Apresentação - Instituto de Física / UFRJ

Aprendizagem de física
AULA 15
17/06/08
1. ARTIGO DE DUIT/RHÖNECK
2. CONCEPÇÕES SOBRE ELETRICIDADE DOS ALUNOS EM DIVERSOS PAÍSES
3. ELETRICIDADE – CAP. 6- ARONS
4. CD – LABORATÓRIO INTERATIVO DE ELETROMAGNETISMO
5. EXPERIÊNCIAS SIMPLES DE ELETRICIDADE
[ PSNS (Introdução a las ciencias físicas, 1971, Ed. Reverté, Espanha]
Ensinar os conceitos de eletricidade a partir
das dificuldades de aprendizagem dos alunos
Ø Mudança conceitual versus o que sobra a partir da
instrução.
Ø Recomendação do Modelo híbrido = Substituição
conceitual.
Ø Predominância do modelo mais útil...e mais manipulado
também...
Ø Compreender e também acreditar:
Ø Raciocínio vs EMOÇÃO??? (CONTEXTO).
Ø Conflito cognitivo e dificuldades para criá-lo.
Ø Criar estratégias que enfrentam as CA dos alunos para
construção dos conceitos físicos.
Ø Analogia com circuitos em tubos de água mostrando
diferenças e limitações.
A SEGUIR MOSTRAMOS RESULTADOS DE DIVERSAS PESQUISAS
SOBRE CA´S EM ELETRICIDADE FEITAS EM DIVERSOS PAÍSES
1
Conceitos alternativos em eletricidade- I. Mitchell, Monash University, NZ (estudo feito
com crianças de ~12 anos)
v
(a)
A eletricidade não requer um circuito para fluir: um único fio é necessário para ligar a
fonte ao aplicativo eletrico.
v (b) O isolamento dos fios condutores mantém a eletricidade dentro do fio da mesma forma
que os tubos mantem água confinada nos canos.
v (c)Precisamos ISOLAR os fios para manter a eletricidade quando negocia um vértice do
circuito.
v (d) quando a chave está ligada a corrent eletrrca flui entre ostermnais da baseda lãmpada
mesmo que esteja não esteja lá.
v (e) A eletricidade é gasta quando anda no circuito: há mais eletricidade no início do circuito
que perto do final dele. .
v (f) A corrente positiva sai de um termInal da bateria e a corrente negativa sai pelo outro
terminal e elas colidem na lâmpada. Nada volta para a bateria.
v (g) As baterias contem uma certa quantidade de eletricidade ou eletrons., não existem
partíclas elétricas nos fios antes de ligar a chave. Eles fluem para fora da bateria ou da
tomada.
R. Duit & Ch. von Rhöneck
Aprendizagem e compreensão dos conceitos
chave em eletricidade
Ø Significados cotidianos de corrente.
Ø Efeito causal linear entre baterias e lâmpadas
Ø Consumo de corrente
Ø Raciocínio local versus sistema
Ø Voltagem em circuitos fechados
Ø Raciocínio seqüêncial.
Ø Resistência.
Ø Ver e acreditar: a evidência empírica, a
concepção prévia e a crença.
2
Johannes Tveita
Nesna University College, Norway, email:
[email protected]
• 1) corrente e voltagem são confundidas.
• 2) a bateria é a fonte de corrente dos
eletrons.
• 3) as lâmpadas e outras resistências
consumem corrrente.
• 4) A bateria é um gerador constante de
corrente. A corrente gerada pela bateria é
considerada ser constante a pesar de
outras mudanças acontecerem no circuito.
PACCA ET AL.
3
OS ALUNOS DEMONSTRAM DIFICULDADES NA APRENDIZAGEM DE CONCEITOS
DE ELETRICIDADE EM RELAÇÃO À:
I) Desenvolver raciocínio sistêmico:
Ø Um tipo de raciocínio linear causal é empregado para explicar o funcionamento dos circuitos
elétricos.
Ø
Em circuitos simples a energia da fonte é ´consumida.
Ø
Após aprenderem conceitos sobre resistência, a corrente anda numa direção e afeta as
componentes do circuito.
Ø
O raciocínio linear diferente do raciocínio sistêmico, que é necessário compreender o circuito
elétrico como um sistema fechado, em que todos os componentes interagem uns com os
outros e qualquer perturbação estende em todas as direções.
Ii) Diferenciação Conceptual :
Ø Alunos confundem características da corrente e da energia;
Ø A tensão é considerada uma propriedade que mede a "força".
iii) Estabelecer relações fenomenológicas
Ø Para os estudantes, não existem características comuns entre a atração / repulsão dos corpos
eletrizados e a iluminação de uma lâmpada eléctrica.
iv) Articular diferentes modelos
Ø Relações entre vários modelos - qualitativos com os quantitativos, macroscópicos com
mecanismos subjacentes microscópicos.
4
REFLEXÕES SOBRE O ARTIGO DUIT (SUSANA)
ØConhecer as dificuldades dos alunos pré e pós instrução.
ØLevantamento dos CA Duit/Rhöneck e outros mostram as mesmas idéias.
ØSignificados cotidianos diferentes e são mais próximos da idéia de
energia.
ØLembrar que a companhia que distribuía eletricidade no Brasil por anos
era a LIGHT e que o primeiro serviço importante para a população foi
iluminar...LUZ .
ØAPÓS INSTRUÇÃO PERSISTE A IDÉIA DE ´CONSUMIR´CORRENTE.. MAS
ELES VÊEM A PILHA : ´ ACABOU - GASTA´ - FOI EMBORA... .
ØO circuito É VISTO como conjunto de elementos independentes e não
como um SISTEMA.
ØAnálise fig 2 (p.3) seria importante utilizar voltímetro e ohmímetro...Será
que falta realmente falar da corrente como um efeito devido à causa de : 1.
haver uma fonte de energia que estabelece um d.d.p. e que os que se
encontra no circuito modifica como a corrente se estabelece??
Ø Os verbos utilizados estão errados? Haver, ter , existir em vez de
ESTABELECER... FORMAR...CONSTITUIR...GERAR
ØCOMO SABER QUE OS ALUNOS INDIFERENCIAM OS CONCEITOS DE
corrente e tensão?
COMO ESTÃO seqüenciadas NO TEMPO as evidências empíricas e as
concepções alternativas ? Quanto de teoria deve se conhecer antes de
mostrar o comportamento físico?
p.6-7 O que significa CONVENCER os alunos sobre a leitura do medidor e
encontrar que isso não se sustenta???
DIFICULDADES NO ENSINO - NA APRENDIZAGEM...
Co-existência das CA´s com conceitos científicos deve ser aceita?
Há possibilidade de substituição?
FATOR TEMPO E SIGNIFICADOS DO COTIDIANO QUE SÃO ÚTEIS PARA O
USUÁRIO E EXPLICAM SUA PERMANÊNCIA
1. Corrente como fluído/ combustível= energia ?
2. O que é a bateria para os alunos? Ou a tomada onde ligamos os
aparelhos para que funcionem?
3. Estamos habituados a ver o carro parar quando falta gasolina...
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Recomendações de Duit e Rhoneck
1.
Discriminar fluxo de corrente de fluxo de energia.
Sugiro usar a bateria nova e a velha...Com lâmpadas novas idênticas...
Sugiro que o aluno conheça a história da bateria e como esta funciona:
volta e galvani...Fazer experiências de eletrolise.
2. Diferenciar corrente e tensão de início: estabelecer significado e
uso de linguagem e verbos apropriados deverá ajudar:
Aplicar tensão : CARACTERÍSTICA DA FONTE.
Estabelecer uma corrente NUM CIRCUITO FECHADO.
Noção de circuito aberto e fechado.
Papel da chave QUE LIGA E DESLIGA O CIRCUITO.
A função da tomada e da bateria no circuito.
3. O raciocínio localizado numa parte de um circuito é seqüencial, e
depende da posição DA COMPONENTE no circuito.
4. É importante definir
i. CIRCUITO COMO SISTEMA.
ii. IDENTIFICAR AS COMPONENTES DE UM CIRCUITO
Arons (III. Cap 6, p. 167):
HÁ PROBLEMAS PARA A COMPREENSÃO DOS
CONCEITOS DA ELETRICIDADE ESTÁTICA
Abstração
Ø
Evidência : movimento de corpos
Ø Observação de interação a distância
Ø Transferência de energia
Ø Forças atrativas e repulsivas
Construção de conceitos abstratos:
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
cargas elétricas igual/oposta
corrente elétrica
diferença de potencial
intensidade de campo
Força de Lorentz
... a estrutura conceitual dos conceitos necessários para a
compreensão da eletricidade estática estão ainda mais afastados de
suas manifestações concretas do que a estrutura conceitual da
mecânica.
6
Como compreender?
Os conceitos utilizados para
compreender o que é um circuito
elétrico são abstratos e os estudantes
precisam desenvolver modelos
conceituais das relações que existem
entre quantidades não observáveis:
corrente, diferença de potencial
resistência, em termos de outras
quantidades não observáveis como
energia e eletrons.
LEMBRAR QUE É NECESSÁRIO tempo para a
assimilação de novas definições operacionais
confrontar os alunos com perguntas como:
Ø Como sabemos...?
Ø Porque acreditamos...?
Ø Estabelecer conexões estáveis entre os
conceitos e os fenômenos...
Ø ...é importante lembrar e APLICAR, sempre que
oportuno, os conceitos da mecânica já
estudados: posição, tempo, velocidade,
aceleração, força, massa, momento, energia.
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TRÊS FORÇAS CONHECIDAS poderiam
explicar SEMELHANÇAS E DIFERENÇAS
Ø ELÉTRICAS
Ø MAGNÉTICAS
Ø GRAVITACIONAIS
Diferenciação entre força elétrica, magnética e
gravitacional (p. 168-69)
PSNS : Physical science for non science students
Evidenciar existência de alguma coisa que se encontra em todo tipo de
substância: sal, papel, alumínio, vidro, chá, arroz, café, clip,
taxinhas, plástico....
1.
atritar régua plástica e colocar perto de quantidades muito pequenas
desses materiais. Descrever as observações.
2.
Colocar um imã perto dos mesmos materiais.
1.
2.
Comparar as duas situações e desenvolver idéias para
encontrar explanações que permitam explicar:
O que mantém os átomos de um grão de sal coesos?
Colocar os números e fazer os cálculos e informações necessárias
para poder entender as semelhanças e diferenças dos
comportamentos observados.
8
À procura de evidências do tipo
de força nos sólidos
A figura ao lado representa um
modelo muito simplificado de uma
cadeia de átomos de sal (ClNa).
Supondo que a última partícula seja
um átomo de sódio de massa m ~ 4
x 10-26 kg e peso P = 4 x 10-25 N.
Por tanto a força para que esse
átomo se mantenha ligado à cadeia
acima é
F = 4 x 10-25 N para acima
Conceitos básicos as ser estabelecidos
eletricidade por atrito
interação elétrica e carga elétrica
•
•
•
•
Cargas iguais e opostas
Interação elétrica
Carga: propriedade da matéria
Metais e papel e plástico são diferentes
em relação a mobilidade/transferência da
carga
• Condutor
• Isolante
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Experiências eletrostáticas no cotidiano
Arons diz que...SÃO DIFÍCEIS E TEDIOSAS...MAS TÊM QUE SER
FEITAS e sugere que sejam solicitadas como dever de casa:
Preparar roteiro programado solicitando que as
observações sejam feitas controlando:
1. Materiais utilizados.
2. Tamanhos dos objetos.
3. Corpo atritado ou sem atrito.
4. Reconhecimento de forças atrativas ou repulsivas.
5. etc.,etc.
Observar Cargas iguais e opostas
DIFICULDADES
Definição operacional de cargas do mesmo tipo.
Prover evidências da existência de cargas
´opostas´.
1. Corpos com a mesma carga exercem forças
repulsivas entre eles.
2. Os diferentes estados de carga.
3. Corpos neutros atraem corpos carregados?
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Convenção arbitrária para distinguir as cargas elétricas POSITIVAS E
NEGATIVAS e os pólos magnéticos de um imã: N e S
Compreensão de positivo e negativo de carga através de excesso e defeito.
Distinção de duas espécies de eletricidade que atraem e repelem corpos neutros.
Observação dos efeitos de varetas de vidro e enxofre quando atritadas com seda sobre pequenos
pedaços de papel.
•
o vidro atritado com seda exerce força de atração sobre papel que é repelido
•
a enxofre com seda exerce força de atração sobre papel que é repelido
•
•
O papel repelido pelo vidro é atraído pela enxofre.
O papel repelido pela enxofre é atraído pelo vidro
Repetindo a experiência com outros corpos veremos que todos eles dividem-se em dois grupos:
uns comportam-se do mesmo modo que o vidro atritado com seda; outros, como o enxofre
atritado com seda.
ELETRICIDADE POSITIVA
ELETRICIDADE NEGATIVA
Os pólos magnéticos : N e S são indissociáveis
AÇÕES SEMELHANTES (atração e repulsão) com sistemas físicos
diferentes
Eletricidade positiva e negativa
Observar os efeitos sobre corpos leves [papel [1] e [2] ] exercidos por um bastão
de vidro e outro de enxofre após os dois serem atritados com seda.
COMPORTAMENTO
MESMO
Bastão de vidro atrai o papel [1] e logo o repele
Bastão de enxofre atrai o papel [2] e logo o repele
OPOSTO
Bastão de vidro atrai [2] e o bastão de enxofre atrai [1]
CONCLUSÃO:
[1] é repelido pelo vidro e atraído pelo enxofre
[2] é repelido pelo enxofre e atraído pelo vidro
11
Polarização (ler p. 177)
A importância da evidência experimental que aponta para o papel da carga elétrica na
estrutura da matéria.
Aceitar que:
1.
A matéria é discreta
2.
Existência de cargas diferentes mantém os átomos o e moléculas ligados
3.
Faíscas através do ar dão evidência da existência de cargas em sistemas inicialmente
neutros (condução)
4.
Condução, produção de corpo carregado por atrito ou por indução mostram o grau de
mobilidade da carga elétrica nos diversos materiais
5.
Comportamento dentro do material neutro das distribuições de carga elétrica.
6.
Visualizar deslocamento e separação de carga.
7.
Comportamento da carga em condutores e isolantes
8.
Eletron é familiar e explica todos os fenômenos: é preciso manter a diferença entre
observação e experimentos macroscópicos que não discriminam o tipo de carga.
9.
Mostrar que não apenas os eletrons conduzem carga: os gases ionizam e nos
eletrólitos a carga se movimenta através de íons positivos e negativos.
Arons, p.179
O ponto de partida apropriado não é o modelo mas o fato observado...e este
é a interação entre cargas elétricas e corpos neutros.
A explicação é portanto decorrente da observação e a esse fato chamamos
POLARIZAÇÂO. Esse conceito é explicado a posteriori e não a priori...
Levar os alunos a considerar os efeitos análogos nos imãs permanentes.
Mostrar efeito de corpo carregado por atrito sobre diversos materiais.
Mostrar efeito de um imã permanente sobre os mesmos materiais
Idem sobre conjunto de tachinhas
Intensidade da interação eletrostática e das forças de atração gravitacional
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CARGA POR INDUÇÃO
Ø indução eletrostática ocorre quando um corpo
carregado (indutor) é colocado perto de um
condutor neutro (induzido).
Ø cargas do indutor atraem ou repelem as cargas
negativas do corpo neutro (polarizam).
Ø A distribuição de cargas no corpo induzido
mantêm-se na presença do indutor.
Ø O corpo induzido permanece carregado quando
após ser polarizado é colocado em contato com
a terra ou outro corpo neutro antes de afastá-lo
do indutor.
Arons (I. Cap.6, p.181 - 182)
A lei de Coulomb e a quantificação da carga
Não se deve perder a oportunidade de lembrar
aos alunos que, tanto a lei de Coulomb é
induzida, e não derivada ou provada, quanto as
leis do movimento de Newton, a lei da
gravitação universal e as leis da conservação.
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A lei de Coulomb
• Carga elétrica é imponderável.
• É possível medir as forças exercidas entre
corpos carregados numa balança de torção.
• Têm vídeos interessantes no LADIF (VHS)
Project Group (# Eletricidade I) ou PSSC (Eric
Rogers)
• As leis físicas são conhecidas por indução e não
por dedução.
CONSERVAÇÃO DE CARGA
Ø Formulada pela primeira vez por Benjamim
Franklin (1747).
Ø Um corpo neutro tem quantidades iguais de
cargas positivas e negativas.
Ø Quando um objeto I transfere carga de um dado
sinal para outro objeto II, o objeto I fica
carregado com carga de mesmo valor absoluto,
mas de sinal contrário.
Ø Esta hipótese, é considerada a primeira
formulação da lei de conservação de carga
elétrica.
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Intensidade do campo elétrico
ØE = F/qprova
ØArons chama atenção desta expressão
ser uma identidade e não uma igualdade.
ØE é o nome para denotar a idéia de
campo elétrico no ponto em que a ponta
de prova é colocada.
ØForça por unidade de carga positiva.
ØQuantificação do campo elétrico.
ØFazer analogia com campo gravitacional.
Princípio de superposição
Ø Toda carga pontual numa distribuição de cargas contribui para o valor do
campo elétrico num dado ponto, independentemente das outras cargas
presentes.
Ø Os efeitos das cargas são somados para indicar o campo elétrico num
dado ponto do espaço.
Ø Dificuldades: (p. 187) quando se superpõe os efeitos de mais de uma
distribuição de cargas.
Ø 1.Campo produzido por mais de dois esferas carregadas tratadas como
cargas pontuais no centro da esfera é válido quando a interação entre as
esferas é desprezível, o campo elétrico é definido pela distribuição final
das cargas. O campo total resultante é àquele determinado pela
distribuição final estática atingida.
Ø 2. A presença de corpos reais e não somente distribuições de cargas
incorpóreas apresenta outra dificuldade : penetração do campo de um
corpo no campo de ouutrotravés de um corpo.
Ø 3. Blindagem devida ao cancelamento dos campos é resultado da
redistribuição das cargas
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Interação eletrostática e as leis de Newton
Problema (Arons, 6.10, p. 182)
A figura mostra duas esferas uniformemente carregadas, isoladas
eletricamente fixas e fixas a um disco que se movimenta livremente
sobre uma mesa de ar. Uma das esferas tem carga q = +2,0 x 10-8
C e a outra q´= + 6,0 x 10-8 C.
Os discos se movimentam livremente sobre a mesa de ar.
Trace os diagramas de força do corpo livre, das esferas e dos
discos, mostrando todas as forças que agem sobre cada um dos 4
objetos. Seja cuidadoso quando traça os vetores e escolha uma
escala que mostre claramente a intensidade da força que você está
representando.
q = +2,0
x 10-8 C
+ +
q´= + 6,0 x 10-8 C
+ + ++
++
Resultados observados por Arons com 40 estudantes
universitários após ter aprovado um curso universitário de
Física Introdutória com cálculo.
i.
65% mostram a força elétrica numa esfera
como sendo 3 vezes maior que a outra.
i.
85% não mostram a interação horizontal entre
as esferas e os discos.
i.
60% erram em algumas das forças verticais.
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