Ensinando Física usando consciência ecológica e

1
Uma abordagem do ensino de
Eletromagnetismo através da
experimentação
(An approach to the teaching of electromagnetism through
experimentation.)
Em vermelho: revisar e
reescrever
Em Azul: retirar
Em verde: incluir
Diego Scarabelot <[email protected]>
Filipe Henrique < [email protected]>
Marlon Rech < [email protected]>
Odair j. De Souza < [email protected]>
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Avenida XV de Novembro s/n. Araranguá, SC.
Resumo: Tendo por objetivo principal discutir e avaliar métodos de ensino aprendizagem, o artigo
também tem caráter abrangente com relação a conteúdo específico, fazendo uma analise histórica e se
desmembrado para áreas de atuação diferentes, conteúdo especifico, e ensino aprendizagem,
comparando e avaliando dois métodos. Sendo que um tem caráter laboratorial e o outro tradicional.
Palavras-chave: abordagem; ensino aprendizagem relacionado ao tema, eletromagnetismo
Abstract: With the main objective to discuss and evaluate methods of teaching learning, the article also
has comprehensive character with respect to specific content, making a historical analysis and is
dismembered for different areas of expertise, specific content, teaching and learning, comparing and
evaluating two methods. Where a laboratory has character and the other traditional..
Keywords: approach; education learning related to the topic, electromagnetism
1. Introdução
Histórico: De acordo com diversos historiadores,
os chineses, por volta de 1000 a.C, sabiam que
uma agulha de magnetita (Fe3O4) podia se orientar
na direção norte sul. Relatos semelhantes, feitos na
Grécia Antiga, indicam que pedras desse mesmo
material atraiam pedaços de ferro.
Os gregos também deram sua contribuição
é provável de que não foram eles que iniciaram
descobertas relacionadas a fenômenos elétricos,
mas foram eles e sim os que fizeram os primeiros
experimentos e os primeiros relatos. Tales de mileto
(século VI a.C.), já havia feito experimentos com
eletricidade estática. A partir daí muitos foram os
cientistas que contribuíram para o avanço da
ciência, entre eles esta estão: William Gilbert (15441603), que com seu experimento constatou
quantidade de forças de atração entre corpos.
Stephen Gray (1666-1736) e Benjamin Franklin
(1706-1790) propôs por volta 1750 a teoria do fluxo
único. Em 1784, Charles Augustin de Coulomb
(1736-1806), físico francês realizou um experimento
com uma Balança de Coulomb. Von Kleist e Pieter
van Musschenbroek que tiveram a idéia de
armazenar energia em uma garrafa. Em 1820,
André-Marie
Ampère
(1775-1836)
físico
e
matemático francês, descobriu que a corrente
elétrica gerava atração e repulsão magnética. Por
volta de 1830, Michael Faraday (1761-1867) físico e
químico inglês, conceituou o campo elétrico. Nikola
Tesla (1856-1943) físico e engenheiro eletricista. No
final do século XIX. Heinrich Rudolf Hertz (18571894) ao perceber que uma faísca em uma bobina
formava outra faísca em outra bobina.
Lorentz propôs que o elétron preso ao núcleo como
o sistema solar, Nagaoka propôs o sistema de
saturno, mas o aceito foi o de J.J. Thomson
conhecido como “pudim de passas”. Já Rutherford
desbancou esse modelo bombardeando uma folha
de papel com partículas alfa. A partir do trabalho de
Planck, Albert Einstein ganhou o Prêmio Nobel de
Física de 1921, Afirmando que o quanta de energia
da luz ao penetrar no metal, parcialmente é
transformado em energia cinética do elétron. O
físico alemão Arnold Sommerfeld (1868-1951),
introduziu o conceito de quantização espacial no
átomo de Bohr. Em 1925, Wolfgang Pauli (19001958), físico austríaco, incluiu o quarto número
quântico (ms), o spin do elétron. Esse são alguns
dos grandes nomes da Ciência que contribuíram de
maneira significativa para a evolução do
eletromagnetismo.
O homem do novo século é dependente do
Eletromagnetismo, seja para abrir um simples
portão eletrônico ou para aplicações mais
complexas como um transformador de energia.
Devido à “dependência” do homem do novo século
ao Eletromagnetismo, surge a necessidade de
estudarmos e sabermos se os métodos de ensino e
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aprendizagem estão coerentes em nível de
importância com a ciência do qual se trata. Neste
trabalho serão apresentados dois métodos de
ensino que tem por objetivo diagnosticar suas
principais diferenças, se a uma equivalência, ou se
um se sobre sai ao outro em relação à
aprendizagem do aluno.
Com a proposta de definir estratégias que
visem a melhora da educação e com a intenção de
avaliar os métodos de ensino será feito uma
experiência com o método “difundido” mais usado e
um alternativo: o primeiro consiste em uma didática
onde o professor apresenta os elementos da
conteúdo a ser ensinado, no caso deste trabalho o
Eletromagnetismo, e a partir daí segue sua aula
com explicações teóricas onde o professor fala e os
alunos ouvem sem que nenhuma interação de
ordem prática aconteça.
Já o método alternativo apresenta um
sistema onde além das oratórias teóricas, os alunos
também tenham uma visualização prática da teoria,
podendo, inclusive, interagir com os experimentos a
serem analisados (motor elétrico simples e buzina
automotiva). É também proposto que os alunos
confeccionem um motor elétrico simples. Nos
processos de interação e confecção dos elementos
o professor auxilia de maneira direta o aluno
fundamentando com bases práticas o conhecimento
teórico que tal adquiriu. O que deixaria a aula mais
interessante e despertaria no aluno um maior
interesse na matéria proposta, dando a
possibilidade de o aluno fazer uma analogia ligando
teoria e prática.
Nos processos de confecção foi feita uma
avaliação empírica onde o professor terá o papel de
auxiliar e reforçar os conhecimentos já existentes E
de uma maneira mais direta também poderá ser
feito um teste avaliativo, que consistira na
construção de diagrama V, mapa conceitual.
2. Fundamentação teórica
É provável que não foram os gregos que iniciaram
as descobertas sobre fenômenos elétricos, mas
foram deles os primeiros experimentos e as
primeiras explicações sobre eletricidade foram
realizadas. Tales de Mileto (século VI a.C.),
utilizando uma resina fossilizada de arvores, o
âmbar. Ao esfregar um pedaço de âmbar com lã ou
pele animal, este consegue atrair objetos leves.
Esta propriedade adquirida recebeu o nome de
elektron do grego o nome do âmbar. As conclusões
da época ainda eram mais místicas do que
científicas.
Somente em 1600 o inglês William Gilbert
(1544-1603), médico da rainha da Inglaterra,
construiu o Versorium de Gilbert que era composto
de uma base com haste vertical isolante, com um
ponteiro de madeira leve e equilibrado, ele
descobriu que outras substâncias se eletrizavam ao
serem atritadas contra o âmbar, com seu
experimento ele pode constatar a quantidade da
força de atração entre os corpos.
A eletricidade foi considerada um fluido em
1730, pelo físico inglês Stephen Gray (1666-1736),
ao descobrir que um corpo poderia ser eletrizado
por contato a outro corpo já eletrizado ou através de
um fio de alguns tipos de materiais adequados a
conduzirem eletricidade. Após 3 anos o químico
francês Charles Dufay (1698-1739) propôs que a
eletricidade era dividida em dois tipos de fluidos
diferentes quanto ao tipo de atrito, um corpo neutro
possuía a mesma quantidade desses fluidos.
O físico americano Benjamin Franklin (17061790), propôs por volta 1750 a teoria do fluxo único,
que ao contrário das teorias discordava de Dufay, a
diferença está não no tipo de material atritado e sim
se o fluido está sendo absorvido ou cedido. Com
seu experimento, ao empinar uma pipa próxima de
uma tempestade, mostrou a existência de
eletricidade na atmosfera. Foi Franklin quem iniciou
os conceitos de positivo e negativo na eletricidade.
Em 1784, Charles Augustin de Coulomb
(1736-1806), físico francês realizou um experimento
com uma Balança de Coulomb, que consiste num
recipiente com duas esferas unidas por um eixo no
seu interior fixo por fio de torção. Coulomb provou o
postulado de Joseph Priestley (1733-1804), químico
e físico inglês, que em 1766 a pedido de Franklin,
percebeu que um pêndulo eletrostático é atraído por
um recipiente carregado quando este é aproximado,
mas se o pêndulo for colocado dentro do recipiente
nada acontece. Então Priestley associou esse
fenômeno as regras da gravitação de Newton.
Apesar de Priestley ter postulado essa teoria foi
Coulomb que provou.
O físico italiano Alessandro Volta, ao
analisar as pesquisas de anatomista italiano Galvani
sobre o efeito da eletricidade numa rã morta,
buscou gerar eletricidade através de pares
metálicos, foi quando em 1796 após tentar várias
hipóteses, seu melhor resultado foi quando usou
discos de prata com de zinco e papelão úmido, ao
repetir varias vezes essa combinação nessa mesma
seqüência, ele conclui sua Pilha de Volta. Hoje,
sabemos que um método mais eficiente seria uma
placa de cobre e uma de zinco imersa em acido
sulfúrico.
Ainda no século XVIII dois pesquisadores
tiveram a idéia de armazenar eletricidade numa
garrafa. Von Kleist e Pieter van Musschenbroek
revestiram uma garrafa de material isolante com
uma armadura metálica interna e externa, ligaram a
parte interna a um terminal central, inicialmente
havia água na garrafa, mas perceberam que não
era necessário. Esse dispositivo recebeu o nome de
Garrafa de Leyden, foi a primeira forma de
armazenar eletricidade, hoje chamado de capacitor.
Franklin, com seu experimento da pipa, conseguiu
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carregar um capacitor próximo de uma nuvem de
tempestade.
Em 1820, André-Marie Ampère (1775-1836)
físico e matemático francês, descobriu que a
corrente elétrica (até então o fluxo elétrico) também
gerava atração e repulsão magnética e não
somente os imãs. Também demonstrou que uma
corrente retilínea gera um campo cilíndrico e que
uma corrente espiral gera um campo retilíneo.
Nesse ano, o professor dinamarquês Hans Oersted,
percebeu que a corrente elétrica ao passar por um
fio próximo a uma bússola fazia a agulha girar
conforme o sentido da corrente.
Por volta de 1830, Michael Faraday (17611867) físico e químico inglês, conceituou o campo
elétrico ao analisar a forma que limalhas de ferro se
agrupavam com a aproximação de um imã, para
Faraday as linhas desenhadas eram reais e as
chamou de linhas de força. Em 1932, um técnico
francês, Hippolyte Pixii, adaptou as teorias de
Faraday e desenvolveu um comutador, que é uma
manivela girando imãs sob duas bobinas e esse gira
produs produz um corrente elétrica que oscilava
mas com em sentido único.
A partir da metade do século XIX, o
empresário americano Thomas Alva Edison (18471931), avançou muito no desenvolvimento da
lâmpada elétrica, foi em 1879 que ele conseguiu um
filamento ideal para uma lâmpada que fosse usada
tanto em iluminação pública como residencial.
Ex-funcionário de Edison, Nikola Tesla
(1856-1943) físico e engenheiro eletricista, tentou
entender a corrente alternada criticada por Edison,
ele afirmou ter conseguido acender uma lâmpada a
40 km de distância sem uso de fios utilizando a
corrente alternada.
No final do século XIX, Heinrich Rudolf
Hertz (1857-1894) ao perceber que uma faísca em
uma bobina formava outra faísca em outra bobina,
então esta faísca produziu um campo elétrico e
magnético variável, ele mediu sua velocidade de
propagação e era a velocidade da luz prevista pelas
ondas eletromagnéticas de James Clerk Maxwell
(1831-1879), provando suas teorias.
Até o século XIX acreditava-se de que a
eletricidade era uma propriedade da matéria, pois
era preciso provocar alguma ação na matéria para
ela aparecer, mas foi no início do século XX,
quando a idéia do átomo foi definidamente aceita
que com ela a certeza de que a eletricidade é
propriedade de partículas elementares.
Ainda não havia um modelo atômico
definido, então Lorentz propôs que o elétron preso
ao núcleo como o sistema solar, Nagaoka propôs o
sistema de saturno em que os elétrons estavam em
anéis de carga negativa. O modelo aceito foi o de J.
J. Thomson conhecido como “pudim de passas” em
que os elétrons estavam fixos em esfera de carga
positiva.
Não havia base teórica em nenhum modelo,
então Ernest Rutherford, físico neozelandês,
bombardeou uma folha de papel com partículas
alfa, que são positivas e essas partículas sofreram
um leve desvio, até então o “pudim de passa”
estava certo, mas quando usou um fino metal,
algumas partículas passaram, outras desviaram e
outras voltaram. Isso não era possível, rutherford
propôs um átomo maior que o de Thomson com um
enorme espaço vazio entre um núcleo positivo e os
elétrons em órbitas ao redor do núcleo.
No inicio de século XX, em 1900, Max Karl
Ernst Ludwig Planck (1858-1947), estudando a
radiação de corpos aquecidos, sugeriu que a
energia liberada é composta de um numero finito e
inteiro, ou seja, quantizado. A partir do trabalho de
Planck, Albert Einstein ganhou o Prêmio Nobel de
Física de 1921, Afirmando que o quanta de energia
da luz ao penetrar no metal, parcialmente é
transformada em energia cinética do elétron (efeito
fotoelétrico). Em 1926, físico e químico americano
Gilbert Lewis nomeou o quantum de luz de Einstein,
de fóton.
Para reformular os conceitos do átomo, em
1884, o matemático sueco Johann J. Balmer (18251898), através de experimentos, obteve a
expressão do comprimento de onda das raias do
espectro do hidrogênio. Em 1913, Niels Bohr (18851965) físico dinamarquês, a partir das teorias de
Planck e dos dados de Balmer, aceitou que o
elétron esta em órbitas circulares, mas introduziu o
nível de energia em que o elétron permanece até
receber um incremento, pular um nível e quando
voltar, libera radiação em forma de luz visível num
determinada freqüência.
O físico alemão Arnold Sommerfeld (18681951), introduziu o conceito de quantização espacial
no átomo de Bohr, então em 1920, o modelo
passou a chamar-se modelo de Bohr-Sommerfeld.
Cada elétron possui um eixo de rotação (órbita) com
inclinação chamada numero quântico magnético,
que assume valores inteiros, positivos e negativos
para sua inclinação, mas nunca a um numero de
inclinações possíveis maior que o numero do nível
de energia desse elétron.
Para provar esse teoria, alguns cientistas
planejaram aquecer prata em um forno, com uma
fenda para a saída do feixe de elétrons, que passa
por um campo elétrico não uniforme até atingir uma
placa de vidro. Sem o campo, formava um traço em
forma de fenda, mas com o campo, aparecia uma
forma oval e vazia no meio. Se o eixo tivesse
qualquer direção, essa forma deveria ser
preenchida no meio. Mas como surgiram somente
duas formas, concluíram que existiriam duas
orientações, só que não havia explicação de não ter
aparecido uma linha reta sem influencias.
A resposta surgiu em 1925, através do
efeito Zeeman, que se o desvio se da ao
magnetismo do movimento do elétron, então
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deveria interagir com cada elétron individualmente.
Foi proposto um magnetismo próprio do elétron, o
spin. Cada elétron possui duas possibilidades de
orientação, por isso os traços se afastam.
Os números quânticos conhecidos eram: (n)
numero quântico principal, que trata o nível de
energia do elétron; (l) numero quântico orbital,
relaciona o sub-nível e sua forma espacial; (ml)
numero quântico magnético, a quantidade de
possíveis inclinações do eixo do elétron.
Em 1925, Wolfgang Pauli (1900-1958),
físico austríaco, incluiu o quarto numero quântico
(ms), o spin do elétron, agora os conjuntos de
números quânticos nunca se repetiam, com essas
duas possibilidades de spins do elétron. Esse é o
Principio da Exclusão de Pauli.
3. Revisão bibliográfica
(Pesquisar na Revista Brasileira de Ensino de
Física, Física na Escola, Experiências em Ensino de
Ciências e Caderno Brasileiro de Ensino de Física).
4. Metodologia ou relato
O método alternativo que consiste no uso de
elementos práticos (Figura 1) em sala de aula vem
está fundamentado na teoria da aprendizagem
significativa de Ausubel, que diz que o aluno é o
construtor principal da sua própria aprendizagem, e
para que um conhecimento seja comprendido de
maneira satisfatoria o aluno deve ter conhecimentos
previos do tema a ser abordado. A partir deste
momento entra em ação o uso de tais elementos,
que alem de proporcionar um maior interesse pela
aula auxiliara o aprendiz no que dis respeito a
conhecimentos previos, servindo como ancoradouro
de todo um novo conceito a ser introduzido.
elementos práticos, e um método alternativo que
consiste em uma didática do qual apresenta
elementos de ordem pratica. Para que assim o
aluno possa ter um pré-conhecimento do assunto e
possa desenvolver os conhecimentos seguintes
através da observação, da interação com os
experimentos e do auxilio do professor. Fazer uma
avaliação com as turmas dos dois métodos
utilizados para então constatar os resultados da
pesquisa. Como sendo profundo admirador do tema
eletromagnetismo não ouve duvidas quanto ao tema
a ser escolhido para desenvolver um artigo
relacionado a um tema de física. Devido ao fato de
já estarmos cursando o curso técnico do qual exige
tais conhecimentos, e termos total interesse no
assunto os dois integrantes do grupo entraram em
comum acordo sem qualquer objeção. Ao longo do
desenvolvimento do artigo, que inicialmente seria
voltado principalmente a conceitos e termos
puramente técnicos, foi surgindo a duvida de como
o mesmo tema poderia ser mais bem explicado a
quem não tem conhecimento algum sobre tal. A
partir daí, o artigo projeto foi tomando um rumo
diferente. Como cursamos uma graduação que nos
habilita a licenciatura e temos um interesse
imensurável sobre o ato de lecionar, pensamos que,
a melhor escolha para o foco do projeto seria na
questão didática. Como melhor aprender? Como
melhor ensinar? Após todas essas duvidas nos veio
a idéia do uso de elementos práticos em sala de
aula. Com o intuito de direcionar a atenção do aluno
fazendo com que a aula fique mais atraente para
que assim possa se ter um melhor aproveitamento
do tempo em sala.
(Neste item o foco o que será feito, como, onde,
quando e com quem)
5. Resultados esperados
(Aqui escrever sobre o que é esperado depois de
dar aulas com os dois métodos)
6. Considerações finais
(Quais são as implicações do trabalho para
a futura docência dos autores)
7. Agradecimentos
(opcional)
Figura. 1:
(http://www.fisica.net/feirasdeciencias/motor2.jpg)
Fazer uma comparação, entre dois tipos
diferentes de ensino, para saber se a ou não uma
igualdade no resultado entre os mesmos. Para isso
será utilizado um método tradicional que se baseia
em uma aula teórica sem qualquer tipo de
Referências bibliográficas
Para incluir site, dar uma verificada no site da
revista Ciência & Cognição como deve fazer as
referências.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Teoria_da_aprendizagem
_de_ausubel
5
http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/pmd.php?cod=
_pmd2005_i3401