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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física MONTAGEM EXPERIMENTAL DE UM RELÉ FOTOELÉTRICO DIDÁTICO PARA O ENSINO MÉDIO JOÃO GOMES DA SILVA BARRA DO GARÇAS MT, 2016

MONTAGEM EXPERIMENTAL DE UM RELÉ FOTOELÉTRICO …pos.cua.ufmt.br/ppgprofis/file/2017/04/TextoDissertacao_JoaoGomes... · de feras, na captura de suas presas e na defesa de seu território

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física

MONTAGEM EXPERIMENTAL DE UM RELÉ

FOTOELÉTRICO DIDÁTICO PARA O ENSINO MÉDIO

JOÃO GOMES DA SILVA

BARRA DO GARÇAS – MT, 2016

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física

MONTAGEM EXPERIMENTAL DE UM RELÉ

FOTOELÉTRICO DIDÁTICO PARA O ENSINO MÉDIO

JOÃO GOMES DA SILVA

ORIENTADOR: PROF. DR. ARIAN PAULO DE A. MORAES

Dissertação apresentada ao programa de pós-graduação do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, da Universidade Federal de Mato Grosso, Campus Universitário do Araguaia, para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.

BARRA DO GARÇAS – MT, 2016

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Dados Internacionais de Catalogação na Fonte.

Ficha catalográfica elaborada automaticamente de acordo com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).

Permitida a reprodução parcial ou total, desde que citada a fonte.

D111m da Silva, João Gomes.MONTAGEM EXPERIMENTAL DE UM RELÉ FOTOELÉTRICO DIDÁTICO

PARA O ENSINO MÉDIO / João Gomes da Silva. -- 201640 f. : il. color. ; 30 cm.

Orientador: ARIAN PAULO DE ALMEIDA MORAES.Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de

Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física emRede Nacional - PROFIS - Mestrado, Pontal do Araguaia, 2016.

Inclui bibliografia.

1. Fotocondutividade. 2. Aula Experimental. 3. Física Moderna. I. Título.

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“Cada dia sabemos mais e entendemos menos”.

Einstein

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Dedico esse trabalho a minha amada esposa Maria Carmelita, filhos e

netos.

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AGRADECIMENTOS

A Deus pelos dons disponibilizados a mim para que esse árduo

trabalho fosse concluído.

A Capes, que acreditou no sucesso desse programa de pós-

graduação.

A SEDUC-MT, que contribuiu com minha licença para qualificação

profissional.

A todos os professores do programa de pós-graduação do Mestrado

Nacional Profissional em Ensino de Física, que contribuíram com a minha

formação, seja ministrando aulas ou indicando caminhos para o

aprimoramento do trabalho.

Aos professores integrantes das bancas examinadoras (Qualificação

e Dissertação).

A professora formadora do CEFAPRO Maria Eugênia, por contribuir

com esse trabalho proporcionando material de estudos e indicando

caminhos.

A meu orientador Prof. Dr. Arian Paulo de Almeida Moraes pela

dedicação e pelo incansável trabalho.

Ao saudoso professor Emerson Ramos de Souza que contribuiu muito

com o Ensino de Física na Universidade Federal de Mato Grosso.

A comunidade da Escola Estadual Nossa Senhora da Guia, que me

apoiaram muito. A comunidade do Centro de Educação de Jovens e Adultos

de Aragarças que contribuiu para o aperfeiçoamento e conclusão deste

trabalho.

Aos colegas do Mestrado pela troca de experiências e

companheirismo.

Aos amigos Joaquim Roberto, Daniel Alves, Adriana e João Henrique.

A minha amada esposa Maria Carmelita e minha querida filha

Vithória, que foram quem mais sofreram com minhas horas diárias de

ausência em função dos estudos e do trabalho de Dissertação.

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A todos os meus familiares, que rezaram e torceram por mim. A meu

avô Eustáquio Ferreira da Silva, a minha mãe dona Nair Gomes da Silva e

ao meu pai José Ferreira da Silva.

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RESUMO

No Brasil, o ensino de Física Moderna não tem recebido a devida

importância durante o planejamento escolar, apesar de tratar-se de um

conteúdo obrigatório. Em função disso, os alunos têm apresentado

dificuldades em discutir e refletir sobre os conceitos relacionados aos

avanços tecnológicos. Podemos destacar também a pouca, ou em muitos

casos, nenhuma abordagem em aulas de práticas experimentais nas escolas

públicas. Mediante essa situação, propusemos um trabalho de montagem

experimental que viesse a ser favorável para potencializar breves debates

envolvendo um tópico de Física Moderna, a fotocondutividade. Para

atingirmos esses objetivos, utilizamos alguns aparatos experimentais: o

Sensor de Presença Invertido, o Relé Fotoelétrico Didático, (preparado pelos

alunos) confeccionados a partir de roteiros previamente elaborados e o Relé

Fotoelétrico Industrial (preparado pelo professor). Tais experimentos foram

subsidiários da montagem do Relé Fotoelétrico Didático e das discussões

que mostravam a influência da luz sobre os materiais e suas consequências

para as grandezas elétricas: corrente, tensão, resistência, resistividade e

condutividade. Evidenciamos durante o período em que as aulas foram

ministradas a efetiva participação dos alunos, tanto em relação à

assiduidade, quanto à participação nas discussões relativas às questões

problemas apresentadas. Por meio dessas ações, os alunos, em sua grande

maioria, foram capazes de formular respostas coerentes, oralmente e por

escrito. É possível perceber a contribuição das aulas experimentais para o

ensino de Física, pois possibilita aos alunos a vivência em sala de aula das

aplicações inerentes aos avanços tecnológicos.

Palavras-chave: Fotocondutividade. Aula Experimental. Física Moderna.

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ABSTRACT

In Brazil, Modern Physics teaching has not received real attention on the

school planning. Even though that this is a required content. As consquence

of this fact the most students have presented difficulties to discuss and

reflect on the concepts related to technological advances. Another substantial

problem that we can point out is that there isen't any approach into the

experimental classes in the public schools. With this in mind, we propose an

experimental assembly work that might be favorable to enhance brief

discussions involving some important topic of Modern Physics directly related

with photoconductivity. To achieve these propose, we use some experimental

apparatus: the Reverse Presence Sensor, Didactc Photoelectric Relay

(prepared by students) made from pre-prepared scripts and Industrial

Photoelectric Relay (prepared by the teacher). Such experiments were

subsidiary assembling the Didactic Photoelectric Relay and the discussions

that showed the influence of light on the material and its consequences for

the electrical parameters: current, voltage, resistance, resistivity and

conductivity. We noticed that into the classe using this new approach the

effective participation of students on the issues presented considerably

increased. Through these actions, the most of students were able to

formulate coherent oral and written responses. It is noticeable the

contribution of experimental classes for teaching physics, which allows for

students the new experience into the classroom. Moreover, the students

have a opportunity to know more about the applications inherent to

technological advances.

Keywords: Photoconductivity. Experimental Class. Modern Physics.

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SUMÁRIO

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO ...................................................................... 11

CAPÍTULO 2: FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................ 13

2.1 O ENSINO DE FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO .................... 13

2.2 A IMPORTÂNCIA DAS AULAS EXPERIMENTAIS ............................. 16

2.3 ENSINO DE FÍSICA EM UMA PERSPECTIVA CIÊNCIA,

TECNOLOGIA, SOCIEDADE (CTS) .......................................................... 19

2.4 CIÊNCIA, TECNOLOGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE (CTSA) ......... 22

2.5 TEORIA DA TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA .......................................... 23

CAPÍTULO 3: PROPOSTA .......................................................................... 26

CAPÍTULO 4: METODOLOGIA ................................................................... 28

CAPÍTULO 5: RELATOS E RESULTADOS ................................................ 30

CAPÍTULO 6: CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS ....................... 35

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 37

PRODUTO EDUCACIONAL ......................................................................... 41

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CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO

Desde o alvorecer da sociedade humana a tecnologia sempre esteve

ao lado do homem, ajudando-o na luta pela sobrevivência, no enfrentamento

de feras, na captura de suas presas e na defesa de seu território. Com

atitudes de dar novos significados para os materiais encontrados na

Natureza, o ser humano começou a ter uma diferença significativa em

relação aos outros animais, pois não poderia ser considerado um mero

repetidor e sim um inventor, um inovador. Dessa forma, tanto a tecnologia

transforma o homem, quanto ele a faz evoluir, assim, um não sobrevive sem

o outro, e ambos seriam meras abstrações com a ausência do outro

(VERASZTO; SILVA; SIMON, 2008).

Os impactos do desenvolvimento científico e tecnológico são

evidentes também nos dias atuais, pois seres que antes eram vistos como

naturais como plantas e animais, hoje não passam de artificialidades, assim,

a tecnologia e a ciência buscam juntas se apropriarem do mundo natural e

social, controlando-os, transformando-os em mercadorias de alto valor

(BAUMGARTEN 2012).

Diante da importância que a tecnologia teve e continua tendo para a

sociedade humana e meio ambiente, CARVALHO (2004), defende a

formação de uma cultura científica, por meio da participação ativa dos

alunos no processo de construção de seu conhecimento, o que de acordo

com AZEVEDO (2004), pode ocorrer de forma mais facilitada por meio de

resolução de problemas, tanto nas aulas teóricas, quanto experimentais.

Com esse modo de pensar, acreditamos que homem e tecnologia se

complementam até os dias atuais, por esse motivo a Lei de Diretrizes e

Bases da Educação Nacional- Lei n° 9.394/96 (LDBEN), os Parâmetros

Curriculares Nacionais (PCNEM) e as Orientações Curriculares do Estado

de Mato Grosso (SEDUC-MT, 2010), defendem que o ensino deve contribuir

para a formação de um cidadão com senso crítico e autonomia intelectual,

contemplando os princípios gerais sobre os quais se fundamentam o

processo produtivo e habilidades tecnológicas.

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O presente trabalho propõe desenvolver a montagem experimental de

um relé fotoelétrico com o objetivo de discutir grandezas elétricas dando

suporte para o estudo da fotocondutividade, mediante a participação ativa

dos alunos durante o processo de ensino-aprendizagem, onde se espera

que as situações problemas propostas sejam discutidas baseadas em seus

conhecimentos prévios.

No capítulo 2 deste trabalho, apresentamos uma breve revisão sobre

o ensino de Física Moderna, a importância das aulas experimentais e o

Referencial Teórico adotado.

Descrevemos no capítulo 3 desta dissertação a nossa proposta de

trabalho com os objetivos a serem alcançados mediante a aplicação desse

projeto de ensino.

No capítulo 4 apresentamos a metodologia utilizada para o

desenvolvimento do projeto, as estratégias pedagógicas e o que queremos

ensinar, buscando a consolidação do projeto de ensino.

No capítulo 5 apresentamos os relatos e resultados das discussões

provenientes das aulas experimentais que foram desenvolvidas em uma

turma do Centro de Educação de Jovens e Adultos de Aragarças.

No capítulo 6 faremos as nossas conclusões, descrevendo também

as possibilidades para futuros aprofundamentos sobre o tema.

O produto educacional está destacado na parte final da dissertação,

apresentando informações sobre a sequência de aulas, o plano de ensino e

os roteiros experimentais, contendo detalhadamente os processos de

montagem experimental, os quais serviram de ferramentas didáticas para

discutir algumas aplicações tecnológicas relacionadas com o efeito da

fotocondutividade.

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CAPÍTULO 2: FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 O ENSINO DE FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO

A proposta de inserção de conteúdos de Física Moderna no currículo

do Ensino Médio da disciplina de Física é uma realidade no Brasil desde

1996, porém, a ministração efetiva em sala de aula desses conteúdos ainda

não acontece plenamente.

Porém, em alguns países é possível encontrar exemplos/experiências

relacionados com a inclusão/ministração de conteúdos relacionados à Física

Moderna.

Na Europa o ensino de Física Moderna já é comum na estrutura de

ensino. Em países como: Portugal, Espanha, Itália e Finlândia abordam o

tema de maneira tradicional, começando com a radiação de corpo negro,

constante de Planck, efeito fotoelétrico, princípio da incerteza e dualidade

onda-partícula. Nessa abordagem geralmente o conteúdo de Física Moderna

fica para o final do Ensino Médio. Em Portugal, Física e Química, constituem

uma única disciplina durante os dois primeiros anos do Ensino Médio. O

conteúdo é abordado por meio de situações problemas do cotidiano dos

alunos, dentro de uma perspectiva da Ciência, Tecnologia e Sociedade

(CTS). A Física se desmembra da Química no último ano do Ensino Médio,

onde vinte aulas são dedicadas ao estudo da Física Moderna (Teoria da

Relatividade e Mecânica Quântica). O Reino Unido busca no interesse que

os jovens têm pelo mundo digital para ser o seu ponto de partida para o

ensino de Física no Ensino Médio. Os estudos de Quântica aparecem

primeiro que os estudos de Mecânica, sendo retomados posteriormente com

o objetivo de serem aprofundados, sem nenhuma ênfase especial. Nos

currículos da Dinamarca, Suécia e Canadá, os conteúdos de Física Moderna

estão relacionados com a modelagem e a experimentação, dando ênfase

aos impactos na sociedade e meio ambiente (LOBATO; GRECA, 2005).

Acreditamos que a proposta portuguesa não é conveniente para o

Brasil em sua integralidade, uma vez que lutamos por uma carga horária

maior e se ficássemos vinculados à outra disciplina estaríamos em

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desvantagem. A abordagem CTS, sim é plausível, se vier acrescida da

palavra “ambiente” (CTSA) porque vem ao encontro do que é proposto nos

documentos que regem e orientam o ensino brasileiro.

Em nossas séries iniciais do Ensino Médio temos um número alto de

reprovações, por esse motivo a proposta inglesa para a nossa realidade

poderia melhorar nossos índices, uma vez que passaríamos discutir temas

que os alunos lidam em seu cotidiano, e por isso, poderiam se interessar

ainda mais, o que de certa forma, é a proposta desse trabalho. Ao

deixarmos para abordar um conteúdo apenas em um momento propício,

onde gostaríamos de introduzi-lo e esgotá-lo, podemos nunca trabalhá-lo de

fato, assim, falando dele várias vezes, em níveis cada vez mais

aprofundados, poderemos ir discutindo temas e impedir que eles só tenham

contato com certos conceitos caso venham a fazer uma graduação em

Física ou em outras áreas afins.

O enfoque das aulas por meio de modelagem computacional é

possível aqui no Brasil porque a grande maioria das escolas públicas já

conta com laboratório de informática, kits multimídias, data shows e outros.

O enfoque experimental também é possível, porque a partir dele podemos

criar uma cultura científica, para que nossos alunos possam compreender o

próprio mundo que está inserido. Por esses e outros motivos existe

atualmente no Brasil uma busca incessante por alternativas didáticas viáveis

para o ensino de Física que possa cativar o aluno, mostrando suas

aplicações no desenvolvimento das novas tecnologias, procurando com isso

discutir os fenômenos, contextualizando o conhecimento e mostrando os

conceitos físicos que os sustenta. Tais alternativas têm esbarrado na

quantidade muito reduzida da carga horária semanal das aulas de Física, as

quais muitas vezes não passam de duas aulas semanais.

A Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional, LDBEN (BRASIL,

1996) dispõe sobre todo o sistema educacional brasileiro, estabelecendo

como objetivos para o Ensino Médio, aprofundar os conhecimentos

adquiridos no Ensino Fundamental proporcionando condições para que o

educando possa prosseguir seus estudos ou preparar-se para o trabalho,

por meio de uma formação ética, compreendendo de maneira autônoma os

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fundamentos científicos e tecnológicos, relacionando os conteúdos escolares

com a sua vivência cotidiana.

Os Parâmetros Curriculares Nacionais Ensino Médio, PCNEM

(BRASIL, 1998), argumentam que o ensino de Física deve contribuir para a

formação de um cidadão contemporâneo, fornecendo-lhe instrumentos, para

que possa participar de forma crítica na vida social, intervindo nela de

maneira solidária. Para isso, deseja a formação de competências, para que

o aluno possa compreender os mecanismos tecnológicos e os fenômenos

naturais.

As Orientações Curriculares do Estado de Mato Grosso dispõem que

o ensino seja capaz de articular os conhecimentos científicos e culturais,

inseridos em uma perspectiva social e histórica, buscando contribuir para a

formação de um cidadão que seja capaz de compreender a vida moderna,

com autonomia intelectual e senso crítico, de modo a contemplar os

princípios gerais sobre os quais se fundamenta o processo produtivo e as

habilidades tecnológicas (SEDUC-MT, 2010).

O Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF)

procura dar a sua contribuição capacitando professores de Física da

Educação Básica, em conteúdos e abordagens modernas que envolvam as

novas tecnologias e experimentos, buscando com isso desenvolver um

trabalho coeso com as aspirações da LDBEN, PCNEM e SEDUC-MT.

No Centro de Educação de Jovens e Adultos de Aragarças

reformulamos constantemente o nosso projeto Político Pedagógico e nossa

ementa, tomando sempre como base o Currículo Referência da Rede

Estadual de Educação de Goiás (SEDUCE-2013) e quais contribuições os

conteúdos elencados podem dar aos cidadãos que queremos formar.

O Ministério da Educação e Cultura (MEC) lançou em 2015 a Base

Nacional Comum Curricular (BNCC), em parceria com professores de todas

as áreas do Brasil, visando garantir que os alunos das diferentes instituições

de ensino do Brasil tivessem um padrão de conteúdos comuns. Isso garante,

segundo o Ministério da Educação e Cultura (MEC), que os currículos

diferenciados que têm a pretensão de ajudar a formar um cidadão de acordo

com sua filosofia, não sofram com as influências dos livros didáticos e dos

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exames pré-vestibulares. A novidade para a Física foi a compactação dos

conteúdos clássicos até a 2ª série do Ensino Médio e a introdução do

conteúdo de Mecânica Quântica na 3ª série do Ensino Médio. A BNCC será

concluída a partir de 2016 e sua implementação efetiva deve ocorrer a partir

do ano de 2017.

Atualmente, motivados pelo Mestrado Nacional Profissional em

Ensino de Física, espera-se que professores sejam encorajados a

trabalharem tópicos de Física Contemporânea no Ensino Médio, buscando

romper com o comodismo e inaugurando uma nova era no ensino de Física

no Brasil fugindo da obsolência e inovando, o que é também a proposta

desse trabalho.

2.2 A IMPORTÂNCIA DAS AULAS EXPERIMENTAIS

De acordo com GASPAR (2005), Piaget defende que as estruturas

intelectuais das crianças são construídas por meio de seu contato com o

ambiente que está inserido. Assim, deixa como proposta para as aulas

experimentais a criação de experimentos que gerem conflitos cognitivos para

os alunos, apressando a formação de estruturas cognitivas que ainda não

tem.

Segundo MOREIRA (2011), para a teoria da mediação de Vygotsky, o

aluno é um ser social, histórico e cultural, e é a partir desse contexto

sociocultural que ocorre o seu desenvolvimento cognitivo, por meio da

internalização das relações sociais e conversão dessas em funções mentais.

As interações sociais (como brincadeiras, trabalho, ensino formal ou

informal, aulas experimentais e outras) que vão provocar o desenvolvimento

cognitivo devem ser estimuladas dentro da “zona de desenvolvimento

proximal” do aluno, que é a distância entre a capacidade de realizar sozinho

e o potencial de aprender algo que ainda não sabe com o auxílio de um

parceiro mais capaz, que pode ser o professor ou mesmo um colega.

Em concordância com a Teoria do Construtivismo a ocasião mais

adequada para a aprendizagem de conceitos científicos é o ensino formal

(ensino escolar), que vai ocorrer de maneira mais satisfatória por meio de

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interações sociais. Assim, tanto o ensino teórico, quanto experimental, será

melhor quanto mais interações sociais for capaz de promover e nenhum é

superior ao outro. Para a realização de atividades experimentais, o aluno

deverá interagir com um parceiro mais capaz, o professor, ter clareza de

quais perguntas deve responder e as respostas pretendidas, sendo capaz de

compreender todo o processo (GASPAR, 2014).

Diversas teorias imersas em uma perspectiva construtivista começam

a entender que os alunos têm maneiras muito particulares no momento de

resolver determinado problema e que a forma de encontrá-las é que talvez

não seja adequada. Assim, cabe ao professor identificar como é que o

educando pensa a respeito de determinado fenômeno e qual caminho

cognitivo ele percorre para tentar resolver determinado problema e interferir

de maneira correta fazendo com que esse conceito prévio evolua para um

conceito científico. Segundo MORTIMER (2006) essas teorias têm dois

pontos em comum, os conhecimentos prévios dos alunos e sua participação

ativa no processo de aprendizagem.

Para CARVALHO (2010) as aulas experimentais contribuem

significativamente para uma enculturação científica, principalmente quando

seguem as etapas:

I. Superar as concepções empíricos-indutivistas da ciência - as

quais acreditavam que os alunos poderiam chegar aos

princípios e leis através da observação dos fenômenos. O que

se propõe é que todo o trabalho experimental tenha como base

sólida os conhecimentos prévios dos alunos.

II. Promover a argumentação dos alunos - é preciso dar vez e voz

para os alunos, para que eles possam reformular sua

linguagem e apossar da linguagem da ciência.

III. Incorporar as ferramentas matemáticas - analisar os

fenômenos primeiramente de forma qualitativa e depois

quantitativamente para incorporar a linguagem matemática

para a um fenômeno físico.

IV. Transpor o novo conhecimento para a vida social - relacionar o

trabalho experimental com o contexto social que se encontra

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inserido, sendo capaz de generalizar e aplicar o tema

estudado.

Segundo AZEVEDO (2004), uma opção para o ensino é apresentar

as aulas teóricas e experimentais via resolução de problemas, de modo que

não exista diferença metodológica entre uma e outra, com isso, evitando que

os alunos tenham uma visão deformada da ciência. Assim, as aulas com

lápis e papel, a exemplo das experimentais deverão realizar-se por meio da

resolução de problemas.

Com o objetivo de falarmos sobre questões problemas no ensino

de Física, veremos dois tipos de situações, segundo AZEVEDO (2004):

I. Questões abertas - são situações problemas propostas para os

alunos, as quais estão relacionadas ao seu dia a dia ou aos

seus conhecimentos prévios (domínio da leitura e escrita,

linguagem científica, conhecimento de conceitos acerca de

fenômenos naturais), onde eles vão utilizá-los para o

levantamento de hipóteses e realizar uma defesa consistente

do seu ponto de vista;

II. Problemas abertos - são questões mais gerais, apresentadas a

um grupo ou à classe, neles, não são levados em questão não

apenas os conceitos, mas também os resultados, que devem

ser expressos por meio de expressões matemáticas.

Nessa concepção de problematizar as aulas de laboratório,

AZEVEDO (2004), sugere que uma atividade experimental seja de

“Laboratório Aberto”, onde a resposta da questão problema seja respondida

pela experiência em seis etapas:

1. Proposta do problema - que é uma pergunta inicial para

estimular a curiosidade, estimular discussões.

2. Levantamento de hipóteses - onde os alunos já fizeram uma

resposta inicial para o problema, agora julgarão quais serão

examinadas em grupo.

3. Elaboração do plano de trabalho - formação de diversos grupos

para testar as diversas hipóteses levantadas.

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4. Montagem experimental e coleta de dados - coleta de dados

seguindo o plano de trabalho e manipulação dos experimentos

pelos alunos.

5. Análise dos dados - construção de gráficos e tabelas, utilização

da informática, se necessário, uso da matemática.

6. Conclusão- formalização de uma resposta ao problema inicial.

Resultados obtidos por Hernandes, Clement e Terrazzan e publicados

com o título: Uma Atividade Experimental Investigativa de Roteiro Aberto

Partindo de Situações do Cotidiano, mostrando a importância das aulas

experimentais para o ensino de Física, principalmente quando elas contêm

atividades investigativas e que partam de situações do cotidiano. Além disso,

endossam o fato de serem de roteiros abertos com o intuito de atender as

exigências do Ensino Médio, promovendo uma alfabetização científica e

fugindo do velho “livro de receitas”.

2.3 ENSINO EM UMA PERSPECTIVA: CIÊNCIA, TECNOLOGIA,

SOCIEDADE (CTS)

De acordo com NASCIMENTO (2004), ciência é construção humana e

histórica do conhecimento sobre a Natureza, que se desenvolve permeada

por:

I. Uma diversidade de métodos e paradigmas;

II. Por constantes reformulações;

III. Por decisões políticas, aspectos sociais e opções individuais

dos cientistas.

RAMOS, Apud. (QUELUZ; MERKLE, 2004) define tecnologia como

um conjunto de instrumentos, utensílios e objetos materiais criados pelo

homem a partir do domínio dos insumos naturais, os quais são modificados,

visando atender suas necessidades e objetivos.

Segundo BAUMGARTEN (2012), o ser humano, hoje em dia

transforma não apenas a paisagem, mais também os outros seres vivo,

como citado abaixo.

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O mundo atual é um mundo pleno de artificialidades. Mesmo seres vivos que apresentam a nós como naturais, tais como, carneiros, vacas, galinhas, árvores frutíferas são, na verdade, artificialidades criadas por nós humanos. São resultado da ação humana sobre a natureza, de estudos e práticas de intervenção que se vêm desenvolvendo há muitos anos. (BAUMGARTEN, 2012, P.91).

O agente causador de todas essas transformações é o ser humano,

através de sua intervenção no meio natural, que por meio de conhecimentos

e técnicas adequadas criam utensílios, objetos e meios materiais para

satisfazer suas necessidades e objetivos (RAMOS, Apud. QUELUZ;

MERKLE, 2012).

Analisando os impactos da ciência e da tecnologia sobre a sociedade

do ponto de vista da Sociologia, BENAKOUCHE (2012), sugere-se que

sejam levados em consideração três pontos:

I. Estudo dos riscos.

A análise de risco feita sob a perspectiva das ciências exatas tem

uma maior confiabilidade não somente por pesquisadores dessa área como

parte do público leigo, porém, quando se inclui determinantes sociais nessa

análise poderíamos encontrar respostas mais precisas a questões

semelhantes a “quanto é o suficientemente seguro?”. Dessa forma, admite

que os estudos dos riscos possam ser realizados pelas ciências exatas e

também ciências sociais.

II. Participação pública na ciência.

A partir da década de 1970, surgiram na Europa os movimentos

sociais que protestavam contra a produção de energia nuclear, colocando

em xeque o caráter positivo das inovações tecnológicas.

Voltados, inicialmente, apenas para ações de protestos, esses movimentos foram evoluindo para um questionamento para o uso das ciências e das técnicas e, posteriormente, para demandas de participação social em atividades de pesquisa, até então restritas aos laboratórios e instituições acadêmicas. Ou seja, a dicotomia saber perito-saber leigo, no dizer de GIDDENS (1991), passou a ser contestada. Ou, para usar a terminologia de IRWIN (1994), foi-se forjando uma ciência-cidadã (BENAKOUCHE, 2012, P.21).

III. Formação para a prática da ciência e inovação tecnológica.

Promover um ensino que seja capaz de formar um cidadão crítico,

capaz de ler e interpretar um texto, utilizar as ferramentas matemáticas

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básicas e por meio da Sociologia, Ciência Política ou Antropologia, avaliar os

riscos de uma nova tecnologia de forma equilibrada, negociar uma inovação

com atores sociais e propor políticas de inovação tecnológica.

A ciência e tecnologia forma atualmente um binômio indissociável, a

tecnociência, onde o conhecimento e a técnica de transformação dos

insumos naturais permitem o seu controle e a intervenção na própria

sociedade.

O objetivo da tecnociência é conhecer e transformar o mundo, é apropriar-se do mundo natural (e também social) e controlá-lo. Uma forma muito característica dessa forma de produzir conhecimento é a empresarialização crescente da atividade científica (ECHEVERRIA, 2003). A tecnociência vai se transmutando em mercadoria de alto valor e se insere progressivamente no cotidiano das sociedades, na estrutura de poder das sociedades, nas suas matrizes simbólicas (ALBAGLI, 1999). (BAUMGARTEN, 2012, P.88).

Os novos desafios de se ensinar ciências dependem do professor em

abandonar a visão enciclopedista do ensino, onde o aluno é tido como um

mero espectador e receptáculo de conteúdos.

Carvalho defende a importância na ênfase ao conteúdo e a

importância ao processo de ensino, buscando uma maior integração entre os

indissociáveis: Ciência/Tecnologia/Sociedade (CTS) (CARVALHO, 2004),

porque toda ação do ser humano para transformar os insumos naturais em

bens para sua alimentação, conforto e comodidade impacta em primeiro

lugar o ambiente natural e também por último, quando descartamos de

alguma forma os produtos utilizados.

Um ensino que vise à aculturação científica deve ser tal que leve os estudantes a construir o seu conteúdo conceitual participando do processo de construção e dando oportunidade de aprenderem a argumentar e exercitar a razão, em vez de fornecer-lhes respostas definitivas ou impor-lhes seus próprios pontos de vista transmitindo uma visão fechada das ciências (CARVALHO, 2004, P.3).

O papel do professor nessa concepção de ensino (CTS) de acordo

com CARVALHO (2004) é:

Encorajar os alunos para exporem suas concepções espontâneas

que, dando-lhes voz, para que eles adquiram segurança e

intimidades com as práticas científicas;

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Criar um ambiente para as discussões em grupo e reflexões

sobre os fenômenos;

Auxiliar os alunos a reconhecer às afirmações contraditórias;

Mediar o diálogo entre as decisões tomadas em grupo;

Auxiliar os alunos a reformularem seus conceitos para que eles

possam evoluí-los para conceitos científicos, reformulando

também a sua linguagem param uma linguagem científica.

Nesse processo de ensino e aprendizagem é de grande importância a

participação dos alunos na construção de seu conhecimento, assim, o

processo de ensino passa a ser muito valorizado, buscando com isso a

formação de uma cultura de ciências.

2.4 CIÊNCIA, TECNOLOGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE (CTSA)

O marco inicial para o ensino dentro de uma proposta da Ciência,

Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA) são os saberes próprios da

ciência e da tecnologia onde a sociedade e o ambiente servem de fontes

geradoras de temas e/ou de situações problemas que serão investigados de

modo que se possa tomar uma decisão, atribuir-lhes juízo de valor, e, dessa

forma, chegar a uma solução (RICARDO, 2007).

As disciplinas escolares têm seus conteúdos elencados nos

documentos oficiais enquanto a tecnologia não tem nenhum conteúdo, por

esse motivo, após a comunidade escolar optar por trabalhar dentro de uma

proposta de educação CTSA deve também definir quais conteúdos

tecnológicos devem ser transpostos para o contexto escolar.

Espera-se que uma educação CTSA seja capaz de proporcionar:

I. Um saber fazer, que é o conhecimento sistematizado;

II. Os modos de fazer, que são os processos;

III. As coisas feitas, que são os produtos, resultado final dos itens: I e

II.

Esses três elementos irão transformar o ambiente natural e o

sociocultural, porque por meio deles será possível:

Aproximar os conteúdos escolares da realidade dos alunos;

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Contribuir para a formação de um aluno capaz de utilizar de forma

consciente a ciência e a tecnologia;

Compreender os aspectos sociais e humanistas envolvidos na

produção científica e tecnológica;

Promover uma alfabetização científica e tecnológica.

2.5 TEORIA DA TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA

Inicialmente o conceito de Transposição Didática foi formulado por

Michel Verret em 1975, e posteriormente foi retomado por Ives Chevallard,

em 1980, em um contexto mais específico, fazendo a partir desse conceito a

formulação da Teoria da Transposição Didática (BROCKINGTON, 2005).

Chevallard, analisou a transformação do conhecimento, desde sua

produção pela comunidade científica, passando pelos livros didáticos e

materiais instrucionais até chegar na sala de aula e consequentemente ser

ensinado aos alunos.

O conhecimento puro em sua essência, ou seja, aqueles utilizados

pelos cientistas Chevallard chamou-o de “Saber Sábio”. Cada autor de um

livro didático se apossa do “Saber Sábio” e o transporta para o seu livro,

porém, o resultado nunca é igual ao que saiu do laboratório na sua forma

original, pois para ser mais acessível, o autor utiliza uma linguagem mais

amigável para que os alunos e professores possam compreendê-la mais

facilmente. A esse novo saber, Chevallard chamou de “Saber a Ensinar”.

Todo professor tem uma maneira própria de expor seu conteúdo,

dessa forma, Chevallard afirma que o conhecimento sofre uma nova

modificação, pois o “Saber a Ensinar” não é o que chega em sala de aula,

porque sofre a influência da didática do professor, assim, surge um novo

saber, o “Saber Ensinado”, que representa aquele que chega de fato aos

estudantes após sofrer sucessivas transformações.

Esses saberes se inter-relacionam dentro do contexto social não

apenas de acordo com o binômio professor/aluno, mais também nas

perspectivas imersas:

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I. No Sistema Didático - que é o contexto escolar (a escola ou a

própria sala de aula);

II. No Sistema de Ensino - que é a rede de escolas ou a rede

instituições de ensino que fornecem as diretrizes de

funcionamento dos Sistemas Didáticos;

III. Na Noosfera - que são as pessoas com ou sem mandatos e

instituições que influenciam o Sistema de Ensino. Políticos,

Sindicatos, Secretarias de Ensino, Ministério da Educação,

profissionais da educação, pesquisadores em ensino, pais e

alunos.

É na Noosfera que irão negociar os diversos conflitos de interesses e

onde serão buscadas soluções para eles, pois ela influencia o Sistema de

Ensino e esse normatiza o funcionamento do Sistema Didático.

De acordo com ALMEIDA (2007), essas modificações dos saberes

podem ser interpretadas como um facilitador, enquanto o aluno constrói o

seu conhecimento formal:

É preciso que haja uma transmutação dos conhecimentos para uma linguagem mais próxima daquela usada pelos alunos. Os alunos possuem um código de linguagem que precisa ser respeitado. Assim, antes de interferir em um código novo, é necessário lembrar das variações linguísticas, das variações dos níveis de linguagem e do tempo que o aluno precisa ter para absorver o código mais formal (ALMEIDA, 2007, P.46).

Dessa forma, ao modificar os saberes, é possível colocar ao alcance

dos alunos uma linguagem mais próxima de sua realidade, o que não

significa um empobrecimento do conteúdo ensinado, e sim uma forma de

torná-lo mais amigável.

Essa ideia que traz a Teoria da Transposição Didática que os saberes

assumem formas diferentes de acordo com os patamares (saber sábio;

saber a ensinar ou saber ensinado) que se encontram, sugere a ideia de

simplificação do conhecimento, o que segundo PINHO ALVES Apud.

SIQUEIRA (2006), tal visão de simplificação é equivocada e não reflete o

complexo processo de transformação dos saberes.

Segundo BROCKINGTON (2005), a simplificação dos saberes levam

os alunos a obstáculos ainda maiores para aprenderem, pois na vida real

eles nunca deparam com situações exatamente iguais àquelas idealizadas

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em sala de aula, dessa forma, eles nunca vão de fato aplicarem o que

estudam e tais conhecimentos ficam restritos aos livros didáticos. Essas

simplificações não têm nada a ver com a modelagem de situações reais pela

Ciência, pois elas são consideradas muito importantes, tanto para a Ciência,

quanto para o ensino.

Buscando selecionar aqueles saberes que possam permanecer e

contribuir com a comunidade escolar, ASTOLFI Apud. SIQUEIRA (2006)

criou cinco regras para a transposição didática:

I. Modernizar o saber escolar - que é incorporar os novos

saberes utilizados pela indústria ou pelas descobertas

científicas recentes às salas de aulas;

II. Atualizar o saber escolar - é eliminar certos saberes da grade

curricular, pois eles já estão incorporados ao senso comum;

III. Articular o saber novo com o antigo - a introdução de um novo

saber deve sempre ser articulada com outro, que deve fazer

parte de seus conhecimentos prévios;

IV. Transformar um saber em exercícios e problemas - um saber

que pode ser transformado em exercícios e problemas é

considerado de grande importância para sua presença em sala

de aula;

V. Tornar um conceito mais compreensível - espera-se que o

professor crie condições que facilite a aprendizagem de

conceitos pelos alunos, pois ao fazer a transposição didática

estará oferecendo uma linguagem mais acessível.

Para CHEVALLARD Apud. BROCKINGTON (2005) para garantir o

sucesso do ensino, é preciso aproximar dois domínios epistemológicos

diferentes: “Ciência e sala de aula”, com isso, combatendo a simplificação

excessiva e tornando as salas de aulas mais atraentes para os alunos, uma

vez que as situações problemas ali tratadas estarão mais próximas da

realidade.

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CAPÍTULO 3: PROPOSTA

O ensino de Física Moderna pode contribuir de maneira significativa

para que os alunos possam discutir e compreender as novas tecnologias e

os fundamentos científicos que as sustentam.

O efeito da fotocondutividade é o princípio do funcionamento dos

relés fotoelétricos. Esses aparelhos são muito práticos, pois possuem um

sensor de luminosidade que desliga o sistema quando é iluminado pela luz

solar (ou qualquer outra luz), contribuindo muito para a economia de energia

elétrica. Ao cessar a incidência de luz sobre o relé fotoelétrico ao anoitecer

ou por causa de mau tempo, o sistema liga, acendendo a lâmpada,

proporcionando com isso segurança para as pessoas.

É recorrente nas escolas a seguinte pergunta: “Para que serve isso?”.

Tal pergunta significa que nem tudo que se ensina na escola desperta o

interesse do aluno, porque ele não vê uma conexão entre determinados

conteúdos e o mundo real. Por esse motivo, este trabalho procura introduzir

um assunto mostrando uma aplicação tecnológica que faz parte do dia a dia

dos alunos.

Trabalhar no Ensino Médio o efeito da fotocondutividade é um

desafio, pois queremos introduzir um conteúdo de Física Moderna com uma

aplicação tecnológica por meio de uma abordagem experimental. Por isso

buscaremos desenvolver as aulas experimentais com materiais de baixo

custo que podem ser adquiridos com as verbas do Plano de

Desenvolvimento da Escola (PDE), se assim a comunidade escolar julgar

necessário. O sucesso dos objetivos que serão estabelecidos a seguir

necessita da articulação entre os vários componentes do produto

educacional (roteiros experimentais, sequência de aulas e plano de ensino).

Assim, o objetivo geral dessa proposta é elaborar o roteiro

experimental para a montagem do Relé Fotoelétrico Didático.

Os objetivos específicos dessa proposta são:

Elaborar uma sequência de aulas para a compreensão das

grandezas elétricas necessárias ao entendimento do fenômeno

condutividade;

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Construir um plano de ensino para a ministração das aulas

experimentais;

Demonstrar experimentalmente e explicar a ocorrência do

efeito da fotocondutividade;

Elaborar um questionário para reforçar a aprendizagem.

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CAPÍTULO 4: METODOLOGIA

Apresentamos neste capítulo a metodologia, apresentada na Figura 1,

empregada para a aplicação do projeto de ensino proposto por este trabalho

no Centro de Educação de Jovens e Adultos de Aragarças (Aragarças- GO).

Figura 1. Diagrama Ilustrativo do Projeto de Ensino

Fonte: Próprio autor

O Centro de Educação de Jovens e Adultos de Aragarças situa-se na

Avenida Getúlio Vargas, 826, na cidade de Aragarças - GO, atendendo do 1°

ao 6° Semestre do Ensino Fundamental (que corresponde do 6° ao 9° ano

do Ensino Regular) e do 1° ao 4° Semestre do Ensino Médio (que

corresponde da 1ª a 3ª série do Ensino Regular). Atendemos também ao

Ensino Médio técnico (Técnico em Panificação) e uma extensão no Sistema

Prisional.

Desenvolvemos o nosso projeto de ensino em uma turma do 4°

Semestre do Ensino Médio (2016/1), em seu primeiro bimestre, no período

noturno, a qual contava com dezessete alunos matriculados e frequentes.

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A nossa proposta é trabalhar as grandezas elétricas e a

fotocondutividade em uma perspectiva do movimento Ciência, Tecnologia,

Sociedade e Ambiente (CTSA), mediante uma montagem experimental para

demonstrar uma aplicação tecnológica, e apresentar os impactos na

sociedade e consequentemente no meio ambiente.

A Teoria da Transposição Didática admite a transformação dos

saberes de modo que ele fique mais compreensível. Assim, por meio das

aulas expositivas e com auxílio dos experimentos propostos, das questões

problemas e do Questionário queremos tornar isso possível.

Além dos diversos experimentos (Experimento do Sensor de

Presença Invertido, Relé Fotoelétrico Industrial e Relé Fotoelétrico Didático),

utilizaremos a simulação virtual PHET e o software MultiSIM BLUE. Esses

recursos didáticos serão articulados de acordo com o Produto Educacional:

Plano de Ensino (Apêndice A), roteiros experimentais (Apêndices B, C e D),

Questionário (Apêndice E) e Componentes eletrônicos (Anexo A).

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CAPÍTULO 5: RELATOS E RESULTADOS

Neste capítulo apresentaremos os relatos e resultados referentes às

aulas ministradas durante a aplicação e implementação do produto

educacional proposto.

Com o intuito de proporcionarmos aos alunos os conhecimentos

necessários para o entendimento das discussões envolvendo a montagem

experimental do Relé Fotoelétrico Didático, se fez necessário a abordagem

de alguns conceitos físicos que estão propostos na Sequência de Aulas, no

apêndice A deste trabalho.

Foi realizada uma revisão sobre a estrutura da matéria, desde o

modelo atômico idealizado por Demócrito até o átomo de Bohr.

Em sequência apresentamos o conceito (intuitivo) de carga elétrica, o

princípio de conservação da carga elétrica, assim como a quantização da

carga elétrica. Discutiu-se a intensidade da força elétrica de interação entre

cargas elétricas, e a influência dessas cargas em seu entorno.

Para atingir nossos objetivos se fez necessário o estudo das

grandezas elétricas como: corrente elétrica (intensidade, tipos e efeitos),

diferença de potencial, resistência, resistividade, condutividade, e

posteriormente a variação da condutividade elétrica, conforme o Plano de

Ensino que se encontra no apêndice A deste trabalho.

Começamos o nosso trabalho experimental com a seguinte pergunta

inicial: “Como as lâmpadas dos postes de iluminação pública acendem?”.

Muitos alunos sabiam a resposta e outros não. Apresentamos a eles o Relé

Fotoelétrico Industrial. Eles perceberam que a presença da luz desligava a

lâmpada e que com o bloqueio da luz, a lâmpada acendia. O roteiro

experimental do Relé Fotoelétrico Industrial pode ser útil para discutir as

questões problemas nele contidas, caso o professor assim julgar, porém, o

utilizamos (Relé Fotoelétrico Industrial montado) apenas para dar suporte

para a pergunta introdutória e mostrar como ele é e entenderem sua

importância na economia de energia elétrica.

Os alunos visualizaram o interior do relé fotoelétrico magnético com

contatos normalmente fechados (NF) e viram a atração magnética da bobina

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sobre a chave abrindo os contatos e desligando a lâmpada quando a luz

incidia sobre o LDR. Com o bloqueio da luz sobre o LDR cessava a atração

magnética da bobina sobre a chave, fazendo com que a chave voltasse ao

seu ponto inicial, fechando os contatos e ligando a lâmpada.

Enfim, chegamos ao objetivo central desse trabalho, que é a

montagem experimental do Relé Fotoelétrico Didático, que tem como um

dos objetivos demonstrar experimentalmente uma maneira de como ocorre a

variação da condutividade elétrica e sua aplicação em nosso dia a dia.

A montagem do Relé Fotoelétrico Didático foi baseada no roteiro

experimental proposto no apêndice B. Os alunos foram orientados a

trabalharem em grupo para a realização do experimento, lembrando que foi

dada uma ênfase na apresentação dos materiais utilizados e em suas

respectivas funções. O resultado foi satisfatório porque os grupos

conseguiram, em grande maioria, concluir a montagem do experimento.

Após a montagem do Relé Fotoelétrico Didático, os alunos

conseguiram compreender, a exemplo do Relé Fotoelétrico Industrial, que a

incidência ou não da luz sobre o LDR está relacionado ao fato de acender ou

apagar o LED.

Através das questões problemas foi possível concluir que os alunos

perceberam que apesar do LED do Relé Fotoelétrico não estar aceso havia

uma corrente elétrica no circuito, essa conclusão baseou-se no fato de que o

circuito estava ligado a uma bateria.

Outro ponto debatido dentro das questões problemas foi “Qual é o

caminho tomado pela corrente elétrica quando o LED não está aceso?”.

Para auxiliar na construção do caminho percorrido pela corrente elétrica foi

utilizado o esquema da Figura 2, a qual ilustra o seu sentido real.

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FIGURA 2. Circuito do Relé Fotoelétrico Didático de acordo com o sentido real da

corrente elétrica

Fonte: Próprio autor

A resposta apresentada pelos alunos foi que o caminho percorrido

pela corrente elétrica seria o trajeto indicado pelas setas vermelhas de

acordo com a Figura 3, isso foi verificado nas discussões sobre a variação

da resistência do LDR (que varia da ordem de mega-ohms para algumas

dezenas de ohms na presença de luz, verificado experimentalmente pelos

alunos) e na polarização direta do LED.

Os alunos observaram experimentalmente que na ausência de luz a

resistência do LDR sobe de algumas dezenas de ohms para a ordem de

mega-ohms, dessa forma, a corrente elétrica é bloqueada, fazendo agora o

percurso indicado pelas setas verdes (visualizar Figura 3), contribuindo para

a polarização direta do LED, e como consequência, acendendo-o.

FIGURA 3. Circuito do Relé Fotoelétrico Didático indicando os possíveis caminhos

para a corrente elétrica

Fonte: Próprio autor

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Durante a discussão inicial da explicação física sobre a influência da

incidência ou não da luz sobre o LDR os alunos notaram que a variação da

resistência têm consequências diretas nas variações da resistividade e

condutividade (medidas indiretas). Neste momento os alunos, perceberam

que a intensidade da condutividade elétrica do LDR aumenta com a

presença de luz e diminui com a ausência de luz sobre o LDR, concluindo

assim, que é possível variar o valor da intensidade da condutividade elétrica

com a incidência de luz, cujo fenômeno é conhecido como

fotocondutividade.

Com o auxílio da simulação virtual, ilustrada na Figura 4, sobre a

condutividade em um semicondutor utilizando o applet conductivity,

desenvolvido pelo PHET- Physics Educational Technology, cujo acesso

pode ser feito através do Link:

https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/conductivity, foi possível discutir a

nível microscópico como se dá a variação da condutividade elétrica. O uso

da simulação computacional também contribuiu para o entendimento da

interação da luz (fóton) com o semicondutor (LDR) e teve papel significativo

para a compreensão da definição de fóton. Por meio da simulação foi

possível visualizar e conceituar a banda de valência, a banda de condução e

os elétrons de condução.

FIGURA 4. Simulação virtual da fotocondutividade

Fonte: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/conductivity.

Descrevemos também o formalismo matemático relacionado a

intensidade do valor da energia da radiação luminosa (fóton), onde a energia

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é dependente exclusivamente da frequência da luz e por consequência do

seu comprimento de onda.

Utilizamos o software MultiSIM BLUE para apresentar o circuito do

ponto de vista técnico e reforçar a aprendizagem. Os alunos perceberam a

influência dos efeitos provocados pelo aumento ou diminuição da

resistência, resistividade e condutividade elétrica (simulando uma situação

na ausência ou na presença de luz) sobre o “caminho” a ser percorrido pela

corrente elétrica nos diversos ramos do circuito. A utilização do software

MultiISIM BLUE possibilitou mostrar que o transístor BC548B atua como

uma chave de liga-desliga, permitindo que a corrente elétrica possa fluir

também no sentido coletor-emissor, de modo a acender o LED.

FIGURA 5. Circuito do Relé Fotoelétrico Didático de acordo com o sentido convencional da corrente elétrica

Fonte: Próprio autor.

O questionário aplicado ao final do trabalho contribuiu para os alunos

refletirem sobre o tema estudado e reforçar sua aprendizagem, pois abrange

conceitualmente todo o conteúdo estudado.

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CAPÍTULO 6: CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS

As informações contidas no roteiro experimental proposto foram

suficientes para o sucesso da montagem experimental do Relé Fotoelétrico

Didático.

Os alunos observaram os fenômenos e a partir de conhecimentos de

seu cotidiano, como brincadeiras, cursos técnicos, lazer ou conhecimentos

escolares, formularam conjecturas e testaram hipóteses para resolverem as

situações problemas propostas, com isso, confrontaram suas próprias

concepções espontâneas com os dados experimentais, deixando explícitos

os caminhos cognitivos em suas tentativas de responder oralmente ou por

escrito às situações problemas apresentadas, o que foi bastante produtivo,

porque nesse ponto abriu uma possibilidade de interferência para que seus

conceitos fossem aperfeiçoados e evoluíssem para aqueles atualmente

aceitos pela ciência. As respostas apresentadas diante das situações

problemas foram satisfatórias, lembrando que elas não foram colocadas de

maneira aleatória, mais sim intencional, de modo que a resposta

apresentada diante de um questionamento contribuísse na solução da

situação posterior.

Ficou visível a contribuição proporcionada pela realização de uma

aula experimental nas aulas de Física, pois ela constitui como fator

motivacional importante para os alunos, proporcionando uma possibilidade

de crescimento e aprendizagem também para o professor, no seu trabalho

de planejamento dos experimentos e expectativas dos resultados.

Os experimentos possibilitaram aos alunos vivenciarem na prática a

aplicação de conceitos físicos no desenvolvimento tecnológico trazendo

resposta a algumas indagações feitas pelos alunos em relação ao

funcionamento de alguns dispositivos presentes em seu dia a dia.

O diferencial deste trabalho foi a possibilidade da abordagem de

algumas grandezas físicas (corrente elétrica, resistência elétrica,

condutividade), que é integrado ao estudo de Eletricidade, em conjunto com

uma abordagem moderna sobre a radiação luminosa (luz), contribuindo

assim, para a discussão sobre a ocorrência do efeito da fotocondutividade.

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Com o objetivo de se ter uma maior compreensão sobre a

condutividade elétrica sugerimos a utilização de um texto complementar

sobre esse efeito em materiais sólidos, mostrando a influência do

ordenamento dos átomos em materiais condutores, semicondutores e

isolantes em sua condutividade elétrica.

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PRODUTO EDUCACIONAL

MONTAGEM EXPERIMENTAL DE UM RELÉ

FOTOELÉTRICO DIDÁTICO PARA O ENSINO MÉDIO

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SUMÁRIO

APRESENTAÇÃO .......................................................................................... 1

PLANEJAMENTO ........................................................................................... 1

AULA 1 ........................................................................................................... 4

AULA 2 ........................................................................................................... 4

AULA 3 ........................................................................................................... 5

AULA 4 ........................................................................................................... 5

AULA 5 ........................................................................................................... 6

AULA 6 ........................................................................................................... 6

AULA 7 ........................................................................................................... 7

AULA 8 – 14 ................................................................................................... 7

APÊNDICE A: PLANO DE ENSINO ............................................................... 8

APÊNDICE B: ROTEIRO EXPERIMENTAL DO RELÉ FOTOELÉTRICO

DIDÁTICO ..................................................................................................... 15

APÊNDICE C: ROTEIRO EXPERIMENTAL DO SENSOR DE PRESENÇA

INVERTIDO .................................................................................................. 25

APÊNDICE D: ROTEIRO EXPERIMENTAL DO RELÉ FOTOELÉTRICO

INDUSTRIAL................................................................................................. 29

APÊNDICE E: QUESTIONÁRIO ................................................................... 35

ANEXO A: COMPONENTES ELETRÔNICOS ............................................. 37

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1

APRESENTAÇÃO

Ao professor,

Este material é composto pelo planejamento de sete aulas de

cinquenta minutos cada, destinadas para a discussão de fenômenos

envolvendo alguns conceitos elementares da Eletrostática e Eletrodinâmica.

Entre a oitava até a décima quarta aula foram reservou-se um espaço

para a montagem experimental do Relé Fotoelétrico Didático e discussão do

efeito da fotocondutividade.

PLANEJAMENTO

As estratégias de ensino aqui introduzidas estão embasadas no

movimento Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA) e na Teoria

da Transposição Didática. O nosso intuito é colaborar para a formação de

uma cultura científica, por meio de aulas experimentais e simulações

computacionais.

Motivaremos a participação ativa de nossos alunos na construção de

seu próprio conhecimento por meio de situações problemas, através de seus

conhecimentos prévios e da montagem experimental.

Dividimos os conceitos básicos para a discussão e montagem do Relé

Fotoelétrico Didático em sete (07) aulas (ver apêndice A – Sequência de

Aulas):

Aula 1 – Carga elétrica – Mostramos o desenvolvimento da teoria

atômica até os dias atuais, pois precisaremos discutir a interação da

luz com a matéria em nível atômico.

Aula 2 – Condutores e isolantes, processos de eletrização –

Precisamos discutir os semicondutores (LDR), entender o conceito de

elétrons de condução.

Aula 3 – Lei de Coulomb – Compreender a interação entre duas

cargas elétricas.

Aula 4 – Campo elétrico – Entender como uma carga elétrica

influencia uma região em torno de si.

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2

Aula 5 – Corrente elétrica – Compreender que a corrente elétrica é o

resultado do movimento ordenado de cargas elétricas, que só vai

ocorre se houver uma diferença de potencial.

Aula 6 – Resistência elétrica – Visa compreender um resistor ôhmico.

Aula 7 – Descrever as grandezas que influenciam na resistência

elétrica de um condutor. Discutir a resistividade e condutividade

elétrica, fazendo uma relação entre elas.

AULAS 8 A 14

Para atingir o objetivo principal do presente trabalho, que é a

montagem do Relé Fotoelétrico Didático e discutir o efeito da

fotocondutividade, passamos ao segundo tópico do desenvolvimento do

projeto de ensino, a parte experimental, descrita abaixo e de forma mais

detalhada no plano de ensino (apêndice A) e no roteiro experimental no

apêndice B.

Aula 8 – Apresentação do Relé Fotoelétrico Industrial preparado pelo

professor e discussão sobre como as lâmpadas dos postes de

iluminação pública acendem. Buscamos discutir as vantagens e

desvantagens dessa tecnologia para a sociedade e o ambiente

(conforto, eficiência, economia, profissões extintas, e outras), por

meio de leituras complementares (ver plano de ensino apêndice A).

Aula 9 – Montagem experimental do Relé Fotoelétrico Didático pelos

alunos seguindo o roteiro experimental do apêndice B.

Aula 10 – Discussão das Questões Problemas (plano de ensino,

apêndice B), onde os alunos irão responder com base em seus

conhecimentos prévios, construídos na etapa inicial. Lembrando que

nessas discussões os alunos não precisam responder todas as

questões corretamente e que o professor deve ajuda-los para que

seus conceitos possam evoluir.

Aula 11 – Continuação da discussão das Questões Problemas.

Apresentação do Sensor de Presença Invertido (roteiro experimental,

apêndice C) para auxiliar a comprovação experimental da variação da

resistência elétrica. Fazer a demonstração virtual da ocorrência do

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3

efeito da fotocondutividade através do Applet: PHET- Physics

Educational Technology.

Aulas 12 e 13 – Mostrar o circuito do Relé Fotoelétrico Didático do

ponto de vista técnico por meio da utilização do software MultiSIM

BLUE.

Aula 14 – Apresentar o Questionário (ver apêndice E) para avaliar o

trabalho e reforçar a aprendizagem.

Foram necessárias quatorze (14) aulas para desenvolver o projeto de

ensino.

O desenvolvimento desse trabalho não compromete o planejamento

anual do ensino de Física, pois não precisa fazer uma ruptura do que se

costuma ensinar para propor o seu ensino, pois os temas tidos como

tradicionais são utilizados como pré-requisitos.

A seguir são apresentados os roteiros de aulas referentes as oito (08)

aulas iniciais.

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Aula 1 Objetivo Geral

Compreender o que é carga elétrica.

Objetivos específicos Compreender o conceito de átomo ao longo da história desde Demócrito

e Leucipo até Bohr; Conceituar carga elétrica elementar; Conceituar carga elétrica de um corpo.

Conteúdo

Carga elétrica

Metodologia Aula expositiva dialogada.

Avaliação

Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto.

Aula 2 Objetivo Geral

Entender os processos de eletrização

Objetivos específicos Definir isolantes; Definir semicondutores; Definir condutores. Conhecer os processos de eletrização de um corpo; Enunciar o princípio de conservação da carga elétrica.

Conteúdo

Condutores e isolantes. Processos de eletrização de um corpo.

Metodologia Aula expositiva dialogada.

Avaliação Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema.

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5

Aula 3 Objetivo Geral

Compreender a Lei de Coulomb. Objetivos específicos Discutir as variáveis que interferem na intensidade da força elétrica; Analisar vetorialmente a força elétrica entre duas cargas puntiformes.

Conteúdo

Força elétrica.

Metodologia Aula expositiva dialogada.

Avaliação

Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto.

Aula 4 Objetivo Geral

Compreender como uma carga elétrica influencia a região do espaço em sua volta. Objetivos específicos Conceituar campo elétrico; Representar as linhas de força do vetor campo elétrico gerado por

cargas pontuais; Conceituar campo elétrico uniforme; Representar as linhas de força do vetor campo elétrico uniforme.

Conteúdo Campo elétrico.

Metodologia

Aula expositiva dialogada.

Avaliação Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto.

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Aula 5 Objetivo Geral

Compreender corrente elétrica.

Objetivos específicos Conceituar corrente elétrica; Conceituar diferença de potencial (ddp); Calcular a intensidade de corrente elétrica em um fio condutor; Diferenciar o sentido real do sentido convencional da corrente elétrica; Conhecer os efeitos da corrente elétrica.

Conteúdo

Corrente elétrica.

Metodologia Aula expositiva dialogada e experimental.

Avaliação

Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto.

Aula 6 Objetivo Geral Estudo dos resistores. Objetivos específicos Conceituar resistor e resistência elétrica.

Conteúdo Resistência elétrica.

Metodologia

Aula expositiva dialogada e experimental.

Avaliação Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto.

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7

Aula 7 Objetivo Geral

Compreender os fatores que influenciam na resistividade elétrica. Objetivos específicos Conceituar resistividade elétrica; Relacionar resistência e resistividade elétrica; Conceituar condutividade elétrica; Relacionar resistividade e condutividade elétrica.

Conteúdo Resistividade e condutividade elétrica.

Metodologia Aula expositiva dialogada e experimental.

Avaliação

Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto e resolução de questões e problemas.

Aula 8 Objetivo Geral

Montagem experimental do Relé Fotoelétrico Didático. Objetivos específicos Realizar a montagem experimental do Relé Fotoelétrico Didático; Discutir a fotocondutividade por meio do Relé Fotoelétrico Didático.

Conteúdo

Fotocondutividade.

Metodologia Aula experimental.

Avaliação

Participação efetiva dos alunos durante a discussão do tema proposto e resolução de questões e problemas (maiores detalhes no plano de Ensino Apêndice A e Roteiro Experimental Apêndice B).

Para a ministração dessas aulas se faz necessário consultar os

apêndices A e B.

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CENTRO DE EDUCAÇÃO DE JOVENS E ADULTOS DE ARAGARÇAS

PROFESSOR: JOÃO GOMES DA SILVA

DISCIPLINA: FÍSICA

TURNO NOTURNO

4º SEMESTRE DO ENSINO MÉDIO. TURMA (A)

Apêndice A: Plano de Ensino

Docente: João Gomes da Silva

Junho – 2015

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Tema: Fotocondutividade

FOTOCONDUTIVIDADE E A INTERAÇÃO DA LUZ COM OS

SEMICONDUTORES

A fotocondutividade é a variação da condutividade elétrica em alguns

materiais quando expostos a algum tipo de radiação eletromagnética como a

luz (BRITÂNICA, 2006).

Radiação eletromagnética é um tipo de energia que interage com a

matéria em uma grande variedade de maneiras. Um entendimento de certas

interações requer que a radiação seja considerada como sendo pequenos

pacotes de energia (fóton) se movendo no espaço na forma de onda.

Quando a luz é absorvida por um material (semicondutor) o número de

elétrons livres aumenta, e consequentemente a condutividade do material.

Isso ocorre somente se a energia da radiação luminosa for suficiente para

elevar os elétrons da banda de valência, região onde os elétrons estão

fortemente presos ao núcleo atômico, para a banda de condução região

onde os elétrons se comportam como elétrons de condução

(SHACKELFORD, 2008, P. 384).

O valor de cada pacote de energia (fóton) que chega ao semicondutor

obedece a relação E = h.f, onde:

E é a energia transmitida por um fóton;

h é a constante de Planck (h = 6,63.10-34 J.s);

f é a frequência da radiação luminosa.

Supondo que n fótons atinjam o semicondutor, então a energia total

transmitida será: E = nhf.

Como cada faixa do espectro luminoso tem uma frequência e um

comprimento de onda característico, equivale dizer que quanto menor o

comprimento de onda, maior será sua frequência e como consequência,

maior a energia do fóton que será transmitida ao elétron.

Com a incidência de luz em materiais semicondutores, a resistência

desses materiais diminui drasticamente, passando da ordem de mega-ohms

para algumas dezenas de ohms. Isso ocorre porque a luz interage com a

matéria na forma de pacotes de energia luminosa (fótons) que são capazes

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10

de retirar os elétrons da banda de valência e promove-los à banda de

condução, com isso os elétrons apresentam uma maior mobilidade,

contribuindo para o aumento de sua condutividade elétrica.

Com a ausência da luz a resistência retorna aos valores iniciais (mega-

ohms). Agora os elétrons que estavam livres na banda de condução

retornam à banda de valência ficando novamente presos pelas forças

subatômicas que os prendem aos núcleos dos átomos, contribuindo para a

diminuição de sua condutividade elétrica. Essa é uma particularidade dos

semicondutores, dentre eles podemos citar o sulfeto de cádmio, que é

utilizado para a fabricação do LDR (do inglês – Light Dependet Resistor), o

que lhe permite ser muito útil para a construção dos relés fotoelétricos que

são aparelhos utilizados para acender e apagar as luzes públicas, de acordo

com a luminosidade recebida.

OBJETIVOS GERAIS:

Compreender a ocorrência do fenômeno da fotocondutividade e sua

aplicação na construção do Relé Fotoelétrico Industrial e Relé

Fotoelétrico Didático.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Montar experimentalmente o Relé Fotoelétrico Didático;

Descrever o funcionamento do Relé Fotoelétrico Didático;

Conhecer os elementos do circuito elétrico e suas respectivas

funções, principalmente o LDR;

Descrever os conceitos físicos relacionados ao átomo e sua estrutura,

corrente elétrica, resistência elétrica, diferença de potencial elétrico,

condutividade, onda eletromagnética (luz), fóton e fotocondutividade;

Montar experimentalmente o Sensor de Presença Invertido;

Definir fotocondutividade.

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CONTEÚDO

Corrente elétrica;

Diferença de potencial elétrico (tensão elétrica).

Resistência elétrica;

Resistividade e condutividade elétrica;

Fotocondutividade;

Fóton;

DESENVOLVIMENTO DO TEMA:

AULA 1 – 50 min

Introduziremos a aula por meio da seguinte situação problema: como

são ligadas (acesas) as lâmpadas dos postes de iluminação pública?

Em sequência, avaliaremos as respostas (possíveis maneiras de

acender as luzes dos postes de iluminação pública) apresentadas pelos

alunos.

Em ato contínuo apresentamos o Relé Fotoelétrico Industrial como

opção para o acionamento da luz dos postes de iluminação pública.

Discutiremos brevemente o funcionamento do Relé Fotoelétrico

Industrial, por meio de alguns questionamentos.

Para finalizar faremos leituras de textos complementares

(ILUMINAÇÃO PÚBLICA; PROFISSÕES EXTINTAS; GERAÇÃO DE

ENERGIA ELÉTRICA), com o objetivo de contribuir para a discussão sobre o

impacto da ciência e tecnologia em nossa sociedade.

AULA 2 – 50 min

Apresentaremos um roteiro experimental detalhado para a montagem

do Relé Fotoelétrico Didático, que se encontra no apêndice C desta

dissertação. Essa montagem experimental será realizada pelos próprios

alunos (em grupos).

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AULA 3 – 50 min

Discussão das QUESTÕES PROBLEMAS (letras A a G) contidas no

roteiro experimental do Relé Fotoelétrico Didático com objetivo de

potencializar discussões dos conceitos físicos inerentes ao experimento.

Demonstração experimental (indireta) da variação da condutividade

elétrica do LDR com o auxílio do Sensor de Presença Invertido.

AULA 4 – 50 min

Continuação da discussão das questões problemas (letra G).

Definição de fotocondutividade.

Demonstração virtual da ocorrência do efeito da fotocondutividade

através do Applet: PHET- Physics Educational Technology. O acesso pode

ser feito através do Link:

<https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/conductivity>. A simulação

encontra-se ilustrada na figura 1.

FIGURA A1. Simulador virtual da condutividade

Fonte: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/conductivity.

AULAS 5 – 100 min

Revisão das QUESTÕES PROBLEMAS por meio da utilização do

software MultiSIM BLUE com o objetivo de reforçar os conceitos físicos

estudados.

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FIGURA A2. Circuito elétrico simples construído com o auxílio do software MultiSIM

Fonte: Próprio autor.

AULA 6 – 50 min

Utilização do QUESTIONÁRIO para reforçar os conceitos físicos

estudados. Objetivando uma melhor compreensão do tema iremos fazer

uma leitura complementar intitulada: LDR. O acesso pode ser feito através

do Link: <https://pt.wikipedia.org/wiki/LDR>.

RECURSOS DIDÁTICOS:

Quadro, giz, apagador, data show, multímetro, simulador virtual

MultiSIM BLUE e roteiros experimentais (Relé Fotoelétrico Industrial, Relé

Fotoelétrico Didático e Sensor de Presença Invertido).

AVALIAÇÃO:

Análise das respostas apresentadas pelos alunos por escrito das

perguntas contidas em um breve questionário aplicado.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

Apêndice B: Roteiro experimental do Relé Fotoelétrico Didático

Mestrando: João Gomes da Silva

Professor Dr. Arian Paulo de Almeida Moraes

Junho - 2015

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1 - INTRODUÇÃO

A montagem do relé Fotoelétrico Didático será uma ferramenta para

provocar discussões com alunos do 4° Semestre do Ensino Médio,

relacionados a fotocondutividade e suas aplicações, por meio da formulação

de situações problemas pelo professor, com a finalidade de potencializar o

surgimento de conjecturas, culminando com o teste de hipóteses e formação

de conceitos.

2 - OBJETIVOS

Demonstrar experimentalmente o efeito da fotocondutividade.

3 - DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

A fotocondutividade é a variação da condutividade elétrica em alguns

materiais quando expostos a algum tipo de radiação eletromagnética como a

luz (BRITÂNICA, 2006).

Radiação eletromagnética é um tipo de energia que interage com a

matéria em uma grande variedade de maneiras. Um entendimento de certas

interações requer que a radiação seja considerada como sendo pequenos

pacotes de energia (fóton) se movendo no espaço na forma de onda.

Quando a luz é absorvida por um material (semicondutor) o número de

elétrons livres aumenta, e consequentemente a condutividade do material.

Isso ocorre somente se a energia da radiação luminosa for suficiente para

elevar os elétrons da banda de valência, região onde os elétrons estão

fortemente presos ao núcleo atômico, para a banda de condução região

onde os elétrons se comportam como elétrons de condução

(SHACKELFORD, 2008, P. 384).

O valor de cada pacote de energia (fóton) que chega ao semicondutor

obedece a relação E=h.f, onde:

E é a energia transmitida por um fóton;

h é a constante de Planck (h = 6,63.10-34 J.s);

f é a frequência da radiação luminosa.

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Supondo que n fótons atinjam o semicondutor, então a energia total

transmitida será: E = nhf.

Como cada faixa do espectro luminoso tem uma frequência e um

comprimento de onda característico, equivale dizer que quanto menor o

comprimento de onda, maior será sua frequência e como consequência,

maior a energia do fóton que será transmitida ao elétron.

Com a incidência de luz em materiais semicondutores, a resistência

desses materiais diminui drasticamente, passando da ordem de mega-ohms

para algumas dezenas de ohms. Isso ocorre porque a luz interage com a

matéria na forma de pacotes de energia luminosa (fótons) que são capazes

de retirar os elétrons da banda de valência e promove-los à banda de

condução, com isso os elétrons apresentam uma maior mobilidade,

contribuindo para o aumento de sua condutividade elétrica.

Com a ausência da luz a resistência retorna aos valores iniciais

(mega-ohms). Agora os elétrons que estavam livres na banda de condução

retornam à banda de valência ficando novamente presos pelas forças

subatômicas que os prendem aos núcleos dos átomos, contribuindo para a

diminuição de sua condutividade elétrica. Essa é uma particularidade dos

semicondutores, dentre eles podemos citar o sulfeto de cádmio, que é

utilizado para a fabricação do LDR (do inglês – Light Dependet Resistor), o

que lhe permite ser muito útil para a construção dos relés fotoelétricos que

são aparelhos utilizados para acender e apagar as luzes públicas, de acordo

com a luminosidade recebida.

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4 - MATERIAIS UTILIZADOS

TABELA 1. Materiais Utilizados

ITEM IMAGEM

PROTOBOARD

LDR (do inglês – Light

Dependent Resistor)

TRIMPOT

Transístor BC548B

LED (do inglês – Light Emitting

Diode)

Bateria de 9 Volts

Informações adicionais sobre os componentes eletrônicos encontra-se

no anexo A.

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5 - DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO

Coloque a protoboard sobre uma mesa.

FIGURA B1. Protoboard

Fonte: Próprio autor

Para uma melhor compreensão sobre os procedimentos para a

conexão dos demais componentes (trimpot, LDR, transístor BC548B e

bateria de 9 volts) utilizaremos pares ordenados do tipo: (LETRA,

NÚMERO), como por exemplo (A,1) para identificar o local correto onde os

componentes devem ser inseridos.

Conecte os terminais laterais do TRIMPOT nos pontos (D,5) e (B,5)

da protoboard.

FIGURA B2. Protoboard e Trimpot

Fonte: Próprio autor

Conecte os terminais do LDR nos pontos (D,4) e (E,3) na protoboard.

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FIGURA B3. Protoboard, Trimpot e LDR

Fonte: Próprio autor

Conecte o transístor BC548B da seguinte maneira, no ponto (E,2) da

protoboard o terminal do coletor, no ponto (D,3) e o terminal da base e no

ponto (C,3) o terminal do emissor.

FIGURA B4. Protoboard, LDR e Transístor BC548B

Fonte: Próprio autor

Conecte o catodo do LED (que é seu terminal menor) no pontos (C,2)

da protoboard e no ponto (B,2) o anodo (que é seu terminal maior).

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FIGURA B5. Protoboard, Trimpot, LDR, Transístor BC548B e LED

Fonte: Próprio autor

No ponto (E,1) ligue o polo negativo da bateria de 9 Volts e no ponto

(B,1) o polo positivo.

FIGURA B6. Relé Fotoelétrico Didático

Fonte: Próprio autor

Representação esquemática do circuito do Relé Fotoelétrico Didático.

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FIGURA B7. Circuito do Relé Fotoelétrico Didático com o LED aceso

Fonte: Próprio autor

FIGURA B8. Circuito do Relé Fotoelétrico Didático com o LED apagado

Fonte: Próprio autor

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6 - QUESTÕES PROBLEMAS

a) O que acontece com o LED com a incidência de luz sobre o LDR?

b) Existe corrente elétrica fluindo no circuito quando o LED está apagado?

c) Qual é o caminho tomado pela corrente elétrica quando o LED não está

aceso?

d) O que ocorre com o LED com ausência de luz sobre o LDR?

e) Existe corrente fluindo no circuito quando o LED acende?

f) Qual é o caminho tomado pela corrente elétrica quando o LED está

aceso?

g) Qual é a explicação física para que a incidência de luz no LDR faça com

que o LED apague e a não incidência faça com que ele (LED) acenda?

h) Como funciona a chave na base do transístor para o LED acender?

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALBUQUERQUE, R. O.; SEABRA, A. C. Utilizando Eletrônica. 2ª edição.

Ed. Érika, 2013. Nº pag. 204.

CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C. Física Moderna Experimental.

2ª edição. Ed. Manoele, 2007. Nº pag. 132.

EISBERG, R.; RESNICK, R. Física Quântica. 23ªedição. Ed. Campus,

2005. N° pag. 928.

GASPAR, A. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. 1ª

edição. Ed. Ática, 2005. Nº pag. 328.

GUIMARÃES, O.; PIQUEIRA, J. R.; CARRON, W. Física. 1ª edição. Ed.

Ática, 2014. Nº pag. 295.

HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11ª edição. Ed. Bookman, 2011. Nº pag.

743.

MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de Física. 1ª edição. Ed. Scipione,

2012. Nº pag.448.

SHACKELFORD, J. F. CIÊNCIA DOS MATERIAIS. 6ª edição. Ed. ABDR,

2008. Nº pag. 556.

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CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

Apêndice C: Roteiro experimental do Sensor de Presença Invertido

Mestrando: João Gomes da Silva

Professor Dr. Arian Paulo de Almeida Moraes

Junho - 2015

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1 - OBJETIVOS

Analisar o comportamento da intensidade da resistência elétrica em

função da incidência da luz sobre do LDR.

2 - MATERIAIS UTILIZADOS

TABELA 1. Materiais Utilizados

ITEM IMAGEM

PROTOBOARD

LDR (do inglês – Light Dependent

Resistor)

LED (do inglês – Light Emitting

Diode)

Bateria (Duas pilhas AA de 1,5 volts

cada)

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3 - DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO

Conecte o LED na protoboard;

Conecte um dos terminais do LDR ao terminal negativo do LED;

Conecte o polo negativo das bateria de 3 volts ao terminal livre do

LDR;

Conecte o polo positivo da bateria de 9 volts diretamente ao polo

positivo do LED.

Figura C1. Sensor de Presença Invertido

Fonte: Próprio autor

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALBUQUERQUE, R. O.; SEABRA, A. C. Utilizando Eletrônica. 2ª edição.

Ed. Érika, 2013. Nº pag. 204.

CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C. Física Moderna Experimental.

2ª edição. Ed. Manoele, 2007. Nº pag. 132.

GASPAR, A. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. 1ª

edição. Ed. Ática, 2005. Nº pag. 328.

GUIMARÃES, O.; PIQUEIRA, J. R.; CARRON, W. Física. 1ª edição. Ed.

Ática, 2014. Nº pag. 295.

HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11ª edição. Ed. Bookman, 2011. Nº pag.

743.

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INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

Apêndice D: Roteiro experimental do Relé Fotoelétrico Industrial

Mestrando: João Gomes da Silva

Professor Dr. Arian Paulo de Almeida Moraes

Junho - 2015

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1 - OBJETIVOS

O Relé Fotoelétrico Industrial será uma ferramenta para provocar

discussões com alunos do 3° Ano do Ensino Médio, por meio da formulação

de situações problemas pelo professor, com a finalidade de potencializar o

surgimento de conjecturas, culminando com o teste de hipóteses e formação

de conceitos.

2 - DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

A fotocondutividade é a variação da condutividade elétrica em alguns

materiais quando expostos a algum tipo de radiação eletromagnética como a

luz (BRITÂNICA, 2006).

Radiação eletromagnética é um tipo de energia que interage com a

matéria em uma grande variedade de maneiras. Um entendimento de certas

interações requer que a radiação seja considerada como sendo pequenos

pacotes de energia (fóton) se movendo no espaço na forma de onda.

Quando a luz é absorvida por um material (semicondutor) o número de

elétrons livres aumenta, e consequentemente a condutividade do material.

Isso ocorre somente se a energia da radiação luminosa for suficiente para

elevar os elétrons da banda de valência, região onde os elétrons estão

fortemente presos ao núcleo atômico, para a banda de condução região

onde os elétrons se comportam como elétrons de condução

(SHACKELFORD, 2008, P. 384).

O valor de cada pacote de energia (fóton) que chega ao semicondutor

obedece a relação E=h.f, onde:

E é a energia transmitida por um fóton;

h é a constante de Planck (h = 6,63.10-34 J.s);

f é a frequência da radiação luminosa.

Supondo que n fótons atinjam o semicondutor, então a energia total

transmitida será: E = nhf.

Como cada faixa do espectro luminoso tem uma frequência e um

comprimento de onda característico, equivale dizer que quanto menor o

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comprimento de onda, maior será sua frequência e como consequência,

maior a energia do fóton que será transmitida ao elétron.

Com a incidência de luz em materiais semicondutores, a resistência

desses materiais diminui drasticamente, passando da ordem de mega-ohms

para algumas dezenas de ohms. Isso ocorre porque a luz interage com a

matéria na forma de pacotes de energia luminosa (fótons) que são capazes

de retirar os elétrons da banda de valência e promove-los à banda de

condução, com isso os elétrons apresentam uma maior mobilidade,

contribuindo para o aumento de sua condutividade elétrica.

Com a ausência da luz a resistência retorna aos valores iniciais

(mega-ohms). Agora os elétrons que estavam livres na banda de condução

retornam à banda de valência ficando novamente presos pelas forças

subatômicas que os prendem aos núcleos dos átomos, contribuindo para a

diminuição de sua condutividade elétrica. Essa é uma particularidade dos

semicondutores, dentre eles podemos citar o sulfeto de cádmio, que é

utilizado para a fabricação do LDR (do inglês – Light Dependet Resistor), o

que lhe permite ser muito útil para a construção dos relés fotoelétricos que

são aparelhos utilizados para acender e apagar as luzes públicas, de acordo

com a luminosidade recebida.

3 - DESCRIÇÃO DO RELÉ FOTOELÉTRICO INDUSTRIAL

O relé fotoelétrico magnético é muito útil para a iluminação pública,

pois atua como uma chave liga-desliga das lâmpadas dos postes de

iluminação pública quando a luminosidade cai, seja por causa de

nebulosidade e/ou dias chuvosos e quando anoitece.

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4 - PARTE PRÁTICA

TABELA 1. Materiais Utilizados

ÍTEM DESCRIÇÃO IMAGEM

Relé

Fotoelétrico

Industrial

Relé

Fotoelétrico

magnético

instantâneo

NF Exatron

Extensão e

tomada

Fonte

Lâmpada

com

potência

200w

Receptor.

Tábua Suporte.

5 - DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO

Conecte o fio preto do relé a qualquer um dos fios do pino macho.

Conecte o fio vermelho que sai do relé ao soquete da lâmpada.

Conecte o fio branco que sai do terminal central do relé ao

terminal livre do pino macho e ao soquete da lâmpada.

Fixe o relé fotoelétrico e o soquete da lâmpada à tábua suporte.

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FIGURA D1. Esquema de montagem do Relé Fotoelétrico Industrial

Fonte: Adaptado de

http://www.connectcable.net/site/upload/product/pdf/1193.pdf.

FIGURA D2. Relé Fotoelétrico Industrial montado sobre uma tábua

Fonte: Próprio autor

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALBUQUERQUE, R. O.; SEABRA, A. C. Utilizando Eletrônica. 2ª edição.

Ed. Érika, 2013. Nº pag. 204.

CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C. Física Moderna Experimental.

2ª edição. Ed. Manoele, 2007. Nº pag. 132.

EISBERG, R.; RESNICK, R. Física Quântica. 23ªedição. Ed. Campus,

2005. N° pag. 928.

GASPAR, A. Experiências de Ciências para o Ensino Fundamental. 1ª

edição. Ed. Ática, 2005. Nº pag. 328.

GUIMARÃES, O.; PIQUEIRA, J. R.; CARRON, W. Física. 1ª edição. Ed.

Ática, 2014. Nº pag. 295.

HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11ª edição. Ed. Bookman, 2011. Nº pag.

743.

MANUAL de instalação relé.pdf exatron.

<http://www.connectcable.net/site/upload/product/pdf/1193.pdf>.

MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de Física. 1ª edição. Ed. Scipione,

2012. Nº pag.448.

SHACKELFORD, J. F. CIÊNCIA DOS MATERIAIS. 6ª edição. Ed. ABDR,

2008. Nº pag. 556.

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Apêndice E: Questionário

Mestrando: João Gomes da Silva

Professor Dr. Arian Paulo de Almeida Moraes

Junho - 2015

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QUESTIONÁRIO

a) Qual é a definição de corrente elétrica?

b) Qual é a relação entre condutividade e resistência elétrica?

c) O que acontece com o valor da intensidade da condutividade do LDR na ausência de luz?

d) O que acontece com o valor da intensidade da

condutividade do LDR com a incidência de luz?

e) Por que o LED acende com a não incidência de luz sobre o LDR?

f) Cite uma maneira que se pode alterar a condutividade do LDR?

g) Defina fotocondutividade.

h) O que é fóton?

i) Defina banda de valência.

j) Defina banda de condução.

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CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA

INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA

Anexo A: Componentes Eletrônicos

Mestrando: João Gomes da Silva

Professor Dr. Arian Paulo de Almeida Moraes

Junho - 2015

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Para realizar os experimentos propostos foram necessários a

aquisição de diversos componentes eletrônicos, que serão descritos aqui

nesse anexo.

DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES

Protoboard – Uma placa de ensaio ou matriz de contato,

(ou protoboard, ou breadboard em inglês) é uma placa com furos (ou

orifícios) e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos

experimentais. A grande vantagem da placa de ensaio na montagem

de circuitos eletrônicos é a facilidade de inserção de componentes, uma vez

que não necessita soldagem. A placa de ensaio é bastante usada em

escolas de ensino técnico, para os alunos terem seus primeiros contatos

com a eletrônica visto que não precisa de soldagem de componentes.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wik<i/Placa_de_Ensaio

FIGURA A1. Protoboard

Fonte: Próprio autor

Trimpot – É um resistor de resistência ajustável. Sua resistência pode

ser regulada apertando ou afrouxando o parafuso que fica visível em sua

parte superior.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Trimpot

FIGURA A2 – Trimpot

Fonte: Próprio autor

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LDR (do inglês Light Dependent Resistor), em português Resistor

Dependente de Luz é um componente eletrônico passivo do tipo resistor

variável, mais especificamente, é um resistor cuja resistência varia conforme

a intensidade da luz que incide sobre ele. Tipicamente, à medida que a

intensidade da luz aumenta, a sua resistência diminui. O LDR é construído a

partir de material semicondutor com elevada resistência elétrica. Quando a

luz que incide sobre o semicondutor tem uma frequência suficiente, os fótons

que incidem sobre o semicondutor libertam elétrons para a banda condutora

que irão melhorar a sua condutividade e assim diminuir a resistência.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/LDR

FIGURA A3 - LDR

Fonte: Próprio autor

O diodo emissor de luz, também conhecido pela sigla

em inglês LED (Light Emitting Diode), é usado para a emissão de luz em

locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no

lugar de uma lâmpada. Especialmente utilizado em produtos de

microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado

em tamanho maior, como em alguns modelos de semáforos. Também é

muito utilizado em painéis de LED, cortinas de LED e pistas de LED.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_emissor_de_luz#cite_note-4

FIGURA A4 - LED

Fonte: Próprio autor

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Transístor – É um componente eletrônico que começou a

popularizar-se na década de 1950, tendo sido o principal responsável pela

revolução da eletrônica na década de 1960. São utilizados principalmente

como amplificadores e interruptores de sinais elétricos, além de retificadores

elétricos em um circuito, podendo ter variadas funções. Muito simples de ser

usado, um transistor é basicamente composto por três filamentos: Base,

Emissor e Coletor. O emissor é o polo positivo, o coletor, o polo negativo,

enquanto a base é quem controla o estado do transistor, pode estar ligado

ou desligado. Um transistor ao ser desligado acaba não tendo carga na

base, provocando consequentemente a não existência de corrente elétrica

entre o emissor e o receptor. Assim cada transistor funciona como uma

espécie de interruptor, na qual, pode estar ligado ou simplesmente

desligado.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Trans%C3%ADstor

http://www.infoescola.com/eletronica/transistor/

Quando ligamos um transístor bipolar (fechamos a chave), em verdade estamos injetando uma corrente I em sua base. Quando retiramos o sinal de tensão da base do transístor ocorre o seu desligamento (ALBUQUERQUE, SEABRA, 2013, P. 189).

FIGURA A5 - Transístor BC548B

Fonte: Próprio autor

Fonte de tensão – Todo dispositivo eletroeletrônico necessita de

energia elétrica para seu funcionamento. A fonte de tensão é o lugar onde

tais dispositivos buscam essa energia que proporciona seu funcionamento.

Dentre os diversos tipos de fontes de tensão podemos destacar dois grupos:

as que fornecem tensão alternada e as que fornecem tensão contínua. As

fontes de tensão alternadas são normalmente aquelas que geram tensão por

meio de indutores, como um transformador de fio enrolado ou mesmo uma

usina hidrelétrica. As fontes de tensão contínua podem ser as que utilizam

processos químicos, como as baterias de carro e pilhas, ou proveniente da

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retificação da tensão alternada, ou seja, conversão da tensão alternada em

contínua por meio de componentes eletrônicos, os diodos. No mundo

moderno as fontes de tensão estão presentes por toda a parte. A mais

comum podemos dizer que é a rede elétrica de nossa casa, ou apartamento,

com a qual interagimos todos os dias assim que ligamos algum dispositivo

eletrônico como a TV ou o micro-ondas. Muitas pesquisas são desenvolvidas

a fim de encontrar outros meios de produção de energia e armazenamento

desta, pois, o mundo, não funciona mais sem energia.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Fonte_de_tens%C3%A3o

FIGURA A6 – Bateria (9 Volts)

Fonte: Próprio autor

Relé fotoelétrico magnético

Nome comercial - Relé fotoelétrico magnético tipo eletrônico.

Descrição – Contatos acionados através de um relé, controlado por uma

célula fotoelétrica de silício. Usado para controle individual automático em

iluminação.

Aplicação – Acender as luzes à noite e apaga-las quando amanhecer,

mantendo acesas luminárias na ausência de luz incidente.

Fonte: http://www.usiluz.com.br/rele-fotoeletrico/rele_fotoeletrico_rlp-1027.pdf

FIGURA A7. Relé Fotoelétrico Magnético

Fonte: Próprio autor