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OS DESAFIOS DA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSENA PERSPECTIVA DO PROFESSOR PDE
Produções Didático-Pedagógicas
Versão Online ISBN 978-85-8015-079-7Cadernos PDE
II
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO
PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
PRODUÇÃO DIDÁTICO-PEDAGÓGICATURMA – PDE 2014
1. IDENTIFICAÇÃO
Título: Simuladores virtuais do PhET no ensino de físicaAutor: Francisco Luiz Carraro
Disciplina/Área: Física
Escola de Implementação do Projeto e sua localização:
Colégio Estadual Jardim Porto Alegre
Município da escola: Toledo - Paraná
Núcleo Regional de Educação: Toledo
Professor Orientador: Prof. Dr. Ricardo Francisco Pereira
Instituição de Ensino Superior: Universidade Estadual de Maringá
Resumo: Atualmente, nós professores de Física do Ensino Médio temos vivenciado a grande dificuldade de aprendizagem apresentada pelos estudantes. A falta de motivação para estudar Física por considerável parte dos estudantes é sem dúvida uma das causas do baixo rendimento dos mesmos nessa disciplina. Diante desse quadro propusemos o desenvolvimento de uma proposta de ensino utilizando os simuladores virtuais do PhET (Physics Education Technology Project), da Universidade do Colorado (EUA) como uma metodologia de ensino. Essa proposta visa tornar o aluno mais ativo no processo ensino-aprendizagem, proporcionando o estudo dos conceitos e fenômenos da Eletrodinâmica, bem como, a relação dos conteúdos abordados com o cotidiano dos estudantes.
Palavras-chave: Simulações, PhET, Ensino de Física, Ensino-Aprendizagem.
Formato do Material Didático: Unidade Didática
Público: Alunos do 3º Ano
SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO
DIRETORIA DE POLÍTICAS E PROGRAMAS EDUCACIONAIS PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
FRANCISCO LUIZ CARRARO
SIMULADORES VIRTUAIS DO PHET NO ENSINO DE FÍSICA
Produção Didático-Pedagógica em 2014, elaborada para o Programa de Desenvolvimento Educacional, para complementação da Proposta de Implementação Didática Pedagógica no Ensino Médio sob orientação do Prof. Dr. Ricardo Francisco Pereira.
TOLEDO - PR2014
APRESENTAÇÃO
Este material didático pedagógico tem por objetivo subsidiar o trabalho
pedagógico dos professores de Física na busca da melhoria da aprendizagem dos
alunos usando os simuladores virtuais do PhET, sigla em inglês para Physics
Education Technology Project, como uma metodologia de ensino.
A implementação deste material didático dar-se-á no Colégio Estadual
Jardim Porto Alegre (EFMP), no município de Toledo, no primeiro semestre de 2015,
com alunos do 3º ano do Ensino Médio.
Esta Unidade Didática abordará a eletrodinâmica dentro do conteúdo
estruturante eletromagnetismo:
• Corrente elétrica;
• Circuitos elétricos;
• Resistência elétrica;
• Resistividade;
• Leis de Ohm;
• Associação de resistores em série e em paralelo;
• Choque elétrico;
• Medida da corrente elétrica, da voltagem e da resistência;
• Curto circuito;
• Efeito fotoelétrico e Supercondutores (conteúdos de Física Moderna).
A estratégia que propomos desenvolver e aplicar consiste em estimular os
alunos com questões desafiadoras sobre os conteúdos a serem abordados,
estabelecendo um diálogo em classe para levantar o que os estudantes sabem e
quais são as concepções espontâneas apresentadas acerca dos fenômenos a
serem estudados.
Após este momento inicial, os alunos irão ao laboratório de informática,
munidos de roteiros prévios, para execução da simulação virtual, onde poderão
explorar e anotar os dados obtidos seguindo as indicações do roteiro.
Na sequência, é fundamental discutir com a classe os resultados da
simulação e estabelecer as relações do conteúdo abordado com os fenômenos do
dia a dia do estudante. Neste sentido, os estudantes serão incentivados a
produzirem pequenos textos respondendo a questões do seu cotidiano sobre
fenômenos que envolvam conteúdos de eletrodinâmica.
EXPLORANDO OS SIMULADORES VIRTUAIS DO PhET
As versões executáveis de todas as Simulações Interativas PhET,
Universidade do Colorado (os arquivos *.jar, os arquivos *.jnlp, os arquivos *.swf)
são licenciados de acordo com uma Licença Creative Commons Attribution 3.0
United States. Portanto, as simulações interativas podem ser livremente usadas e/ou
redistribuídas por terceiros (estudantes, educadores, escolas, museus, etc.) Todas
as utilizações requerem a atribuição da obra. As referidas simulações podem ser
executadas enquanto estiver conectado à internet, ou baixadas e instaladas em seu
PC, podendo ser executadas de maneira off-line.
Acesse o site https://phet.colorado.edu/pt_BR/ (uma versão do site já
traduzida para o português) e clique na imagem como indicado na figura 1.
Figura 1: Simulações do PhET da Universidade do Colorado.
Na sequência, acesse as simulações de Física do PhET e em seguida
acesse os conteúdos – Eletricidade, Ímãs e Circuitos, conforme indicado na figura 2.
ORIENTAÇÕES AOS PROFESSORES
Todos os roteiros produzidos para cada uma das atividades foram
elaborados com a finalidade de serem utilizados pelos alunos e não pelos
professores, entretanto, para cada atividade também elaboramos algumas
orientações básicas para os professores compreenderem como trabalhar os roteiros.
A avaliação será realizada mediante a análise das respostas dadas pelos
educandos, na forma oral e escrita, às questões propostas nos roteiros das
atividades. No final de cada atividade será realizada uma retomada com os
estudantes sobre o conteúdo trabalhado na simulação. Esta parte será feita
oralmente para que os alunos relatem os pontos fundamentais e as aplicações do
conteúdo desenvolvido na atividade.
Outros momentos e instrumentos serão utilizados para a avaliação da
aprendizagem. Os estudantes produzirão pequenos textos, respondendo a questões
referentes ao conteúdo de eletrodinâmica, relacionadas ao cotidiano. Esses textos
serão apresentados em seminário para a classe e serão expostos para a
comunidade escolar.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 1É fundamental iniciar esta atividade fazendo a leitura coletiva do texto
indicado com os alunos. Dialogando, retomando o texto quando necessário,
deixando que expressem a compreensão que estão tendo do mesmo. Certifique-se
de que os alunos compreenderam que a diferença de energia entre os níveis que os
elétrons podem vir a ocupar (banda de condução) e os valores dos últimos níveis já
ocupados por eles (banda de valência) é o que diferencia os materiais condutores
dos isolantes. Realizada a leitura dialogada, é hora de explorar a simulação.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 2É importante iniciar esta atividade explorando o conhecimento prévio dos
alunos sobre os circuitos elétricos, seus componentes, bem como a função dos
mesmos. É fundamental que os estudantes expressem o que sabem sobre o
conteúdo a ser trabalhado. As questões propostas na problematização inicial podem
auxiliar no estabelecimento de um diálogo com a classe. Muitas vezes quando esse
diálogo é bem sucedido o aluno se motiva para a participação na aula e
consequentemente a sua aprendizagem é mais efetiva.
O objetivo desta atividade é explorar um circuito elétrico simples, dando
enfoque aos conceitos nele envolvidos. Portanto, os conceitos de corrente elétrica,
tensão, resistência elétrica, carga elétrica, potência elétrica, devem ser bem
discutidos a fim de que o estudante construa esses conceitos. Uma questão
específica a ser explorada é a origem dos elétrons formadores da corrente elétrica,
pois os estudantes geralmente apresentam algumas concepções interessantes
sobre oeste conhecimento.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 3Sugerimos que nesta atividade seja trabalhado o uso dos aparelhos
medidores de grandezas elétricas – voltímetro, amperímetro e ohmímetro. Na
sequência da aula sugere-se abordar a relação U = R × I, em que a resistência
elétrica (R) é a constante de proporcionalidade. Os estudantes geralmente não têm
idéia da relação entre as três grandezas físicas, tensão (U), resistência elétrica (R) e
intensidade (I) de corrente elétrica, portanto, é um momento oportuno para explorar
ao máximo essa relação na simulação virtual.
A expressão acima é conhecida como Lei de Ohm. Quando um condutor
obedece a esta lei, ou seja, quando sua resistência elétrica é constante, ele é
chamado de resistor ôhmico.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 4O conhecimento trabalhado nesta atividade apresenta uma estreita relação
com situações presentes em nosso cotidiano. Sendo assim, é muito interessante a
exploração pedagógica ser focada nesta contextualização. A relação matemática nas
associações de resistores deve ser trabalhada, no entanto, a abordagem conceitual
é fundamental para que o estudante relacione esse conhecimento com o seu mundo
vivencial. É importante ao término desta atividade fazer uma retomada oral com os
alunos verificando se eles compreenderam as diferenças entre uma associação em
série e em paralelo, assim como, as aplicações no cotidiano.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 5O objetivo desta atividade é trabalhar os diferentes fatores que interferem na
resistência elétrica de um condutor, com vistas à prevenção de acidentes bastante
frequentes na vida de muitas pessoas.
A atividade é de fácil entendimento pelo aluno, no entanto, salientamos ao
professor ficar atento no entendimento que os estudantes fazem dos conceitos
envolvidos nesta atividade.
A contextualização do conhecimento trabalhado é uma ótima oportunidade
para relacionar o conhecimento físico com o cotidiano do estudante, mostrando uma
das finalidades e importância desse conhecimento para nossas vidas, aproximando
a Física do contexto dos estudantes.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 6Sugerimos iniciar esta atividade pelo estudo do texto “Semicondutores”. Para
isso acreditamos que formar pequenos grupos de alunos, com no máximo quatro
componentes, é uma estratégia interessante pedagogicamente, visto que ocorrerá
reflexão e trocas entre os educandos. Após o estudo do texto é fundamental fazer
uma retomada com a classe, deixar que os estudantes falem o que entenderam,
assim como, levantem dúvidas. Neste momento, um estudante ao apresentar a sua
compreensão sobre o assunto, estará auxiliando o outro a entender o conteúdo
abordado.
As questões propostas nesta atividade são importantes e devem ser
exploradas ao máximo com os estudantes, para que os mesmos percebam que os
elétrons não são criados pela tensão, mas fazem parte do circuito, e a tensão é a
força que os coloca em movimento.
Ao trabalhar a polarização direta e a polarização inversa o professor pode
explicar neste momento o funcionamento do LED (sigla em inglês para Light
Emitting Diode) e até ligar um usando uma fonte de tensão. Lembrando que o LED
deve ser ligado em no máximo 2 V para não queimá-lo. Desta forma o conhecimento
trabalhado é contextualizado pelos alunos.
Sugerimos ao professor para encerrar a exploração desta atividade realizar
um rápido levantamento oral com a classe das principais aplicações dos
semicondutores pesquisadas pelos alunos.
Conversando com o(a) professor(a) - Atividade 7Sugerimos que seja trabalhado com os alunos o texto – Explicando o efeito
Fotoelétrico disponível no material do aluno. É interessante que os alunos leiam
individualmente o texto e façam anotações sobre o entendimento ou dúvidas, para
posterior discussão com a classe.
Este é o momento de explorar diversos recursos que favoreçam ao aluno a
organização do conhecimento. A problematização inicial, a simulação, e as
discussões já realizadas trouxerem conceitos a serem mais bem trabalhados,
portanto, o estudo do texto pode contribuir para melhor entendimento do Efeito
Fotoelétrico, explicitando: a composição de seu aparato experimental; a sua
definição; circunstâncias para sua ocorrência; sua explicação correta trazida por
Albert Einstein; e a função trabalho através da tabela de valores para alguns
materiais.
Ao longo das explicações, fortaleça a concepção de que o Efeito
Fotoelétrico é um fenômeno que apresenta a interação da radiação com a matéria e
destaque que a luz, neste fenômeno, apresenta uma natureza corpuscular, mas que
os alunos compreendam que a luz tem uma natureza dual.
ATIVIDADE 1: CONDUTORES E ISOLANTES
Problematização inicial: Em nossas casas muitas vezes usamos extensões para ligarmos máquinas
elétricas como a Lava Jato ou cortador de grama, por exemplo. Por que, ao
pegarmos na capa do fio da extensão, mesmo com este energizado não levamos um
choque elétrico e se a capa estiver rompida, de maneira a ficar exposta a parte
metálica do fio, ao tocarmos levamos um choque?
Objetivos:
• Compreender porque alguns materiais são condutores de energia e
outros são isolantes;
• Identificar alguns condutores e isolantes.
Sugestão de organização do tempo: 02 aulas.
Conceitos principais: Elétrons, órbita dos elétrons, camada de valência, corrente elétrica,
condutores e dielétricos.
Organização do conhecimento:Acesse o texto: Reclassificação dos materiais do ponto de vista da
condutividade elétrica, página 152, Leituras de Física – Eletromagnetismo – GREF,
disponível no site da USP em http://www.if.usp.br/gref/eletro/eletro5.pdf
Acesse o simulador “Condutividade” como indicado na figura 3.
Figura 3: Condutividade.
Orientações: Na aba “Materiais”, indicada na figura abaixo, selecione a opção “Metal” e
forneça uma diferença de potencial de 1V na bateria. Observe e registre as suas
observações.
Figura 4: Aba “Metal”.
Questões:
• Os elétrons em movimento ordenado no circuito são oriundos da bateria
ou do metal? Justifique a sua resposta.
• Observe no simulador o esquema representativo dos níveis de energia
dos três materiais. Descreva as diferenças observadas entre os níveis de
energia entre os materiais.
• Agora que você já estudou o texto sugerido e explorou a simulação,
responda a seguinte pergunta: O que faz um material ser condutor
elétrico e outro isolante?
Coloque 2V para a diferença de potencial na bateria e marque a opção
“Fotocondutor”.
Questões:
• O que você observa?
• Acione a lanterna e observe. Como os elétrons se comportam quanto aos
níveis (banda de valência e banda de condução) no material
fotocondutor?
Pesquise outros materiais fotocondutores utilizados na eletrônica atual.
Acesse o simulador “Kit de Construção de Circuito (AC+DC)” e monte o
circuito conforme a figura abaixo.Figura 5: Testando condutores e isolantes.
Clique no ícone “Sacola Surpresa” e insira cada objeto desta sacola no
circuito de maneira a observar a corrente elétrica no amperímetro quando o circuito
é fechado. Separe os materiais em condutores e isolantes na tabela abaixo.
Tabela 1: Condutores e isolantes.
Condutores Isolantes
Observe o que ocorreu na simulação quando foi inserido no circuito os
objetos metálicos (clipe e moeda).
Questão:
• Explique o que aconteceu?
Aplicação do conhecimento:Pesquise e descreva três situações do cotidiano em que são empregados
condutores elétricos e três com isolantes.
ATIVIDADE 2: CONHECENDO OS ELEMENTOS DE UM CIRCUITO
Problematização inicial: Diariamente acionamos circuitos em nossas atividades cotidianas, quer seja
involuntariamente como os circuitos cerebrais em nosso organismo ou,
voluntariamente como acionar um interruptor e acender uma lâmpada ou, ao ligar o
registro de água de um chuveiro estamos fechando um circuito elétrico colocando o
chuveiro em funcionamento. Você já parou para pensar nos componentes desses
circuitos? E por que uma lâmpada acende quando ligamos um interruptor?
Objetivos:
• Conhecer os elementos básicos de um circuito elétrico;
• Compreender a função desses componentes no circuito;
• Compreender e medir as grandezas físicas presentes no circuito elétrico
simples.
Sugestão de organização do tempo: 02 aulas.
Conceitos principais: Circuito elétrico, condutividade, resistência elétrica, diferença de potencial,
corrente elétrica.
Organização do conhecimento:Acesse o simulador “Kit de Construção de Circuito (AC+DC)” e monte o
circuito conforme o esquema da figura 6.
Orientações:Marque as opções “Voltímetro” e “Amperímetro sem contato” na aba
“Ferramentas” e arraste-os na posição indicado no esquema. Feche o circuito e
observe.
Figura 6: Circuito elétrico simples.
Questões:
• Os elétrons que entram em movimento faziam parte da constituição de
qual material?
• Descreva o movimento desses elétrons livres no circuito.
Marque a opção “Mostrar valores” na aba “Visual”, observe e anote na tabela
2 os valores das grandezas físicas: Intensidade da corrente (A), Diferença de
potencial (V) e Resistência elétrica da lâmpada.
Tabela 2: Grandezas físicas.
Grandezas Físicas ----------- ----------- -----------Diferença de potencial (V)Resistência elétrica da lâmpada (Ω)Intensidade da corrente elétrica (A)
Clique com o botão direito do mouse sobre a fonte de tensão e dobre o valor
da tensão. Observe e anote os valores na tabela.
Questões:
• Como se comportou o brilho da lâmpada? E a intensidade da corrente no
circuito?
Triplique o valor da tensão e observe o que acontece com o valor da
corrente elétrica.
Altere o valor da tensão na pilha para 9V e observe o brilho da lâmpada e
anote o valor da corrente elétrica no circuito, na tabela 3.
Clique com o botão direito do mouse sobre a lâmpada e altere o valor da
resistência elétrica da lâmpada para 20Ω.
• Como se comportou o brilho da lâmpada? E o valor da intensidade da
corrente elétrica? Anote-o na tabela.
Mude o valor da resistência elétrica para 30Ω e observe o que acontece.
Tabela 3: Grandezas Físicas 2.
Grandezas Físicas --------- ----------- ---------Diferença de potencial (V)Resistência elétrica da lâmpada (Ω)Intensidade da corrente elétrica (A)
Aplicação do conhecimento:Faça um paralelo entre o circuito hidráulico (caixa d’água, tubulação,
torneira) e o circuito elétrico trabalhado no simulador.
ATIVIDADE 3: 1a LEI DE OHM
Problematização inicial: Como se comporta a corrente elétrica num condutor ao variar a tensão a
qual está submetida?
Objetivo:
• Entender a lei de Ohm e verificar situações de aplicação desse
conhecimento.
Sugestão de organização do tempo: 02 aulas
Conceitos principais: Intensidade da corrente elétrica, tensão, resistência elétrica, condutores.
Organização do conhecimento:Acesse o simulador “Kit de Construção de Circuito (AC+DC)” e monte o
circuito conforme o esquema da figura 7. Figura 7: Condutor Ôhmico.
Orientações:Marque a opção “Voltímetro” e “Amperímetro sem contato” na aba
“Ferramentas” e arraste-os na posição indicado no esquema. Observe que foi
inserido no circuito um resistor de carbono.
Coloque o valor da tensão na pilha em 10V e da resistência elétrica do
resistor em 10Ω.
Ligue o interruptor, efetue a leitura no amperímetro e anote os valores na
tabela 4.
Tabela 4: Grandezas Físicas 2.
Grandezas Físicas -------- -------- --------Diferença de potencial (V)Resistência elétrica da lâmpada (Ω)Intensidade da corrente elétrica (A)
Mude o valor da tensão aplicada ao circuito para 20V e posteriormente para
30V, mantendo o valor da resistência elétrica em 10 Ω. Observe e anote os valores
na tabela 4.
Questão:
• Qual é a relação entre a intensidade de corrente elétrica e a tensão
aplicada ao circuito?
Construa um gráfico da tensão (U) X intensidade da corrente (I) para os
dados obtidos.
Gráfico 1: Tensão X Corrente.
Questão:
• A relação entre a intensidade da corrente e a tensão aplicada ao
condutor pode ser considerada diretamente proporcional ou
inversamente proporcional? Explique.
Ainda usando o mesmo circuito, mude a tensão para 5V e a resistência para
5Ω. Observe a corrente indicada no amperímetro e anote na tabela 5?
Tabela 5: Intensidade da corrente X Resistência.
Grandezas Físicas -------- -------- --------Diferença de potencial (V)Resistência elétrica da lâmpada (Ω)Intensidade da corrente elétrica (A)
Mude o valor da resistência do resistor para 10Ω e repita a leitura do
amperímetro. Transcreva o resultado obtido na tabela. Aumente o valor da
resistência para 15Ω e obtenha novamente o valor da intensidade da corrente no
circuito.
Usando os dados obtidos construa o gráfico da Intensidade da corrente (I) X
Resistência elétrica.
Gráfico 2: Intensidade da corrente X Resistência.
Questões
• Qual é a relação entre a intensidade da corrente e a resistência elétrica
do condutor?
• Um modelo de chuveiro elétrico disponível no mercado apresenta os
seguintes dados técnicos: Tensão 220V, Potência máxima 4800W e
Intensidade de corrente: 50A (máxima suportada). Obs: Corrente máxima
suportada é o limite máximo de corrente elétrica que poderá passar pelo
circuito do chuveiro sem queimar o resistor. Calcule a intensidade da
corrente elétrica puxada pelo aparelho nas duas situações.
a) Quando este chuveiro for ligado na potência máxima na rede 127V.
b) Quando o chuveiro for ligado na potência máxima na rede 220V.
c) O que acontecerá com esse resistor quando ligado na rede 220V?
ATIVIDADE 4: ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES EM SÉRIE E PARALELO
Problematização inicial: Se observarmos os fenômenos presentes em nosso dia a dia, percebemos
que a Física está mais próxima de nossas vidas do que supomos. O que acontece
quando uma lâmpada de um pisca pisca de árvore de natal queima? E, quando
queima uma lâmpada da nossa casa? Como estas lâmpadas estão ligadas em cada
situação? Por que as lâmpadas de mesma potência apresentam o mesmo brilho ao
serem ligadas em pontos diferentes na rede elétrica residencial?
Objetivos:
• Apreender a identificar circuitos (série, paralelo e misto).
• Compreender as propriedades de cada ligação.
• Perceber situações de aplicação do conhecimento físico no seu
cotidiano.
Sugestão de organização do tempo: 02 aulas
Conceitos principais:Intensidade da corrente elétrica, tensão, resistores, resistência elétrica,
resistência equivalente, queda de tensão.
Organização do conhecimento:Monte dois circuitos com três lâmpadas de mesma resistência elétrica,
sendo um com as lâmpadas ligadas em série e o outro em paralelo. Acione e arraste
o “amperímetro sem contato” e o “voltímetro”. Siga o esquema representado na
figura 8. Para certificar-se de que as lâmpadas têm a mesma resistência elétrica
acione o botão “mostrar valores”, na Aba “Visual”. Altere o valor da tensão da pilha
para 20 V, clicando com o botão direito do mouse sobre a bateria “Mudar tensão”.
Figura 8: Circuito em série e paralelo.
Orientações:Ligue os interruptores dos dois circuitos, observe e compare o brilho das
lâmpadas de cada circuito.
Etapa 1: Procedimentos para exploração da associação em sérieClique em “Mostrar valores” na aba “Visual” e confira se todas as lâmpadas
apresentam a mesma resistência elétrica. Anote esses valores na tabela 6.
Usando o voltímetro meça a tensão nos terminais de cada lâmpada e
também anote na tabela 6.
Tabela 6 - Associação de resistores em série
U(V) i(A) R (Ω)UR1= i1= R1=
UR2= i2= R2=
UR3= i3= R3=
Questões:
• Qual a relação entre a resistência equivalente (Req.) e as resistências dos
três resistores, R1, R2 e R3?
• Qual a relação entre a tensão medida nos terminais da fonte de tensão,
com as tensões nos terminais dos resistores R1 , R2 e R3?
• Calcule a intensidade da corrente elétrica em cada resistor (lâmpada).
• Os valores da corrente em cada resistor são iguais ou diferentes? O que
isso significa?
Arraste o amperímetro sem contato em diversos pontos do circuito e observe
o valor da intensidade da corrente em cada ponto. Anote as suas observações.
Etapa 2: Procedimentos para exploração da associação em paraleloClique com o botão direito do mouse sobre os terminais de cada lâmpada e
mude o valor da resistência elétrica para os seguintes valores: R1= 10Ω, R2= 20Ω e
R3= 30Ω. Transcreva esses valores para a tabela 7.
Tabela 7: Associação de resistores em paralelo.
R (Ω) U(V) i(A)R1= UR1= i1=R2= UR2= i2=R3= UR3= i3=REq.= UFonte= iTotal=
Questões:
• Calcule o valor da resistência equivalente do circuito e anote na tabela 7.
• Usando o voltímetro, meça a tensão nos terminais de cada lâmpada e
anote na tabela 7.
• Qual a diferença dos valores da tensão obtidos na ligação em paralelo e
na ligação em série?
• Calcule a intensidade da corrente elétrica em cada resistor (lâmpada).
• Os valores da corrente em cada resistor são iguais ou diferentes? O que
isso significa?
Arraste o “amperímetro sem contato” em diversos pontos do circuito e
observe se o valor da intensidade da corrente obtido confere com o calculado.
Questão:
• Em qual resistor a intensidade da corrente foi maior? E em qual foi
menor? Justifique a sua resposta.
Atenção:Na ligação em paralelo, há vários caminhos que podem ser percorridos pela
corrente elétrica e todos os resistores estão submetidos à mesma tensão.
Aplicação do conhecimento:Agora que você já realizou a simulação é o momento de discutir com os
colegas de classe as questões iniciais apresentadas na problematização.
• Por que uma descarga elétrica numa tempestade ocorre num caminho
mais curto entre a nuvem e a terra?
• Por que em nossas residências não ocorre queda de tensão como nos
circuitos em série?
• Por que o brilho de lâmpadas de mesma potência numa residência
permanece o mesmo, independente do número de lâmpadas ligadas?
• Como é feita a instalação elétrica numa residência?
• Por que ao queimar uma lâmpada de um pisca pisca as outras que estão
no mesmo fio se apagam?
ATIVIDADE 5: RESISTÊNCIA EM UM FIO (2a LEI DE OHM)
Problematização inicial: Em nossa vida diária nos deparamos muitas vezes com situações em que
precisamos ligar uma extensão a rede elétrica de nossa residência, ou mesmo,
substituir algum fio danificado de aparelhos elétricos. Sabemos quais os fatores que
interferem no valor da resistência elétrica de um condutor? Temos consciência dos
riscos de usarmos muitos aparelhos ligados a uma mesma tomada, através de
dispositivos chamados “T” e de filtros de linha? Por que acontecem muitos incêndios
em residências provocados por curto circuito? O estudo da 2a Lei de Ohm permite-
nos responder a esses questionamentos.
Objetivos:
• Compreender os fatores que influenciam no valor da resistência de um
condutor.
• Perceber que resistividade é uma propriedade de cada material.
• Conhecer os riscos proporcionados por práticas inadequadas que
ocorrem com frequência no nosso dia a dia.
Sugestão de organização do tempo: 02 aulas
Conceitos principais:Resistência elétrica, resistividade, comprimento e espessura do condutor,
condutividade elétrica.
Organização do conhecimento: Acesse o simulador – Resistência em um fio, como indicado da figura 9.
Explore as chaves (ρ, L e A) no menu lateral do simulador, e observe as demais
informações no simulador. Obs: ρ (letra grega rô).
Figura 9: Resistência em um fio.
Questões:
• Defina o significado das grandezas representadas no menu lateral e
observe as suas unidades de medida.
a) ρ (Ω.m): ......................................................................................................
b) L (cm): ........................................................................................................
c) A (cm2): .......................................................................................................
• Aumentando o comprimento do fio como se comporta a resistência
elétrica desse condutor?
• Podemos considerar que a resistência é diretamente proporcional ao
comprimento do fio? Justifique.
• Como se comporta a resistência elétrica do condutor quando
aumentamos a área da sua seção reta?
• Neste caso, a resistência elétrica é diretamente proporcional ou
inversamente proporcional à área da seção reta do fio? Justifique.
• Do que depende a resistividade (ρ) de um material?
• Um bom condutor possui resistividade alta ou baixa? Explique.
Aplicação do conhecimento:Ao explorar a simulação “Resistência em um fio” você certamente adquiriu
conhecimentos físicos que proporcionarão mais segurança em várias situações do
cotidiano quanto à utilização da eletricidade. Para contextualizar esse conhecimento
elabore um pequeno texto abordando os seguintes tópicos:
• Materiais condutores usados na rede elétrica;
• Dimensionamento inadequado do fio numa edificação pode ocasionar
incêndio;
• Uso inadequado de “T” e filtro de linhas de maneira a sobrecarregar um
condutor são causa de muitos acidentes.
ATIVIDADE 6: SEMICONDUTORES
Problematização inicial: Na natureza encontramos materiais condutores de energia elétrica, assim
como, materiais isolantes, que não conduzem eletricidade. O homem no seu
processo evolutivo vem adquirindo conhecimentos e por consequência
transformando a natureza em seu benefício. É possível pela ação do homem
transformar materiais naturalmente isolantes em condutores de energia? Quais
seriam esses materiais? Quais são as aplicações imediatas se essa possibilidade for
concretizada?
Objetivos:
• Entender as formas que materiais isolantes podem ser transformados em
condutores.
• Compreender o funcionamento dos semicondutores.
• Verificar aplicações dos semicondutores.
Sugestão de organização do tempo: 03 aulas.
Conceitos principais: Carga elétrica, elétron livre, dopagem, junção PN, semicondutor.
Organização do conhecimento:Sugerimos o estudo do texto “Semicondutores” disponível no endereço:
http://www.geocities.ws/hifi_eventos/semicondutorperiodica.html.
Os estudantes, em grupo de no máximo quatro componentes, farão a leitura
do texto, fazendo apontamentos sobre os seguintes pontos:
• O que é um semicondutor?
• Quais são materiais mais semicondutores mais usados atualmente na
indústria?
• Por que naturalmente e em estado puro o silício e o germânio são
isolantes?
• Descreva as duas formas de aumentar a condutividade de materiais
semicondutores.
• O que significa dizer que um semicondutor está contaminado ou
“dopado”?
• Diferencie semicondutor dopado do tipo n e do tipo p, e apresente as
suas características.
• O que é uma junção PN?
• Diferencie polarização direta de polarização inversa e apresente as suas
características.
Após o estudo do texto e da retomada com a classe realizada pelo professor
é hora de explorar o simulador “Semicondutores”.
Acesse o simulador conforme indicado na figura 10.
Figura 10: Semicondutores.
Orientações:Sugerimos que os estudantes executem a simulação seguindo o roteiro
proposto e anotem as suas observações e conclusões referentes aos
questionamentos realizados, para posterior discussão com o professor.
Selecione a opção um dopante na aba – Segmentados, conforme indicado
na figura 11.
Figura 11: Opção do número de dopantes.
Arraste um dopante do tipo P ou N para a posição indicada no circuito.
Mude o valor da tensão aplicada ao circuito variando entre valores positivos
e negativos.
Clique em limpar dopantes e selecione a opção – Dois (2), na aba superior
direita.
Insira os dopantes P e N na ordem indicada na figura 12.
Figura 12: Polarização inversa.
Inicie a exploração da simulação com a tensão da bateria em 0 (V).
Observe o comportamento da corrente no circuito; a intensidade da força
interna e da força da bateria.
Aumente a tensão aplicada ao circuito e observe os itens anteriores.
Questões:
• Diferencie a força interna e força da bateria.
• Por que ao fazer a polarização inversa a corrente elétrica não flui pelo
circuito?
• Clique em “Limpar dopantes” e insira novamente os dopantes, porém em
ordem diferente. Repita os procedimentos efetuados anteriormente
observando e anotando as suas conclusões.
• Por que ao fazer à polarização direta a corrente elétrica flui pelo circuito?
Aplicação do conhecimento:Realize uma pesquisa na internet sobre as principais aplicações dos
semicondutores nas áreas da informática e na comunicação. Salientamos a
importância de buscar informações em sites de conteúdo confiável, portanto, a
pesquisa deve ser realizada em sites de Universidades, Revistas de publicação
científicas.
ATIVIDADE 7: EFEITO FOTOELÉTRICO
Problematização inicial: Certamente você já observou algumas vezes ao caminhar pelas ruas, que
as luzes dos postes acendem sozinhas ao escurecer e apagam ao amanhecer do
dia.
Como as luzes dos postes se acendem e se apagam sozinhas?
Objetivos: Compreender a interação da radiação com a matéria a partir da explicação
do Efeito Fotoelétrico.
Entender o funcionamento do dispositivo que faz com que as lâmpadas dos
postes acendam e apaguem com o entardecer e amanhecer.
Sugestão de organização do tempo: 03 aulas.
Conceitos principais: Elétrons, elétrons livres, fótons, tensão, frequência, comprimento de onda,
intensidade da radiação, corrente elétrica.
Organização do conhecimento:Este simulador reproduz virtualmente o experimento que demonstra o efeito
fotoelétrico. Observe que ele é constituído por duas placas metálicas, separadas
entre si e dispostas no vácuo, ligadas a uma bateria. Observe também que há sobre
o fio um amperímetro (amarelo) para medir a corrente elétrica no circuito, quando
elétrons forem arrancados da placa da esquerda para a da direita. Na parte de cima
do simulador há uma lâmpada e dois botões para controlar a intensidade da luz a
ser incidida na placa e outro alterando o comprimento de onda e por consequência a
frequência da luz emitida. Há também no circuito uma pilha para fornecer uma
diferença de potencial ao circuito.
Orientações:Acesse o simulador – Efeito Fotoelétrico indicado na figura 13.
Figura 13- Efeito Fotoelétrico.
Começamos agora explorar efetivamente o simulador e para que você se
aproprie do conhecimento físico abordado é fundamental que anote as suas
observações e conclusões sobre a atividade. Coloque uma diferença de potencial (ddp) de 2 V na bateria, essa tensão no
circuito é necessária para provocar o movimento ordenado dos elétrons arrancados
da placa pela luz.
Escolha inicialmente o sódio (sodium) como o metal a ser explorado.
Mova o botão que controla a intensidade da luz mantendo em 30% de sua
capacidade. Inicie explorando o simulador com um comprimento de onda mais baixo
(100 nm), ou seja, com a frequência da onda maior. Observe que não há elétrons
sendo arrancados da placa, pois os fótons da luz ultravioleta não têm energia
suficiente para arrancar os elétrons da placa de sódio.
Aumente a intensidade da luz ao máximo e observe se há corrente elétrica
no circuito (amperímetro).
Aumente o comprimento de onda paulatinamente e observe em que
comprimento de onda há maior incidência de elétrons sendo arrancados da placa
pela luz, observe a medida da corrente no amperímetro. Qual é a cor da luz
correspondente a este comprimento de onda?
A frequência da luz em que os elétrons começam a saltar da primeira placa
para a da direita e o amperímetro passa a registrar uma corrente é chamada de
frequência de corte. É uma constante que só depende do metal que está sendo
iluminado.
Execute a simulação explorando os metais (sódio, zinco, cobre, platina e
cálcio) disponíveis na simulação e com auxílio do(a) professor(a) calcule a
frequência aproximada de corte de cada um deles. Compare os valores obtidos com
valores tabelados e disponíveis nos livros e internet.
Tabela 8- Frequência de corte dos metais
Metal Comprimento de onda (nm) Frequência (Hz)SódioZincoCobrePlatinaCálcio
Execute a simulação usando o sódio e a intensidade da luz emitida em 30%
e ajuste o comprimento de onda na faixa dos 200 nm. Observe e registre o valor da
corrente no amperímetro que é o número de elétrons arrancados da placa por
unidade de tempo.
Passe a intensidade da luz emitida para algo em torno de 66% e verifique
como a corrente elétrica se comportou. Aumentou? Em que proporção? Triplique a
intensidade luminosa incidente na placa e observe os resultados da simulação.
TEXTO: EXPLICAÇÃO DO EFEITO FOTOELÉTRICO1
O que é o Efeito Fotoelétrico? Para compreendermos este fenômeno usaremos a
Figura 1.
Nela há um exemplo de aparato experimental do Efeito Fotoelétrico: ele
envolve duas placas condutoras ou semicondutoras, que são encerradas numa
ampola de vidro, no qual se faz vácuo. Tais placas podem ser feitas de sódio ou de
metais como alumínio, por exemplo. Ligando tudo a uma bateria, uma diferença de
potencial é estabelecida entre as placas, e ao incidirmos uma luz sobre o eletrodo
negativo, o anodo, elétrons poderão ser emitidos desta placa, e os mesmos serão
atraídos e coletados pelo eletrodo positivo, o catodo, gerando assim corrente
elétrica. Este elétron ejetado pelo fóton é chamado de fotoelétron.
Quando ocorre o Efeito Fotoelétrico? Os materiais que manifestam mais facilmente esta propriedade são o zinco,
o magnésio, o lítio, o sódio, o potássio e o rubídio. Mas em outros materiais como o
cobre, o ferro, a prata e o alumínio, também pode ocorrer o efeito fotoelétrico.
Para cada um dos materiais anteriores, vai existir uma frequência mínima da
luz incidente que conseguirá arrancar os fotoelétrons. Por exemplo, para metais
alcalinos como o sódio e o potássio, a frequência mínima, que é chamada de
frequência de corte, corresponde à da luz visível. E o número de fotoelétrons
emitidos por unidade de tempo é proporcional à intensidade da radiação incidente.
Quanto mais forte for a luz, mais fotoelétrons são arrancados.
1 Fonte: Este texto faz parte do Módulo Didático – EFEITO FOTOELÉTRICO – Elaborado por
Lucas de Paulo Lameu.
A EXPLICAÇÃO DO EFEITO FOTOELÉTRICOA Física Clássica não conseguia explicar este fenômeno, porque a teoria
explicava uma coisa e a na prática ocorria outra. Para ela quanto maior a
intensidade da luz incidente, maior seria a energia cinética, assim maior sua
velocidade. Portanto a energia cinética do fotoelétron não depende da intensidade
da luz.
Outro ponto é que se houvesse intensidade suficiente, todas as frequências
de luz arrancariam fotoelétrons, mas para ocorrer o fenômeno existe uma frequência
mínima que depende do material das placas coletoras.
O último ponto é que existiria um intervalo de tempo para que ocorra o Efeito
Fotoelétrico, mas este fenômeno é quase que instantâneo, ou seja, a radiação
incide na placa e, imediatamente, elétrons são ejetados.
A explicação correta do fenômeno foi dada por Albert Einstein (1879 –
1955) em 1905, o que lhe rendeu o prêmio Nobel em 1921. De acordo com ele,
a energia da luz, não se distribui uniformemente pelo espaço. Ele propôs a
quantização da luz, ou seja, a energia radiante é quantizada em pacotes
concentrados, que posteriormente receberiam o nome de fótons. Ele estendeu
o conceito de quantização da energia de Planck, para ondas eletromagnéticas
em geral. Assim esses pacotes de energia são como pacotes de energia (E)
que é proporcional à frequência (f) da radiação:
E = h.f h = 6,63.10-34 J.s – constante de Planck
Aplicação do conhecimento:É o momento de contextualizarmos o conhecimento apreendido. Muitos
alunos nunca se perguntaram como as lâmpadas dos postes acendem e apagam
automaticamente ao anoitecer e ao amanhecer, respectivamente. Assim como,
desconhecem que existe um sensor fotoelétrico, em cada poste, responsável pelo
acionamento automatizado (ligar/desligar) da lâmpada.
Um circuito com um relê fotoelétrico pode ser montado para facilitar a
compreensão do funcionamento das fotocélulas.
• A figura a seguir representa o circuito que aciona por meio de uma célula
foto sensível as luminárias existentes em postes de energia elétrica. Observe o
esquema e discuta com o(a) professor(a) o funcionamento deste dispositivo.
Figura 14- Relê Fotoelétrico.
Relê fotoelétrico
Relê de acionamento das luminárias dos postes de iluminação pública obtida
no site: http://static.hsw.com.br/gif/street-light-relay.jpg
Pesquise outras aplicações de células fotovoltaicas no acionamento
automático de torneiras, de portas de elevadores e de esteiras de supermercados
pela interrupção de um feixe luz que atinge a fotocélula.2
2 A atividade 7 teve como base e foi adaptada a partir do Módulo Didático elaborado por Lucas de
Paulo Lameu. Disponível em:
https://portalacademico.unifei. edu .br/files/produtoassociado/arquivos/Produto_MODULODIDATICON
OVO_lucas.pdf
REFERÊNCIAS
DELIZOICOV, D. ANGOTTI, J.A. Metodologia do ensino de ciências. São Paulo: Cortez, 1994.
DICKMAN, ADRIANA GOMES & MACEDO, ANTUNES. Simulações Computacionais Como Ferramenta Auxiliar ao Ensino de Conceitos Básicos de Eletromagnetismo. 2009. Tese de mestrado em Ensino de Física – Pontifícia Universidade católica de Minas Gerais, Belo Horizonte.
FUKE, L. F..; KAZUHITO; Y. Física para o Ensino Médio, v. 3. 1a ed. São Paulo: Saraiva, 2010.
GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA. Física 3: Eletromagnetismo/GREF - 5. ed. 3. São Paulo: Editora de Universidade de São Paulo, 2006.
LAMEU, LUCAS DE PAULO. Efeito fotoelétrico no Ensino Fundamental: Uma proposta à luz da teoria dos campos conceituais. 2014. Dissertação de mestrado do programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2014.
PARANÁ/SEED/DEB. Diretrizes Curriculares da Educação Básica/DCEs - Física. Curitiba: SEED/DEB, 2008.
PHET – INTERACTIVE SIMULATIONS. Disponível em: https://phet. colorado .edu/pt_BR/ Acesso em 10 de novembro de 2014.
VALADARES, E. C. MOREIRA, A. M. Ensinando física moderna no segundo grau: efeito fotoelétrico, laser e emissão de corpo negro. Caderno Catarinense de Ensino de Física. v. 15, n. 2, 1998.