SENSOR LDR APLICADO NO ENSINO DA FÍSICA PARA OBTENÇÃO DE DADOS DE LUMINOSIDADE DO AMBIENTE

## SENSOR LDR APLICADO NO ENSINO DA FÍSICA PARA OBTENÇÃO DE DADOS DE LUMINOSIDADE DO AMBIENTE

## Alberto Richielly Mendes Castelo Branco , Márcia Cristina Palheta 1 Albuquerque 2 , Iago Luan dos S. Sousa 3

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará/Campus Bragança/richielly@gmail.com

2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará/Campus Bragança/mcpalheta@hotmail.com

3 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará/Campus Bragança/mcpalheta@hotmail.com

## Resumo

Há uma necessidade de incorporar os recursos tecnológicos e criar alternativas para facilitar o processo de aprendizagem. É de fundamental importância para o sistema educacional utilizar tecnologia com o assunto trabalhado. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo montar um experimento por meio do sensor de luminosidade Light Dependent Resistor (LDR) utilizando placa de Arduino, com o propósito de aplicar no contexto educacional. A presente atividade foi auxiliada pelo professor de Física das turmas que participaram do experimento, e teve duração de 04 (quatro) horas aula, sendo dividida em dois momentos. No primeiro momento foi apresentada a parte teórica referente aos conceitos de resistência elétrica, sobre o funcionamento da placa Arduino e do sensor LDR. No segundo momento realizou-se a montagem do experimento, e em seguida, foram realizadas as medições da luminosidade do ambiente. O público alvo foram os alunos do terceiro ano do ensino médio. Os materiais utilizados são de baixo custo e facilmente encontrados no mercado a preços acessíveis, e de fácil manuseio sem risco de choque ou curto circuito. Com a montagem do experimento, os discentes obtiveram valores de luminosidade por meio do sensor. Este envia os valores para a placa de processamento de dados, posteriormente esses dados são transportados para o módulo Bluetooth, o qual manda estes valores para o celular. Os alunos tiveram a oportunidade de visualizar a mudança na resistência e aplicar alguns conceitos físicos presentes na tecnologia. Sendo assim, o presente trabalho demonstrou que é possível inserir a tecnologia nas aulas de Física, e que o experimento da plataforma Arduino se verbalizou de baixo custo, o que pode se tornar instrumento didático para o professor, e a sua simplicidade ampliou a participação de todos os alunos, até para aqueles com pouco conhecimento em informática.

Palavras-chave : Arduino; Sensor luminosidade; Ensino de Física; Resistência Elétrica.

## Introdução

A utilização de recursos tecnológicos aliados com as disciplinas em sala de aula tem se tornado uma ferramenta indispensável para os professores, principalmente para aqueles que ministram a disciplina de Física. Estas alternativas metodológicas facilitam o processo de ensino e aprendizagem. Os Parâmetros Curriculares Nacionais (Brasil, 2002) apontam a necessidade de incorporar a tecnologia a cada área do conhecimento presente na escola, sobretudo no Ensino Médio.

Segundo Tajra (2011), os ambientes de informática contribuem positivamente para uma aprendizagem significativa. Esta tecnologia pode ser caracterizada como método ou técnica criada pelo homem para tornar seu trabalho

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23 a 27 de janeiro de 2017

mais leve, facilitar sua locomoção, sua comunicação, entre outras. No entanto, quando voltada para a educação, a tecnologia deve ser utilizada de modo que os alunos sejam motivados a buscar novos conhecimentos e descobertas. Moran (2007, p.3 e 4) argumenta que o uso das tecnologias:

Em contextos e encontros pedagógicos motivadores ampliam a curiosidade, a motivação, a pesquisa, a interação. As tecnologias em contextos e encontros pedagógicos acomodados, rotineiros, aumentam a previsibilidade, o desencanto, a banalização da aprendizagem, o desinteresse.

O desenvolvimento de sistemas computacionais com fins educacionais vem acompanhando a evolução dos computadores. Segundo Valente (1993), 'as novas tecnologias da informação computacional interferem na prática de atividades científicas e empresariais, influenciando direta e indiretamente os conteúdos e atividades educacionais que também seguem a tendência tecnológica'.

Os recursos tecnológicos estão cada vez mais presentes no ambiente escolar. O surgimento de aparelhos com tecnologias móveis como: smartphones, tablets e Ipads são constantemente encontrados nas salas de aula, e são muito utilizados pelos alunos. Por estes motivos, o professor deve estar atualizado para ter domínio desses recursos, e utilizá-lo como método de ensino, favorecendo a interação do aluno com o assunto abordado. Mees (2015) ressalta que estamos num mundo de constante transformação, a introdução de novas tecnologias no ensino, como o uso do computador e da Internet pode trazer benefícios significantes para o ensino de Física.

Para ensinar Física, o professor deve proporcionar algumas atividades práticas e experimentais que utilizem ferramentas tecnológicas, pois ajudará o aluno a compreender melhor o conteúdo ministrado. A presença de componentes eletrônicos chama a atenção do aluno para o assunto ministrado, pois ele está visualizando situações presentes em seu cotidiano. Rosa (1995) ressalta a aplicação de componentes eletrônicos no ensino da Física para coleta e análise de dados em tempo real, criando simulação de fenômenos físicos (estática ou dinâmica), entre outros.

Pensando nisso, resolvemos utilizar o Arduino junto aos sensores Light Dependent Resistor (LDR) , explorando os conceitos físicos presentes nessa tecnologia. Segundo Lieberknecht (2009), a eletrônica estimula os alunos a buscarem soluções que integrem conceitos e aplicações de outras disciplinas envolvidas como: Matemática, Física, Mecânica, Eletrônica, Design e Informática. Piaget (1975) explica que o desenvolvimento cognitivo é um processo contínuo, que depende da ação do sujeito e de sua interação com os objetos. Dessa forma, a montagem do sensor LDR com os alunos possibilita uma interação sem necessitar de um amplo conhecimento tecnológico por parte dos discentes.

Portanto, o presente trabalho tem como objetivo montar um experimento utilizando placa de Arduino e o sensor LDR para aplicar no contexto educacional. Busca-se um método dinâmico de trabalhar o ensino da Física para alunos do Ensino Médio, facilitando a compreensão dos conceitos físicos relacionados nesses instrumentos, para associá-los aos fenômenos existentes em nosso cotidiano.

## Plataforma Arduina

O avanço tecnológico proporcionou o surgimento de novos componentes eletrônicos capazes de facilitar o processamento de dados. Em aparelhos

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automatizados é comum encontrarmos microcontroladores capazes gerenciar digitalmente esses dispositivos nos processos de automação. Segundo Cavalcante (2011), o microcontrolador é constituído de uma memória e um microprocessador. Além disso, o dispositivo apresenta periféricos de entrada/saída que pode ser programado para funções específicas, como, por exemplo, o controle de diferentes dispositivos.

- O uso de microcontrolador vem sendo muito comum na robótica, principalmente por ter fácil manuseio e baixo custo. Ainda assim, permite ao educando construir seu próprio robô, alarmes, sensores, etc. Dentre eles, podemos destacar o Arduino, que é uma plataforma de programação não proprietária, muito útil para o desenvolvimento de projetos envolvendo módulos e sensores, ou de uso geral em práticas voltadas ao ensino de Física experimental (SOUZA, 2011; CAVALCANTE, 2011). Em outras palavras, McRoberts (2011) destaca o Arduino como um:

'Pequeno computador que você pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. O Arduino é o que chamamos de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software .' [p. 22]

Este microcontrolador foi desenvolvido em 2005 pelo professor Massimo Branzi, no Interaction Design Institute, na cidade de Ivrea, Itália. Segundo Evans (2013), o professor procurava um meio barato e mais fácil para trabalhar com esta tecnologia. Com o objetivo de desenvolver uma placa de baixo custo, convidou o pesquisador David Cuartielles, e juntos desenvolveram esta plataforma. Sua expansão deu origem ao surgimento de uma variedade de modelos de placas em que podemos destacar: Aduino Uno, Mega, Nano, Ethernet, entre outras.

Este microcontrolador apresenta um grande diferencial, pois é uma plataforma muito útil para desenvolvimento de pequenos projetos, além de apresentar baixo custo e também ser de fácil manuseio e programação. Uma das suas vantagens é ter característica open-source , que em essência quer dizer que todos seus programas são de domínio público, ou seja, tanto o hardware quanto software podem ser modificados e livres para qualquer pessoa copiar e modificar. Dessa forma, todo o projeto eletrônico, incluindo a plataforma para o desenvolvimento dos programas de controle, é de acesso público e gratuito (Souza et al, 2011). Segundo McRoberts (2011)

- 'A maior vantagem do Arduino sobre outras plataformas de desenvolvimento é a facilidade de sua utilização; pessoas que não são da área técnica podem, rapidamente, aprender o básico e criar seus próprios projetos em um intervalo de tempo relativamente curto.' (pg. 20)

A placa de Arduino é ideal para a criação de projetos que permitam a interação com o ambiente, pois ele pode controlar sozinho, vários dispositivos por meio de pinos digitais que realizam a leitura dos mesmos. Tudo isso através da entrada e saída da placa, ou seja, é uma ferramenta de controle de entrada e saída de dados, que pode ser acionada por um sensor (dispositivo de entrada) e que, logo após passar por uma etapa de processamento, o microcontrolador poderá acionar um atuador (dispositivo de saída) (BEPPU & FONSECA, 2010). Esse microcontrolador também pode ser utilizado para desenvolver objetos interativos independentes, ou pode ser conectado a um computador, a uma rede, ou até mesmo à Internet para recuperar e enviar dados (MCROBERT, 2011).

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Esta placa como qualquer outro recurso tecnológico não apresenta apenas a parte física. Necessita, também, do software, e este por sua vez realiza funções que são utilizadas na programação de seu projeto. Para que ele realize as funções desejadas, deve-se utilizar o software IDE que é um aplicativo em Java e está disponível em várias versões para diferentes sistemas (Windows, Mac OS X, Linux), o que colabora com a versatilidade dessa plataforma (Arduino, 2013). Evans (2013) ressalta que o IDE do Arduino fornece tudo o que é necessário para programá-lo, incluindo vários exemplos de programas que podem ser úteis durante a construção do projeto.

A execução software específico (IDE) no computador é utilizado para desenvolver a programação que será executada pela placa, e em seguida fazer o upload para o Arduino por meio de uma conexão USB. Evans (2013) ressalta que no mundo do Arduino, programas são conhecidos como sketches (rascunho, ou esboço). A linguagem de programação utilizada no IDE é baseada na linguagem C que é denominada de Processing , sendo derivada da linguagem C/C++ (Silva, 2015).

## Sensor e o seu funcionamento

A utilização de sensores nos componentes eletrônicos trouxe inúmeras vantagens e comodidades para a vida contemporânea. O seu desenvolvimento e a sua aplicação possibilitam aumentar a eficiência no funcionamento de um refrigerador, auxiliar o carro no estacionamento, sem perigo de batê-lo, nos sistemas de segurança evitando qualquer tentativa de furto, e na pesquisa cientifica para a obtenção de dados com maior precisão e em menor tempo. Muitas são as vantagens oferecidas pelo uso de sensores.

Os sensores são muito sensíveis à variação de energia do ambiente, em que segundo Wendling (2010), essa energia pode ser luminosa, térmica, cinética e grandezas físicas mensuradas como: temperatura, pressão velocidade, corrente, etc. Por esses motivos, podemos encontrar uma diversidade de sensores, um para cada grandeza física que deseja ser medida. Eles estão presentes nos componentes eletrônicos, na medicina, na robótica, na indústria automobilística, etc. Apesar da grande variedade de sensores, Thomazini et al (2005) divide eles de acordo com sua resposta às variações das condições, podendo ser de dois tipos: sensores analógicos e sensores digitais.

Segundo Patsko (2006), os sensores analógicos são os dispositivos mais comuns e baseiam-se em sinais analógicos, que são entre dois valores de tensão, podendo assumir infinitos valores intermediários. Thomazini (2005) acrescenta dizendo que, os sensores analógicos podem assumir qualquer valor no seu sinal de saída ao longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação. Logo, para cada nível da condição medida haverá um nível de tensão correspondente. Podemos citar como exemplos de sensores analógicos os sensores de pressão, temperatura, velocidade, umidade, distância, iluminação, etc.

Pode-se também citar como exemplo, o foto-resistor Light Dependent Resistor (LDR), que é um resistor que tem seu valor alterado dependendo da luminosidade incidente sobre ele. Para Patsko (2006), esse dispositivo varia sua resistência de acordo com a luminosidade do ambiente, submetendo a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua resistência diminuirá gradativamente. Wendling (2010) descreve que o LDR é constituído de um material fotossensível, e

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apresenta na sua superfície eletrodos metálicos constituídos de sulfeto de Cádmio, com formula química CdS. Ele é um semicondutor, e quando os fótons incidem sobre ele, transporta os elétrons da camada de valência para a camada de condução, dessa forma o aumento do número de elétrons faz com que diminua a sua resistividade.

- O LDR apresenta uma diferença de diâmetro. Os mais encontrados no mercado são de 1cm e 2,5cm e formatos diferentes, podendo ser redondo, grande ou achatado, o que influencia na sua capacidade de corrente. Wendling (2010) apresenta como vantagem da sua utilização a possibilidade de trabalhar com correntes elevadas, o que simplificam o projeto, seu tempo de resposta, o qual se aproxima do tempo de resposta do olho humano, permitindo sua operação com fontes convencionais de luz, como a do ambiente de lâmpadas e LEDs. Pastsko (2006) utiliza um divisor de tensão para fazer com que a variação da resistência, apresente uma variação na tensão.

Segundo Thomazini (2005), o sensor digital pode assumir apenas dois valores no seu sinal de saída, que podem ser interpretados por Alto ( High ) ou Baixo ( Low ), ou simplesmente '1' e '0'. Estes valores podem ser utilizados como padrão para as placas de Arduino, um nível lógico Alto com uma tensão de 5V (ou próxima) e um nível lógico baixo, uma tensão de aproximadamente 0V. Patsko (2006) destaca que os sensores digitais que se baseiam em níveis de tensão bem definidos utilizam lógica binária, que é base do funcionamento dos sistemas digitais. Logo o sensor digital não possibilita valores intermediado entre eles, diferente do analógico que possibilita diferentes valores.

## Descrição do trabalho desenvolvido

Na presente pesquisa procurou-se investigar como a construção e a utilização de sensores com a placa de Arduino podem promover a aprendizagem dos alunos, sendo aplicado durante as aulas de Física, com o intuito de obter resultados que proporcione uma análise a partir das respostas dos indivíduos. Utilizamos a pesquisa de natureza qualitativa, pois segundo Sutton (1993), os métodos qualitativos geralmente empregam procedimentos interpretativos, pressupostos relativistas e representação verbal dos dados, em contraposição à representação numérica.

Patton (1980) descreve que a pesquisa qualitativa é associada a dados qualitativos, abordagem interpretativa e não experimental, análise de caso ou conteúdo, enquanto a pesquisa quantitativa é associada a dados quantitativos, abordagem positivista, experimental e análise estatística. Segundo Dias (1999), a pesquisa qualitativa é caracterizada pela ausência de medidas numéricas e análises estatísticas, examinando aspectos mais profundos e subjetivos do tema em estudo, diferente da pesquisa quantitativa que dispõem de medida quantificada de variáveis e inferências a partir de amostras de uma população.

- O presente trabalho foi realizado com alunos do 3ª ano do ensino médio, do turno da manhã e tarde, participantes do projeto PIBID, na escola Estadual de Ensino Fundamental e Médio Rio Caeté, que é uma das escolas parceiras do projeto PIBID-Física. A escola Rio Caeté atende alunos do ensino fundamental e Médio, e foi inaugurada no dia 06 de abril de 1996, e hoje apresenta 360 alunos matriculados no ensino médio, divididos em 3 (três) turmas, uma turma em cada turno (SEDUCPA, 2016). A escola está localizada na zona urbana do Município de Bragança-PA,

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situado no nordeste paraense (Amazônia Brasil), este se localiza a 210 km da capital do Estado. Sua população estimada para 2014 é de 120.124 habitantes.

A presente atividade foi auxiliada pelo professor de Física das turmas e teve duração de 04 (quatro) horas aula, sendo dividida em dois momentos. No primeiro momento foi contemplada a parte teórica referente aos conceitos de resistência elétrica e suas aplicações no dia a dia, sobre o funcionamento da placa Arduino e do sensor LDR. No segundo momento realizou-se a montagem do experimento e em seguida foi realizada as medições da luminosidade do ambiente.

Os materiais utilizados são de baixo custo e facilmente encontrados no mercado por preços acessíveis. Para construção do experimento foi utilizada uma placa Arduino Uno, um sensor de luminosidade (LDR), baterias de celular usadas, placa protoboard pequena e um módulo Bluetooth. Esses equipamentos são de fácil manuseio, sem risco de choque ou curto circuito.

Com a montagem do experimento, os alunos obtiveram valores de luminosidade por meio do sensor. Este envia os valores para a placa de processamento de dados, e posteriormente esses dados são transportados para o módulo Bluetooth , o qual manda estes valores para o celular. Consequentemente, os alunos obtêm os dados referentes à luminosidade do ambiente em seu celular. Com estas etapas sobre o equipamento, podemos apresentar e discutir o assunto de resistência elétrica, conteúdo referente ao 3º ano do ensino médio.

## Resultados e discursões

A maioria dos educandos não haviam tido contato com eletrônica e não conhecia o microcontrolador Arduino, o que despertou bastante atenção e interesse, principalmente por observar vários projetos que podem ser desenvolvidos utilizando essa plataforma. Durante a construção do experimento observamos relatos dos alunos, e muitos conseguiram relacionar o conceito físico explicado quando estava ligando o sensor a placa de Arduino. Os alunos puderam utilizá-lo para medição de luminosidade do ambiente por meio do sensor LDR acoplado no microcontrolador.

Durante a execução da atividade, os alunos receberam explicações a respeito do sensor. O LDR foi apresentado como sendo um foto-resistor, funcionando como um resistor que tem seu valor alterado dependendo da luminosidade incidente sobre ele. Quando submetido a uma luz mais intensa, verificou-se que sua resistência diminuía gradativamente. Assim sendo, o aumento do número de elétrons faz com que diminua a resistividade. Quando montamos o equipamento, os alunos conseguiram compreender o assunto abordado, pois visualizaram nos seus celulares a mudança na resistência influenciada pela luminosidade do ambiente.

No final da atividade aplicamos um questionário com os alunos e com a análise das respostas, foi possível perceber que 80% dos discentes apresentam uma grande dificuldade em aprender Física. Os alunos responderam também que o professor não costuma usar essa forma de atividade em sala. Todos os alunos, ou seja, 100%, responderam que esta contribui para o entendimento da disciplina, pois muitos nunca tiveram aulas práticas que utilizassem recursos tecnológicos. Perceberam com a atividade proposta que houve uma facilidade no entendimento dos conceitos físicos abordados e os estimulou a pensar como a Física está presente no seu dia a dia.

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Quando questionados sobre a contribuição da construção do experimento para o entendimento da disciplina, 90% dos alunos responderam que a atividade contribuiu, pois eles observaram os conceitos físicos explicados durante as aulas de forma prazerosa. Na última questão perguntamos se a atividade foi uma maneira interessante de revisar o conteúdo ministrado em sala, e 100% dos alunos responderam que sim, foi muito interessante e facilitou a compreensão.

No final foi questionado ao professor de Física das turmas se a presente atividade contribuiu para aprendizagem dos alunos. O mesmo respondeu que sim, pois eles conseguiram visualizar na prática o funcionamento do sensor e conseguiram relacionar com os conceitos estudados. O professor também ressaltou que o grande diferencial da atividade foi à utilização de recursos tecnológicos e dos aparelhos celulares dos alunos para visualização dos dados, despertando bastante o interesse por parte dos alunos.

Percebeu-se que a aceitação dos alunos foi o fator mais importante, o qual determinou o seu sucesso. Com a sua realização foi possível criar um ambiente que permitisse simular situações e atitudes que estão presentes no dia a dia do aluno, tornando-se um instrumento facilitador da aprendizagem e da avaliação. O resultado obtido por meio dos questionários é significativo, pois se cumpriu o objetivo, sendo uma proposta metodológica que incentiva e dinamiza o ensino da Física.

## Conclusão

O presente trabalho demonstrou que é possível inserir tecnologia, principalmente aquela ligada a sensores, em sala de aula para alunos com pouco conhecimento em informática, com custo baixo, e que tais dispositivos podem se tornar instrumentos didáticos para os professores. Com a realização da atividade foi possível incentivar o desenvolvimento da aprendizagem, favorecendo a participação harmônica entre os alunos, que foi de fundamental importância para o sucesso da mesma.

Concluiu-se através deste trabalho que a junção de componentes eletrônicos, criando um experimento para abordar conceitos de resistência, pode ser usada como um experimento físico de fácil confecção que auxilia na aquisição de conhecimentos científicos de forma eficaz e significativa. Acreditamos que este trabalho possa servir de fundamentação para os professores que queiram inovar sua prática e método de ensino, possibilitando aos alunos uma forma de desenvolver as suas habilidades intelectuais voltadas para áreas tecnológicas e físicas, de forma descontraída, lúdica e participativa.

## Referências

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