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Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física MNPEF Polo 25 UFMT_Cuiabá ESTUDO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS EM UM MOTOR ELÉTRICO SIMPLES WALDÉCIO FERREIRA MAGALHÃES Dissertação realizada sob a orientação do Prof. Dr. Luis Craco, apresentada ao Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física da UFMT. Cuiabá 2017

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Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física –MNPEF Polo 25 UFMT_Cuiabá

ESTUDO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS EM UM

MOTOR ELÉTRICO SIMPLES

WALDÉCIO FERREIRA MAGALHÃES

Dissertação realizada sob a

orientação do Prof. Dr. Luis Craco,

apresentada ao Mestrado Nacional

Profissional em Ensino de Física

da UFMT.

Cuiabá

2017

2

Sumário

APRESENTAÇÃO .................................................................................................................. 3

MATERIAIS E MONTAGEM DO APARATO EXPERIMENTAL ................................. 5

ROTEIROS PEDAGÓGICOS ............................................................................................... 9

AULA 1 - DEMONSTRAÇÃO DO EXPERIMENTO ........................................................... 9

AULA 2 - TORQUE ....................................................................................................................... 11

AULA 3 - CORRENTE ELÉTRICA ......................................................................................... 14

AULA 4 - CAMPO MAGNÉTICO DE UM ÍMÃ.................................................................... 16

AULA 5 - CAMPO MAGNÉTICO AO REDOR DE UM CONDUTOR RETILÍNEO . 19

AULA 6 - CAMPO MAGNÉTICO AO REDOR DE UMA BOBINA E DE UM

SOLENOIDE. .................................................................................................................................. 22

AULA 7 - FORÇA MAGNÉTICA QUE ATUA EM UM CONDUTOR IMERSO EM

UM CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME .............................................................................. 25

AULA 8 - DEMONSTRAÇÃO DO EXPERIMENTO ........................................................... 30

AULA 9 - AVALIAÇÃO FINAL ................................................................................................. 31

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................... 35

3

Apresentação

Prezados (as) professores (as),

A presente proposta de ensino tem como objetivo estudar e contextualizar os conceitos

de torque, corrente elétrica, campo magnético e força magnética através da utilização de um

experimento baseado em um motor elétrico simples, o qual foi construído a partir de materiais

alternativos, associado a uma metodologia que promove a participação ativa do aprendiz.

Esta proposta foi desenvolvida é aplicada no ambiente de sala de aula em quatro

turmas do 3º ano do ensino médio regular. Sugere-se inserir estas aulas no planejamento de

atividade do segundo semestre. Acreditamos que este material também pode ser utilizado

como abordagem inicial em turmas de graduação dos cursos de ensino superior em física para

auxiliar e motivar o estudo do eletromagnetismo.

A metodologia está baseada na teoria de aprendizagem significativa de David

Ausubel, na teoria de educação de Joseph D. Novak e na aprendizagem significativa crítica de

Marco Antônio Moreira, cujos princípios valorizam a aprendizagem com significados e

direcionaram cada passo do desenvolvimento desta proposta de ensino. Desse modo, entende-

se que o ensino deve estar centrado no aluno, tendo o professor como o mediador, utilizando

estratégias diversificadas que favoreçam a troca de significados entre os agentes envolvidos

no processo de ensino e aprendizagem.

Salienta-se ao professor que o experimento deva ser confeccionado preferencialmente

em horários diferenciados, pois demandam um tempo de aula bem superior ao da carga

horária de aulas semanais. Isto se deve ao fato que nesta atividade os alunos são orientados a

trabalhar em equipe para desenvolver a montagem experimental, compreender os princípios

envolvidos no funcionamento do motor elétrico simples, observar os fenômenos

eletromagnéticos presentes neste tipo de experimento e ajustar alguns experimentos que não

funcionaram como esperado. Neste sentido, os professores devem considerar a possibilidade

de utilização de horários diferenciados antes de aplicar esta metodologia no ambiente escolar.

Acreditamos que o material aqui disponível contém a informação necessária para o

professor que deseje repetir ou adaptar essa proposta didática. O material compõe os roteiros

metodológicos de aplicação de cada aula, o roteiro de confecção do experimento, bem como

as questões da avaliação final. A dinâmica das aulas está fundamentada na realização de

4

pequenos debates orientados pelas perguntas e respostas das questões previamente

trabalhadas. Os conceitos são apresentados mediante o uso de datashow, simulador, vídeo,

quadro e giz. As aulas são finalizadas com resolução de exercícios.

A intenção desta proposta de ensino é subsidiar o professor com instrumentos e

metodologias que possibilitem a construção de um ambiente dinâmico e atraente ao aprendiz.

Espera-se que, através deste trabalho, outros professores se interessem em implementar e

fazer uso de experimentos simples, mas com alto valor didático, no cotidiano escolar.

Um abraço,

Waldécio Ferreira Magalhães

5

Materiais e Montagem do Aparato Experimental

Materiais fornecidos pelos alunos

1 pilha grande;

1 pedaço de imã de alto-falante, com aproximadamente 6 cm de comprimento;

1 borracha nº 60;

1 faca de serra;

1 cola rápida;

1 régua de 30 cm;

1 pedaço de madeira, com aproximadamente 10 cm de largura e 15 cm de comprimento;

1 caixa (de sapato ou tênis) para guardar o aparato experimental.

2 clipes de metal;

120 cm de fio de cobre esmaltado (entre 22 AWG a 26 AWG);

1 fita adesiva;

2 fio de extensão 2 x 0,75 mm, com aproximadamente 15 cm de comprimento;

Materiais fornecidos pela escola

1 alicate para cortar os fios metálicos;

1 bússola para verificar a presença do campo magnético estabelecido na espira;

1 multímetro (função amperímetro) para verificar a passagem da corrente elétrica.

Montagem do aparato experimental

1. Enrolar o fio de cobre esmaltado em uma pequena caixa retangular, com aproximadamente 3 cm

de largura e 3,5 cm de comprimento dando em média 10 voltas. Deixando 4cm de fio em cada

extremidade para servir de apoio (vide figura abaixo). E importante que essas extremidades

estejam alinhadas, pois será o eixo de rotação do motor.

6

bobina retangular.

2. Com a faca de serra, remover totalmente o esmalte de uma das extremidades do fio. Repita o passo

com a outra ponta, removendo apenas um dos lados do fio e mantendo o outro com uma camada

de esmalte (em torno de ¾).

3. Moldar os clips de modo que eles fiquem com dois ganchos de acordo com o esquema da figura

abaixo, para fixar na borracha e servir de suporte para espira.

Clips em ganchos.

4. Com a faca de serra, dividir a borracha nº 60 ao meio, em seguida remover o isolante do fio de

extensão (1,5 cm de cada lado).

7

Borrachas cortadas ao meio. Fio de extensão 2 x 0,75mm.

5. Com a cola rápida, colar na madeira as borrachas, deixando 6,2 cm de distância uma da outra. Em

seguida fixar os suportes nas borrachas.

Pedaço de madeira

6. Com a fita adesiva, fixar o fio de extensão em cada um dos polos da pilha.

Fio de extensão fixada na pilha.

8

7. Fixar o fio de extensão nos suportes, em seguida usar o multímetro em série para verificar a

passagem da corrente elétrica (vide figura abaixo).

Fio de extensão fixada no suporte Verificando a passagem da corrente elétrica i.

8. Posicionar a bobina nos ganchos formados pelos clipes, de maneira que ela possa girar livremente.

Em seguida encontrar a melhor posição para o ímã, para que ocorra a interação entre o campo

magnético estabelecido na espira com o campo magnético do ímã permanente.

Experimento confeccionado.

9

Roteiros Pedagógicos

Roteiro pedagógico / professor – Aula 1

Demonstração do experimento

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] tem por objetivo apresentar todas as atividades que o professor pode utilizar em

sala de aula para implementar a sequência didática, a fim de proporcionar aos alunos uma

aprendizagem significativa dos conceitos de torque, corrente elétrica, campo magnético e

força magnética.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Apresentar o experimento para os alunos, demonstrar os detalhes do seu

funcionamento e destacar os fenômenos físicos (a saber: rotação da espira, mudança em seu

sentido mediante a inversão dos polos magnéticos do ímã, deflexão sofrida pela agulha

magnética da bússola ao aproximar da espira) e os conceitos envolvidos (a saber: torque,

corrente elétrica, campo magnético e força magnética), mas sem explicá-los detalhadamente.

Na sequência, transmitir quais são as avaliações (formativa e final) às quais eles serão

submetidos. Nesta mesma aula, informar sobre os materiais que serão utilizados e a sequência

das atividades previamente programadas. A seguir, formar os grupos com no máximo três

alunos, com o propósito de promover a participação ativa do aprendiz.

Materiais fornecidos pelos alunos

1 pilha grande;

1 pedaço de imã de alto-falante, com aproximadamente 6 cm de comprimento;

1 borracha nº 60;

1 faca de serra;

1 cola rápida;

1 régua de 30 cm;

1 pedaço de madeira, com aproximadamente de 10 cm de largura e 15 cm de comprimento;

10

1 caixa (de sapato ou tênis) para guardar o aparato experimental.

2 clipes de metal;

120 cm de fio de cobre esmaltado (entre 22 AWG a 26 AWG);

1 fita adesiva;

2 fio de extensão 2 x 0,75 mm, com aproximadamente 15 cm de comprimento;

Materiais fornecidos pela escola

1 alicate para cortar os fios metálicos;

1 bússola para verificar a presença do campo magnético estabelecido na espira;

1 multímetro (função amperímetro) para verificar a passagem da corrente elétrica.

Atividades que serão desenvolvidas pelos alunos

Montagem dos aparatos experimentais em horários diferenciados, possivelmente em contra turno.

Realização da pesquisa literária prévia.

Participação aos debates.

Resolução de exercícios.

Participação na prova final.

Sugestão de avaliação

Formativa: Avaliar o progresso do aluno ao longo de uma fase de sua aprendizagem, ou seja,

os alunos serão avaliados durante todo o processo desde a participação em sala de aula, a

realização da pesquisa bem como na confecção do experimento, cujo peso não poderá ser

superior a 50%.

Final: Avaliar o desempenho de determinados objetivos de aprendizagem ao final de uma fase

de aprendizagem, ou seja, ao final dos estudos e da confecção dos experimentos será realizada

uma avaliação final com o intuito de buscar evidências da aprendizagem significativa, cujo

peso não poderá ser superior a 50%.

11

Roteiro pedagógico / professor – Aula 2

Torque

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] apresenta as atividades que o professor pode seguir em sala de aula para

proporcionar aos alunos uma aprendizagem significativa do conceito de torque.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Revisar o conceito de torque, com o objetivo de levar os alunos a perceberem o que é

o torque, quando e como ele acontece e onde ele pode ser observado em seu cotidiano.

Atividade inicial (15 minutos)

Apresentar uma abordagem geral com toda a turma sobre o conceito de torque através

de pequenos debates orientados pelo professor através de perguntas e respostas da pesquisa

previamente fornecida e trabalhada pelos alunos, sem necessariamente se preocupar com a

exatidão/correção das respostas.

Sugestões de pesquisa:

1. O que você entende por torque?

2. O que provoca o torque?

3. Quando o torque é máximo?

4. Cite exemplos do torque no seu cotidiano.

5. O torque é uma grandeza vetorial? Justifique.

6. Como se calcula o torque e o que significa cada termo da equação e quais as unidades de

cada uma das suas variáveis?

Segunda atividade (15 minutos)

Apresentar o conceito de torque através do datashow, mostrando que o torque é

provocado pela componente perpendicular da força aplicada em um objeto que o faz girar em

torno do seu próprio eixo.

12

Ao final da exposição é recomendado ao professor direcionar os alunos a

contextualização dos conceitos estudados, mediante o seguinte questionamento: é possível

relacionar o conceito estudado com o experimento do motor elétrico simples?

Atividade final (20 minutos)

Sugere-se ao professor finalizar a aula com resolução de exercícios. Estes exercícios

deverão ser resolvidos em grupos com no máximo três integrantes e os mesmos serão

apresentados pelos próprios alunos em sala de aula.

Sugestão de exercícios:

1 - Segundo o manual da moto Honda CG125, o valor aconselhado do torque, para apertar a

porca do eixo dianteiro, sem danificá-la, é 60 Nm. Usando uma chave de boca semelhante à

da figura, a força que produzirá esse torque é:

Chave de boca.

Fonte: https://alexfisica.wordpress.com/lista-de-exercicios/

Acesso em: (10/10/2015)

a) 3,0 N b) 60,0 N c) 12,0 N d) 300,0 N e) 30,0 N

2 - Querendo-se arrancar um prego com um martelo, conforme mostra a figura abaixo, qual

das forças indicadas (todas elas de mesma intensidade) será mais eficiente? Justifique.

(a) A

(b) D

(c) B

(d) E

(e) C

Martelo.

Fonte: https://alexfisica.wordpress.com/lista-de-exercicios/

Acesso em: (10/10/2015)

13

3 - A figura abaixo ilustra uma ferramenta utilizada para apertar ou afrouxar determinadas

peças metálicas.

Chave de boca.

Fonte: https://alexfisica.wordpress.com/lista-de-exercicios/

Acesso em: (10/10/2015)

Para apertar uma peça, aplicando-se a menor intensidade de força possível, essa ferramenta

deve ser segurada de acordo com o qual esquema? Justifique.

a) b) c) d)

4 - Dois homens exercem as forças 1 =80 N e 2 = 50 N sobre as cordas, como mostra a

figura abaixo. Determine o torque provocado por cada uma das forças em relação à base O.

Qual a tendência de giro do poste, horário ou anti-horário? (Dados: sen 60° = 0,86 e sen 45° =

0,70).

Dois homens exercendo as Forças F1 e F2.

Fonte: https://alexfisica.wordpress.com/lista-de-exercicios/

Acesso em: (10/10/2015)

Gabarito: 1 - d 2 - c 3 - d 4 - anti-horário

14

Roteiro pedagógico / professor – Aula 3

Corrente elétrica

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] apresenta as atividades que o professor pode utilizar em sala de aula para

proporcionar aos alunos uma aprendizagem significativa do conceito de corrente elétrica.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Revisar ou introduzir o conceito de corrente elétrica, explicando a diferença entre

corrente contínua e alternada.

Atividade inicial (15 minutos)

O professor realizará uma abordagem geral com toda a turma sobre o conceito de

corrente elétrica através de pequenos debates orientados pelas perguntas e respostas da

pesquisa previamente fornecida e trabalhada pelos alunos, sem necessariamente se preocupar

com a exatidão/correção das respostas.

Sugestões de pesquisa:

1. Cite exemplos de fontes convencionais e alternativas de energia.

2. O que é corrente elétrica? Qual a sua importância para a sociedade?

3. Qual a diferença entre corrente contínua e alternada?

4. Qual é o material normalmente utilizado para conduzir a corrente elétrica que chega a sua

residência? Justifique?

5. Qual aparelho da sua residência transforma energia elétrica em energia mecânica?

6. A corrente elétrica é uma grandeza vetorial? Justifique.

7. Como se calcula a corrente elétrica? O que significa cada termo da equação? Quais as

unidades de cada uma das suas variáveis?

Segunda atividade (15 minutos)

Nesta atividade as exposições dos conceitos deverão ser feitas preferencialmente

através da utilização de um datashow. Após uma breve apresentação teórica sobre o tema

corrente elétrica, é sugerido ao professor utilizar um simulador1, com o qual seja possível

15

visualizar os movimentos dos elétrons e a observar a relação entre a corrente contínua,

resistência e tensão.

Ao final da exposição é recomendado ao professor direcionar os alunos a

contextualizar os conceitos estudados. Utilizando o seguinte questionamento: é possível

relacionar o conceito estudado com o experimento do motor elétrico simples?

Atividade final (20 minutos)

É sugerido ao professor finalizar a aula com resolução de exercícios. Estes exercícios

deverão ser resolvidos em grupos com no máximo três integrantes e os mesmos serão

apresentados pelos próprios alunos em sala de aula.

Sugestão de exercícios:

1- Responda as seguintes questões:

a) Quem fornece a corrente elétrica para o funcionamento do motor elétrico simples?

b) O que diferencia a corrente elétrica produzida por uma pilha da corrente elétrica

produzida numa usina hidroelétrica?

c) Por que alguns elétrons recebem a denominação de elétrons livres?

d) O que é necessário para ser estabelecida uma corrente elétrica num fio condutor?

2- Pela secção reta de um condutor passam 12 C de cargas em 4 s. Qual o valor da corrente

elétrica nesse condutor?

a) 2 A

b) 3 A

c) 36 A

d) 48 A

e) 1/3 A

3- O filamento de uma lâmpada é percorrido por uma corrente de 2A. Calcule a carga

elétrica que passa pelo filamento em 20 segundos.

a) 10 C b) 20 C c) 30 C d) 40 C e) 1/10 C

Gabarito: 1 - b 3 - d

______________________

1simulador: circuito bateria-resistor, http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/category/physics.

16

Roteiro pedagógico / professor – Aula 4

Campo magnético de um ímã

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] descreve as atividades que o professor pode utilizar em sala de aula para

proporcionar aos alunos uma aprendizagem significativa do conceito de campo magnético de

um ímã.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Estudar o conceito de campo magnético de um ímã, com o propósito de entender o

sentido das linhas de indução do campo magnético, as características do vetor campo

magnético nas proximidades de um ímã e do campo magnético terrestre.

Atividade inicial (15 minutos)

O professor dará inicio as atividades fazendo uma abordagem introdutória sobre o

conceito de campo magnético de um ímã através de pequenos debates orientados pelas

perguntas e respostas da pesquisa previamente fornecida e trabalhada pelos alunos, sem

necessariamente se preocupar com a veracidade das respostas.

Sugestões de pesquisa:

1. O magnetismo está presente em nosso cotidiano? Se a resposta for positiva, Cite

exemplos.

2. O campo magnético é uma grandeza vetorial? Justifique.

3. Qual é o sentido das linhas de indução do campo magnético gerado por um ímã?

4. É possível separar os polos de um ímã? Justifique.

5. Como as bússolas se orientam?

6. Os ímãs interagem com qualquer material? Justifique.

Segunda atividade (15 minutos)

Os conceitos fisicamente corretos podem ser apresentados através do datashow. Após

esta breve exposição teórica, é sugerido ao professor utilizar um simulador2, onde é possível

17

visualizar o campo magnético terrestre e o campo magnético de um ímã, bem como o desvio

sofrido pela agulha de uma bússola ao ser imerso em um campo magnético externo.

Ao final da exposição é recomendado ao professor direcionar os alunos a

contextualizar os conceitos estudados. Através do seguinte questionamento: Com o qual seja

possível relacionar o conceito estudado com o experimento do motor elétrico simples?

Atividade final (20 minutos)

Nesta fase é sugerido ao professor finalizar a aula com a resolução de exercícios. Estes

exercícios deverão ser resolvidos em grupos com no máximo três integrantes e os mesmos

serão apresentados pelos próprios alunos em sala de aula.

Sugestão de exercícios:

1- O que ocorre com o desempenho do motor elétrico simples se for utilizado um ímã maior?

Justifique.

2- Uma bússola aponta aproximadamente para o norte geográfico por que:

I) O norte geográfico é aproximadamente o norte magnético.

II) O norte geográfico é aproximadamente o sul magnético.

III) O sul geográfico é aproximadamente o norte magnético.

IV) O sul geográfico é aproximadamente o sul magnético.

Está (ão) correta (s) as seguintes opções:

a) II e III b) I e IV c) Somente II d) Somente III e) Somente IV

3- Por mais que cortemos um ímã, nunca conseguiremos separar seus pólos. Qual o

nome deste fenômeno?

a) Desintegrabilidade dos pólos.

b) Separibilidade dos pólos.

c) Inseparibilidade dos pólos.

d) Magnetibilidade dos pólos.

4- Quando magnetizamos uma barra de ferro estamos:

a) Retirando elétrons da barra.

b) Acrescentando elétrons à barra.

18

c) Retirando ímãs elementares da barra.

d) Acrescentando ímãs elementares da barra.

e) Orientando os ímãs elementares da barra.

5- A bússola representada na figura abaixo repousa sobre a sua mesa de trabalho. O retângulo

tracejado representa a posição em que você vai colocar um ímã, com os pólos respectivos nas

posições indicadas. Na presença do ímã, a agulha da bússola permanecerá como em:

Bússola próxima a um ímã em forma de barra.

Fonte: física-mentee.blogspot.com.br/2014/09/exercicios-resolvidos-sobre-campo.html

Acesso em: (12/10/2015)

Gabarito: 2 - a 3 - c 4 - e 5 - b

_______________________

2simulador: ímã e bússola, http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/category/physics.

19

Roteiro pedagógico / professor – Aula 5

Campo magnético ao redor de um condutor

retilíneo.

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] apresenta uma série de atividades as atividades que o professor pode utilizar em

sala de aula para proporcionar aos alunos uma aprendizagem significativa do conceito de

campo magnético ao redor de um condutor retilíneo.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Adquirir a compreensão do comportamento das linhas de indução do campo

magnético e aprender a utilizar a regra da mão direita para determinar a direção e o sentido do

campo magnético induzido .

Atividade inicial (15 minutos)

Nesta etapa de estudo é feita uma abordagem geral com toda a turma sobre o conceito

de campo magnético ao redor de um condutor elétrico retilíneo através de pequenos debates

orientados pelas perguntas e respostas da pesquisa previamente fornecida e trabalhada pelos

alunos, sem necessariamente se preocupar com a exatidão/correção das respostas.

Sugestões de pesquisa:

1. O que se observou na experiência realizada pelo físico dinamarquês Hans Christian

Oersted?

2. Para que serve a regra da mão direita?

3. O campo magnético gerado por um condutor retilíneo é diretamente proporcional à

intensidade da corrente elétrica e inversamente proporcional à distância? Justifique.

4. Como se calcula o campo magnético gerado por um condutor retilíneo? O que significa

cada termo da equação? Quais as unidades de cada uma das suas variáveis?

5. Represente em seu caderno às linhas de indução do campo magnético gerado por um fio

condutor retilíneo. Mostre o sentido do campo magnético, nos seguintes casos:

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a) Condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica i. Onde (→) representa o sentido

da corrente elétrica.

Fio condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica i.

b) Condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica i perpendicular ao plano do

papel. Onde representa a corrente elétrica entrando no plano do papel.

Fio condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica i.

Segunda atividade (15 minutos)

Nesta seção os conceitos físicos mais relevantes serão apresentados preferencialmente

através do uso de um datashow. Após esta breve exposição teórica, é sugerido ao professor

utilizar um vídeo3 de 9 minutos e 56 segundos, onde é possível promover a revisão dos itens

estudados, bem como a explicação da experiência de Oersted e a utilização da regra da mão

direita.

Ao final da exposição o professor orientará os alunos a contextualizar os conceitos

estudados. Utilizando o seguinte questionamento: é possível relacionar o conceito estudado

com o experimento do motor elétrico simples?

Atividade final (20 minutos)

Sugere-se ao professor finalizar a aula com resolução de exercícios. Estes exercícios

deverão ser resolvidos em grupos com no máximo três integrantes e os mesmos serão

apresentados pelos próprios alunos em sala de aula.

Sugestão de exercícios:

𝑖

X

X

21

1- Seja um fio metálico reto e muito longo percorrido por uma corrente elétrica constante.

a) Esboce as linhas de campo magnético produzido por esse fio.

b) Explique como se determina o sentido das linhas de campo magnético.

2- Uma corrente elétrica i constante está percorrendo um fio condutor comprido e retilíneo,

no sentido indicado na figura.

Fio condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica i.

Fonte: física-mentee.blogspot.com.br/2014/09/exercicios-resolvidos-sobre-campo.html

Acesso em: (12/10/2015)

No ponto P localizado no plano da figura, podemos afirmar que o sentido de :

a) Tem mesmo sentido e direção da corrente.

b) É perpendicular ao plano da figura e aponta para o leitor.

c) É perpendicular ao plano da figura e entra na página.

d) Pertence à reta que passa por P e é perpendicular ao fio, e aponta para a esquerda do

leitor.

e) Pertence à reta que passa por P e é perpendicular ao fio, e aponta para a direita do leitor.

3- Um fio metálico reto e extenso é percorrido por uma corrente de intensidade 4,5 A.

Sabendo que permeabilidade magnética do vácuo µ= 4π x 10-7

T.m/A, a intensidade do

campo magnético a 30,0 cm do fio é de:

a) 3,0 x 10-6

tesla b) 9,0 x 10-7

tesla c) 3,0 x 10-7

tesla d) 1,2 x 10-7

tesla

Gabarito: 2 - c 3 -a

_______________________

3video: eletromagnetismo, http://www.youtube.com/watch?v=DJBu0WGPw4U.

22

Roteiro pedagógico / professor – Aula 6

Campo magnético ao redor de uma bobina e de

um solenoide.

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] apresenta as atividades que o professor pode utilizar em sala de aula para

proporcionar aos alunos uma aprendizagem significativa do conceito de campo magnético ao

redor de uma espira e de um solenoide.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Estudar o campo magnético gerado por uma corrente elétrica que percorre uma bobina

circular e um solenoide. Nesta aula os alunos aprenderão a utilizar a regra da mão direita, a

fim de determinar a orientação do campo magnético estabelecido na espira e no solenoide.

Atividade inicial (15 minutos)

Nesta aula o professor realizará uma abordagem geral com toda a turma sobre o

conceito do campo magnético ao redor de uma bobina circular e de um solenoide, através de

pequenos debates orientados pelas perguntas e respostas da pesquisa previamente fornecida e

trabalhada pelos alunos, sem necessariamente se preocupar com a exatidão/correção das

respostas.

Sugestões de pesquisa:

1. Como determinar a orientação do campo magnético estabelecido numa espira circular?

2. A intensidade do campo magnético no interior de uma bobina circular é diretamente

proporcional ao número de espiras? Justifique.

3. Como se calcula o campo magnético no centro de uma espira circular? O que significa

cada termo da equação? Quais as unidades de cada uma das suas variáveis?

4. O campo magnético no interior de um solenoide longo pode ser considerado uniforme?

Justifique.

5. Como se calcula o campo magnético no interior de um solenoide?

23

Segunda atividade (15 minutos)

Nesta etapa do trabalho os conceitos físicos relacionados ao campo magnético ao redor

de uma bobina e de um solenoide poderão ser apresentados através da utilização de um

datashow.

Ao final da exposição é recomendado ao professor direcionar os alunos a

contextualizar os conceitos estudado. Através do seguinte questionamento: é possível

relacionar o conceito estudado com o experimento do motor elétrico simples?

Atividade final (20 minutos)

Sugere-se ao professor finalizar a aula com resolução de exercícios. Estes exercícios

deverão ser resolvidos em grupos com no máximo três integrantes e os mesmos serão

apresentados pelos próprios alunos perante a sala.

Sugestão de exercícios:

1- O ímã utilizado no motor elétrico simples gera um campo magnético uniforme? Justifique.

2- O que ocorre com o desempenho do motor elétrico simples se a bobina tiver apenas uma

volta? Justifique.

3- Uma espira circular é percorrida por uma corrente elétrica contínua e de intensidade

constante. Quais são as características do vetor campo magnético no centro da espira?

a) É constante e perpendicular ao plano da espira.

b) É constante e paralelo ao plano da espira.

c) É nulo no centro da espira.

d) É variável e perpendicular ao plano da espira.

e) É variável e paralelo ao plano da espira.

4- O campo magnético, produzido no centro de uma espira circular de raio R por uma

corrente elétrica de intensidade I, é diretamente proporcional a:

a) I.R b) I/R c) R/I d) 1/(R.I)

24

5- Uma espira circular de 4 cm de diâmetro é percorrida por uma corrente de 8,0 A (veja

figura abaixo). Sendo µ = 4 π x 10 -7

T.m/A. O vetor campo magnético no centro da espira é

perpendicular ao plano da figura e orientado para:

Espira circular percorrida por uma corrente elétrica i.

Fonte: física-mentee.blogspot.com.br/2014/09/exercicios-resolvidos-sobre-campo.html

Acesso em: (12/10/2015)

a) Fora e de intensidade 8,0 π x 10-5

T.

b) Dentro e de intensidade 8,0 π x 10-5

T.

c) Fora e de intensidade 4,0 π x 10-5

T.

d) Dentro e de intensidade 4,0 π x 10-5

T.

6- Considere um solenoide infinito de raio r, no qual circula uma corrente elétrica i. Quanto

ao vetor campo magnético no interior do solenoide, podemos dizer que:

a) Seu módulo não depende de r.

b) Sua direção é paralela ao eixo do solenoide.

c) Seu sentido se inverte, se invertemos a direção da corrente no solenoide.

d) Seu módulo também duplicará, se a intensidade da corrente elétrica for duplicada.

e) É um campo uniforme.

Gabarito: 3 - a 4 - b 5 - b 6 - b

25

Roteiro pedagógico / professor – Aula 7

Força magnética que atua em um condutor imerso

em um campo magnético uniforme

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] apresenta as atividades que o professor pode utilizar em sala de aula para

proporcionar aos alunos uma aprendizagem significativa do conceito de força magnética que

atua em um condutor.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Levar o aluno a aprender a utilizar a regra da mão direita para determinar a orientação

da força magnética e compreender quando e como a força magnética atua em condutores

imersos em um campo magnético uniforme.

Atividade inicial (15 minutos)

O professor realizará uma abordagem geral com toda a turma sobre o conceito de força

magnética que atua em um condutor através de pequenos debates orientados pelas perguntas e

respostas da pesquisa previamente fornecida e trabalhada pelos alunos, sem necessariamente

se preocupar com a veracidade das respostas.

Sugestões de pesquisa:

1. A força magnética é sempre perpendicular ao fio condutor? Justifique.

2. Quando a força magnética é máxima?

3. Como se calcula a força magnética que atua sobre um condutor e o que significa cada

termo da equação e quais as unidades de cada uma das suas variáveis?

4. Represente em seu caderno a força magnética que atua em um condutor retilíneo

percorrido por uma corrente elétrica e imerso num campo magnético uniforme, nos

seguintes casos:

a) Condutor retilíneo imerso em um campo magnético uniforme, paralelamente às linhas de

indução . Onde (→) representa o sentido da corrente elétrica i.

26

Condutor retilíneo imerso paralelamente em um campo magnético uniforme.

b) Condutor retilíneo imerso em um campo magnético uniforme, perpendicularmente às

linhas de indução . Onde (→) representa o sentido da corrente elétrica i.

Condutor retilíneo imerso perpendicularmente em um campo magnético uniforme.

c) Condutor retilíneo imerso em um campo magnético uniforme, perpendicularmente às

linhas de indução . Onde representa a corrente elétrica i saindo do plano da figura.

Condutor retilíneo imerso perpendicularmente em um campo magnético uniforme.

𝑖

𝑖

.

.

27

d) Condutor retilíneo imerso em campo magnético uniforme, perpendicularmente às linhas

de indução . Onde representa a corrente elétrica i entrando do plano da figura.

Condutor retilíneo imerso perpendicularmente em um campo magnético uniforme.

Segunda atividade (15 minutos)

Os conceitos corretos deverão ser apresentados preferencialmente através do

datashow. Após esta breve exposição teórica, é sugerido ao professor utilizar um vídeo4 de 6

minutos e 37 segundos, o qual mostra em detalhes como e quais são as forças magnéticas que

tem a função de provocar o movimento de rotação na bobina.

Ao final da exposição é recomendado ao professor direcionar os alunos a

contextualizar os conceitos estudados. Através do seguinte questionamento: é possível

relacionar os conceitos estudados com o experimento do motor elétrico simples?

Atividade final (20 minutos)

Sugere-se ao professor finalizar a aula com resolução de exercícios. Estes exercícios

deverão ser resolvidos em grupos com no máximo três integrantes e os mesmos serão

apresentados pelos próprios alunos perante a sala.

Sugestão de exercícios:

1- Quem exerce a força magnética que atua no motor elétrico simples, e onde ela está sendo

aplicada e qual a sua importância para o funcionamento do motor elétrico?

X

X

28

2- Um condutor retilíneo é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade 2,0A, ao ser

imerso em um campo magnético uniforme de intensidade 2.10-4

T. Qual a intensidade e o

sentido da força magnética num trecho deste condutor, de 20cm de comprimento, nos

seguintes casos:

a)

Condutor retilíneo imerso em um campo magnético uniforme.

b)

Condutor retilíneo imerso em um campo magnético uniforme.

c)

29

Condutor retilíneo imerso em um campo magnético uniforme.

Fonte: http://www.coladaweb.com/exercicios-resolvidos/exercicios-resolvidos-de-fisica/

Acesso em: (14/10/2015)

3- Um condutor retilíneo de comprimento l = 0,20 m, percorrido por uma corrente de 2,0 A, é

imerso em um campo magnético uniforme de indução B = 2,0.104

T. Determinar a intensidade

da força magnética que atua sobre o condutor nos casos em que:

a) O condutor é disposto paralelamente às linhas de indução do campo.

b) O condutor é disposto perpendicularmente às linhas de indução do campo.

Gabarito: 2- (a. zero, b. 810-3

, c. 3.10-3

) 3- (a. zero, b. 8.10-3

)

___________________

4video: princípio do motor elétrico, http://www.youtube.com/watch?v=Cwe6swMCx6M.

30

Roteiro pedagógico / professor – Aula 8

Demonstração do experimento

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] visa apresentar as atividades que o professor pode utilizar em sala de aula para

contextualizar os conceitos de torque, corrente elétrica, campos magnéticos e força magnética.

Tempo previsto para a atividade: 1 aula de 50 minutos

Objetivo

Contextualizar os conceitos de torque, corrente elétrica, campo magnético e força

magnética que foram devidamente estudados.

Atividade 1 (20 minutos)

Demonstrar novamente o funcionamento do experimento mas, desta vez, com o

propósito de compartilhar significados e contextualizar os conceitos estudados, com a

intenção de ouvir os questionamentos e as dúvidas dos alunos. Nesta atividade o professor

promoverá uma reconciliação integradora estabelecendo as semelhanças e as diferenças sobre

os conceitos envolvidos no funcionamento do motor elétrico, deixando claro para os alunos a

diferença entre os conceitos estudados e os seus conhecimentos prévios.

Atividade 2 (10 minutos)

Chamar atenção para a importância histórica desse estudo que possibilitou o avanço e

o desenvolvimento de muitas tecnologias que transformaram e modernizaram a sociedade e

fazem parte de inúmeros equipamentos da vida moderna. Logo após, os alunos irão se reunir

em pequenos grupos, quando serão solicitados a enumerar os conceitos envolvidos e em quais

os aparelhos utilizam o mesmo principio do motor elétrico simples.

Atividade 3 (20 minutos)

Para finalizar a aula é sugerido ao professor construir junto com os alunos um mapa

conceitual dos conceitos envolvidos no funcionamento do motor elétrico simples.

31

Roteiro pedagógico / professor – Aula 9

Avaliação final

Este roteiro o qual foi inspirado da dissertação do mestrado profissional em ensino de

Física [22] apresenta as atividades que o professor pode utilizar em sala de aula para avaliar

os alunos.

Tempo previsto para a atividade: 2 aulas de 50 minutos

Objetivo de Ensino

Buscar evidências da aprendizagem significativa. Nesta avaliação os diferentes grupos

deverão utilizar o seu próprio experimento e alguns materiais fornecidos pelo professor. O

aluno deverá atuar como o agente responsável por verificar, discutir e tirar as suas próprias

conclusões.

Materiais fornecidos pelo professor

Bússola, amperímetro, régua, bobina retangular e solenoidal (vide figura abaixo).

Materiais utilizados durante a avaliação final.

32

Avaliação: A participação do professor nesta atividade de avaliação se limita apenas na

orientação de como utilizar os materiais fornecidos, ou seja, os grupos devem realizar as

atividades com base nos conhecimentos adquiridos durante o desenvolvimento da proposta.

Sugestão de avaliação final

1) Mediante a retirada do ímã:

a) Descreva o que acontece ao aproximar uma bússola da espira. Explique fisicamente o que

você observou.

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b) Descreva o que acontece com o funcionamento do motor. Explique fisicamente o que você

observou.

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2) Mediante a mudança no formato da bobina:

a) Descreva o que acontece se ela for circular. Explique fisicamente o que você observou.

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b) Descreva o que acontece se a bobina apresentar formato de um solenoide. Explique

fisicamente o que você observou.

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3) Mediante a inversão dos polos do ímã:

a) Descreva o que acontece com o movimento da bobina.

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b) Após esse procedimento explique a causa do que você observou.

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4) Calcule o campo magnético no centro da bobina circular, cujo módulo é dado pela

equação B =

, i é a corrente elétrica, R representa o raio da espira, e µ

é a permeabilidade

magnética no ar, considerando que é aproximadamente igual à permeabilidade magnética

do vácuo (µ0 = 4 .10-7

T. m/A).

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5) Explique as causas do movimento da espira. Em sua explicação, comente o motivo de

raspar apenas a metade de uma das extremidades do fio.

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6) Com base na construção do motor elétrico simples, comente onde ele pode ser utilizado, e

qual a sua função?

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_____________________________________________________________________________

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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+ Ensino Médio – ciências da natureza, matemática e suas tecnologias. Brasília:

MEC/SEMEC, 2002. p. 62.

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da interação discente e di-docente em projetos experimentais no ensino de física.

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Grande do Sul, Porto Alegre.

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Física da UFRGS, 2010.

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cognitivas manifestadas por alunos do ensino médio de química em uma atividade

experimental investigativa. Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em

Ciências, v. 8, n. 2, 2011.

[8] ARAÚJO, M.S.T.; ABIB, M. L. V. S. – Atividades Experimentais no Ensino de

Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Revista Brasileira de ensino de

Física. v. 25, n.2. p.176-194, Junho, 2003.

[9] WESENDONK, F. S.; PRADO, L. – Atividade didática baseada em experimento:

discutindo a implementação de uma proposta investigativa para o ensino de Física.

Experiência em ensino de Física. v. 10, n. 1. p. 54-80, 2015.

[10] ALVES, C. M.; STACHAK, M. – A Importância de Aulas Experimentais no Processo

de Ensino Aprendizagem em Física: “Eletricidade”. XIV Simposio Nacional de

Ensino de Física. Universidade do Oeste Paulista – UNOESTE – Presidente Prudente

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[11] NEVES, M.S.; CABALHERO, F.; MOREIRA, M. A. – Repensando o Papel do

Trabalho Experimental, Na Aprendizagem da Física, em Sala de Aula – um Estudo

Explanatório. Investigações em Ensino de Ciências – V11(3), pp.383-401, 2006.

[12] OLIVEIRA, J. R. S.– Contribuições e abordagens das atividades experimentais no

ensino de ciências: reunindo elementos para a prática docente. Acta Scientiae. v.12,

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36

[13] BARBOSA, Joaquim de Oliveira; PAULO, Sérgio Roberto de; RINALDI, Carlos.

Investigação do papel da experimentação na construção de conceitos em eletricidade

no ensino médio. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v. 16, n. 1,

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[14] DUARTE, Sergio Eduardo. Física para o Ensino Médio usando simulações e

experimentos de baixo custo: um exemplo abordando dinâmica da rotação. Caderno

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37

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