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Título: ENSINO POR PROJETOS DE FORMA DIVERSIFICADA NO

ENSINO DE ELETRODINÂMICA

Autor: Ramon Felipe Bertasi

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação (Universidade Federal do ABC – UFABC) no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

Orientador: Graciella Watanabe

Santo André Mês e 2019

Colocar

Logos do MNPEF, instituição, SBF

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Sumário Produto educacional ......................................................................................................... 1

1 Introdução .............................................................................................................. 1

2 Aulas da vertente ciência tecnologia e sociedade (CTS) ....................................... 2

2.1 Aula 1 – CTS .................................................................................................. 2

2.2 Aula 2 – CTS .................................................................................................. 5

2.3 Aula 3 – CTS .................................................................................................. 6

2.4 Aula 4 – CTS .................................................................................................. 7

2.5 Aula 5 – CTS ................................................................................................ 10

2.6 Aula 6 – CTS ................................................................................................ 12

2.7 Aula 7 – CTS ................................................................................................ 13

2.8 Aula 8 – CTS ................................................................................................ 14

2.9 Aula 9 – CTS ................................................................................................ 16

2.10 Aula 10 – CTS ............................................................................................ 16

3 Aulas da vertente Física com Prática Tecnológica (FPT) ................................... 18

3.1 Montagem do kit ........................................................................................... 19

3.2 Programando em Scratch e no Tinkercad ..................................................... 21

3.3 Aula 1 – FPT................................................................................................. 22

3.4 Aula 2 – FPT................................................................................................. 26

3.5 Aula 3 – FPT................................................................................................. 30

3.6 Aula 4 – FPT................................................................................................. 32

3.7 Aula 5 – FPT................................................................................................. 35

3.8 Aula 6 – FPT................................................................................................. 38

3.9 Aula 7 – FPT................................................................................................. 41

3.10 Aula 8 – FPT............................................................................................... 41

3.11 Aula 9 – FPT............................................................................................... 43

3.12 Aula 10 – FPT............................................................................................. 46

3.13 Aula 11 – FPT............................................................................................. 48

3.14 Aula 12 – FPT............................................................................................. 51

4 Aulas da vertente História e Filosofia da Ciência (HFC) .................................... 53

4.1 Aula 1 – HFC ................................................................................................ 54

4.2 Aula 2 – HFC ................................................................................................ 55

4.3 Aula 3 – HFC ................................................................................................ 57

4.4 Aula 4 – HFC ................................................................................................ 59

4.5 Aula 5 – HFC ................................................................................................ 59

4.6 Aula 6 – HFC ................................................................................................ 60

4.7 Aula 7 – HFC ................................................................................................ 62

4.8 Aula 9 – HFC ................................................................................................ 63

4.9 Aula 9 – HFC ................................................................................................ 64

4.10 Aula 10 – HFC ............................................................................................ 65

Produto educacional

1 Introdução

Prezado professor, esse trabalho se iniciou a partir de uma pesquisa

com relação direta na sala de aula. Foram vivenciados a falta de interesse por

parte dos alunos e o questionamento do porque devem aprender Física,

mesmo quando o professor utiliza diversos recursos e metodologias

significativas ainda encontramos uma gama de alunos que não vê sentido no

que está sendo ensinado. É muito comum os professores do ensino médio

encontrarem, em sala de aula, uma grande diversidade de alunos. Essa

diversidade colocada aqui se refere as necessidades dos alunos, suas

perspectivas, demandas e projetos futuros. Mas mesmo com tantas

perspectivas diferentes em uma mesma sala de aula o ensino acaba sendo o

mesmo para todos eles. Não é difícil encontrar diversas situações em que é

possível observar professores e alunos desmotivados, às vezes não por causa

da matéria em si, mas porque ela não atende a demanda e o aluno acaba por

não compreender como ela pode ser importante em sua formação.

Em uma mesma sala de aula encontramos alunos que utilizaram a

Física no exercício de sua profissão, outros que apesar de não fazerem o uso

profissional podem se posicionar frente a problemas do seu dia a dia ou

debater e analisar os impactos que a ciência causa na tecnologia, sociedade e

meio ambiente. Outros utilizaram habilidades lógicas relacionadas com a

disciplina e utilizar essas habilidades para atender outras demandas.

Devido a dificuldade em atender tantas demandas diferentes em sala de

aula o presente trabalho propõe apresentar o ensino por projetos de forma

diversificada (EPFD) onde os alunos podem optar em escolher três vertentes

diferentes: Ciência Tecnologia e Sociedade (CTS), História e Filosofia da

Ciência (HFC) e Física com Prática Tecnológica (FPT).

A proposta propõe que o aluno desenvolva autonomia, escolhendo a

vertente que possa desenvolver uma alfabetização científica tecnológica (ACT)

ao mesmo tempo em que respeita as demandas individuais e as vivências dos

alunos. Após escolher a vertente cada grupo trabalhará o mesmo conteúdo, no

2

caso as leis de Ohm, com um foco diferente e com o objetivo de atender as

demandas individuais.

Durante o curso os alunos desenvolvem habilidades, fazem

experimentos, analisam dados e constroem um projeto utilizando as

ferramentas trabalhadas no curso.

O curso foi construído seguindo a proposta extracurricular, ou seja, fora

do período letivo. O motivo foi de propor uma maior liberdade ao professor de

Física deixando de lado a responsabilidade de cumprir prazos e conteúdos

programáticos.

2 Aulas da vertente ciência tecnologia e sociedade (CTS)

A vertente CTS é a vertente mais interdisciplinar, já que o foco não é o

conhecimento científico em si, mas os efeitos das relações entre ciência,

tecnologia e sociedade. Essas relações podem ser feitas de diversas formas e

vão depender das observações dos alunos sobre como eles enxergam a

ciência em seu contexto social e tecnológico. Aulas em CTS são muito

interessantes devido ao tema depender da realidade em que o aluno está

inserido. Isso significa que quando o professor decide trabalhar com CTS ele,

primeiramente, deve discutir com os alunos aspectos observado por eles como

problemas enfrentados pela sociedade a respeito da matéria a ser

desenvolvida. É um erro achar que o tema utilizado em uma turma surtirá o

mesmo efeito quando trabalhado em outra turma.

As aulas dessa vertente podem ser encontradas em:

2.1 Aula 1 – CTS

Objetivo:

• Entender o significado de diferença de potencial e circuito fechado

para a análise dos choques elétricos;

• Diferenciar tensão alternada de tensão efetiva;

• Panorama dos choques elétricos no Brasil.

Materiais:

• Lâmpada pingo d’água;

3

• Fios condutores;

• Fonte com tensão igual a da lâmpada;

• Simulador Phet.

A aula deve ser iniciada apresentando uma pilha e discutindo seu

funcionamento através de uma diferença de potencial (ddp). Nesse momento é

importante frisar que para a Física o importante é a ddp e não o potencial em

si. Uma primeira experiência utilizando lâmpada, fonte de tensão e fio condutor

serve para que o aluno investigue os requisitos básicos para que se estabeleça

uma corrente elétrica em um circuito.

Na ausência dos materiais necessários é possível utilizar o simulador

Phet disponível no site https://phet.colorado.edu/pt_BR/, onde é possível

montar um circuito simples com pilha e lâmpada.

A montagem dos circuitos do slide 3 pode ocorrer em grupos ou por

demonstração do professor. A ideia consiste em observar que a lâmpada tem

dois conectores (a rosca e o plugue) e é necessário que cada um deles seja

conectado em uma extremidade da pilha para que haja uma diferença de

potencial. Também é possível inverter a polaridade da lâmpada para mostrar

que a mesma é ligada independente dos polos que seus conectores são

conectados, ou seja, a inversão no sentido da corrente elétrica não modifica o

funcionamento do circuito.

Figura B.1. Circuitos do slide 3 da aula 1 (CTS). (Fonte: autoria própria)

Utilizando o software Phet é possível montar todos os circuitos e

também é possível observar o movimento dos elétrons no circuito.

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Figura B.2. Circuitos do slide 3 da aula 1. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

O slide 4 traz a informação do sistema bifásico utilizado em São Paulo,

esse slide deve ser modificado dependendo da região em que a escola está

inserida, já que o Brasil, apesar de já ter padronizado a tensão das tomadas,

ainda se encontram regiões que apresentam tensões diferentes da cidade de

São Paulo.

É importante que o professor mostre para os alunos que tensão é o

mesmo que ddp, e que na prática a ddp entre os fios não é constante, já que a

rede elétrica trabalha com tensão e corrente alternadas. Como o que interessa

é a tensão efetiva é importante mostrar que essa tensão é criada dependendo

da ligação entre os fios fases, neutro e terra e quanto maior a tensão, maior

será a corrente elétrica estabelecida no circuito.

O slide 5 mostra algumas situações que podem ocorrer em um sistema

bifásico, o aluno deve perceber que em alguns casos a pessoa em contato com

a tomada não leva choque, pois não satisfaz as três condições de um circuito

fechado. O professor deve alertar os alunos no perigo de realizar essa

experiência na prática e deve questionar com os alunos a resposta “Pode

causar choque”, já que aparentemente não parece que o circuito se encontra

fechado.

A resposta para esse questionamento se encontra no slide seguinte,

onde será discutida a fuga de corrente, que ocorre quando o circuito é fechado

com uma parte do corpo em contato com a terra, esse tipo de choque é o mais

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comum e deve ser discutido com os alunos a fim de lhes causar

conscientização e também a possibilidade de disseminar essa informação.

Os últimos slides mostram dados estatísticos das mortes de choques

elétricos e a possibilidade da realização de um primeiro debate onde é

levantado dado dos próprios alunos sobre o conhecimento de alguém que já

sofreu um choque elétrico e os fatores sociais que podem contribuir para a

causa de um choque elétrico.

2.2 Aula 2 – CTS

Objetivo:

• Apresentar a primeira lei de Ohm;

• Definir as unidades de tensão, intensidade da corrente elétrica e

resistência elétrica;

• Analisar a variação da intensidade da corrente elétrica causada

pela mudança da tensão aplicada e pela resistência do circuito.

Agora que os alunos já sabem os conceitos básicos para se estabelecer

a corrente elétrica em um circuito será discutido como é possível variar essa

grandeza, para isso é apresentada a primeira lei de Ohm onde é possível

relacionar a intensidade da corrente elétrica com as grandezas tensão e

intensidade da corrente elétrica. O slide 3 mostra alguns exemplos dessa

variação, nesse ponto é possível discutir que a corrente elétrica estabelecida

em um aparelho, quando ligado em determinada tensão, não será a mesma

quando esse aparelho for substituído por outro que apresenta uma resistência

elétrica maior ou menor.

Em seguida são discutidos os efeitos da corrente elétrica em nosso

corpo. Além de ser possível discutir o prefixo mili na unidade de corrente

elétrica é interessante ressaltar os perigos da eletricidade. O slide 5 mostra

como normalmente é fechado o circuito elétrico no corpo humano durante um

choque e como ele pode ser altamente perigoso quando a pessoa se encontra

com a pele úmida.

O último slide propõe uma atividade para que os alunos desenvolvam

um folder de prevenção de choques elétricos. A ideia são eles não terminarem

nessa aula, pois ainda terão aspectos teóricos importantes para serem

incorporados nas aulas seguintes, mas nesse primeiro momento é possível

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fazer a montagem dos grupos e a escolha do tipo de folder e seu objetivo

(atender um público geral ou um público específico).

2.3 Aula 3 – CTS

Objetivo:

• Identificar se um sistema é monofásico, bifásico ou trifásico;

• Identificar os fios fase, neutro e terra em um circuito residencial;

• Representar os fios em um circuito multifilar e unifilar.

Além dos objetivos da aula descritos ela também tem o objetivo de

mostrar a importância das companhias de eletricidade manter uma distribuição

adequada dos fios e a prefeitura como órgão fiscalizador.

Primeiramente é mostrado como é possível identificar o tipo de rede

contando o número de fios que são fornecidos pela companhia de distribuição

de energia elétrica, é claro que em regiões com muitos “gatos” ou

emaranhados de fios fica mais difícil de identificar, por esse motivo é

importante cobrar da prefeitura a fiscalização das redes de energia elétrica.

Em seguida são apresentados as cores dos fios fase, neutro, terra e

retorno. A utilização do fio retorno será abordada posteriormente, mas é

importante mostrar para os alunos que os fios neutro e terra possuem um

padrão de cores e o motivo é muito simples, para que qualquer pessoa possa

identificar os tipos de fio no circuito residencial. Em seguida será discutido

como é representado os fios em um circuito unifilar e multifilar, onde a principal

diferença consiste no circuito unifilar representar todos os fios no conduíte

enquanto que o multifilar em representar as conexões com os aparelhos

elétricos.

O slide 6 apresenta a fórmula da potencia elétrica. Essa fórmula é de

extrema importância para o desenvolvimento do curso, já que nem todos os

aparelhos elétricos de uma residência são do tipo resistivo e essa fórmula

relaciona a tensão e a intensidade da corrente elétrica com a potência elétrica

consumida pelo aparelho. No slide aparecem três cálculos para calcular a

potência máxima que pode ser utilizada em cada uma das redes. Esse cálculo

toma como base que a corrente elétrica máxima de cada fio fase de um circuito

residencial seja de 60 A, assim a corrente máxima em uma rede bifásica passa

a ser 120 A, por conter dois fios fases, e 180 A em uma rede trifásica.

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Esse cálculo é importante, pois determina a potencia máxima utilizada

na residência. Hoje a maioria das casas utilizam redes bifásicas por terem

instalados equipamentos com grande potencia elétrica como ar condicionado,

chuveiro elétrico e fogão/forno elétrico. Já as redes trifásicas são mais usadas

por instalações de indústrias devido a potencia de seus equipamentos elétricos.

Essa relação é mostrada no último slide da aula onde é possível comparar o

tipo de residência com a respectiva rede elétrica.

2.4 Aula 4 – CTS

Objetivo:

• Analisar aspectos quantitativos de um circuito em série;

• Analisar a principal aplicação de um circuito em série;

• Analisar aspectos quantitativos de um circuito em paralelo;

• Analisar a principal aplicação de um circuito em paralelo.

Materiais:

• Simulador Phet.

Essa aula é de extrema importância para o desenvolvimento das

próximas aulas, se possível o professor deve dividir essa aula em duas. Apesar

da importância dos circuitos em série e paralelo, para um circuito residencial o

circuito em paralelo é muito mais importante do que o circuito em série. Por

esse motivo é necessário gastar mais tempo na discussão do circuito em

paralelo.

O mais importante de ser discutido em um circuito em série é a

dependência desse circuito, ou seja, que a mudança no funcionamento de um

dispositivo afeta o funcionamento dos demais associados. Esse circuito vai ser

utilizado primeiramente no funcionamento dos interruptores associados às

respectivas lâmpadas, outras aplicações desse circuito podem ser abordadas

posteriormente.

O simulador Phet permite a construção de circuitos utilizando lâmpada e

interruptor para que os alunos possam observar o fenômeno na prática, é

possível também ligar um amperímetro para determinar a intensidade da

corrente elétrica estabelecida e calcular a potencia da lâmpada.

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Figura B.3. Circuito com interruptor e lâmpada com chave aberta e fechada.

(Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

Se houver tempo disponível o professor pode mostrar o que acontece

quando são ligadas lâmpadas em série com a mesma resistência elétrica e

com resistências diferentes para que os alunos possam calcular a ddp nos

terminais de cada lâmpada.

Figura B.4. Lâmpadas associadas em série. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

Após os alunos estudarem os circuitos em série, eles irão analisar o

funcionamento de um circuito em paralelo, o mais importante, em um primeiro

momento, é que os alunos percebam que se trata de um circuito independente,

e por esse motivo é amplamente utilizado em um circuito residencial.

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A utilização do simulador Phet permite que os alunos analisem a

corrente elétrica total de um circuito juntamente com a corrente elétrica

estabelecida em cada ramo da associação em paralelo.

Figura B.5. Duas lâmpadas associadas em paralelo.


Nesse momento deve ser levantado o seguinte questionamento: Qual o

problema de associarmos em paralelo diversos equipamentos elétricos?

Para ajudar no desenvolvimento de questionamento é interessante

desconectar uma das lâmpadas ou conectar mais uma lâmpada em paralelo

para que o aluno observe o valor da corrente elétrica estabelecida em cada

lâmpada e o valor da corrente elétrica total do circuito.

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Figura B.6. Três lâmpadas associadas em paralelo. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

O slide 7 pode ser feito junto com os alunos ou como atividade, a única

diferença desse slide para o que foi desenvolvido com o uso do simulador é

que o aluno não vai trabalhar somente com equipamentos resistivos.

O último slide é uma atividade que convida o aluno a iniciar a análise de

um circuito misto onde o objetivo é identificar as lâmpadas que cada interruptor

liga e desliga.

2.5 Aula 5 – CTS

Objetivo:

• Utilizar a segunda lei de Ohm para calcular a resistência de fios;

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• Aplicar a segunda lei de Ohm na escolha da bitola do fio de um

circuito residencial.

Não basta apenas identificar o fio fase, neutro, terra e retorno em um

circuito residencial. Também é necessário saber se o fio suporta a corrente

elétrica estabelecida sem superaquecer e podendo causar sérios danos. O

mercado dispõe de várias bitolas de fios representam a área de seção

transversal do fio, porém quanto maior a bitola mais caro é o fio e mais cara

será a obra.

A aula começa apresentando a segunda lei de Ohm que calcula a

resistência elétrica através da resistividade do material, comprimento e área de

seção transversal. Com essa lei é possível notar que é possível aumentar ou

diminui a resistência de um fio modificando alguma dessas grandezas. Primeiro

é discutido como os materiais modificam a resistência do fio de forma

altamente significativa já que alguns materiais apresentam grandes diferenças

nos valores de resistividade. Como a maioria dos fios de ligação são de cobre

não há muita diferença entre os fios que são comprados em lojas.

Apesar do comprimento também modificar o valor da resistência elétrica

da fiação se trata de uma grandeza que não pode ser modificada, assim a

próxima grandeza analisada é exatamente a área de seção transversal,

normalmente o fio traz a corrente máxima que cada seção transversal de um fio

de cobre suporta sem superaquecer, essa informação é mostrada no slide 5.

O slide seguinte retoma a atividade feita na aula anterior em que se

calculou a intensidade da corrente elétrica de alguns equipamentos em um

pequeno circuito residencial. A ideia aqui é notar que existem equipamentos

chamados de uso específico onde suas tomadas foram designadas para

manter um determinado equipamento em funcionamento. Nessa atividade,

após calcular a corrente elétrica de cada equipamento e a corrente elétrica total

do circuito o aluno pode escolher a bitola mínima de fio que deverá ser utilizada

em cada ligação.

Um questionamento que pode ser levantado pelos alunos durante a aula

e, caso não tenha sido levantado o professor pode propor essa discussão,

consiste no motivo dos fios de área menor suportarem uma corrente elétrica

menor, já que corrente elétrica e resistência são grandezas inversamente

proporcionais. A discussão para esse questionamento aparece no slide

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seguinte, o motivo está no fato de que a resistência elétrica do fio é muito

menor que a dos outros componentes elétricos, sendo assim eles não

modificam significativamente a corrente elétrica total, mas, devido a sua

resistência maior, gera mais efeito Joule.

O último slide é uma tabela mais técnica para os alunos interessados

que mostra que para grandes comprimentos o ideal é utilizar uma bitola de fio

maior por aumentar significativamente a resistência da fiação.

2.6 Aula 6 – CTS

Objetivo:

• Identificar o tipo de tomada em um circuito residencial;

• Identificar a importância o terceiro plugue da tomada (fio terra).

A primeira parte da aula é relativamente simples caso os alunos tenham

desenvolvido de forma satisfatória os conceitos das aulas anteriores. O objetivo

é mostrar que, além dos fios e equipamentos, as tomadas também possuem

um valor de corrente máxima que pode ser estabelecida, podendo causar

acidentes a utilização de uma tomada de forma errada.

Novamente é feito o alerta para as informações contidas no slide 3 que

corresponde à tensão de 127 V e 220 V. No caso de uma tomada de 127 V é

possível instalar uma tomada de 10 A ou de 20 A. Essa última é uma tomada

para o plugue mais grosso. A discussão dessa aula é muito rica e interessante

já que os alunos costumam se surpreender, já que muitos desconhecem o

objetivo do plugue mais grosso, e muitos exemplos das famosas gambiarras

costumam ser apresentadas por eles.

O slide 4 propõe uma discussão sobre o padrão de tomada brasileira

levantando aspectos positivos e negativos. Entre os aspectos positivos é

importante destacar que um padrão é extremamente importante para

estabelecer normas, que a tomada brasileira possui o terceiro pino responsável

pelo aterramento, que é muito mais segura que as antigas tomadas e que é um

modelo mais barato se comparado ao modelo da União Europeia. Por outro

lado a falta de informação sobre a importância do aterramento, o fato do

padrão só ser utilizado no Brasil e que muitas gambiarras começaram a ser

utilizadas para não se trocar as tomadas são aspectos negativos que fez com

que a popularidade da tomada fosse muito baixa.

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O slide 6 traz uma ilustração para ser discutida com os alunos. Afinal é

perigoso conectar diversos benjamins em uma tomada? A resposta vai

depender dos equipamentos que serão conectados na mesma. No caso de

carregadores de celular que tem baixa potência é possível conectar muitos

deles que não haverá problema, mas se conectar um único secador de cabelos

de alta potência existe o risco de a tomada sofrer uma sobrecarga.

Para finalizar deve ser discutido a função do aterramento no circuito

residencial. Para isso o slide 6 mostra a conexão do aterramento em um

circuito elétrico. É importante deixar claro que o mesmo não serve para fazer o

equipamento funcionar, sendo que o mesmo pode ser retirado do circuito que o

mesmo continuará funcionando normalmente, e sim para, entre outras funções,

proteger de choques elétricos na carcaça metálica do equipamento.

O último slide propõe a continuação da construção de um folder de

prevenção, onde os alunos podem inserir novas informações aprendidas nas

aulas. A ideia é adicionar uma parte explicando a importância do aterramento

tanto para prevenção de choques elétricos como também para aumentar a vida

útil dos aparelhos elétricos.

2.7 Aula 7 – CTS

Objetivo:

• Identificar o funcionamento de um interruptor;

• Aplicar a instalação de um interruptor paralelo e intermediário.

Materiais:

• Simulador Phet.

O professor deve tomar muito cuidado com essa aula para que ela não

se torne uma receita de bolo, para isso é necessário apresentar o slide 3 antes

de mostrar qualquer outra informação dos interruptores paralelo (tree way) e

intermediário (four way). A ideia é pedir para que os alunos identificarem em

qual dos casos apresentados os interruptores ligam e desligam a lâmpada

independente da ordem que eles são apertados.

Uma forma de deixar essa análise ainda mais interessante é utilizando o

simulador do Phet, mas como ele não possui o interruptor paralelo é necessário

adaptar dois interruptores simples e avisar que quando um dos interruptores

fecha o outro necessariamente deve abrir.

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Figura B.7. : Improvisação de um interruptor paralelo. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

Com esse ajuste é possível mostrar quase todos os circuitos do slide 3

com exceção do intermediário.

Figura B.8. Improvisação de interruptores paralelos conectados em uma

lâmpada. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

Os outros slides possuem a forma de ligar cada um dos interruptores em

uma instalação residencial. É interessante que o professor tenha o material

para que os alunos possam montar esses circuitos de verdade, mas na

ausência desses materiais é possível visualizar o funcionamento com o uso do

simulador.

2.8 Aula 8 – CTS

Objetivo:

• Dimensionar um disjuntor ou fusível em um circuito residencial;

• Analisar o funcionamento do disjuntor DR;

• Analisar o rompimento do fio fase ou neutro de um circuito.

Materiais:

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• Simulador Phet.

Nessa aula o aluno será capaz de dimensionar um disjuntor ou um

fusível em um circuito residencial. Os dois primeiros slides da aula servem para

mostrar como esses dois equipamentos interrompem a corrente elétrica de um

circuito. O primeiro ocorre pela fusão do material condutor e o segundo por

efeito térmico, eletromagnético ou até os dois. O professor pode discutir sobre

o efeito da corrente elétrica gerando campo magnético através de um

experimento simples que consiste na construção de um pequeno eletroímã

utilizando uma pilha e fio de cobre enrolado em um prego ou parafuso.

Ao observar a aproximação de objetos ferromagnéticos pelo eletroímã

os alunos irão perceber que o eletroímã passou a ter propriedades magnéticas

quando é estabelecida uma corrente elétrica nele. É a partir disso que se pode

iniciar a discussão sobre chaves magnéticas, como as que são encontradas

nos portões dos edifícios.

O disjuntor DR possui um funcionamento um pouco mais complexo e

serve para impedir determinados choques elétricos ou identificar se o circuito

residencial possui corrente de fuga. Isso acontece porque toda a fiação do

circuito, com exceção do fio terra para por esse disjuntor e quando a corrente

que entra no circuito é diferente da corrente que sai do mesmo ele abre a

chave interrompendo o circuito pela existência de uma corrente de fuga.

O dimensionamento de um fusível pode ser feito no simulador, quando a

corrente ultrapassa o valor que é estabelecido pelo fusível este se rompe

fazendo com que a corrente elétrica seja interrompida.

Figura B.9. Simulação de um circuito residencial com fusível. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador PHET)

É claro que na prática não se pega um valor muito próximo da corrente

máxima de um circuito por causa de oscilações da rede e também por

mudanças de equipamentos elétricos, mas o dimensionamento é importante

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para aferir um valor mínimo para o disjuntor ou fusível que será utilizado na

residência. Em seguida é proposto uma atividade onde o aluno deve

dimensionar um disjuntor.

O slide 6 mostra uma situação muito curiosa que pode ocorrer quando

um fio fase se rompe, tornando dois equipamentos que estavam em paralelo

em série, aqui é possível retomar conceitos importantes de um circuito em série

como dependência de um circuito e divisão de tensão. O último slide mostra

um circuito semelhante com o rompimento de um fio neutro em determinado

ponto do circuito.

2.9 Aula 9 – CTS

Objetivo:

• Calcular o consumo de energia elétrica em uma residência;

• Analisar formas de redução de consumo de energia elétrica;

• Analisar o selo Procel de lâmpadas.

A primeira coisa que deve ser feita na aula é apresentar a unidade kWh

(quilowatt-hora) e sua transformação com a unidade J (joule). Os cálculos

podem mostrar a quantidade de energia que a sociedade moderna consome

diariamente, impactos desse consumo e formas de reduzi-lo.

Uma das formas de redução de consumo ocorre na utilização de

lâmpadas mais eficientes. É importante ressaltar que a evolução da tecnologia

criou uma necessidade cada vez maior de energia elétrica, mas também

possibilitou a construção de equipamentos cada vez mais eficientes.

A aula termina com a finalização do Folder que pode conter também

uma parte relacionada ao consumo de energia elétrica e formas de redução.

2.10 Aula 10 – CTS

Objetivo:

• Analisar o funcionamento de uma corrente alternada;

• Calcular a tensão eficaz a partir da tensão alternada;

• Construir uma planta elétrica residencial.

Materiais:

• Painel elétrico.

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A primeira foto da aula traz um transformador, equipamento muito

comum que pode ser vistos nas ruas da cidade. É possível notar também que

há três fios mais elevados e quatro fios mais baixos. Os fios mais elevados são

de distribuição, com tensões de até 13,8 kV (fios F, E e D do slide 3), os de

baixo corresponde a três fios fases e um fio neutro com tensões efetivas mais

baixas (127 V e 220 V).

O slide 4 mostra como é possível calcular a tensão efetiva a partir da

tensão alternada, para isso basta mostrar que a potência eficaz corresponde a

metade da potência máxima devido ao formato do gráfico (simetria), em

seguida é necessário utilizar a fórmula da potência que relaciona potência,

tensão e resistência elétrica tanto para a tensão eficaz como para a tensão

máxima. O gráfico do slide 5 mostra a relação entre a tensão máxima mostrada

na primeira aula com a respectiva tensão eficaz.

A atividade da aula consiste em criar uma planta elétrica residencial,

existem muitos aplicativos que montam plantas de casa, mas recomendo que o

professor construa uma casa com poucos cômodos, uma cozinha, uma sala,

um banheiro, um corredor e um quarto e entregue para os grupos para que

eles desenhem os pontos de tomada (normalmente próximo a onde serão

colocados os equipamentos elétricos), iluminação (normalmente no centro do

cômodo) e interruptores (normalmente próximos a portas).

Na atividade os alunos devem diferenciar as tomadas de uso geral e

específico bem como identificar se são tomadas baixas (0,30 m do piso) média

(1,05 m do piso) ou altas (2,20 m do piso), se o professor quiser eles podem

analisar quais tomadas devem ser de 10 A e quais devem ser de 20 A (para

isso seria necessário uma tabela com a potência de diversos equipamentos

elétricos para os alunos avaliarem).

Com relação a iluminação os alunos podem efetuar o cálculo da

potência da lâmpada, que depende da área do cômodo. Aqui cabe uma crítica

que pode ser feita já que lâmpadas incandescentes não são mais fabricadas,

sendo que o cálculo deveria sofrer algumas alterações. Outro ponto importante

é que a grandeza fluxo luminoso é mais importante do que a grandeza potência

quando se fala em iluminação.

Para finalizar os alunos devem indicar se os interruptores utilizados

serão em série ou em paralelo e os locais que eles devem ser instalados.

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Também é possível que os alunos desenhem os fios, mas como isso

deixa o esquema muito poluído recomendasse que o professor analise,

primeiramente, os interruptores, tomadas e lâmpadas para depois deixar os

alunos desenharem a fiação, que pode ser unifilar ou multifilar.

A última atividade consiste na construção de um painel elétrico, os

alunos podem colocar em prática as cores dos fios, a ligação dos interruptores

e tomadas, associação em série e paralelo, bitola dos fios e dimensionamento

de um disjuntor.

Figura B.10. Painel elétrico de circuito residencial.

(Fonte: autoria própria)

3 Aulas da vertente Física com Prática Tecnológica (FPT)

A FPT é uma vertente extremamente rica, pois possibilita ao professor

utilizar diversos equipamentos eletrônicos próximos a tecnologias mais

recentes além de possibilitar o uso da programação para que o aluno possa

construir protótipos de equipamentos autônomos na tentativa de resolver ou

facilitar algum problema encontrado no dia-a-dia. Apesar da riqueza de

equipamentos o professor deve tomar muito cuidado ao trabalhar com FPT

para que a construção de experimentos não se tornem simples receitas afinal

de contas, hoje há vários projetos que utilizam Arduino, Scratch, Protoboard e

diversos componentes eletrônicos na internet disponíveis para que os alunos

possam reproduzir com facilidade, mesmo sem conhecimentos mais profundos

de Física, o que foge da proposta que é de facilitar a compreensão da Física

envolvida na construção dos circuitos e passando a ser apenas uma

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construção que visa o resultado final que consiste em ver o protótipo em

“ação”, como ocorre em muitas aulas do tipo “maker” em que muitos protótipos

são construídos, mas sem aprofundar os conceitos Físicos por trás de toda

parte fenomenológica.

Apesar da chamada “cultura maker” ser extremamente significativa por

promover a possibilidade de o aluno construir seu próprio protótipo, de

estimular a criatividade na construção e também na observação de problemas

do cotidiano, ela não promove a discussão envolvendo os conceitos físicos,

limites de funcionamento dos protótipos e possíveis impactos que ele possa

causar, ou seja, não promove uma ACT de qualidade.


3.1 Montagem do kit

As aulas de FPT utilizam um kit de eletrônica de fácil construção e com

componentes básicos de eletrônica. Cada kit montado possui os seguintes

componentes:

• 1 Arduino Uno com cabo USB;

• Uma Protoboard;

• 5 resistores de 150 Ω;



• 2 lâmpadas pingo d’água com soquetes;

• 5 botões tácteis (2 ou 4 pinos);

• 2 sensores de luz LDR (Light Dependent Resistor);

• 2 sensores de temperatura DS18B20;

• 2 buzzers (5V);

• 10 LEDs (Light Emitting Diode) de cores diversas;

• 1 emissor e receptor de infravermelho;

• Um sensor de umidade;

• 1 reostato de 1 kΩ;

• 1 servo motor;

• 1 módulo relé (1 canal);

• Fios de conexão e jacarés;

• 2 Multímetros;

20

• 2 Baterias de 3 V.

Figura B.11. Kit de eletrônica básica.


Os materiais são de fácil acesso, mas na impossibilidade financeira na

montagem desses kits é possível utilizar muitos softwares gratuitos para fazer

todas as montagens dos circuitos. Entre tantas opções recomendo o simulador

on line Circuits on Tinkercad disponível no site

https://www.tinkercad.com/circuits, nesse site é possível criar diversos tipos de

circuitos, inclusive ele dispõe de uma própria linguagem para programar o

Arduino em blocos.

Caso a melhor opção seja utilizar o software, basta criar uma conta no

site, o ideal é que cada aluno tenha sua conta para guardar seus projetos,

podendo também exportar outros projetos e até mesmo compartilhar os

projetos dos alunos.

A descrição dos experimentos será feita tanto utilizando o kit de

eletrônica como utilizando o software descrito, ficando a cargo do professor

qual deles atendem melhor seus objetivos, a vantagem do kit físico reside no

fato do aluno poder interagir com os componentes diretamente, do mesmo

mostrar o comportamento real dos componentes e não haver riscos do

funcionamento ser apenas uma aproximação do algoritmo utilizada pelo

programa. Já o software possui a vantagem financeira, diversos componentes

21

disponíveis, a segurança no manuseio dos equipamentos e o fato de não haver

problemas em trocar peças que se danificam ou que queimam.

3.2 Programando em Scratch e no Tinkercad

O Scratch é um software gratuito que pode ser baixado no site

http://s4a.cat/index_pt.html. Hoje a plataforma já possui outras versões

disponíveis como a 2.0 com pequenas modificações. Na apresentação do

trabalho utilizaremos a versão 1.4.

O Scratch possui diversas ferramentas de programação podendo ser

utilizada para construir animações, jogos e programar com o Arduino. Para que

o Arduino seja reconhecido pelo software é necessário instalar um firmware

disponível no próprio site com as respectivas instruções de instalação.

A maior parte das programações feitas nas aulas de FPT utilizam os

comandos que fazem a leitura de uma porta analógica e que utilizam o dado da

leitura para ligar algum atuador (LED, buzzer ou motor).

Figura B.12. Programação em Scratch do comando de leitura da porta analógica do Arduino para acionamento da porta digital.

(Fonte: autoria própria utilizando o software Scratch)

O Scratch trabalha com programação em blocos. O primeiro bloco da

figura deve estar sempre presente no início de cada programação, ele é um

botão que tem a função de iniciar a programação.

O segundo bloco da figura é o comando sempre, ele realiza loopings

infinitos para testar a todo o momento se um determinado comando deve ou

não ser efetuado, em outras palavras, é outro comando presente em quase

todas as programações.

22

O comando SE e SENÃO realiza um teste lógico, muito utilizado para

saber se um botão está sendo pressionado ou para saber se a leitura de um

sensor possui valor maior ou menor que outro valor pré-estabelecido.

Uma vez feito o teste lógico é possível que a abertura e fechamento de

uma porta digital sejam feita automaticamente.

O Tinkercad possui uma estrutura em blocos muito semelhante, a maior

diferença é que nele os loopings são feitos de forma automática, sendo assim

não é necessário o comando SEMPRE.

Figura B.13. Programação no Tinkercad do comando de leitura da porta

analógica do Arduino para acionamento da porta digital. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Outra diferença está em algumas palavras como, por exemplo, o Scratch

expressa à porta digital como digital e em seguida o número enquanto o

Tinkercad expressa como pino sendo que quando se refere a porta analógica o

número possui a letra A na frente. Outra diferença são as palavras ON e OFF

no lugar de ALTO e BAIXO.

3.3 Aula 1 – FPT

Objetivo:


para o funcionamento de um circuito simples;

• Diferenciar condutores e isolantes na construção de um circuito

fechado;

• Introduzir o funcionamento de uma protocolar e a construção de

um circuito simples (LED + bateria) e analisar circuitos conectados de formas

diferentes.

Materiais:

• Lâmpada pingo d’água;

23

• Fios condutores;

• Fonte com tensão igual a da lâmpada;

• Materiais diversos condutores e isolantes (papel alumínio, lata,

copo plástico, espuma, etc.);

• Kit de eletrônica ou simulador Tinkercad.

A aula deve ser iniciada com a apresentação de um circuito simples

(lâmpada + pilhas) para discutir com os alunos as necessidades básicas para

que um circuito simples funcione: diferença de potencial (ddp); circuito condutor

e um receptor de energia (lâmpada). Na ausência dos materiais necessários é

possível utilizar o simulador Phet disponível no site

https://phet.colorado.edu/pt_BR/, onde é possível montar um circuito simples

com pilha e lâmpada.

A montagem dos circuitos do slide 3 pode ocorrer em grupos ou por

demonstração do professor. A ideia consiste em observar que a lâmpada tem

dois conectores (a rosca e o plugue) e é necessário que cada um deles seja

conectado em uma extremidade da pilha para que haja uma diferença de

potencial. Também é possível inverter a polaridade da lâmpada para mostrar

que a mesma é ligada independente dos polos que seus conectores são

conectados, ou seja, a inversão no sentido da corrente elétrica não modifica o

funcionamento do circuito.

Figura B.14. Circuitos do slide 3 da aula 1 (FPT).


Utilizando o software Phet é possível montar todos os circuitos e

também é possível observar o movimento dos elétrons no circuito.

24

Figura B.15. Circuitos do slide 3 da aula 1 (FPT).


Após o primeiro experimento os alunos são apresentados ao LED. Os

alunos devem conectar um LED em uma bateria para perceberem que,

diferente da lâmpada, ele tem polaridade sendo a perna maior positiva e a

perna menor negativa. O slide 4 apresenta também três formas de representar

um circuito, a primeira através de fotos reais dos componentes, a segunda

através de um desenho e a terceira através de uma simbologia, a qual é mais

adequada no caso do circuito ser exportado para outras pessoas.

Após apresentar a polaridade do LED os alunos são convidados a

participar da primeira atividade do curso, ligar um LED em uma bateria

utilizando materiais do cotidiano como garrafa pet, papel alumínio, espuma,

moedas, etc., em outras palavras utilizando condutores e isolantes. É possível

até mesmo construir algum equipamento que só é ligado em determinadas

situações, como um cofrinho de moedas onde o circuito é fechado quando o

mesmo se encontra cheio. O professor pode trazer alguns protótipos já

montados incluindo um botão feito de materiais diversos para que os alunos

entendam seu funcionamento. Se o tempo não permitir é possível pedir que os

alunos desenvolvam o circuito em suas casas.

Após os alunos entenderem as características de um circuito fechado o

slide 6 introduz a Protoboard. A ideia é fazer os alunos entender quais plugues

(buracos) estão conectados em uma Protoboard e por dentro delas alguns são

ligados por um material condutor como mostra a segunda figura do slide 6.

25

Para finalizar a aula os alunos participam de uma segunda atividade

onde o objetivo é conectar um LED em uma Protoboard. A ideia é fazer com

que os alunos construam o maior número de conexões possíveis sem deixar

um caminho aberto ou em curto circuito. Essa atividade pode ser feita tanto

usando o kit quanto usando o simulador Tinkercad. Após as montagens o

professor deve explicar que na prática devesse construir o circuito mais simples

possível, mas que nessa aula eles devem construir um caminho complexo para

mostrar que realmente entenderam as conexões internas da Protoboard.

O último slide possui quatro montagens onde os alunos devem indicar

possíveis erros.

Figura B.16. Circuito com LED e bateria conectado em uma protoboard. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.17. Circuito com LED e bateria conectado em uma protoboard

simplificado. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

26

3.4 Aula 2 – FPT

Objetivo:

• Identificar alguns componentes eletrônicos através de simbologia;

• Entender o circuito em série como circuito dependente e que a

intensidade da corrente elétrica é a mesma em todos os componentes do

circuito;

• Entender o circuito em paralelo como circuito independente e que a

tensão elétrica é a mesma em todos os componentes do circuito.

Materiais:


A aula se inicia com o questionamento de como ligar diversos componentes

eletrônicos na Protoboard. Para responder a pergunta os alunos devem

retomar os conceitos de corrente elétrica e tensão (diferença de potencial).

O primeiro slide irá mostrar a simbologia de diversos componentes eletrônicos.

É importante deixar claro que os alunos não são obrigados a decorar esses

símbolos e sim entender como eles são conectados na Protoboard. Nesse

momento é apresentado um novo componente que será trabalhado nessa aula,

a chave táctil (interruptor de pressão).

É importante entender que a chave táctil pode ter dois ou quatro pinos. No caso

de haver quatro pinos devesse explicar que alguns desses pinos já estão

conectados por dentro da chave, o ideal é o professor deixar previamente

marcado para facilitar o manuseio dos alunos.

27

Figura B.18. Esquema da chave táctil de 2 e 4 pinos de conexão. (Fonte: http://elogicaefacil.blogspot.com/2017/03/primeiros-programas-em-

arduino.html, acesso em 02/09/2019)

Serão apresentados, nessa aula, os circuitos em série e paralelo, é

importante destacar que essa aula consiste em uma análise mais qualitativa,

para que o aluno se familiarize com algumas características do circuito em

série, principalmente que a corrente elétrica é a mesma em todos os

componentes (circuito dependente). Os alunos devem montar um circuito em

série, constituído de um interruptor e uma lâmpada e o professor deve

apresentar todas as simbologias do circuito montado disponível no slide 4.

Essa parte da aula requer um cuidado do professor porque o simulador de

circuitos só possui chave táctil de quatro pinos, logo os alunos devem testar

para saber se estão conectando os fios nos pinos certos. Se ao fechar o

circuito o LED ficar ligado sem ter que pressionar a chave significa que ele está

errado.

Figura B.19. Circuito simples com LED, bateria e chave táctil ligada de forma incorreta, conectados em série, em uma protoboard.

(Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

28

Figura B.20. Circuito simples com LED, bateria e chave táctil ligada corretamente, conectados em série, em uma protoboard. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Se ao fechar o circuito o LED estiver ligado é porque a chave está

conectada incorretamente.

Figura B.21. Circuito simples com três LEDs e bateria, conectados em paralelo, em uma protoboard.


Quando ligado de forma correta o LED só é ligado quando a seta do

mouse clica na chave.

Em seguida o mesmo processo deve ser feito com o circuito em

paralelo, onde agora o importante é que o aluno perceba que no circuito em

paralelo a tensão é a mesma para todos os componentes, para isso é

necessário montar um circuito com diversos LED’s em paralelo, para que o

aluno perceba que se um deles for desconectado os outros continuaram

funcionando normalmente. Essa parte da aula requer novamente um cuidado

do professor. Isso porque, dependendo da cor, a tensão mínima de

funcionamento será diferente para cada LED fazendo com que muitas vezes

uma determinada cor ligue e as outras não liguem, o ideal é utilizar apenas

29

uma cor para fazer essa experiência. No caso do simulador, apesar da cor

diferente, não há diferença na conexão dos LED’s sendo que diversas cores

irão funcionar em paralelo normalmente.

Figura B.22. Circuito simples com três LEDs (cores diferentes) e bateria, conectados em paralelo, em uma protoboard.

(Fonte: autoria própria utilizando o kit)

Figura B.23. Circuito simples com três LEDs (mesma cor) e bateria, conectados em paralelo, em uma protoboard.


O último slide da aula possui a segunda atividade que consiste em

montar um circuito misto. A ideia é que os alunos montem um circuito misto

sem saber que estão montando e sim utilizando as características dos circuitos

em série e em paralelo vistas durante a aula. O slide 9 possui quatro circuitos

com alguns erros de conexão que devem ser indicados pelos alunos. Eles

30

também podem identificar os LED’s que ligam e os interruptores que ligam e

desligam um determinado LED.

3.5 Aula 3 – FPT

Objetivo:

• Identificar o valor de resistência de um resistor;

• Analisar a curva característica de um resistor;

• Analisar a curva característica de uma lâmpada (opcional);

• Analisar a curva característica de um LED.

Materiais:


A aula consiste em apresentar a 1º Lei de Ohm e a definição de

resistência elétrica. Inicialmente é possível trabalhar a identificação da

resistência de um resistor. A ideia não é gastar muito tempo com isso sendo

que o objetivo não é decorar a tabela, mas efetuar a leitura da resistência de

um resistor através dela. Se o professor preferir ele pode iniciar a aula sem

trabalhar os códigos de cores, mas é interessante comentar já que tanto no kit

quanto no simulador os alunos terão contato com resistores de cores

diferentes.

Esse experimento se torna mais rico utilizando um kit do que o

simulador, já que no simulador os valores são teóricos, e por isso não vão

gerar nenhum tipo de incerteza, diferente do experimento real. Outro problema

está relacionado a lâmpada, já que ela é praticamente considerada como um

resistor ôhmico no simulador, sendo nesse caso é recomendado que o

professor não realize essa parte do experimento caso não esteja utilizando os

kits.

O importante é que o aluno perceba que alguns dispositivos podem ser

considerados ôhmicos, em determinada faixa de tensão, enquanto outros

dispositivos variam sua resistência elétrica de acordo com a tensão aplicada.

31

Figura B.24. Medição de corrente e tensão de três componentes elétricos. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Se possível o professor deve montar o circuito utilizando o voltímetro e

o amperímetro para familiarizar o aluno a medir tensão e corrente elétrica

utilizando esse instrumento.

Figura B.25. Medição de corrente e tensão de um resistor, utilizando um amperímetro e um voltímetro.


Figura B.26. Medição de corrente e tensão de um resistor, utilizando um amperímetro e um voltímetro.


32

O último slide mostra o que acontece com a resistência total de um

circuito quando associamos resistores em série e paralelo. Os alunos devem

tentar reconhecer que quando associamos dois resistores em série a

resistência equivalente aumenta e quando associamos em paralelo a

resistência equivalente diminui.

3.6 Aula 4 – FPT

Objetivo:

• Analisar aspectos quantitativos de um circuito em série;

• Analisar a principal aplicação de um circuito em série.

Materiais:

• Kit de eletrônica ou simulador.

A aula começa com uma retomada das características qualitativas do

circuito em série analisadas na aula anterior. Utilizando a lei de ohm é possível

discutir como a tensão é dividida entre resistências associadas em série,

mostradas no slide 4. Como a corrente elétrica estabelecida é a mesma em

cada resistor a tensão é diretamente proporcional à resistência elétrica, assim

quanto maior o valor da resistência elétrica do resistor, maior será a ddp em

seus terminais. Também é possível discutir que a tensão total é igual a soma

das tensões em cada resistor da associação.

Figura B.27. Medição da tensão de dois resistores associados em série, utilizando dois voltímetros.


33

Figura B.28. Medição da tensão de dois resistores associados em série,

utilizando dois voltímetros. (Fonte: autoria própria utilizando o kit)

Em seguida é possível demonstrar o cálculo da resistência equivalente

de um circuito em série, o slide 5 mostra algumas aplicações.

O momento mais importante da aula se encontra no slide 6 onde será

discutido uma das principais aplicações do circuito em série. Como no circuito

em série a tensão é dividida entre os componentes ele pode ser utilizado para

ligar um componente eletrônico em uma tensão mais alta do que sua

especificação, como por exemplo, um LED. O slide traz o exemplo de cálculo

para um LED hipotético, na prática a tensão e corrente do LED varia com a sua

cor e, as vezes, pelo fabricante, o importante é que ele consiga calcular o valor

do resistor que deve ser associado em série com o LED de forma que ele

funcione de acordo com suas especificações. Lembrando que o simulador trata

todas as cores de LED da mesma forma assim, nesse caso, não haverá

diferença na cor do LED. A tabela abaixo mostra a tensão e corrente de cada

LED e o LED do simulador Tinkercad.

COR TENSÃO CORRENTE

MÁXIMA MÍN MÁX

VERMELHO 1,8 V 2,0 V 20 mA

LARANJA 1,8 V 2,0 V 20 mA

AMARELO 1,8 V 2,0 V 20 mA

VERDE 2,0 V 2,5 V 20 mA

AZUL 2,5 V 3,0 V 20 mA

BRANCO 2,5 V 3,0 V 20 mA

TINKERCAD 1,4 V 2,0 V 20 mA

Tabela B.1. Valor da tensão mínima e máxima para cada cor de LED. (Fonte: https://www.mundodaeletrica.com.br/aprenda-como-calcular-resistor-

para-led/, acesso em: 04/08/2019)

34

Figura B.29. LED e resistor ligados em série. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.30. LED e resistor ligados em série. (Fonte: autoria própria utilizando o kit)

O último Slide apresenta pela primeira vez o Arduino para os alunos,

aqui é importante frisar que a tensão do Arduino pode ser de 3,3 V ou de 5,0 V,

e por esse motivo muitas vezes é necessário associar um resistor em série

com o componente que vai ser ligado. Essa parte da aula os alunos desenham

o circuito teórico ligando o circuito em série (LED + resistor) nas portas 5 V e

GND (ground = terra) do Arduino e calculam o valor da resistência que deve

ser conectada em série com o LED. Se houver tempo, é possível que os alunos

montem seu primeiro circuito no Arduino, tanto no simulador quanto utilizando o

kit.

Figura B.31. LED e resistor ligados em série e conectados no Arduino. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

35

Figura B.32. LED e resistor ligados em série e conectados no Arduino. (Fonte: autoria própria utilizando o kit)

3.7 Aula 5 – FPT

Objetivo:

• Analisar aspectos quantitativos de um circuito em paralelo;

• Analisar a principal aplicação de um circuito em paralelo.

Materiais:


A aula começa com uma retomada das características qualitativas do circuito

em paralelo analisadas na terceira aula. Utilizando a lei de Ohm é possível

discutir como a intensidade da corrente elétrica é dividida entre as resistências

associadas em paralelo, mostradas no slide 4. Como a tensão em cada resistor

é a mesma a intensidade da corrente elétrica é inversamente proporcional à

resistência elétrica, assim quanto maior o valor da resistência elétrica do

resistor, menor será a intensidade da corrente elétrica estabelecida nele.

Também é possível discutir que a corrente elétrica total estabelecida é igual a

soma da corrente elétrica dividida em cada ramo da associação.

36

Figura B.33. Medição da intensidade da corrente elétrica em um circuito em

paralelo. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Em seguida é possível demonstrar o cálculo da resistência equivalente

de um circuito em paralelo, o slide 6 mostra algumas aplicações.

O momento mais importante da aula se encontra nos slides 7 e 8. O

primeiro vai apresentar a causa de um curto circuito e a possibilidade do

mesmo causar uma sobrecarga, é necessário chamar a atenção dos alunos da

importância de primeiramente fazer o circuito esquemático, para só então

conectar os componentes reais para evitar possíveis sobrecargas nos

equipamentos. Apesar do simulador não permitir fazer um curto circuito é

possível utilizar o simulador Phet ou montar um circuito em paralelo no

Tinkercad e programar para que a resistência do resistor em paralelo seja nula.

Figura B.34. Curto circuito. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

37

Figura B.35. Curto circuito. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Phet)

O último slide consiste em uma atividade onde os alunos devem

conectar dois, ou mais LED’s no Arduino. A ideia é que eles utilizam os

conceitos aprendidos nas duas últimas aulas. Primeiramente os alunos devem

fazer o esquema do circuito e depois montar utilizando o kit ou o simulador

para aplicar o que foi aprendido. Nessa etapa é importante que os alunos

façam perguntas e que o professor os estimule com questionamentos como:

1) Cada LED tem que ser sempre conectado em série com um resistor?

2) LED’s de cor diferentes devem ser associados em série com

resistências diferentes?

3) O que eu faço se não tenho o valor de resistência adequado para

associar em série com o LED?

4) Quantos LED’s eu posso colocar em paralelo no Arduino?

5) Posso construir um circuito utilizando também as chaves? Como elas

devem ser associadas?

6) O que acontece com a corrente elétrica em cada dispositivo em

paralelo quando eu aumento o número de ramificações?

7) Como eu conecto vários ramos no Arduino se ele só possui uma porta

de 5V?

É importante notar que nem todas as perguntas devem ser respondidas

previamente já que a atividade consiste na montagem de um circuito misto, que

será discutido na aula seguinte.

38

Figura B.36. LED’s conectados em série com um resistor cada e em paralelo entre si, conectados no Arduino.


Figura B.37. LED’s conectados em série com um resistor cada e em paralelo entre si, conectados no Arduino.


3.8 Aula 6 – FPT

Objetivo:

• Calcular a resistência equivalente de um circuito misto;

• Analisar aplicações de um circuito misto.

Materiais:


No início da aula uma pergunta interessante para fazer aos alunos. Será

que é possível encontrar no mercado todos os valores possíveis de

resistências de resistores? A resposta para essa pergunta é que não há, por

isso existe uma tabela com alguns números chamada tabela RATMA que é

utilizada pelos fabricantes. Os resistores comerciais possuem os valores dessa

tabela ou múltiplos e submúltiplos por dez desses valores. A próxima pergunta

seria: como obter os outros valores de resistências? A resposta é associando

39

os resistores em série, em paralelo ou misturando os dois tipos de associação

chamada de associação mista.

Os slides 4 e 5 retomam o circuito em série e paralelo e posteriormente

apresentam a associação mista. É interessante discutir com os alunos que as

associações não servem apenas para obter resistências elétricas que não

estão na tabela, mas também de obter resistências elétricas que estão na

tabela a partir de outras. Essa é a primeira aplicação do circuito misto que os

alunos podem fazer tanto utilizando o kit como o simulador.

Figura B.38. Utilização do circuito misto para conectar o LED sem que ele

fique sobrecarregado. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.39. Utilização do circuito misto para conectar o LED sem que ele fique sobrecarregado.


Os próximos dois slides contém mais exemplos para que os alunos

calculem a resistência equivalente de algumas associações mistas. Em

seguida é possível realizar uma segunda aplicação do circuito misto que

consiste em simular o funcionamento de uma tela Touchscreen resistiva.

40

O circuito do slide 9 traz uma simulação de um circuito Touchscreen

unidimensional simplificado. As cinco chaves representam cinco posições em

que seria possível pressionar a tela. A pressão da tela fecha as chaves

modificando o valor da resistência equivalente, essa mudança altera o

potencial medido e, por consequência, a programação interpreta a posição do

local pressionado. Esse circuito pode ser montado com o kit ou com o

simulador como mostra a figura a seguir, lembrando que é necessário testar a

chave de quatro pinos para não conectar ela de forma errada.

Figura B.40. Simulação de um teclado touch screen. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Não é recomendado que seja pedido que os alunos construam esse

circuito pela sua complexidade, o professor deve discutir primeiramente

utilizando os esquemas dos slides para que os alunos percebam que apertando

cada botão a resistência equivalente do circuito é modificada, o professor

posteriormente pode demonstrar a montagem do circuito ou até mesmo deixar

que os alunos tentem montá-los sozinhos como desafio após a aula.

Outra discussão interessante se refere ao motivo das telas Touchscreen

resistivas terem ficado obsoletas. O motivo consiste no fato de não se poder ter

dois valores de resistência equivalente simultaneamente, assim as funções

disponíveis nos celulares modernos como dar zoom em uma foto não seria

possível utilizando dois pontos da tela. Apesar de não ser possível pressionar

dois botões simultaneamente no simulador é possível utilizar o interruptor

deslizante ao invés da chave táctil para mostrar que ao pressionar dois botões

só seria efetuada a leitura de um deles.

41

3.9 Aula 7 – FPT

Objetivo:

• Calcular a intensidade da corrente elétrica em vários pontos de

um circuito misto resistivo;

• Calcular a ddp em todos os resistores de um circuito misto;

• Diferenciar uma porta analógica de uma porta digital.

Materiais:


Essa é uma das aulas mais complexas, pois depende da aplicação de

todo conhecimento teórico discutido nas aulas anteriores. A essa altura os

alunos já devem saber as características de um circuito em série e em paralelo;

dividir tensão e corrente nos respectivos circuitos e saber quando seus valores

não são alterados.

Inicialmente há dois exercícios para se discutir a divisão da tensão e

intensidade da corrente elétrica em um circuito misto, depois uma atividade que

propõe que os alunos descubram as possíveis associações de resistores que

satisfazem o funcionamento de um LED.

Tratasse de uma aula muito mais teórica em que os alunos podem tirar

dúvidas conceituais, repetir experimentos para rever conceitos importantes e

discutir com os colegas.

A última parte da aula tem o objetivo de apresentar as portas analógicas

e digitais do Arduino que serão utilizadas nas próximas aulas. Basicamente as

portas digitais apresentam apenas duas possibilidades: liga e desliga. Ela

normalmente é utilizada por atuadores como o LED, o Buzzer e o motor em

que o comando executa a função de ligar ou desligar o componente. Já a porta

analógica possui a leitura de 2024 bits que varia de 0 a 1023, normalmente

essas portas são utilizadas por sensores já que eles modificam o seu valor

continuamente e não apenas em duas escalas.

3.10 Aula 8 – FPT

Objetivo:

• Compreender os princípios básicos da programação;

• Fazer pequenos programas utilizando o software Scratch.

42

Materiais:

• Kit de eletrônica ou simulador;

• Software Scratch.

Mesmo que o professor tenha optado por utilizar o simulador para

realizar as atividades o professor pode utilizar o Scratch nessa aula por ser

muito mais rico que a programação presente no simulador, pois além de

programar o Arduino ele programa também animações na tela computador.

Para que os alunos iniciem a aula com uma ideia do que significa

programar o professor pode indicar alguns jogos simples que trabalhem a ideia

de programação como o jogo Cargo-Bot e o jogo minicraft code.org, esse

último gratuito e on line.

A primeira lista de comando que os alunos devem aprender no Scratch é

o comando controle. Nele estão disponíveis os comandos lógicos que os

alunos utilizaram para fazer a programação, como por exemplo, o comando

SEMPRE que realiza um looping infinito de uma lista de comandos ou o

comando SE que só é realizado se ele satisfaz uma pergunta lógica.

Apesar de ser de extrema importância esses comandos não fazem nada

sozinhos, assim a próxima lista de comandos que os alunos devem aprender é

a de movimento. Essa lista possui um conjunto de ações realizadas pelo Sprite

e, quando utilizadas juntamente com os comandos de controle, podem fazer

com que os Sprites se movam sozinhos indefinidamente.

O slide 6 possui uma lista de exemplos. É interessante que o professor

construa esses códigos durante a aula para que os alunos tirem dúvidas do

significado de cada código e também que eles possam adaptar seus próprios

códigos.

Quando o Sprite corresponde ao Arduino a lista dos comandos de

movimento possuem alguns comandos adicionais relacionados as portas

digitais e analógicas do Arduino e dos servo motores.

43

Figura B.41. Comandos de movimento do Arduino. (Fonte: autoria própria utilizando o software Scratch)

Se o professor dispõe apenas de uma aula para essa etapa é indicado

que após explicar o funcionamento dos comandos de movimento ele pule

diretamente para os comandos de OPERADORES, responsáveis por realizar

cálculos, comparar valores e comandos lógicos. A união dos comandos

CONTROLE, MOVIMENTO E OPERADORES é o mínimo que o aluno deve

saber para começar a programar com o Arduino.

3.11 Aula 9 – FPT

Objetivo:

• Compreender como o Arduino faz a leitura da porta analógica e

entender suas limitações;

• Realizar cálculos para testar a leitura de um Arduino.

Materiais:



44

O objetivo dessa aula é mostrar para os alunos, utilizando a lei de Ohm

e os conceitos de circuitos elétricos aprendidos, como o Arduino faz a leitura de

uma porta analógica e como ele transforma essa informação em bits. Para isso

é necessário montar o circuito esquematizado abaixo.

Figura B.42. Medida do potencial da porta analógica. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.43. Medida do potencial da porta analógica. (Fonte: autoria própria utilizando o kit)

No caso da utilização do simulador é necessário escrever a seguinte

linha de código:

Figura B.44. Comando para observar a leitura da porta analógica. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Já para o Scratch não é necessário escrever nenhum código já que a

leitura da porta analógica já aparece na tela:

45

Figura B.45. Leitura da porta analógica. (Fonte: autoria própria utilizando o software Scratch)

O objetivo da aula é mostrar para o aluno que utilizando a Lei de Ohm é

possível prever qual medição será feita pelo Scratch/simulador dependendo do

valor da resistência variável colocada no circuito. O aluno deve perceber que a

porta analógica faz sempre uma leitura do potencial elétrico naquele ponto, por

esse motivo qualquer, para que ela funcione corretamente é necessário sempre

colocar dois resistores em série com a conexão dos dois resistores plugada na

porta analógica. Como se trata de um circuito em série a tensão será dividida e

essa divisão vai depender do valor da resistência dos dois resistores.

Figura B.46. Circuito para medição do potencial da porta analógica. (Fonte: autoria própria)

Apesar de a aula parecer curta ela é de extrema importância para que o

aluno entenda o que está fazendo quando conecta os componentes das futuras

aulas no Arduino. Caso contrário a aula s tornará apenas uma receita de

comandos que os alunos irão reproduzir na expectativa de ver o circuito

funcionando, mas sem saber o funcionamento do mesmo.

O slide 3 traz o cálculo para dois valores de resistência do resistor

variável, a ideia é que os alunos efetuem os cálculos dos demais casos.

Também é interessante trabalhar a proporcionalidade da tensão em cada

resistor.

O último slide mostra como é feita a conversão do potencial medido pela

porta analógica em bits através de uma regra de três. Para finalizar a aula os

alunos podem comprar o resultado medido pelo Scratch/simulador com o valor

esperado.

No final da aula é importante trazer para os alunos alguns

questionamentos:

46

1) É possível modificar a resistência de um resistor para não ter que ficar

trocando esse componente?

2) É possível modificar a resistência através da modificação de outras

variáveis?

As respostas para essas duas perguntas serão respondidas nas

próximas aulas.

3.12 Aula 10 – FPT

Objetivo:

• Entender como funciona um potenciômetro;

• Aplicar o funcionamento do potenciômetro na segunda lei de

Ohm;

• Criar um programa que regule um servo motor através de um

potenciômetro.

Materiais:



Nessa aula será desenvolvida a segunda lei de Ohm utilizando um

potenciômetro, ele pode ser feito também utilizando um papel riscado com

grafite, onde é possível mudar tanto o comprimento como a largura do traço.

Nessa aula serão retomados os conceitos de condutividade, sendo que

agora classificaremos alguns materiais como sendo semicondutores, esses

materiais são de extrema importância no funcionamento da maioria dos

componentes eletrônicos e o professor poderá aprofundar esses conceitos em

aulas futuras. No caso dessa aula o objetivo é mostrar que a segunda lei de

Ohm aplicada no potenciômetro o torna um resistor variável analógico, e por

esse motivo pode ser utilizado para controlar a luz de um LED, o movimento de

um motor, o som de um Buzzer entre outras aplicações.

O potenciômetro possui três pinos e dependendo do pino que é

conectado a função desse equipamento é modificada. É importante discutir as

outras aplicações e não apenas a que se encontra no Slide 5.

47

Figura B.47. Circuito com servo motor conectado a um potenciômetro e ao

Arduino. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.48. Circuito com servo motor conectado a um potenciômetro e ao Arduino.


Para montar o circuito no simulador e no Scrtach é necessário utilizar

respectivamente os códigos abaixo:

Figura B.49. Programação do Arduino do circuito da figura B.47.

48


Figura B.50. Programação do Arduino do circuito da figura B.48.

(Fonte: autoria própria utilizando o software Scratch)

Agora os alunos já conseguem responder a primeira pergunta feita na

aula 9. É possível modificar a resistência manualmente utilizando um

potenciômetro, que pode ser utilizado como reostato.

3.13 Aula 11 – FPT

Objetivo:

• Identificar alguns tipos de sensores;

• Entender como o Arduino faz a leitura desses sensores;

• Montar circuitos utilizando esses sensores.

Materiais:



O objetivo dessa aula é responder a segunda pergunta. A essa altura os

alunos devem saber que é possível modificar o valor de uma porta analógica

colocando um resistor variável em série com um resistor fixo ou em série com

outro resistor variável, mas existem alguns fenômenos que modificam o valor

da resistência de um material através da mudança de outras variáveis como

luminosidade e temperatura.

É importante frisar que o objetivo da aula não é explicar o efeito

fotovoltaico, fenômeno que modifica o valor da resistência do LDR dependendo

49

da luminosidade incidente, muito menos o funcionamento do circuito integrado

LM35 que mede a temperatura. Mas nada impede que o professor aborde

esses fenômenos em aulas futuras.

Primeiramente é interessante medir a resistência de um LDR utilizando

um multímetro na opção ohmímetro para observar a mudança no valor da

resistência do LDR com a diferença de iluminação.

Figura B.51. Medindo a resistência de um LDR com pouca luz (esquerda) e

muita luz (direita), utilizando um ohmímetro. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Valores das resistências do LDR no simulador, a esquerda sem

iluminação e a direita com muita iluminação.

Sabendo que o LDR funciona como um reostato é possível associar ele

em série com um resistor fixo, a mudança na resistência do LDR irá mudar o

valor do potencial na porta analógica e isso pode ser utilizado para criar um

comando lógico que afirma se o ambiente está com pouca ou muita iluminação.

Figura B.52. Circuito ligado na porta analógica com um LDR em série com um resistor que aciona a porta digital, conectada em um circuito secundário com

um LED e um resistor associados em série. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

50

Figura B.53. Circuito ligado na porta analógica com um LDR em série com um

resistor que aciona a porta digital, conectada em um circuito secundário com um LED e um resistor associados em série.


Figura B.54. Programação do circuito da figura B.52. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.55. Programação do circuito da figura 53. (Fonte: autoria própria utilizando o software Scratch)

É possível modificar o valor da resistência do resistor em série com o

LDR para modificar a sensibilidade do LDR. O mesmo efeito pode ser obtido

modificando o valor da programação no comando lógico. É interessante discutir

com os alunos as dificuldades de utilizar o programa na prática já que a luz do

51

LED pode atingir o LDR modificando o valor e apagando o LED logo em

seguida. Assim é recomendado que se proponha como seria possível aplicar

esse dispositivo na prática e também se seria possível ligar uma lâmpada e

não um simples LED.

Os outros slides mostram como instalar os outros dispositivos para a

curiosidade dos alunos, mas não cabe aqui a discussão já que o

funcionamento deles não depende da lei de Ohm.

3.14 Aula 12 – FPT

Objetivo:

• Analisar a geração de campo magnético através da intensidade

da corrente elétrica;

• Aplicar o campo magnético no funcionamento de chaves

magnéticas;

• Aplicar o fenômeno no funcionamento do relé.

Materiais:

• Pilha;

• Fio de cobre;

• Prego ou parafuso;



Primeiramente os alunos devem observar o fenômeno relacionando a

intensidade da corrente elétrica estabelecida em um fio e o campo magnético

gerado por ela. Esse fenômeno pode ser observado com a construção de um

pequeno eletroímã utilizando uma pilha e fio de cobre enrolada em um prego

ou parafuso.

Ao observar a aproximação de objetos ferromagnéticos pelo eletroímã

os alunos irão perceber que o eletroímã passou a ter propriedades magnéticas

quando é estabelecida uma corrente elétrica nele. É a partir disso que se pode

iniciar a discussão sobre chaves magnéticas, como as que são encontradas

nos portões dos edifícios. O relé é um tipo de chave magnética onde um

circuito primário aciona um circuito secundário através de uma chave

magnética.

52

O relé pode ser utilizado para ligar uma lâmpada utilizando um Arduino

já que a intensidade da corrente elétrica no circuito secundário é muito maior

que a que o Arduino suporta.

O circuito abaixo pode ser utilizado para mostrar o funcionamento do

relé. A vantagem é que transforma o Arduino em muito mais do que um

dispositivo para se construir protótipos, mas também para criar protótipos que

realmente podem ser utilizados na solução de problemas.

Figura B.56. Circuito autônomo que liga a lâmpada quando o sensor LDR

marca pouca luminosidade no ambiente. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.57. Circuito autônomo que liga a lâmpada quando o sensor LDR marca pouca luminosidade no ambiente.


53

Figura B.58. Programação do circuito da figura B.56. (Fonte: autoria própria utilizando o simulador Tinkercad)

Figura B.59. Programação do circuito da figura B.57. (Fonte: autoria própria utilizando o software Scratch)

4 Aulas da vertente História e Filosofia da Ciência (HFC)

Uma das grandes vantagens em trabalhar com HFC consiste em permitir

que o aluno vivencie de forma mais próxima à construção da ciência ao longo

dos anos bem como o papel do cientista e as influências sociais, políticas,

econômicas e culturais na evolução dos conceitos na Física. Quando se

trabalha com HFC devesse tomar muito cuidado para que os fatos históricos

não pareçam apenas contos para tornar a aula mais interessante, onde as

descobertas são vistas como situações isoladas, em que os cientistas parecem

gênios que fazem descobertas mirabolantes com epifanias que ocorrem em

momentos corriqueiros do dia-a-dia, além das descobertas que estão ligadas,

muitas vezes, a lendas e mitos já muito difundidos culturalmente. Nessas aulas

é importante destacar o trabalho de um historiador da ciência e valorizar o seu

trabalho, sendo que há a necessidade de juntar documentos e questionar a

todo o momento como a trajetória histórica possa ter acontecido.

54

Outra coisa importante é que a aula de HFC não deve excluir a parte

matemática e experimental e muito menos ser como uma aula de história

tradicional, mas sim ser uma aula de discussão, experimentação e análise.


4.1 Aula 1 – HFC

Objetivo:

• Apresentar a experiência de Luigi Galvani e a eletricidade animal;

• Analisar panorama histórico da época;

• Discutir influências que a ciência possui sobre a sociedade.

A aula se inicia com um panorama histórico para que o aluno entenda

características dessa época. Luigi Galvani nasceu em Bolonha e nessa época

a Itália era dividida, sendo que Bolonha fazia parte do Estado Papal. Essa

época é muito influenciada pelo iluminismo que é um movimento cultural que

coloca a razão acima da fé. Isso não significa que os cientistas eram

descrentes de Deus ou isentos de crenças, um exemplo disso é o próprio

Galvani que apesar de ser influenciado por ideias iluministas relacionados

principalmente em seus estudos experimentais, era também um defensor dos

valores cristãos (inspirado na ordem do “catolicismo iluminado”).

O período também é caracterizado pelas explorações das colônias e

disputas de terras. Com o fortalecimento do capitalismo, também influenciado

pelas ideias iluministas, e a revolução industrial, houve um aumento na disputa

pelo domínio de regiões em que era possível explorar matéria prima e importar

produtos industrializados, causando grandes disputas entre diversos reinos e

impérios.

Já o ramo da ciência desenvolvia máquinas a vapor cada vez mais

eficientes e estudos para compreender melhor a natureza. A eletricidade era

tema de muito estudo, mas ainda era vista apenas como um estudo de base,

sem aplicações industriais significativas.

Galvani era formado em medicina e ciências, dedicando seus estudos

principalmente na área acadêmica. O vídeo que pode ser acessado pelo link do

slide 4 mostra como eram realizadas as experiências de Galvani, é importante

que o professor não trate o experimento como uma descoberta acidental ou

como uma genialidade de Galvani, pois mesmo que o objetivo inicial da

55

experiência não fosse o movimento da perna da rã, os estudos de Galvani

eram dirigidos a possível descoberta da origem dos movimentos musculares, o

que instigou a aprofundar os estudos sobre essa observação. Provavelmente

se o estudo de Galvani fosse dirigido a outro objetivo essa descoberta não

tivesse despertado o mesmo interesse, como já aconteceu em outros

experimentos históricos.

• Ao tocar no nervo com um bisturi carregado a perna do sapo se

move;

• O mesmo fenômeno se repete quando é utilizada uma máquina

eletrostática;

• As pernas do sapo também se movem quando ele é levado para o

ar livre durante uma tempestade, preso por ganchos de metal;

• O último experimento do vídeo mostra que a perna do sapo

também se move quando se fecha um circuito condutor com dois metais

diferentes, no caso são utilizados os metais Zinco e Cobre.

O slide 5 mostra trechos das anotações de Galvani para mostrar como

Galvani começou a suspeitar das evidências da eletricidade animal. A

observação de Galvani o levou a pesquisas que fez com que ele dedicasse

muito tempo de estudo, fazendo inúmeros testes e observações para construir

sua teoria.

O slide 6 mostra que a descoberta de Galvani teve algumas influencias

sobre a sociedade como o livro Frankenstein de Mary Shelley, que foi inspirado

na eletricidade animal e também experimentos para fazer cadáveres se

moverem e impressionar espectadores, como as demonstrações feitas pelo

sobrinho de Galvani.

O último slide propõe o primeiro debate com duas perspectivas. A

primeira relacionada na influencia que a ciência pode ter sobre a sociedade e a

segunda sobre a posição política de um cientista. Se o professor preferir, ao

invés de fazer um debate os alunos podem escrever uma redação dissertativa

sobre o tema.

4.2 Aula 2 – HFC

Objetivo:

56

• Apresentar a experiência de Alessandro Volta e a eletricidade

metálica;


para a análise dos choques elétricos.

Materiais:

• Placa de Zinco;

• Placa de cobre;

• Cabos jacaré;

• Calculadora sem pilha.

Após saber das experiências de Galvani, Alessandro Volta ficou muito

intrigado com os resultados e começou a fazer experimentos elétricos. O que

mais chamava a atenção de Volta é que o movimento das pernas da rã, sem

que houvesse eletricidade estática próxima, só ocorrei quando se utilizavam

metais diferentes, Volta iniciou a sim suas teorias de eletricidade metálica já

que para ele eram os metais os responsáveis pela geração de eletricidade

sendo que o corpo do animal funciona como um eletroscópio muito sensível. O

slide 3 mostra as principais observações de Volta.

Para provar sua teoria Volta construiu um aparelho composto de uma

pilha de metais intercalados e separados por um tecido embebecido. Seu

experimento rapidamente ganhou o conhecimento de muitos cientistas e até

mesmo de Napoleão Bonaparte causando um embate entre as teorias de Volta

e Galvani. O grande problema das duas teorias é que nenhuma delas

conseguia explicar totalmente os fenômenos observados e a falta de um

instrumento de medição dificultava a identificação da eletricidade.

A discussão entre os dois cientistas era extremamente civilizada, mas o

mesmo não podia ser dito de seus colaboradores. Um fato interessante para

discutir com os alunos é que apesar de Galvani ter suas pesquisas mais

voltadas a medicina e Volta à física, muitos médicos achavam a teoria de Volta

mais plausível enquanto alguns físicos achavam que a de Galvani explicava

melhor os fenômenos observados.

O grande problema da teoria de Luigi consistia em explicar a

necessidade do uso de metais diferentes para observar o fenômeno. Já a teoria

de Volta não explicava a ausência de tensão externa quando a pilha ficava no

que chamamos hoje de curto circuito. Um dos grandes problemas para as duas

57

teorias estava no fato de ainda não haver uma teoria bem definida de corrente

elétrica, que na época era chamado de fluido elétrico e havia a teoria de um

único fluido e de dois fluidos elétricos.

O slide 6 mostra o experimento da pilha utilizando batatas. As batatas

podem ser substituídas por limão ou qualquer meio acido. A placa de zinco

pode ser substituída por alguns tipos de parafusos e a placa de cobre por

moedas de cinco centavos (lembrando que apenas o revestimento externo

dessas moedas é feito de cobre). Essa experiência simula o experimento de

Alessandro Volta e mostra para os alunos que um circuito precisa de diferença

de potencial e caminho condutor fechado. O ideal é fazer duas pilhas de batata

já que uma pode não ter tensão suficiente para fazer a calculadora funcionar. O

último slide mostra alguns exemplos para que os alunos identifiquem os casos

que a lâmpada fica ligada.

4.3 Aula 3 – HFC

Objetivo:

• Apresentar a experiência de Oersted e o nascimento do

eletromagnetismo;

• Entender a regra da mão direita de Oersted;

• Discutir as dificuldades que uma teoria enfrenta para ser aceita.

Materiais:

• Bússola;

• Pilha;

• Fio de cobre.

Essa aula pode parecer muito estranha para o professor já que a

primeira lei de Ohm nem foi apresentada ainda e já iniciaremos a primeira

experiência eletromagnética. A verdade é que historicamente a lei de Ohm veio

posteriormente ao surgimento do eletromagnetismo, afinal de contas à

grandeza intensidade da corrente elétrica ainda não estava estabelecida e

muito menos uma forma de medir essa grandeza.

Antes de iniciar com as primeiras observações de Oersted é importante

que o professor apresente aos alunos que já havia muitos relatos mostrando

algum tipo de relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos, entre eles o

fato de uma bússola ser temporariamente desorientada durante uma

58

tempestade. Apesar de algumas evidências poderem sugerir uma relação entre

os fenômenos elétricos e magnéticos, muitos físicos afirmavam que não havia

ligação entre eles e o principal motivo consistia em ser possível separar a

eletricidade em positiva e negativa enquanto o mesmo não era possível com os

imãs.

Outra coisa importante sobre esse experimento consiste em uma

afirmação muito repetida em aulas de eletromagnetismo, que afirma que o

experimento de Oersted foi acidental. Oersted era adepto do Naturphilosophie,

que acreditava que a natureza era regida por uma única força que sempre

existiu e sempre existirá. Para os adeptos da Naturphilosophie, a natureza era

um todo orgânico, a matéria e os fenômenos naturais seriam resultados da

polaridade e dualidade de forças de atração e repulsão e os fenômenos da

natureza (químicos, biológicos, mecânicos, elétricos e magnéticos) tinham o

mesmo princípio básico constituíam-se em manifestações distintas de uma

mesma força definida como atividade pura. Além disso, Oersted também

acreditava na teoria dos dois fluídos elétricos, isso era suficiente para que ele

achasse interessante analisar relatos de fenômenos que pudessem relacionar

a eletricidade e o magnetismo, diferentes de outros físicos de sua época.

Após realizar seus experimentos e analisar cuidadosamente o

comportamento da força magnética observada na bússola Oersted divulgou

suas primeiras conclusões, mas as mesmas não foram bem aceitas pela

comunidade cientifica por dois motivos: o primeiro era que a explicação era

confusa e não parecia explicar com exatidão o fenômeno observado, o

segundo motivo é que a força circular descrita por Oersted era totalmente

diferente das interações a distância que estavam bem consolidadas como a lei

da gravitação de Newton e a lei de Coulomb.

É interessante apresentar esse panorama para os alunos já que

normalmente essa experiência é relata como um acidente em que um gênio

percebe uma revolução e a comunidade científica rapidamente aceita.

O slide 5 mostra o experimento de Oersted para que os alunos

observem as afirmações de Oersted e que era um tipo de interação a distância

completamente diferente do que se sabia até então.

O último slide propõe uma atividade para que os alunos realizem a

experiência de Oersted utilizando a Bússola, a pilha e o fio de cobre. É

59

interessante colocar o fio esticado primeiramente por cima da bússola e depois

por baixo para que os alunos observem a inversão do movimento da bússola.

4.4 Aula 4 – HFC

Objetivo:

• Apresentar as primeiras ideias de Ampère para o

eletromagnetismo;

• Apresentar o experimento de Ampère;

• Apresentar a regra da mão direita moderna e a Lei de Biot.

Após o experimento de Oersted um jovem físico, que já havia se

destacado em diversos estudos, havia ficado fascinado com a descoberta e

iniciou experimentos para analisar esse intrigante fenômeno. A maior

dificuldade encontrada por ele é que não se conhecia ainda a corrente de curto

circuito de uma pilha, assim quando se observava o fenômeno da experiência

de Oersted que normalmente era feito com a bateria em curto circuito, não era

medida nenhuma tensão com o uso do Eletrômetro. Por outro lado quando se

conectava um componente elétrico como um filamento metálico, apesar de ser

medida a tensão elétrica o fenômeno da experiência de Oersted perdia força ou

nem era observado. Por causa dessas observações Ampère acreditava que as

noções de tensão e corrente eram incompatíveis.

Os slides 4 e 5 mostram a experiência de Oersted moderna e a utilizada

por Ampère. Diferente de seu antecessor Ampère concluiu que a força

magnética era circular e perpendicular ao fio e não helicoidal.

Alguns físicos começaram a fazer estudos relacionados ao fenômeno

observado por Oersted, um deles é o físico Biot, ele analisar a força magnética

gerada por um pedaço de um fio retilíneo infinito e chega a uma equação que

mostra que a força magnética é inversamente proporcional com a distância.

4.5 Aula 5 – HFC

Objetivo:

• Analisar o debate entre as ideias de Ampère e Biot;

• Apresentar a força magnética entre condutores e os primeiros

passos para novos instrumentos de medição.

60

Para fortalecer sua teoria Ampère realizou diversos experimentos entre

condutores ligados a pilhas, ou seja, com corrente elétrica estabelecida e

observou mais uma evidência que distanciava o fenômeno eletromagnético de

outros fenômenos já bem estabelecidos. Muitas acreditavam que as interações

descritas por Ampère eram uma nova versão das atrações elétricas comuns,

assim Ampere teve que enfatizar uma diferença essencial: enquanto os corpos

aparentemente eletrificados se repelem, correntes semelhantes (do mesmo

significado) se atraem, além disso, o condutor conectado aos terminais da

bateria não carrega uma carga elétrica detectável.

Um dos exemplos da diferença entre os fenômenos é que a força

magnética não era radial e sim circular e perpendicular ao fio. A segunda

diferença se refere a fios percorridos com intensidade de corrente elétrica de

mesmo sentido se atrair enquanto corpos com cargas elétricas iguais se

repelirem.

O maior debate entre as teorias de Biot e Ampère é que as duas

possuem raízes teóricas diferentes. Enquanto para Biot que considerava a

magnetização do fio, ou seja, que o fio se transformava em milhares de

pequenos imãs Ampère considerava que havia correntes elétricas dentro dos

imãs, e apesar de ambos serem newtonianos e suas teorias explicarem o

mesmo fenômeno, eram completamente diferentes.

Apesar das discussões perdurarem e também ao fato da lei de Biot ser

mais simples que a de Ampère o físico Savart conseguiu demonstrar a lei de

Biot a partir da Lei de Ampère, o que provou que ambas as leis explicavam o

mesmo fenômeno.

O último slide propõe um debate sobre o ato de medir. Através do

conceito que os alunos têm de medir é possível perguntar a eles como seria

possível medir a intensidade da corrente elétrica e a importância da medição

para a física.

4.6 Aula 6 – HFC

Objetivo:

Apresentar as dificuldades de Ohm para realizar seus

experimentos;

Apresentar a lei de Ohm e suas características.

61

Finalmente a tão esperada lei de Ohm. As aulas anteriores mostraram

que o estabelecimento de uma teoria depende de diversos fatores e leva tempo

para se consolidar. Para expressar a lei de Ohm na forma de uma lei

matemática, é preciso primeiro saber do que se está falando, isto é, que as

magnitudes intensidade da corrente elétrica, tensão e resistência são definidas

e mensuráveis. Quando Georg Simon Ohm começou seus primeiros

experimentos em meados dos anos 1820, não foi assim. Os físicos não

concordam com o significado dessas palavras, seu significado pode variar de

um autor para outro, e eles são usados juntamente com outros termos, como

"ação magnética de um condutor" para a intensidade da corrente, "poder de

condução" ao invés de resistência, ou mesmo às vezes "intensidade" para

tensão.

Além disso, não há acordo entre os físicos sobre a natureza da corrente

elétrica: a circulação de um fluido elétrico intangível, a circulação de dois

fluidos de sinais opostos ou a propagação gradual de um para outro.

O primeiro experimento de Ohm teve um resultado da queda de força

(tensão) em uma equação logarítmica. (V=m.log((1+x)⁄a)). Um dos problemas

encontrados por Ohm após os primeiros resultados foi o da variação da tensão

da pilha. Muitos questionavam também se o formato da fórmula logarítmica de

uma série limitada de dados numéricos é confiável.

No segundo experimento Ohm substitui a pilha voltaica pela

termoeletricidade, já que mantendo a temperatura dos pares constantes era

possível manter uma tensão constante no circuito.

Em seu terceiro experimento Ohm achou melhor utilizar a relação direta

com a força de ação magnética ao invés da perda de força relativa, seu

experimento se encontra no slide 5 e ele modificava duas grandezas nesse

experimento: a tensão da fonte modificando a temperatura do par termoelétrico

e o comprimento do condutor.

Seus resultados se aproximaram muito do que hoje conhecemos como

lei de Pouillet.

62

Em seguida Ohm continuou seus experimentos modificando os materiais

condutores e a seção transversal do fio chegando ao que conhecemos hoje

como a segunda e primeira lei de Ohm unificadas.

4.7 Aula 7 – HFC

Objetivo:

• Construção teórica da lei de Ohm.

É importante mostrar para os alunos que uma teoria não é construída

apenas através de dados experimentais, mas também de modelos, analogias,

aproximações, crenças (não necessariamente religiosas). Um grande exemplo

disso é a construção teórica da lei de Ohm.

Muitos professores gostam de fazer a analogia da lei de Ohm com a o

fluxo de água como mostra o slide 3. Nesse slide é possível notar que o fluxo

de água, que representa a intensidade da corrente elétrica é diretamente

proporcional à variação de pressão, que simboliza a variação de potencial e

que é inversamente proporcional a resistência. Apesar de essa analogia ser

muito conhecida e ter relação com o fluido elétrico, é importante mostrar que

ela fica diferente da lei elétrica quando analisamos mais profundamente o que

é essa resistência elétrica.

Quando Ohm começou a analisar seu experimento ele fez algumas

observações muito relevantes para a época. Antes se acreditava que o fluido

elétrico apenas escorria sobre a superfície do condutor, mas Ohm acreditava

que ele podia ser transferido por dentro, assim como ocorre com o calor (na

época conhecido como calórico). A teoria da lei de Ohm foi inspirada na teoria

de Fourier para o fluxo de calor e suas equações têm muitos aspectos em

comum.

A Lei de Fourier, que indica o fluxo de calor (ϕ) que atravessa uma

parede, de área (A), comprimento (L) e condutividade térmica (K), devido a

uma diferença de temperatura (∆θ).

63

A Lei de Ohm que mostra a quantidade de carga por unidade de tempo

(i) que atravessa um condutor, de área (A), comprimento (L) e condutividade

elétrica ( ), devido a uma diferença de potencial (∆V).

Esse foi um dos motivos para se acreditar que a corrente elétrica era

estabelecida do polo positivo da pilha para o negativo, já que o calor também

flui do corpo que possui maior temperatura para o corpo que possui menor

temperatura.

A discussão dessa aula é extremamente rica e deve ser utilizada para o

professor para mostrar aos alunos o que é ciência e o papel do cientista. Será

a ciência apenas indutivista onde os dados do experimento é que levam a

construção da teoria ou há outros aspectos relevantes para serem analisados.

Essa aula também é interessante para iniciar a discussão sobre a filosofia da

ciência e os diversos pensadores da ciência como Popper, Kunh, Lakatos entre

outros.

4.8 Aula 9 – HFC

Objetivo:

• Panorama histórico da descoberta da lâmpada;

• Discussão sobre novas demandas tecnológicas.

Tem-se o conhecimento de que os fenômenos elétricos são conhecidos

desde a Grécia antiga, mas até o inicio do século XIX não havia grandes

aplicações elétricas que pudessem causar algum tipo de interesse econômico.

Essa aula se dedica em contar um pouco sobre a trajetória da descoberta da

lâmpada para iniciar uma discussão entre as diferenças entre ciência pura e

ciência aplicada.

Apesar de a primeira lâmpada ser inventada em 1802 ela possuía muitos

problemas e por esse motivo não havia interesse comercial na época. Outro

problema era o fornecimento de energia elétrica que deveria suprir as

lâmpadas.

Os slides 5, 6 e 7 mostram a lâmpada de arco voltaico para que os

alunos visualizem seus problemas comparados a de uma lâmpada que

utilizasse querosene.

64

Quando a lâmpada incandescente foi inventada e o primeiro gerador

elétrico comercial também começou a crescer o interesse de grandes

empresários em investir no ramo elétrico. Um deles foi Thomas Edison que

criou o primeiro laboratório destinado ao desenvolvimento industrial.

Apesar de Edison não descobrir a lâmpada coube a ele melhorá-la para

produzi-la em escala industrial. Seu método era muito diferente do método da

ciência pura já que ele não estava preocupado em descobrir como os

mecanismos da natureza funcionavam, mas em como era possível construir um

equipamento mais durável e barato. No caso da lâmpada foi feito um conjunto

de experimentos de tentativa e erro até encontrar um material que tivesse uma

durabilidade adequada.

O último slide propõe a construção de uma lâmpada incandescente

utilizando grafite. É interessante analisar com os alunos alguns aspectos

interessantes como a fumaça que aparece no experimento e como esse

fenômeno foi interrompido por Edison.

É inegável que a descoberta de uma lâmpada que pudesse ser vendida

em uma escala industrial e que não tivesse os mesmos problemas das

lâmpadas de querosene trouxesse uma nova demanda por energia elétrica.

4.9 Aula 9 – HFC

Objetivo:

• Discutir sobre ciência pura e aplicada;

• Diferentes visões sobre a guerra elétrica;

• Debate sobre ética na ciência.

É muito comum achar que uma descoberta logo leva a uma grande

evolução industrial e que modifica completamente o modo de vida das

pessoas, mas a verdade é que muitas vezes a mudança demora anos para

acontecer. O slide 3 mostra as possibilidades das novas descobertas feitas no

século XIX, tratasse do telegrafo, da lâmpada, o motor elétrico e o gerador

elétrico e também a data que esses equipamentos realmente começaram a ser

utilizados em fins comerciais. O telégrafo, mesmo depois de ser patenteado

tinha muitos problemas técnicos de transmissão e inicialmente foi utilizado

apenas linhas para conectar as estações ferroviárias, a lâmpada de Thomas

Edison tinha problemas de durabilidade, os primeiros motores tinham baixa

65

eficiência e não pareciam ser melhores que os motores a vapor e o maior

problema do gerador elétrico estavam relacionados com a transmissão

dissipação de energia elétrica na transmissão e diminui drasticamente sua

eficiência, apenas com a invenção dos transformadores que o problema foi

parcialmente resolvido.

Para mostrar ao mundo as maravilhas da eletricidade foi feita, em 1881,

a primeira Exposição Internacional de eletricidade em Paris e contou com

Dínamos de Gramme, lâmpadas de Edison, o bonde elétrico de Siemens, o

telefone de Graham Bell, sistema de transmissão de energia de Deprez e um

carro elétrico de Trouvé.

O mercado começava a ficar aberto às comodidades da energia elétrica,

um mercado de luxo, atrativo e lucrativo. Nos EUA a eletricidade avançou

rapidamente e a primeira usina elétrica começava a ser construída.

Com o crescimento de usinas elétricas sendo construídas, se iniciou um

projeto nos EUA de produzir energia a partir do movimento da água das

cataratas do Niágara, duas empresas competiram para tentar resolvermos

problemas técnicos enfrentados nessa empreitada, entre eles o embate entre a

corrente contínua e a corrente alternada. Essa época é conhecida como a

Guerra elétrica ou guerra das correntes entre Thomas Edison George

Westinghouse. É muito interessante discutir o que aconteceu com o físico

Nikola Tesla durante essa disputa, ele primeiramente trabalhou para Edison,

mas depois de não ser pago por um trabalho que realizou e também por

discordâncias no uso da corrente alternada Tesla foi trabalhar com

Westinghouse e acabou tendo papel decisivo na guerra das correntes, ao qual

saiu vitorioso. Esse período é marcado por uma disputa que utilizou a

publicidade como aliada e também muitos debates éticos que são muito

interessantes de ser discutido com os alunos. Mas além do debate ético é

interessante ler o parecer do próprio Tesla sobre esse período, já que o mesmo

faz uma pequena menção em sua biografia.

4.10 Aula 10 – HFC

Objetivo:

• Discutir a importância de um sistema de unidades;

• Analisar a fórmula da potência elétrica;

66

• Apresentar o panorama elétrico brasileiro.

Com grandes descobertas e invenções sendo rapidamente realizadas

houve a necessidade de se adotar um sistema de medidas para padronizar

grandezas e unidades. Nessa aula é possível retomar a discussão sobre a

medição e sobre a importância de unidades padronizadas. Em seguida são

apresentadas três grandezas e unidades largamente utilizadas na lei de Ohm.

Por fim é mostrado o panorama elétrico brasileiro. Apesar do Brasil

demorara muito para iniciar qualquer tipo de pesquisa científica o Brasil

possuía grandes produtores que detinham muito poder e riqueza, unindo isso a

hidrografia brasileira que possibilitava a construção de muitas usinas

hidrelétricas fez com que não demorasse muito para que a eletricidade

chegasse no Brasil. Porém a falta de tecnologia nacional e políticas internas e

fatores externos fizeram a produção de energia elétrica oscilar muito entre

investimento estrangeiro e estatização. Trata-se de uma ótima discussão para

realizar em sala de aula e mostrar a importância da pesquisa da ciência pura e

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