ENSINO DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE UM EXPERIMENTO E DE UM SIMULADOR DE DUPLO LOOP

## ENSINO DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE UM EXPERIMENTO E DE UM SIMULADOR DE DUPLO LOOP

Issis Karolynny Nascimento Matos 1 , Daniel dos Santos Carminati 2 , Luiz Otavio Buffon 3 , Cleiton Kenup Piumbini 4 , Marconi Frank Barros 5

- 1 Licencianda em Física e bolsista do PIBID - Instituto Federal do Espírito Santo - Cariacica / issiskarolynnymatos@gmail.com
- 2 Licenciando em Física e bolsista do PIBID - Instituto Federal do Espírito Santo - Cariacica / guilhotinafanil@gmail.com
- 3 Núcleo de Estruturação do Ensino de Física (NEEF) - Coordenadoria de Física - Instituto Federal do Espírito Santo - Cariacica / luizbuffon@gmail.com

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Núcleo de Estruturação do Ensino de Física (NEEF) - Coordenadoria de Física - Instituto Federal do

Espírito Santo - Cariacica / cleiton.kenup@ifes.edu.br

5 Secretaria da Educação do Estado do Espírito Santo - Escola Maria Ortiz /

marconibarros05@gmail.com

## RESUMO

O objetivo deste artigo é relatar a construção e a aplicação de uma proposta didática para o ensino dos tipos de energias, cinética e potencial, bem como o princípio da conservação da energia, em três turmas de 3º ano do ensino médio da escola pública Maria Ortiz, localizada no município de Vitória no estado do Espírito Santo. A intervenção ocorreu no contexto do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência (PIBID), no subprojeto da Licenciatura em Física do Instituto Federal do Espírito Santo, campus Cariacica. A abordagem foi baseada em exemplos práticos do cotidiano e na resolução de questões. Além disso, foi construído com canos de PVC um experimento de uma rampa de descida, composta por dois loops em sequência, ilustrando as transformações das energias cinética e potencial gravitacional uma na outra. Nesse experimento também foi possível mostrar a dissipação da energia total mecânica. Em paralelo foram realizadas, junto com os alunos, simulações computacionais PhET também com rampas contendo dois loops com o objetivo de simular sistemas conservativos e dissipativos e comparar com os resultados experimentais. Ao final das atividades a pesquisa mostrou indícios de aprendizagem e de boa aceitação pelos alunos em relação à intervenção.

Palavras-chave: Conservação de Energia, Atividade Experimental, Simulações Computacionais.

## INTRODUÇÃO

Ainda hoje, no Brasil, o ensino de Física se mostra excessivamente teórico e baseado somente na resolução de exercícios, muitas vezes, focado mais nos aspectos matemáticos em detrimento de uma abordagem baseada no estudo dos fenômenos físicos. Em tais abordagens os alunos não se sentem motivados e

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consequentemente apresentam desinteresse e dificuldade de aprendizagem na disciplina (Moraes, 2009; Carvalho et al ., 1998; Carvalho; Sasseron, 2018).

Uma alternativa para amenizar esse problema pode ser a utilização de experimentos em sala de aula para que o aluno tenha um objeto de estudo mais concreto (Araújo; Abib, 2003). De acordo com Dewey (1959), a aprendizagem experiencial pode ser efetiva quando proporciona uma imersão dos estudantes em atividades que conectam teoria e prática, permitindo-lhes explorar conceitos abstratos através de experiências concretas.

A realização de experimentos quantitativos e qualitativos é considerada relevante e pode auxiliar o professor na explicação dos princípios físicos e da investigação científica (Jardim; Guerra, 2017). Nessa linha, estudos apontam um aumento na utilização de experimentos didáticos no ensino de Física, indicando que pode ser um caminho viável (Moraes; Junior, 2015).

Uma outra alternativa para tornar a disciplina de Física mais atrativa consiste no uso dos simuladores computacionais. Segundo da Silva e Mercado (2019), as simulações computacionais permitem a visualização de conceitos abstratos, ampliam o número de sujeitos que podem manipular o sistema, facilitam a manipulação dos parâmetros físicos e não possuem restrições de acesso.

Além disso, é importante que as atividades tenham significado para o aluno e que sejam planejadas levando-se em conta os conhecimentos prévios deles, bem como serem contextualizadas com o cotidiano. Dessa forma, espera-se que a aprendizagem seja mais significativa do que mecânica (Ausubel, 2003).

Em relação aos documentos oficiais, a Competência 1 da Base Nacional Comum Curricular (BNCC), (Brasil, 2018, p. 554), afirma que é necessário:

Analisar fenômenos naturais e processos tecnológicos, com base nas interações e relações entre matéria e energia, para propor ações individuais e coletivas que aperfeiçoem processos produtivos, minimizem impactos socioambientais e melhorem as condições de vida em âmbito local, regional e global.

Além disso, tem-se a habilidade EM13CNT203 da BNCC (Brasil, 2018, p. 557), que enfatiza a necessidade de:

Avaliar e prever efeitos de intervenções nos ecossistemas, e seus impactos nos seres vivos e no corpo humano, com base nos mecanismos de manutenção da vida, nos ciclos da matéria e nas transformações e transferências de energia, utilizando representações e simulações sobre tais fatores, com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais (como softwares de simulação e de realidade virtual, entre outros).

Assim, uma proposta didática que aborda as transformações entre as energias cinética e potencial gravitacional e o princípio da conservação da energia, apresentada através de um experimento de uma rampa com dois loops e de um simulador computacional semelhante, vai de encontro com o que é solicitado na BNCC (Brasil, 2018). O objetivo deste artigo é relatar a construção e a aplicação dessa proposta. A seguir, são apresentados os procedimentos metodológicos adotados nessa intervenção.

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## PROCEDIMENTOS METODÓLOGICOS

A intervenção foi aplicada em três turmas de 3º ano do ensino médio na escola Maria Ortiz, localizada no município de Vitória, no estado do Espírito Santo. Ela ocorreu no contexto do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência (PIBID), no subprojeto da Licenciatura em Física do Instituto Federal do Espírito Santo, campus Cariacica. O quadro 1 mostra o resumo da intervenção realizada. Os encontros 1 e 3 foram na sala de aula com duração de 50 minutos cada, enquanto que o encontro 2 foi no auditório com duração de 150 minutos.

Quadro 1: Etapas da realização das atividades

Fonte:

Elaborado pelos autores

No encontro 1 os alunos responderam um questionário prévio com o objetivo de averiguar o conhecimento que tinham sobre energia, mais especificamente seus tipos, transformações e leis de conservação. Esse questionário está disponível no link https://drive.google.com/file/d/1ZBA8XfD4ytmH\_KIXfk5ByssfMGOtd944/view?usp=sharing

Essas turmas de terceiro ano já haviam estudado esse conteúdo e o objetivo foi verificar o conhecimento que tinham. Esse diagnóstico serviu como base para o planejamento das atividades subsequentes.

No encontro 2 os alunos foram para o auditório. Na primeira parte desse encontro, durante 50 minutos, foi apresentado usando slides uma revisão sobre energia, seus tipos, suas transformações e as leis de conservação. Essa apresentação está disponível no link https://drive.google.com/file/d/1631yv-NNROQREdUfJeUimQr9izvsGUi\_/view?usp=sharing

Nessa etapa utilizou-se questões do ENEM nas discussões e incentivou-se a participação dos alunos através de exemplos práticos e do cotidiano. Procurou-se discutir os aspectos conceituais, inclusive utilizando questões do questionário prévio analisando-se os erros cometidos.

Na segunda parte do encontro 2, foi apresentado para os alunos durante 50 minutos, o experimento do duplo loop mostrado na Figura 1. O experimento foi construído com canos de PVC encurvados e depois cortados ao meio para formar canaletas. O objetivo deste experimento foi relacionar os loops percorridos por uma bolinha com o movimento de um carrinho numa montanha-russa, enfatizando-se a questão da dissipação da energia mecânica. Uma descrição desse experimento, com

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um roteiro de construção e possíveis roteiros de aplicação, se encontra no link https://site.ifes.edu.br/lab-instrumentacao/duplo-loop/

Figura 1:

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O experimento da rampa com dois loops construida com PVC. Fonte: os autores

Na terceira parte do encontro 2 foi empregada a plataforma PhET Colorado. Usando o simulador https://phet.colorado.edu/pt\_BR/simulations/energy-skate-parkbasics foi montado uma simulação com dois loops.

No encontro 3 os alunos fizeram o questionário final, disponível no link https://drive.google.com/file/d/1n4Zc3pjwWoaHrCY5L0iZH3TgYTqaM6fb/view?usp=sharing, que visou medir os avanços por parte deles na compreensão dos conceitos abordados. Na próxima seção são apresentados os resultados dessa intervenção.

## RELATO DA APLICAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Os conhecimentos prévios e as dificuldades detectadas após a análise do questionário prévio foram utilizados no planejamento e execução do segundo encontro. Nas discussões utilizando o experimento do duplo loop, mostradas nas Figuras 2 e 3, os alunos tiveram a oportunidade de participar ativamente fazendo lançamentos de bolinhas a partir de alturas diferentes, com o objetivo de verificar se elas conseguiam passar ou não pelos loops. Nesses experimentos foi discutida a questão da energia dissipada principalmente pelo atrito.

Nas discussões utilizando o simulador PhET, mostradas na Figura 4, os alunos tiveram a oportunidade de visualizarem as transformações de energia sem e com dissipação, bem como compararem com a situação experimental. Para isso, foi importante a montagem no simulador, de uma rampa de descida também com dois loops, semelhante ao experimento.

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Figuras 2 e 3: apresentação do experimento do duplo loop com participação ativa dos alunos Fonte: os autores

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Figura 4: apresentação do simulador PhET do duplo loop com participação ativa dos alunos Fonte: os autores

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Tanto no experimento quanto na simulação foi discutivo qual seria a altura necessária para a bolinha ser solta para que os loops fossem completados. Também foi analisada, utilizando o simulador, o tempo de descida de objetos com massas diferentes. Nas atividades com o experimento e com a simulação verificou-se um ambiente de colaboração, interesse, motivação e participação ativa por parte dos alunos, pois alguns deles foram a frente do auditório realizar as atividades.

A aplicação do questionário final teve como objetivo verificar se houve uma melhoria significativa no desempenho dos alunos em relação ao questionário inicial.

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Uma comparação entre os questionários inicial e final para a turma 3V1 é apresentada no Gráfico 1.

Gráfico 1: Resultados dos questionários inicial e final para a turma 3V1 Fonte: os autores

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Apesar do questionário final ter sido um pouco mais difícil do que o questionário inicial foi observada uma melhora no desempenho dos alunos. Nas outras duas turmas, 3V2 e 3V3, os resultados dessa comparação foram semelhantes.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A utilização de abordagens diversificadas, que incluíram experimentos práticos, simulações interativas e atividades colaborativas, favoreceu o aumento do interesse, a motivação e uma participação mais ativa por parte dos alunos. Os resultados do questionário final indicaram um progresso significativo em relação ao questionário inicial.

Assim, os resultados indicam que é importante averiguar os conhecimentos prévios dos alunos antes de iniciar as aulas, pois podem ser um ótimo ponto de partida para o planejamento das aulas. Além disso, a utilização de experimentos demonstrativos e simulações favorece a aprendizagem dos alunos.

## AGRADECIMENTOS

Agradecemos à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) que incentivou financeiramente o projeto, ao Instituto Federal do Espírito Santo, campus Cariacica e à Escola estadual Maria Ortiz por manterem o subprojeto.

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## REFERÊNCIAS

ARAÚJO, Mauro Sérgio Teixeira de; ABIB, Maria Lúcia Vital dos Santos. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 25, n. 2, p. 176-194, 2003.

AUSUBEL, David P. Aquisição e Retenção de Conhecimentos : Uma Perspectiva Cognitiva. Portugal: Paralelo Editora, 2003.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Brasília, 2018.

CARVALHO, A. M. P.; VANNUCCHI, A. I.; BARROS, M. A.; GONÇALVES, M. E. R.; REY, R. C. Ciências no Ensino Fundamental - O Conhecimento Físico . São Paulo: Editora Scipione, 1998.

CARVALHO, A. M. P.; SASSERON, L. H. Ensino e aprendizagem de Física no Ensino Médio e a formação de professores. Estudos Avançados , São Paulo, v. 32, n. 94, p.43-55, set-dez. 2018.

DA SILVA, Ivanderson Pereira; MERCADO, Luis Paulo Leopoldo. Revisão sistemática de literatura acerca da experimentação virtual no ensino de Física. Ensino &amp; Pesquisa , v. 17, n. 1, 2019.

DEWEY, John. Democracia e educação : uma introdução à filosofia da educação. São Paulo: Nacional, 1959.

JARDIM, Wagner Tadeu; GUERRA, Andreia. Experimentos históricos e o ensino de física: agregando reflexões a partir da revisão bibliográfica da área e da história cultural da ciência. Investigações em Ensino de Ciências , v. 22, n. 3, p. 244-263, 2017.

MORAES, J. U. P. A visão dos alunos sobre o ensino de física: um estudo de caso. Scientia Plena , Aracaju, v. 5, n. 11, p. 1 - 7. 2009.

MORAES, José Uibson Pereira; JUNIOR, Romualdo S. Silva. Experimentos didáticos no ensino de física com foco na aprendizagem significativa. Lat. Am. J. Phys . Educ. Vol., v. 9, n. 2, p. 2504-1, 2015.

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