de nível de cerca de 1 metro de comprimento e do recipiente 1 ao 3 com

aproximadamente 1,5 metros da mangueira de nível. A conexão entre os recipientes 2 e 3 é feita através de um tubo de caneta (ou conta gotas).

Para o funcionamento da fonte, inicialmente enche-se por completo o recipiente 2 com água e coloca-o a aproximadamente 45 cm do solo (em cima de uma cadeira, por exemplo). O recipiente 3 é colocado a cerca de 30 cm acima do 2 (em cima de uma mesa, por exemplo) e o recipiente 1 mantém-se no solo e vazio.

Colocamos uma pequena quantidade de líquido no recipiente 3 da fonte para ativar seu funcionamento. A quantidade de água adicionada no recipiente superior regula a quantidade de tempo que a fonte jorra e também a altura máxima que o chafariz pode atingir.

- A água vai descendo pela mangueira até o recipiente 1 que inicialmente estava vazio. O líquido vai enchendo a garrafa e expulsando o ar que sai pela outra mangueira até o recipiente 2, que estava inicialmente cheio de líquido. À medida que o recipiente 3 vai enchendo, a pressão interna vai aumentando fazendo com que o ar seja expulso apenas por outro orifício acoplado com uma mangueira que liga ao recipiente 1.
- O ar expulso do recipiente 1 vai para o recipiente 2 e com isso há um aumento da pressão interna nessa garrafa, fazendo com que o líquido desta seja deslocado através do tubo da caneta até a parte de cima (que tem menor pressão), passando através do recipiente 3 sem nenhuma interferência e sendo jorrado por este tubo, formando um chafariz.

Assim que o líquido sai pelo tubo da caneta e cai no recipiente 3, ele começa a enchê-lo novamente e através da mangueira desloca-se até o recipiente 1 e assim o ciclo recomeça novamente.

## Condutores e isolantes

Os materiais são classificados em condutores e isolantes com relação à capacidade de deixar passar uma corrente elétrica através deles. Mas o que determina se um corpo é ou não condutor de eletricidade?

Diferentes substâncias possuem diferentes estruturas atômicas, ou seja, a quantidade de prótons, elétrons e nêutrons em um átomo de uma substância qualquer X é diferente da quantidade correspondente dessas partículas em outra substância Y. As forças atômicas de interação dessas partículas também variam entre os átomos de uma substância para a outra. Nos corpos condutores de eletricidade, como os metais, os elétrons das órbitas mais externas dos átomos não são atraídos com uma força de intensidade suficiente para mantê-los presos em suas órbitas. Esses elétrons podem movimentar-se no interior do corpo, por isso, são chamados elétrons livres. São eles que, sob determinadas condições, formam as correntes elétricas nos fios condutores.

Então, corpos condutores são aqueles que possuem elétrons livres com facilidade de deslocar-se pelo seu interior, permitindo assim, a formação de correntes elétricas. Por outro lado, corpos que não possuem essa propriedade não são bons condutores de eletricidade e são denominados isolantes. Nos isolantes, os elétrons estão fortemente unidos aos átomos e não podem deslocar-se facilmente

pelo seu interior. Dessa forma, afirmamos que corpos isolantes não possuem elétrons livres em quantidade suficiente para conduzir eletricidade. São exemplos de materiais isolantes: plástico, madeira, ar, borracha, fenolite, baquelite, porcelana, vidro, etc.

Como demonstração prática da condução de energia elétrica, elaborou-se um experimento simples, cujo objetivo é a verificação de que alguns materiais são condutores de energia e outros não. Para a sua construção são necessários os seguintes materiais: uma base de madeira (20 X 10 x 1,5 cm), um suporte de madeira (30 X 4 X 1,5 cm), 1 metro de fio paralelo, 1 plug macho, 1 lâmpada, 1 bocal de cerâmica, 1m de fio elétrico de 1,5mm, super cola, uma chave phillips (estrela), um estilete e materiais para teste (madeira, ímã, papelão, espelho, canudos, papel alumínio, fio de cobre, prego, moeda, lã, etc).

Figura 02: Imagem ilustrativa de materiais condutores e isolantes de energia.

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No suporte de madeira foram afixados, com o auxílio da super cola, os materias de teste. Separe as 'pernas' do fio paralelo e conecte cada uma ao bocal cerâmico e em seguida fixe-o na base de madeira com a super cola. Uma das extremidades do fio foi conectada ao plug macho e a outra ponta ficou livre, o mesmo procedimento foi realizado com o fio elétrico. Por fim, encaixou-se a lâmpada no bocal.

O funcionamento desse experimento é muito simples. Inicialmente o circuito precisa ser fechado, isso ocorre quando encostarmos as duas extremidades dos fios em um dos materiais de teste. A lâmpada acenderá se o material for um condutor de eletricidade, caso contrário, a lâmpada permanecerá apagada demonstrando que esse material é um isolante.

## Resultados Obtidos

A abordagem realizada neste projeto promovendo a prática e construção de experimentos com materiais de baixo custo despertou interesse nos participantes, levando-os a questionar e construir explicações para cada situação apresentada durante a oficina.

Observou-se que os participantes compreenderam bem o funcionamento dos experimentos, no entanto, houve certa dificuldade de expressarem-se cientificamente a cerca do conteúdo envolvido e seus resultados.

Ao final do trabalho, os participantes fizeram uma pequena avaliação sobre a importância do uso de metodologias pedagógicas atrativas para o ensino de Física na educação básica, com ênfase na construção de experimentos simples, utilizando

materiais de baixo custo, de fácil aquisição e que demandem pouco tempo na sua construção.

Com os resultados obtidos na realização da oficina, comprovou-se que quando se faz uso da experimentação como ferramenta de ensino, o educador levará seus alunos a participarem ativamente das aulas e com isso, eles obterão um aprendizado significativo.

## Conclusão

O trabalho mostrou a realização de atividades experimentais como uma alternativa metodológica cujo objetivo foi o de ilustrar e tornar menos abstratos os conceitos físicos ensinados, possibilitando que a aprendizagem seja mais interessante, fácil, agradável e motivadora para alunos.

Ressalta-se que a realização de quaisquer atividades práticas devem ser planejadas, de maneira a promover a interação entre os participantes, estimulando e valorizando a participação dos alunos na exposição de suas ideias, hipóteses e discussão dos resultados.

Aprender nem sempre é algo prazeroso. A Física pode tornar-se incompreensível por alguns motivos, um deles é se o professor não for capaz de contextualizá-la, vinculando-a somente a teoria, como consequência dessa atitude, o aluno receberá um conhecimento fragmentado e sem relação com sua vivência. Com a realização de experimentos nas aulas, além de promover a socialização e crescimento intelectual, demonstra alguns fenômenos não percebidos pelos alunos em seu cotidiano, possibilitando assim, uma discussão crítica do assunto abordado.

## Referências

CERBARO, Bianca de Quadros, [et.al]. Experimentos para Ensino Médio e Física: compilando e testando experimentos didáticos no contexto Curricular. 2009. 3 p. Artigo científico. Faculdade de Física. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul.

CHIQUETTO, Marcos José. O currículo e física do ensino médio no Brasil: discussão retrospectiva. Revista e-curriculum, n.1, v.7, abr. 2011.

FIRME, T. P.. Avaliação: Tendências e Tendenciosidades. In: Ensino, Rio de Janeiro, v.1, nº 2, p. 5-12, jan-mar, 1994.

FORÇA, Ana Cláudia, [et.al]. Atividades experimentais no ensino de física: teoria e práticas. Londrina. 11 p. Artigo científico. Universidade Estadual de Londrina.

MARDEGAN, José Renato Linares, [et.al]. Fonte de Heron. Campinas. 2006. 51 p. Relatório final de atividades. Universidade Estadual de Campinas.

PCN +, Ensino Médio. Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Disponível em: &lt; http://www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN\_CNMT.pdf&gt;.

Acesso em: 30/10/2014.

PENA, Fábio L. Alves e RIBEIRO FILHO, Aurino. Obstáculos para o uso da experimentação no ensino de Física: um estudo a partir de relatos de experiências pedagógicas brasileiras publicadas em periódicos nacionais da área (1971 - 2006) - Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências, vol. 9, n° 1, 2009.

POZO, Juan Ignácio. A aprendizagem e o ensino de ciências : do conhecimento cotidiano ao conhecimento científico. Tradução Nália Freitas. - 5, ed. - Porto Alegre: Artmed, 2009.

SANTOS, Clédson dos, et al.. A experimentação no ensino de Química e Física: concepções de professores e alunos do ensino médio. Sergipe, 2011, 16p. Artigo Científico. Universidade Federal de Sergipe.

SANTOS, José Nazareno dos. Uso de ferramentas cognitivas para o aprendizado de Física. Fortaleza, 2005. 130 p. Dissertação (Mestrado em Física). Universidade Federal do Ceará.