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.

Figura 2: Física no PhET.

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.