Simulação e modelagem computacionais como recursos

auxiliares no estudo de circuitos elétricos

Pedro F. T. DornelesIves Solano Araujo

Marco Antonio Moreira Eliane Angela Veit

Instituto de Física – UFRGS

Que circuitos trataremos?

fontes ideais

Por que circuitos elétricos?

• os estudantes apresentam muitas dificuldades de aprendizagem, conforme dificuldades de aprendizagem, conforme a vasta literaturaa vasta literatura

• por serem fenômenos dinâmicos são por serem fenômenos dinâmicos são propícios à propícios à modelagem computacionalmodelagem computacional

Em particular, queríamos Em particular, queríamos avaliar possíveis avaliar possíveis ganhos na ganhos na aprendizagem de conceitos aprendizagem de conceitos físicosfísicos envolvidos em circuitos elétricos envolvidos em circuitos elétricos com com atividades computacionais com o atividades computacionais com o software software MODELLUSMODELLUS

Referencial Teórico

• Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel na construção das atividades

• levando em conta o conhecimento prévio dos estudantes

• a utilização do Modellus como um elemento motivador para o estudante

• produzindo um material potencialmente significativo

Nesta aula:

• obstáculos para a aprendizagem de conceitos físicos em circuitos elétricos simples

• atividades de simulação e modelagem computacionais desenvolvidas sertão trabalhadas pelos participantes

Obstáculos para aprendizagem:

• dificuldades conceituais: corrente elétrica, diferença de potencial,...

• linguagem e raciocínios incorretos

• concepções alternativas

Dificuldade em relação ao conceito de corrente elétrica

• compare os brilhos da lâmpadas L1, L2, L3, L4 e L5

somente 10% a 15% fornecem a resposta certa

Respostas típicas: L2 > L3 => a corrente elétrica é consumida

L1 = L2 = L3; L4 = L5; i3 se divide

McDermott

Dificuldades com o conceito de diferença de potencial• como se comparam os brilhos das lâmpadas,

com o interruptor fechado?

e se for aberto?

> 50% dos alunos não consegue responder corretamente

McDermott et al.

Conseqüências das dificuldades com o conceito de diferença de potencial• muitos alunos pensam que uma bateria

é uma fonte de corrente, não de tensão

• não distiguem

McDermott et al.

Confusão entre os conceitos de potencial e diferença de potencial• Qual a diferença de potencial entre os pares de

pontos?

Duit et al.

40% dos alunos responderam 6V !

Dificuldade com a resistência elétrica

• Se a R1 for aumentada o que acontece com i1 e i2 ?

Duit et al.

fonte ideal

Só 20% acertam: i1 decresce e i2 não varia

Obstáculos para aprendizagem:

dificuldades conceituais: corrente elétrica, diferença de potencial,...

• linguagem e raciocínios incorretos

• concepções alternativas

Outros obstáculos de aprendizagem:

• os significados atribuídos a i, R e V na linguagem cotidiana são diferentes do científicos

• raciocínio local em vez de sistêmico ou holístico

• raciocínio seqüencial em vez de sistêmico ou holístico

Raciocínio local em vez de sistêmico ou holístico

• focalizam a atenção em um ponto e ignoram o que vêm à frente

Muitos alunos responderiam que:

i1= 0,6 A, i2= 0,3 A e i3= 0,3 A,

como se a bateria fosse uma fonte de corrente não de diferença de potencial

Raciocínio seqüencial em vez de sistêmico ou holístico

• pensam em “antes” e “depois” de passar a corrente

1/3 dos alunos pensa que se

R1 for alterada o brilho de L1 mudará,

R2 for alterada o brilho de L1 ficará o

mesmo

para muitos, se o interruptor for aberto, o brilho de L1

permanece o mesmo

Às vezes as crenças são tão fortes, que nem a experiência real a destrói

Schlichting apud Duit

Em que parte o fio incandesceria se o interruptor fosse fechado?Predições:

i) primeiro na esquerda (ou direita) dependendo da suposição feita sobre o sentido da corrente e considerando que incandesceria o lado pelo qual a corrente “entra no fio”;

ii) no meio, já que haveria dois tipos de corrente – uma que entra pela esquerda e outra pela direita – que se encontrariam no meio

iii) o fio se incandesceria simultaneamente em todos os lugares (correta)

Resumindo

Corrente elétrica

Dificuldade em concepções alternativas

1. visualizar que a intensidade da corrente elétrica em um circuito depende das características da fonte, mas também da resistência equivalente do que foi acoplado entre os seus terminais

2. considerar a conservação espacial da corrente elétrica.

3. reconhecer que a intensidade da corrente elétrica não depende da ordem em que se encontram os elementos no circuito e nem do sentido da corrente.

... pensam que a bateria é uma fonte de corrente elétrica constante   

... pensam que a corrente se desgasta ao passar por uma resistência elétrica

... acreditam que a ordem dos elementos no circuito e o sentido da corrente elétrica são relevantes

...pressupõem que a fonte fornece os portadores de carga responsáveis pela corrente elétrica no circuito

Diferença de potencial

Dificuldade em concepções alternativas 1. diferenciar os conceitos:

diferença de potencial e corrente elétrica

2. diferenciar os conceitos de diferença de potencial e de potencial elétrico

3. reconhecer que uma bateria ideal mantém uma diferença de potencial constante entre seus terminais

4. calcular a diferença de potencial entre pares de pontos ao longo do circuito

... pensam que a bateria é uma fonte de corrente elétrica constante e não como uma fonte de diferença de potencial constante

... percebem a diferença de potencial como uma propriedade da corrente elétrica

... consideram que as diferenças de potencial entre pares de pontos ao longo do circuito permanecem constantes

Resistência elétrica

Dificuldade em concepções alternativas

1. distinguir resistência equivalente de uma parte do circuito e a resistência elétrica de um elemento individual

2. perceber que a resistência equivalente é uma abstração útil para obter a corrente total ou a diferença de potencial em uma parte do circuito

3. compreender que as divisões de correntes elétrica em um ponto de junção do circuito dependem da configuração do circuito

4. entender a associação em série de resistores como um impedimento à passagem de corrente; e a associação em paralelo como um caminho alternativo, para a passagem de corrente... ; 5...

... freqüentemente pensam na resistência equivalente no circuito como se fosse uma propriedade de um elemento individual do circuito

... ao determinar como se divide a corrente elétrica em ramos paralelos de um circuito, consideram somente o número de ramos e não as resistências elétricas relativas dos vários ramos

... pensam que se um resistor reduz a corrente por x, dois resistores vão reduzi-la por 2x, independentemente do arranjo dos resistores

Alguns objetivos das atividades computacionais propostas

• a) dada uma diferença de potencial entre pontos de um circuito simples, o aluno deverá:

•i) ser capaz de perceber a corrente elétrica como conseqüência da diferença de potencial e da resistência elétrica;

•ii) relacionar o aumento da corrente elétrica no circuito à diminuição da resistência equivalente;

Exemplo de objetivos das atividades computacionais propostasc)  dada uma associação de resistores em paralelo, o aluno deverá

perceber que i) a diferença de potencial entre os extremos dos resistores é a mesma; ii) a resistência equivalente diminui quando mais um

resistor é associado em paralelo; iii) as divisões de correntes em um ponto de junção do circuito (divisor de corrente) dependem do que existe à frente no circuito; iv) a intensidade da corrente elétrica que passa em um resistor depende da sua resistência elétrica e da diferença de potencial entre os extremos; v) é necessário tratar o circuito elétrico como um sistema;

Referências

[1] DUIT, R.; RHONECK, C. V. Learning and understanding key concepts of electricity. Disponível em: <http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ICPE/ C2.html>. Acesso em: 10 mar. 2005.[2] McDERMOTT, L. C; SHAFFER, P. S. Research as a guide for curriculum development: an example from introductory electricity. I. Investigation of student understanding. American Journal of Physics, v. 60, n. 11, p. 994, 1992.[3] ENGELHARDT, P. V.; BEICHNER, R. J. Students’ understanding of direct current resistive circuits. American Journal of Physics, v. 72, n. 1, p. 98, 2004. [4] THACKER, B. A.; GANIEL, U.; BOYS, D. Macroscopic phenomena and microscopic processes: student understanding of transients in direct current electric circuits. Physics Education Research: a supplement to the American Journal of Physics, 1, to v. 67, n. 7, p. S25, 1999.[5] GANIEL, U.; EYLON, B. Macro-micro relationships: the missing link between electrostatics and electrodynamics in students' reasoning. International Journal of Science Education, v. 12, n. 2, p. 79, 1990.[6] GRECA, I. M.; MOREIRA, M. A. Modelos mentales y aprendizaje de física em electricidad y magnetismo. Enseñanza de las Ciencias, Barcelona, v. 16, n. 2, p. 289, 1998.[7] GRECA, I. M.; MOREIRA, M. A. Un estudio piloto sobre representaciones mentales, imagenes, proposiciones y modelos mentales respecto al concepto de campo electromagnetico en alumnos de física general, estudiantes de postgrado y fisicos profesionales. Investigações em Ensino de Ciências, v. 1, n. 1, p. 95,1996.

Circuitos RCDificuldade em concepções alternativas

1. Compreender os processos de carga e descarga do capacitor.

2. Compreender que durante os processos de carga e descarga a intensidade da corrente elétrica decai exponencialmente.

3. Considerar a conservação espacial da corrente elétrica.

4. Entender a relação entre carga elétrica e corrente elétrica.

5. Relacionar a diferença de potencial em C com a quantidade de carga armazenada no capacitor e a diferença de potencial em R com a intensidade de corrente elétrica.

... acreditam que:

a) a corrente elétrica é constante em ambos os lados do capacitor, desde que a diferença de potencial fornecida pela fonte e a resistência elétrica permaneçam constantes

b) não passará corrente elétrica entre as placas do capacitor, pois o capacitor representa uma interrupção no circuito

c) a ordem dos elementos importa

Circuitos LC e RLCDificuldade em concepções alternativas

1. Relacionar a intensidade da corrente elétrica com a quantidade de carga elétrica armazenada no capacitor em função do tempo

2. Identificar o sentido das linhas de campo magnético no indutor, durante os processos de carga e descarga do capacitor

3. Compreender o comportamento das energias elétrica, magnética e eletromagnética, durante uma oscilação completa.

... reproduzem mecanicamente os gráficos de barra que estão no livro texto (Fundamentos de Física 3, Halliday, Resnick & Walker), para as energias armazenadas em um circuito LC, não conseguem representar nem sequer o sentido das linhas de campo magnético durante uma oscilação completa

... desenvolvem um raciocínio mecânico, baseado em fórmulas, sem se preocupar com o que ocorre fisicamente em circuitos LC e RLC

L1 = L4 = L5 > L2 = L3

L1 = L4 > L2 e L3

• a corrente elétrica que passa pelas lâmpadas L1 e L4

é a mesma e maior do que a que passa por L2 e L3;

• ou pode-se raciocinar que a diferença de potencial entre os terminais de L1 e L4 é maior do que a estabelecida

entre os bornes de L2 e L3.