DESENVOLVIMENTO DE EXPERIMENTOS: ALTERNATIVA EM TEMPOS DE ESCASSEZ DE RECURSOS

## DESENVOLVIMENTO DE EXPERIMENTOS: ALTERNATIVA EM TEMPOS DE ESCASSEZ DE RECURSOS

## Esdras Garcia Alves 1 , Andre Lucas Matthaeus Santos 2

1 IFMG-Congonhas/Departamento de Física, esdras.alves@ifmg.edu.br 2 IFMG-Congonhas, as0645922@gmail.com

Palavras-chave : física experimental, desenvolvimento de experimentos, baixo custo

## Resumo expandido

Embora se discuta o papel que as atividades experimentais desempenham no aprendizado, bem como as formas como devem ser implementadas na sala de aula, há certo consenso entre pesquisadores, professores e estudantes acerca de sua utilidade como um importante objeto mediador nas atividades didáticas relacionadas ao ensino das ciências naturais (Borges, 2002; Araújo e Abib, 2003; Séré, Coelho e Nunes, 2003; Laburú, Barros e Kanbach, 2007). Em particular, nos cursos de Licenciatura em Física, a realização de experimentos é parte fundamental da formação do futuro professor nas disciplinas de física experimental. Contudo, considerando os custos exorbitantes dos experimentos comercializados pelas empresas do ramo de materiais para laboratório e também os cortes de verbas, significativos e contínuos, que as instituições de ensino vêm experimentando nos últimos anos, tem se tornado difícil a aquisição de montagens experimentais para equipar os laboratórios didáticos. Diante dessas dificuldades, nos colocamos a seguinte questão: seria possível desenvolver experimentos didáticos de custo reduzido, que possibilitem a realização de explorações quantitativas em acordo com os modelos teóricos, de forma a atender às demandas de um curso de Licenciatura em Física? Para responder a essa questão elaboramos um projeto de pesquisa voltado para o desenvolvimento de três montagens experimentais: uma para o estudo do efeito fotoelétrico, outra para o estudo da indução eletromagnética e um interferômetro de Michelson.

O desenvolvimento de cada montagem experimental se inicia com uma busca por informações nos periódicos nacionais e internacionais dedicados ao ensino de Física, bem como uma pesquisa nos sites das empresas produtoras de materiais para laboratório, no sentido de levantar possíveis características/especificações de materiais que possam ser utilizados/adaptados na elaboração dos equipamentos. Tal empreitada nos permitiu, por exemplo, conhecer a válvula 1P39, utilizada no experimento do efeito fotoelétrico (Kraftmakher, 2006), que possibilita a realização de explorações quantitativas (diferente de outros trabalhos que propõe demonstrações qualitativas: Filho, Salami e Hillebrand, 2006; Silveira e Girardi, 2017; Eberhardt et al., 2017).

Após reunir um conjunto de informações sobre cada montagem a ser desenvolvida, passamos à etapa de construção, utilizando a infraestrutura das oficinas disponíveis na instituição. A Figura 01 mostra a montagem do efeito fotoelétrico, que possibilita estudar o comportamento da corrente fotoelétrica em função da intensidade

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e da frequência da luz. Placas com LEDs que emitem luz de diferentes cores podem ser encaixadas em frente à válvula por meio de um conector USB. Cada LED pode ser ligado/desligado de forma independente por meio de chaves na base do experimento, variando assim a intensidade da luz incidente. Um potenciômetro permite variar a tensão aplicada entre o anodo e o catodo da válvula de - 9 V a + 9 V. O gráfico da Figura 02A mostra como se comporta a corrente fotoelétrica produzida pelo LED verde para duas intensidades diferentes.

Figura 01 - Aparato experimental para o estudo do efeito fotoelétrico.

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Podemos ver que a corrente tende a um valor de saturação para um potencial positivo e não cai imediatamente a zero para um potencial negativo. Além disso, o gráfico mostra que o aumento da intensidade da luz produz uma corrente fotoelétrica maior, porém não aumenta a energia dos elétrons ejetados, pois ambas as curvas partem do mesmo potencial de corte V0.

Figura 02 - Em A, a corrente fotoelétrica em função da diferença de potencial anodo/catodo para duas intensidades diferentes; em B, o potencial de corte dos elétrons para diferentes frequências da luz.

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No gráfico da Figura 02B vemos o comportamento linear do potencial de corte para diferentes frequências da luz dos LEDs. Para obter esses dados, determinamos a frequência máxima da luz emitida pelos LEDs usando um espectrofotômetro HR2000+, da Ocean Optics. A partir do gráfico determinamos a constante de Planck, encontrando uma diferença de 2,5% em relação ao valor estabelecido. Todos esses dados concordam com a teoria de Einstein sobre o efeito fotoelétrico.

No caso do experimento para o estudo da indução eletromagnética desejávamos uma atividade que permitisse aos estudantes verificar a dependência da tensão induzida em função de vários parâmetros. Inspirados na obra de Campos, Alves e Speziali (2007), elaboramos o aparato experimental mostrado na Figura 03. Uma tensão é induzida em pequenas bobinas encaixadas em um suporte no centro de uma bobina de Helmholtz, que produz um campo magnético variável quando alimentada por tensão alternada. A tensão induzida nas pequenas bobinas pode ser medida por um milivoltímetro AC.

Figura 03 - Aparato experimental para o estudo da indução eletromagnética de Faraday.

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Com esta montagem o estudante pode verificar a dependência da tensão induzida em função: i) do módulo do campo magnético indutor (que pode ser modificado pela variação do valor da corrente alternada); ii) do ângulo entre a bobina induzida e a direção do campo magnético indutor (um transferidor na base do suporte permite medir o ângulo); iii) do número de voltas da bobina induzida (três delas possuem a mesma área e diferentes números de voltas); iv) da área da bobina induzida (três delas possuem o mesmo número de voltas e diferentes áreas).

Por meio dessa montagem é possível verificar a dependência linear da tensão induzida com o módulo do campo magnético indutor, com a área e com o número de voltas das bobinas menores. Além disso, é possível verificar que a tensão induzida varia com o cosseno do ângulo entre a bobina menor e a direção do campo magnético indutor. Todos estes resultados estão em acordo com a lei da indução de Faraday.

Nossa versão do interferômetro de Michelson ainda está em desenvolvimento e não obtivemos os resultados esperados.

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Temos conseguido desenvolver experimentos que possibilitam explorações quantitativas com um custo muito menor que o preço dos equipamentos semelhantes comercializados por empresas do ramo de materiais para laboratório. Nossa expectativa é que a execução deste projeto beneficie diversas instituições que têm vivenciado dificuldades em equipar seus laboratórios de ensino por meio da publicação detalhada dos nossos resultados. Além disso, esperamos que outros professores/estudantes se sintam encorajados a desenvolver propostas que possibilitem às instituições se tornarem mais autônomas em relação à compra de equipamentos.

Gostaríamos de agradecer ao IFMG - Instituto Federal de Minas Gerais pelo apoio na realização do projeto mencionado neste trabalho.

## Referências

ARAÚJO, M. S. T.; ABIB, M. L. V. Atividades experimentais no ensino de Física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 25, n. 2, 2003.

BORGES. A. T. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 19, n. 3, 2002.

CAMPOS, A. A. G.; ALVES, E. S.; SPEZIALI, N. L. Física experimental básica na universidade . Belo Horizonte: UFMG, 2007.

FILHO, J. B. R.; SALAMI, M. A.; HILLEBRAND, V. Construção e caracterização de uma célula fotoelétrica para fins didáticos. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 28, n. 4, 2006.

EBERHARDT, D., FILHO, J. B. R., LAHM, R. A. e BAITELLI, P. B. Experimentação no ensino de física moderna: efeito fotoelétrico com lâmpada néon e LEDs. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 34, n. 3, 2017.

SÉRÉ, M. G.; COELHO, S. M.; NUNES, A. D. N. O papel da experimentação no ensino da Física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , Florianópolis, v. 20, n. 1, 2003.

KRAFTMAKHER, Y. Photoelectric effect experimente with computer control and data acquisition. American Journal of Physics , v. 74, n. 10, 2006.

LABURÚ, C. E., BARROS, M. A e KANBACH, B. G. A relação com o saber profissional do professor de física e o fracasso da implementação de atividades experimentais no Ensino Médio. Investigações em Ensino de Ciências , Porto Alegre, v. 12, n. 3, 2007.

SILVEIRA, S.; GIRARDI, M. Desenvolvimento de um kit experimental com Arduino para o ensino de física moderna no Ensino Médio. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 39, n. 4, 2017.

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