TRANSMISSÃO DE SOM ATRAVÉS DE DIODO LASER: UM PROTÓTIPO PORTATÍL PARA DIVULGAÇÃO CIÊNTÍFICA E ENSINO DE FÍSICA

## TRANSMISSÃO DE SOM ATRAVÉS DE DIODO LASER: UM PROTÓTIPO PORTATÍL PARA DIVULGAÇÃO CIÊNTÍFICA E ENSINO DE FÍSICA

Daniel dos Santos Neres 1 , Sérgio de Souza Henrique Júnior 2 , Rosália do Nascimento Silva Henrique 3 , Grazielle Rodrigues Pereira 4

- 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, danielsan.neres@gmail.com
- 2 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro/Campus Mesquita/Espaço Ciência InterAtiva, sergio.souza@ifrj.edu.br
- 3 Secretaria de Estado de Educação/Metropolitana VII/Colégio Estadual Presidente Kennedy, rosalia.n.s.henrique@gmail.com
- 4 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro/Campus Mesquita/Espaço Ciência InterAtiva, grazielle.pereira@ifrj.edu.br

## Resumo

O ensino de Física, especialmente no contexto prático, desempenha um papel crucial na compreensão de fenômenos cotidianos e no desenvolvimento de habilidades críticas nos alunos. As ondas eletromagnéticas envolvem conceitos complexos que, muitas vezes, são melhores assimilados quando associados a experimentos práticos. Assim sendo, como facilitar o ensino de ondas eletromagnéticas, um conceito de eletromagnetismo, utilizando materiais de baixo custo em atividades de divulgação científica itinerante e no ensino de física? Este trabalho relata a criação de um módulo itinerante para o ensino de Física, que utiliza materiais de baixo custo e aborda a transmissão de som por um feixe de laser, a experiência descrita demonstra como os princípios de ondas eletromagnéticas podem ser explorados de maneira acessível e engajante, permitindo os alunos relacionarem a teoria à prática facilitando a compreensão dos conceitos científicos e conectando novos conceitos com experiências anteriores dos estudantes. Durante o desenvolvimento do protótipo, desafios técnicos e pedagógicos foram enfrentados, tais como a adaptação do módulo para ambientes com luz natural e a necessidade de tornar o experimento lúdico e atrativo, tendo como soluções desses problemas os ajustes no protótipo e no ambiente de aplicação, bem como o desenvolvimento de estratégias pedagógicas que equilibrassem a complexidade do conteúdo científico com a capacidade de compreensão dos estudantes. Como considerações finais destacamos a importância de melhorias contínuas no experimento, propondo a inclusão de tecnologias educacionais e estratégias pedagógicas complementares para enriquecer a experiência de aprendizagem e torná-la mais eficaz e acessível.

Palavras-chave : Ondas eletromagnéticas, Ensino de física, Divulgação Científica

## Introdução

O ensino de Física na prática é fundamental, pois coloca os alunos diante de situações concretas e reais, além disso, a Física abrange uma vasta área de estudo, desde a estrutura elementar da matéria até a evolução do Universo, ela explica fenômenos cotidianos e possibilita entender o funcionamento de máquinas e aparelhos presentes no dia a dia Carvalho (2018). O ensino de ondas eletromagnéticas na física é de extrema relevância, pois nos permite compreender uma ampla gama de fenômenos relacionados à luz. Assim sendo, surge a pergunta que orienta esta

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proposta: como facilitar o ensino de ondas eletromagnéticas utilizando materiais de baixo custo em atividades de divulgação científica itinerante e no ensino de física?

Este trabalho tem como objetivo o compartilhamento de experiência na criação de um módulo científico, a ser incluído em atividades itinerantes, e acessível para o ensino de conceitos fundamentais da Física, utilizando a transmissão de som por meio de um feixe de laser (Santos, 2000; Coelho, 2017). A proposta é demonstrar princípios de Ondas eletromagnéticas com materiais de baixo custo, buscando não só facilitar a compreensão teórica desses conceitos, mas também promover o engajamento dos alunos através de experimentações práticas que ilustram a aplicação dos fenômenos eletromagnéticos no cotidiano. Quando se trata de compreender conteúdos complexos, a teoria sozinha muitas vezes não é suficiente para garantir a total assimilação dos conceitos pelos estudantes, por isso inclusão de experimentos práticos, que podem ser considerados como novos módulos de ciência, que remetem a um conhecimento prévio do estudante desempenham um papel crucial nesse processo.

Um dos pilares dessa abordagem é a Teoria de Aprendizagem Significativa de David Ausubel, adaptada e discutida no contexto brasileiro por educadores como Moreira (2012), sugerindo que a aprendizagem é mais eficaz quando os novos conhecimentos são relacionados com os conceitos previamente adquiridos pelo aluno. A criação de módulos experimentais, que permitem aos estudantes aplicarem teorias em situações práticas, torna o ensino mais significativa e, portanto, mais eficaz, funcionando como um facilitador cognitivo, onde os conceitos teóricos são materializados e visualizados, permitindo que o aluno compreenda de forma mais concreta os princípios científicos abordados pela teoria.

Além disso, a visão de Paulo Freire sobre a educação crítica reforça a importância de uma abordagem pedagógica que não apenas transmita conhecimentos, mas também envolva os estudantes em um processo ativo de construção de saberes. (Freire, 2005) argumenta que o conhecimento não deve ser algo passivamente recebido, mas ativamente construído através da interação com o mundo, a participação dos estudantes com experimentos o tornam agentes ativos no processo de aprendizagem, desenvolvendo habilidades críticas e reflexivas ao conectar a teoria com a prática.

Outra abordagem relevante é a construtivista de Jean Piaget, que embora seja uma teoria internacional, teve uma grande influência na educação brasileira. Da Luz (1994) destaca que, segundo Piaget, o conhecimento é construído através da interação do indivíduo com o ambiente. Essa abordagem construtivista, aplicada nos módulos de ciência, estimula a curiosidade e a capacidade investigativa dos estudantes, elementos essenciais para a compreensão profunda dos conteúdos teóricos.

A importância de novos módulos experimentais também está presente nas discussões sobre a Base Nacional Comum Curricular (BNCC), que enfatiza a necessidade de uma educação que desenvolva competências e habilidades que preparem os alunos para enfrentar desafios complexos. A BNCC (2018) propõe que o ensino de ciências não deve se limitar à memorização de conceitos, mas deve englobar a investigação científica, o que é facilitado por meio de experimentos práticos. Esses módulos parecem ser fundamentais para o desenvolvimento de competências como a argumentação científica, o pensamento crítico e a capacidade de resolver problemas.

Portanto, a experiência de criar tal experimento e aplica-lo no ensino de física e em eventos de divulgação científica pode ser uma estratégia pedagógica significativa para a aprendizagem e ensino. Ela permite que os estudantes compreendam e apliquem os conteúdos teóricos de forma mais concreta, desenvolvendo não apenas o conhecimento científico, mas também habilidades críticas e reflexivas que são fundamentais para sua formação integral, o casamento entre teoria e prática, facilitado por esses módulos experimentais, cria um alicerce para uma educação científica eficaz, alinhada com as necessidades contemporâneas da educação brasileira.

## Metodologia

## Desenvolvimento do Protótipo

- O desenvolvimento do protótipo para transmissão de informação por meio de um feixe de laser envolve a aplicação de princípios básicos de eletrônica e de teoria das ondas eletromagnéticas, especificamente no espectro de luz visível. Adaptado do protótipo de (Coelho, 2017) ele é composto por componentes eletrônicos simples e acessíveis, foram utilizados:
- ● No lado do transmissor, o diodo laser foi posicionado em um orifício do cabo da raquete de matar mosquito e utilizado como o meio de transmissão do sinal. O áudio a ser transmitido foi modulado através de um circuito, como mostra a figura 01 (a), envolvendo o diodo laser, um transistor TIP 41C que atuou como um amplificador substituindo o transformador de (Coelho, 2017), um resistor de 1k ohms, um capacitor de 22μF e um cabo do tipo P2. Este circuito garante que as variações do sinal de áudio controlem a intensidade do laser.
- ● No lado do receptor, uma placa fotovoltaica foi utilizada para captar o feixe de laser modulado, essa placa é capaz de converter a luz do laser em um sinal elétrico correspondente ao áudio transmitido. Uma vez que o feixe de laser atinge a superfície da placa fotovoltaica, ele gera uma tensão variável que é proporcional à intensidade da luz recebida, que por sua vez foi modulada pelo sinal de áudio original, esse sinal elétrico é então enviado diretamente para a caixa de som, onde o áudio é reproduzido.

Figura 1: Transmissor (a), receptor (b).

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## Aplicação do protótipo como módulo de divulgação científica

O protótipo foi aplicado durante as atividades de itinerância do Espaço Ciência InterAtiva, um museu de ciências localizado na Baixada Fluminense que possui uma iniciativa de levar o conhecimento científico para diversas comunidades e municípios da região, promovendo a divulgação da ciência de forma interativa e acessível. Durante as visitas itinerantes, o protótipo desempenhou um papel essencial nas atividades educativas, permitindo que os participantes interagissem diretamente de maneira prática e envolvente ilustrando o conceito de transmissão de informação por ondas eletromagnéticas, explorando especificamente a transmissão de som através da luz laser. Este tipo de transmissão é possível porque o espectro eletromagnético inclui uma ampla gama de frequências, desde ondas de rádio até raios gama, e a luz visível (onde se encontra o laser) é apenas uma parte deste espectro.

Então, nas atividades itinerantes, foi montada a caixa de som e a placa solar de forma que o protótipo tenha alcance como ilustrado na figura 2:

Figura 2: Primeira aplicação do protótipo.

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Na figura 2, o protótipo está na direção da placa fotovoltaica e ficava ligado constantemente, nesta aplicação os estudantes conseguiam interromper a música colocando a mão na frente do feixe de laser, interrompendo, assim, a transmissão da informação. Para melhorar a estética foi feito uma mudança de carcaça que acomodava o circuito e o laser resultando no que está presente na figura 3.

Figura 3: Versão final do protótipo .

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A versão final agora usa um botão do tipo pulso simples, isso significa que ao invés de ficar ligado continuamente o circuito agora só funciona com o aperto do

botão simulando um controle remoto. A intenção de montar com esse tipo de botão foi para que os estudantes fizessem uma correlação com experiências prévias como o uso de um controle remoto, celular etc. A aplicação se deu através da mediação em atividades de itinerância tendo como base as definições do módulo e a proposta a seguir.

## Proposta de mediação: Módulo Luz e som.

Este módulo tem como objetivo ilustrar a transmissão de informação através de ondas eletromagnéticas, especificamente utilizando a luz laser para transmitir som. O espectro eletromagnético é onipresente em nosso cotidiano, manifestandose em uma variedade de dispositivos e formas: Wi-Fi para a internet, infravermelho em controles remotos, ondas de rádio para transmitir imagem e som na televisão, Bluetooth em fones de ouvido, micro-ondas para esquentar alimentos, raios X em exames médicos, entre outros.

- O caminho da luz e a transmissão da informação : Essa transmissão ocorre através de um circuito composto por um transistor, um diodo laser, um capacitor, um resistor, um botão do tipo pulso simples e uma bateria. Usando um cabo tipo P2, conectamos o circuito à saída de áudio de um telefone. Esse circuito amplifica a tensão que sai do aparelho e modula o feixe de laser. A modulação consiste na variação da intensidade do feixe, correspondendo às variações do sinal de áudio.

Receptor e caixa de som : O receptor pode ser um LDR (Light Dependent Resistor) ou um painel fotovoltaico. O LDR requer mais bateria ou pilhas, enquanto o painel fotovoltaico só precisa estar conectado a uma caixa de som. Quando o feixe de laser modulado atinge o painel fotovoltaico, ele gera uma tensão correspondente à tensão amplificada do telefone. Essa tensão é então enviada para a caixa de som, onde podemos ouvir a música.

## Desafios encontrados

A experiência de adaptar o módulo, que inicialmente era montado em uma raquete elétrica de matar mosquitos, para um formato mais lúdico como um "controle remoto" de papelão foi um dos principais desafios por tentar manter o interesse dos alunos no experimento. Esse tipo de desafio é discutido na literatura educacional no contexto das teorias de motivação e engajamento estudantil. De acordo com Kishimoto (2001), a ludicidade e o interesse são componentes essenciais para que o aluno se envolva ativamente no processo de aprendizagem. Quando o material didático ou o módulo educativo perde elementos que despertam a curiosidade e o interesse dos alunos, existe o risco de que a motivação para a aprendizagem diminua significativamente. Nesse sentido, transformar o emissor de laser em um "controle remoto" de papelão, representou uma manutenção do engajamento dos estudantes, uma vez que o novo formato se tornou mais atraente e fez com que os estudantes remetessem a experiências prévias.

Outro desafio significativo encontrado foi a dificuldade em aplicar esse módulo em ambientes com luz natural, especialmente devido à interferência da luz solar na placa fotovoltaica. Este é um problema técnico que interfere diretamente na

funcionalidade do módulo e, consequentemente, na experiência educativa dos estudantes. A luz solar, sendo uma fonte de luz intensa, acaba ofuscando a energia emitida do feixe de laser, o que compromete o funcionamento adequado do dispositivo, causando uma drástica redução do volume do som emitido.

A necessidade de ajustar o ambiente ou de encontrar soluções técnicas que minimizem o impacto da luz solar é um desafio comum em contextos educativos que utilizam tecnologias sensíveis às condições ambientais. Além dos desafios técnicos e de engajamento, houve também a dificuldade de criar uma explicação que fosse compreensível e acessível para os estudantes, sem tornar o conteúdo excessivamente complexo. Esse desafio remete à teoria de Vygotsky (2007) sobre a Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP), que enfatiza a importância de oferecer conteúdos que estejam dentro da capacidade de compreensão dos alunos, mas que ainda assim apresentem um grau de desafio que promova o desenvolvimento cognitivo. Elaborar uma explicação que consiga equilibrar a clareza com a complexidade do conteúdo científico é uma tarefa que exige dos educadores um profundo conhecimento pedagógico, além da habilidade de adaptar a linguagem científica para o nível de compreensão dos estudantes. No entanto, a simplificação excessiva pode levar à perda de informações essenciais, enquanto a complexidade excessiva pode desmotivar ou confundir os alunos, criando um impasse educacional.

Portanto, os desafios enfrentados no desenvolvimento desse módulo educativo foram múltiplos e inter-relacionados, abrangendo desde questões técnicas e de design até problemas pedagógicos e de engajamento dos estudantes. Tornar o emissor de laser mais atrativo, adaptar o módulo a diferentes condições ambientais e criar explicações acessíveis são exemplos de dificuldades que refletem a complexidade do processo de desenvolvimento de materiais educativos eficazes. Essas experiências destacam a necessidade de uma abordagem integrada que considere tanto os aspectos técnicos quanto pedagógicos na elaboração de módulos experimentais de ciência, conforme discutido.

## Considerações finais

Refletindo sobre a experiência compartilhada, é evidente que o desenvolvimento de módulos experimentais em contextos educacionais sempre abre margem para melhorias contínuas. Nesse sentido, uma das sugestões para aprimorar ainda mais a eficácia do módulo seria a implementação de um amplificador de sinal no receptor. Essa modificação poderia mitigar a suscetibilidade do módulo a interferências ambientais, como o ruído elevado que pode ser gerado em ambientes com muitos estudantes, ao aumentar o sinal que chega ao receptor, permitiria que o dispositivo funcionasse com um volume maior na caixa de som.

Além do amplificador, uma solução adicional e complementar seria a proteção da placa fotovoltaica contra a incidência direta da luz solar. Isso poderia ser feito através de uma carenagem ou cobertura que bloqueasse a luz solar direta, ao mesmo tempo em que permitisse a entrada do feixe de laser, buscando ajustar o módulo às condições reais de uso, onde a adaptação do ambiente e dos equipamentos às necessidades e limitações dos usuários é fundamental para o sucesso da experiência educativa.

Outra consideração importante seria o desenvolvimento de estratégias pedagógicas complementares que reforçassem a compreensão dos estudantes sobre o experimento. Embora o módulo em si já se prove eficaz como instrumento lúdico para explicar a transmissão de informações por ondas eletromagnéticas, a inclusão de materiais de apoio, como vídeos explicativos ou simulações interativas, poderia aprofundar o entendimento dos conceitos envolvidos. A utilização de tecnologias educacionais, tem o potencial de enriquecer o processo de ensinoaprendizagem, proporcionando múltiplas formas de acesso ao conteúdo e, consequentemente, uma maior retenção do conhecimento, logo incorporar essas tecnologias como parte do módulo poderia transformar a experiência em uma aula mais abrangente e multifacetada.

Além das melhorias técnicas e pedagógicas, seria interessante considerar a possibilidade de ampliar o escopo do experimento, explorando outros aspectos das ondas eletromagnéticas, como a modulação e a demodulação de sinais. Isso permitiria uma exploração mais profunda do tema, abordando não apenas a transmissão de informação, mas também os mecanismos técnicos por trás dessa transmissão possibilitando aos estudantes uma compreensão mais ampla e integrada dos fenômenos científicos em questão, conectando-os a conhecimentos previamente adquiridos.

Por fim, é importante destacar que as melhorias sugeridas não desmerecem o valor pedagógico do experimento tal como foi concebido. Pelo contrário, a proposta de aprimoramento visa justamente maximizar o potencial do módulo como ferramenta educativa. A capacidade do experimento de ilustrar de forma lúdica a transmissão de informações por ondas eletromagnéticas já é, por si só, um grande mérito, mas as sugestões apresentadas têm o potencial de tornar essa experiência ainda mais rica e acessível para os estudantes. A busca contínua por melhorias é, afinal, um reflexo do compromisso com a excelência educacional, que deve estar no centro de toda prática pedagógica.

## Referências

CARVALHO, Anna; SASSERON, Lúcia Helena. Ensino e aprendizagem de Física no Ensino Médio e a formação de professores. Estudos Avançados, v. 32, p. 43-55, 2018.

COELHO, João Pedro de Araújo, Matheus Roberto Souza Silva, and Pedro Henrique Rodrigues Mendes. "Protótipo de Transmissão por Fibra Óptica." (2017).

DA LUZ, José Luís Brandão. Jean Piaget e o sujeito do conhecimento . 1994.

SANTOS, Alexandre Brandão dos. "A aplicação da óptica no ensino médio com utilização do laser." (2000).

FREIRE, Paulo. Pedagogia do oprimido. São Paulo. Vozes , 2005.

BRASIL. Base Nacional Comum Curricular. Disponível em http://basenacionalcomum.mec.gov.br/#/site/base/o-que. Acesso em: 14/08/2024.

KISHIMOTO, Tizuko Morchida. Brinquedos e materiais pedagógicos nas escolas infantis. Educação e Pesquisa , v. 27, p. 229-245, 2001.

MOREIRA, Marco Antonio. ¿ Al afinal, qué es aprendizaje siginificativo?. Qurriculum: revista de teoría, investigación y práctica educativa . La Laguna, Espanha. No. 25 (marzo 2012), p. 29-56, 2012.

VYGOTSKY, Lev Semenovitch; DA MENTE, A. Formação Social. O desenvolvimento dos processos psicológicos superiores. VYGOTSKY, LS A formação social da mente. São Paulo: Martins Fontes , p. 26-54, 2007.