O uso de simuladores como recurso didático para

ISBN 978-85-8015-079-7
Cadernos PDE
II
Versão Online
OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE
NA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE
Produções Didático-Pedagógicas
Título: O uso de simuladores como recurso didático para aprendizagem de
Circuitos Elétricos.
Autor: José Vicente Zenf
Disciplina/Área:
Física
Centro Estadual de Educação Profissional
Escola de Implementação Professora Maria do Rosário Castaldi - Ensino
Médio, Integrado e Subsequente
do Projeto e sua
localização:
Av. Arthur Thomas, 1181 – Jd. Jamaica – C.E.P.
86065-000 – Londrina – PR
Município da escola:
Londrina – PR
Núcleo Regional de
Educação:
Londrina – PR
Professor Orientador:
Dr. Marcelo Alves de Carvalho
Instituição de Ensino
Superior:
Universidade Estadual de Londrina – UEL
Resumo:
O ensino da eletrodinâmica da Física tem
mostrado vários problemas nas didáticas
aplicadas. Quando não há experimentação, o
conteúdo é bastante abstrato para os alunos e na
maioria das vezes é apresentada de maneira
monótona. Este trabalho propõe uma alternativa
didática que visa tornar a relação ensino e
aprendizagem mais próxima da realidade do
aluno, usando o simulador do projeto PhET
(Physics Educational Technology). Esse simulador
está disponível na internet, pode ser usado
também off-line e tem um grande potencial de
tornar as aulas mais dinâmicas e interativas. A
interatividade proporcionada pela lousa digital na
sala de aula pode tornar a relação do aprender e
do ensinar muito mais agradável e principalmente
significativa para o aluno.
Palavras-chave:
Circuitos Elétricos; Simuladores; Eletrodinâmica;
Ensino de Física ; Lei de Ohm
Formato do Material
Didático:
Unidade Didática
Público:
Alunos da 3ª Série do Ensino Médio.
Introdução
A Unidade Didática, a partir do simulador do projeto PhET (Physics
Educational Technology), tem por finalidade apresentar de forma clara o
funcionamento e a utilização dos simuladores como recurso didático para uma
aprendizagem significativa de Circuitos Elétricos, conteúdo este que faz parte da
Eletrodinâmica.
Para isso, diversas estratégias integradas ao simulador de circuitos e à
lousa digital foram utilizadas nesta unidade didática, com o objetivo de favorecer a
interatividade e uma aprendizagem significativa dos conteúdos. Dessa maneira é
possível valorizar o papel do aluno no processo de construção de aprendizagens
significativas (MOREIRA, 2006).
Acredita-se que se aplicadas já no início dos conceitos da
eletrodinâmica e após o estudo da Eletrostática, melhorará os resultados na
aprendizagem. Dessa maneira, os conteúdos apresentados serão desenvolvidos
com alunos do 3º ano do ensino médio.
Em geral, os livros didáticos de física adotados pelos professores e
pelas escolas apresentam o ensino da eletrodinâmica associados a experimentos e
muito raramente explanam sobre o uso do simulador. É relevante falar que os
experimentos demandam tempo, dinheiro, habilidade do professor com o manuseio
de ferramentas e conhecimento dos riscos inerentes aos experimentos relacionados
a eletricidade. Além disso, é importante ter consciência da falta de simuladores nos
livros didáticos e associar a facilidade do uso do simulador com a facilidade dos
alunos em manusear programas de computador.
Refletindo sobre todas essas questões foi criada e elaborada essa
Unidade Didática, para servir como um instrumento para a práxis pedagógica nas
aulas de Física.
Objetivos Gerais

Utilizar os simuladores disponíveis na internet, para o ensino da
eletrodinâmica, como meio de auxiliar as construções de novos saberes científicos e
maior aprofundamento cognitivo.
Objetivos Específicos

Tornar o discurso e as ideias científicas mais integradas e significativas;

Promover situações que favoreçam uma aprendizagem mais eficaz dos
conceitos científicos relacionados à Eletrodinâmica, Lei de Ohm e circuitos
elétricos;

Interpretar o brilho de lâmpadas e relacioná-la com a corrente elétrica;

Identificar a corrente elétrica que circula na lâmpada, o resistor, a
resistividade e a fonte de tensão;

Compreender os conceitos de resistência e resistividade;

Diferenciar circuito em série e circuito em paralelo;

Integrar o simulador de circuitos elétricos aos diferentes modos de
representar os conceitos.
Conteúdo

PRIMEIRA LEI DE OHM;

ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES.
Desenvolvimento
AULAS: 1 e 2
Primeira Lei de Ohm
Nestas aulas será apresentado o projeto de Intervenção Pedagógica
aos alunos do 3º ano do Ensino Médio, bem como seus objetivos gerais e
específicos para que eles tomem conhecimento do que será desenvolvido e
trabalhado em sala de aula. Partindo desse pressuposto, e tendo como objetivo
explanar, nesta aula, acerca da 1ª Lei de Ohm, será discutido e debatido com os
alunos alguns experimentos com eletricidade do Físico alemão Georg Simon Ohm (
1787-1854). É interessante, você professor, comentar que a intensidade da corrente
elétrica que atravessa um condutor é diretamente proporcional a diferença de
potencial e, inversamente proporcional à sua resistência elétrica.
Ohm,
em
experimentos percebeu
seus
que
à
medida que aumentava a tensão
elétrica aplicada em um circuito a
R E SI STÊ N CI A E L ÉT RI CA
O val o r mat e mát i c o d a re s i st ê n c i a e l é t ri c a é o b ti d o
p e l a d i vi s ão e n t re a t e n s ão e l ét ri c a e a c o rre n t e
e l é t ri c a.
corrente elétrica mantinha uma
proporcionalidade.
Em seguida, apresente a figura 1 que representa a relação de
proporcionalidade entre tensão e corrente obtida de acordo com a primeira Lei de
Ohm.
Figura 1 – Gráfico Tensão versus Corrente
Comentar que, quando George Ohm transformou seus dados
experimentais em uma reta, ele estava propondo a chamada PRIMEIRA LEI DE
OHM. A resistência elétrica tem uma relação com as forças de choque que atuam
nos elétrons em movimento no material condutor. Um condutor é chamado de
ôhmico quando a sua resistência permanece constante com a variação da tensão
elétrica nele aplicada. Então, a tensão elétrica aplicada é proporcional à corrente
elétrica.
AULA 2 - Apresentação do simulador Phet
Nesta aula, será apresentado aos alunos o Simulador do Projeto PhET
(Physics
Educational
Technology)
disponível
no
site:
https://phet.colorado.edu/pt_BR/ e do kit de construção de circuitos elétricos DC, da
Universidade de Colorado. Após acessar o site, o aluno deverá clicar no botão azul
“entre aqui e simule”, conforme figura 2:
Figura 2 - Página de abertura do simulador interativo PhET
Fonte: Disponível em < http://phet.colorado.edu/pt_BR/>
Na sequência informar que eles visualizarão um índice de simulações
na coluna da sua esquerda, conforme figura 3:
Figura 3 - Índice das simulações interativas do PhET
Fonte: Disponível em < http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations>
Ressaltar que o objetivo da aula é simular circuitos elétricos, assim,
deverão clicar inicialmente em “Física” e depois em “Eletricidade, Imã & Circuitos,
como é apontado na figura 4:
Figura 4 – Simulações Interativas do PhET / Física / Eletricidade, Imãs & Circuitos
Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulations/category/physics/electricity-magnets-and-circuits>
Na sequência demonstrar para os alunos as duas maneiras de
utilização do simulador “kit de Construção de Circuitos (DC)”. É importante destacar
para o aluno que o simulador pode ser utilizado tanto de forma online quanto off-line.
Desse modo, basta clicar diretamente no simulador sem ter que baixar o mesmo em
seu computador. Caso queira utilizar off-line, basta clicar em “copiar” em seu
computador, assim terá uma cópia do simulador.
Clicar no ícone correspondente ao “kit de Construção de Circuitos
(DC)” na figura 5.
Figura 5 – Página de apresentação do início do Kit de Construção de Circuito (DC)
Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>
Ao clicar no botão ou ícone do “Kit de Construção de Circuitos (DC)”,
figura 6, o sistema irá preparar o seu computador para que o simulador seja aberto,
verificando a instalação do Software Java e também pedindo autorização para
instalar em seu computador.
Figura 6 - Ícone ou botão do Kit de Construção de circuito (DC)
Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>
É importante mencionar aos alunos que o simulador abre tão somente
com o software Java e que no canto inferior esquerdo terá um pedido de autorização
para manter o arquivo “circuit-construction-kit-dc_pt_BR.jnlp”. No lado direito ao
pedido, conforme figura 7, aparecerá uma barra que consta a palavra “manter”,
assim basta clicar uma única vez e ao clicar, imediatamente, abrirá o arquivo a ser
executado (figura 8).
Figura 7 – Barra de download – Arquivo não baixado
Figura 8 - Barra de download - Arquivo pronto para execução
Após a execução do software Java e do simulador do PhET aparecerá
uma área de trabalho em azul e uma caixa de comandos à direita, uma sacola de
surpresa e uma coluna de componentes, como fio, resistor bateria etc., como
aparece, por exemplo na demonstração apresentada na figura 9:
Figura 9 – Pagina de abertura do Simulador Interativo – Kit de Construção de Circuito (DC) (3.20)
Fonte: Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>
Na figura 10, é apresentado uma breve descrição sobre cada item da
barra de menu.
Circuito: é possível salvar e abrir um circuito por esse simulador
Visual: é possível uma visão mais realista ou esquemática e
ainda mostrar ou não valores dos componentes
Ferramentas: São ferramentas para medição.
Voltímetro: temos um voltímetro na área de trabalho;
Amperímetro: temos um amperímetro na barra de componentes e
podemos ter vários, de acordo com a necessidade;
Amperímetro sem contato: Este não é necessário conectar em
série, só arrastar e colocar sobre o fio ou componente que deseja
medir.
Tamanho: é a forma de apresentação da área de trabalho
Avançado: altera a resistividade do fio e pode ocultar
representação dos elétroens
Reiniciar tudo? : utilizado para apagar a área de trabalho inteira;
Ajuda: apresenta balões nos componentes para indicar algumas
possibilidades
Figura 10 – Ferramentas e Instrumentos
Na sequência, a figura 11 mostra alguns dos componentes disponíveis.
Os componentes apresentam conexões em suas extremidades
Fio: pode alterar a resistividade do mesmo na opção avançado
Resistor: o valor de cada um é de 10 Ohm;
Bateria: o valor é de 9 volts
Lâmpada: o valor é de 10 Ohm
Interruptor: clicar e arrastar até fechar e para abrir clicar e
arrastar;
Amperímetro: é um Instrumento de medida que deve ser
colocado em sério no circuito. Obs. Ele só estará nesta barra,
caso esteja marcado na caixa de comandos
Figura 11 – Lista de componentes.
Além do resistor apresentado no quadro de componentes, poderá ser
usado outro resistor da Sacola de Surpresa que está apresentado na figura a seguir:
Figura 12 – Componentes com resistências diferentes
Aula 3 e 4 – Demonstração
O objetivo desta aula é retomar conceitos da primeira lei de ohm e
informar aos alunos que devem acompanhar pelo projetor multimídia a construção
de um circuito simples no simulador do kit de Construção de Circuito (DC). Esse
aplicativo permite montar circuitos contendo lâmpadas, baterias e também
medidores de tensão e corrente elétrica. Para que a aula se torne mais dinâmica é
essencial convidar um aluno para selecionar os componentes adequados para o
circuito, como por exemplo: uma bateria, uma lâmpada, os fios condutores e os
medidores. Em seguida, informar que ele deverá clicar e arrastar os componentes
selecionados para a área de trabalho azul. Segue exemplo, como apresentado na
figura 13:
Figura 13 - Componentes e ferramentas para medição de um circuito.
Fonte: Adaptado de PhET , disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc>
Em seguida, solicitar ao aluno para clicar e arrastar nas extremidades
(alças pontilhadas) dos elementos inseridos na área de trabalho visando montar o
circuito com uma bateria, uma lâmpada e fios condutores.
Na figura 14, apresentamos um exemplo de montagem de um circuito:
Figura 14 - Sequência de circuitos simples
Fonte: Adaptado de PhET, disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kitdc>
Seguindo a sequência dos circuitos apresentados na figura 14,
comente que na primeira montagem a lâmpada foi ligada com uma bateria e fios
condutores, a fim de observar o fluxo de elétrons e o brilho da lâmpada. Na
sequência, foi acrescentado o amperímetro com a finalidade de medir o fluxo de
elétrons, em seguida foi acrescentado o voltímetro para medir a tensão elétrica no
circuito.
Destacar que amperímetro deve ser inserido no circuito em série,
enquanto o voltímetro deve ser inserido em paralelo.
Posteriormente, convidar outro aluno para selecionar outros elementos
disponíveis dentro do retângulo branco, arrastar para a área de trabalho azul e
montar um novo circuito, como o descrito na figura 15, por exemplo.
Figura 15 - Circuito simples no Kit de Construção de Circuito (DC)
Fonte: Adaptado de PhET . Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kitdc>
Após a construção e a realização do circuito feita por um aluno e com a
participação dos demais, solicitar a um terceiro aluno que altere o valor da tensão da
bateria. Em seguida, solicitar aos demais que anotem em uma tabela o valor da
tensão obtida por meio do multímetro, o valor da corrente mostrado no amperímetro
e a partir desses valores calcular o valor da resistência da lâmpada e, ainda, solicitar
para que os alunos interpretarem o brilho da lâmpada.
Calculando matematicamente a resistência de um material:
Apresente estas tabelas para seus alunos e oriente-os para que as
completem, utilizando a primeira lei de Ohm. Ao final, eles deverão verificar se
possui caráter ôhmico.
Tabela 1: Dados coletados do circuito simples.
Valor inicial
Tensão
(Volts)
Corrente
(Ampére)
9,00
0,9
Resistência
(Ohm)
Brilho observado na
Lâmpada.
médio
1ª medição
2ª medição
3ª medição
4ª medição
5ª medição
Solicitar aos alunos que representem graficamente os valores obtidos
da tensão versus corrente elétrica.
Figura 16 - Coordenadas de Tensão versus Corrente para construção do gráfico.
Solicitar aos alunos que verifiquem se o gráfico formou uma linha reta e
comentem sobre o valor constante que foi observado por Georg Simon Ohm, para
este resultado lembrar que é a característica de um resistor ôhmico.
AULA 5 E 6
ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE NO CIRCUITO ELÉTRICO
Iniciar a aula apresentando as propriedades da associação em série:
•
A corrente elétrica é constante em todos os
resistores (lâmpadas)
•
A tensão elétrica total é igual soma das tensões
•
A tensão elétrica em cada resistor é diretamente
proporcional a sua resistência elétrica
•
A soma dos resistores em série é igual a um resistor
equivalente.
•
A potência elétrica dissipada em cada resistor é
diretamente proporcional a sua resistência elétrica.
Na sequência solicitar a um aluno para montar um circuito com dois
resistores em série, como mostra na figura 17. Durante a montagem, e antes de
concluir, questionar os alunos, quanto ao brilho das lâmpadas e também, quanto à
corrente elétrica.
Figura 17 - Circuito com duas lâmpadas em série
Fonte: Adaptado de PhET . Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kitdc>
Após ouvir a resposta dos alunos, medir com os instrumentos do
simulador a tensão em cada lâmpada e a corrente elétrica com o amperímetro sem
contato e anotar na tabela 2.
Solicitar que um aluno altere o valor da resistência de uma das
lâmpadas, a qual será chamada de L1. Para isso, deve clicar com o botão direito do
mouse sobre uma das lâmpadas, onde abrirá uma caixa de diálogo, clicar em alterar
resistência. Solicitar ao aluno que altere para o valor sugerido na tabela 2.
Novamente questionar os alunos sobre o que se observa, quanto ao
brilho da lâmpada e também quanto a corrente elétrica. Sempre anotar os valores
medidos na tabela 2.
Repetir o procedimento até o preenchimento da tabela.
Tabela 2: Dados coletados do circuito em série.
R1 (Ohm)
L1
R2 (Ohm)
L2
1ª medida
10
10
2ª medida
5
10
3ª medida
5
15
4ª medida
2
20
U1 (Volt)
U2 (Volt)
I1 (A)
I2 (A)
AULA 7 E 8
ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM PARALELO NO CIRCUITO ELÉTRICO
Iniciar a aula revisando as propriedades de uma associação de
resistores em série e enfatizar a diferença das propriedades de uma associação em
paralelo:
•
A corrente elétrica total é a soma da corrente
elétrica em cada resistor
•
A tensão elétrica é igual em todos os resistores.
•
A Corrente elétrica em cada resistor é inversamente
proporcional a sua resistência elétrica
•
A resistência equivalente (Req) é dada pela seguinte
equação: 1/Req = 1/ R1 + 1/ R2 + ...1/ Rn
•
A potência elétrica dissipada em cada resistor é
inversamente proporcional a sua resistência elétrica.
Na sequência solicitar a um aluno para montar um circuito com dois
resistores em paralelo, como mostra na figura 18. Durante a montagem, e antes de
concluir, questionar os alunos, quanto ao brilho das lâmpadas e também, quanto à
corrente elétrica.
Figura 18 - Circuito com duas lâmpadas em paralelo
Fonte: Adaptado de PhET . Disponível em: < http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/circuit-construction-kitdc>
Após ouvir a resposta dos alunos, medir com os instrumentos do
simulador a tensão em cada lâmpada e a corrente elétrica com o amperímetro sem
contato e anotar na tabela 3.
Solicitar que um aluno altere o valor da resistência de uma das
lâmpadas, a qual será chamada de L1. Para isso, deve clicar com o botão direito do
mouse sobre uma das lâmpadas, onde abrirá uma caixa de diálogo, clicar em alterar
resistência. Solicitar ao aluno que altere para o valor sugerido na tabela 3.
Novamente questionar os alunos sobre o que é observado, quanto ao
brilho da lâmpada, e a corrente elétrica. Anotar os valores medidos na tabela 3.
Repetir o procedimento até o preenchimento completo da tabela 3.
Tabela 3: Dados coletados do circuito em paralelo.
R1 (Ohm) R2 (Ohm)
L1
L2
1ª medida
10
10
2ª medida
5
10
3ª medida
5
15
4ª medida
2
20
U1 (Volt)
U2 (Volt)
I1 (A)
I2 (A)
Avaliação
Inicialmente é preciso considerar a avaliação como um instrumento a
partir do qual o professor
identifica e analisa a evolução, o rendimento e as
modificações do educando, confirmando ou não a construção do conhecimento. A
partir desta perspectiva, a sugestão é avaliar os alunos por meio da participação em
sala de aula e, também, com a entrega de um relatório escrito, contendo as tabelas
preenchidas durante a aula, além das conclusões obtidas em cada atividade
realizada. Assim, será possível perceber se a intervenção e/ou a aula atingiu seus
objetivos de forma satisfatória e producente.
Referências
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; Walker, Jearl. Fundamentos de Física: v.1 Mecânica. 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
MOREIRA, M. A. Mapas conceituais e Diagramas V. Porto Alegre: Editora da
UFRGS, 2006. Disponível em:
http://www.if.ufrgs.br/~moreira/Livro_Mapas_conceituais_e_Diagramas_V_COMPLE
TO.pdf>. Acesso em: 17 mar. 2015.
PARANÁ, Secretaria de Estado da Educação. Diretrizes Curriculares de Física
para a Educação Básica. Curitiba: SEED, 2008.
Projeto PhET, Physics Educational Technology. Disponível em
<https://phet.colorado.edu/pt_BR/.> Acesso em 21 mar 2015.