LABORATÓRIO NÃO ESTRUTURADO: UMA ABORDAGEM DO EN- SINO EXPERIMENTAL DE FÍSICA 1

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1 LABORATÓRIO NÃO ESTRUTURADO: UMA ABORDAGEM DO EN- SINO EXPERIMENTAL DE FÍSICA 1 I. Introdução Paulo Cezar Santos Ventura Depto de Cêncas Naturas FUNREI São João Del Re MG Slvana Souza do Nascmento Colégo Técnco da UFMG Belo Horzonte MG O artgo dscute os resultados de uma abordagem de ensno de laboratóro de Físca Geral centrado na análse do expermento e não nos métodos convenconas. O presente trabalho fo desenvolvdo durante os cursos de um semestre da dscplna Físca Geral para estudantes de Engenhara da Fundação de Ensno Superor de São João del Re FUNREI. Partmos do pressuposto de que os formandos em Engenhara devem estar preparados para atuarem em duas áreas: de produção e de pesqusa, e que, portanto, devem domnar concetos báscos de Físca e serem capazes de sstematzar a nvestgação de fenômenos físcos. As aulas de Físca convenconas apresentam-se normalmente dentro de uma estrutura padrão com aulas expostvas, aulas de laboratóro dscplnadas com a apresentação de um rotero contendo uma ntrodução teórca, a especfcação do procedmento expermental e às vezes um questonáro que responddo, atende às exgêncas de avalação. No mas, as aulas de laboratóro costumam ser totalmente ndependentes das aulas expostvas consttundo-se quase um apêndce do curso, com a ntenção apenas de salvaguardar as formaldades legas com respeto à carga horára exgda. Apresentamos uma proposta de ensno expermental de Físca em que a aula de laboratóro, chamada Laboratóro Não Estruturado (LNE), é abordada segundo um ponto de vsta que enfatza a dentfcação, por parte do aluno, da estrutura do expermento que está realzando uma vez que essa estrutura não é fornecda através de roteros. Não se trata, portanto, de uma aula de laboratóro com um gua de procedmentos que conduz a uma resposta específca. 1 Trabalho apresentado no IX Smpóso Naconal de Ensno de Físca. São Carlos, Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr

2 Nessa abordagem o aluno recebe um texto que apresenta uma ntrodução teórca doassunto,algumasconsderaçõesdenaturezaprátcaeastuaçãoproblemaa ser nvestgada. O trabalho de nvestgação deve ser apresentado em um relatóro que contempla de manera clara o procedmento expermental, os resultados de medções acompanhados de uma análse que equacona as váras varáves envolvdas na manpulação do fenômeno físco e uma conclusão. Os relatóros apresentados pelos alunos são analsados por uma equpe técnca, consttuída do professor e de montores, comparando-os qualtatva e quanttatvamente a um esqueleto de relatóro padrão de cada expermento realzado. O relatóro padrão é publcado juntamente com os resultados da avalação realzada pela equpe. Aqu a aula de laboratóro deve estar parelha à apresentação de conteúdo, não havendo uma dstnção clara entre aula expostva e aula prátca, sendo o aluno avalado globalmente de uma manera contínua. Deste modo, apresentamos aos alunos dferentes propostas de nvestgação centífca, verfcamos se a abordagem de LNE conduz a um entendmento do fenômeno físco e estruturamos os programas de aulas prátcas de Físca na Insttução dentro deste contexto (1). O projeto LNE, em sua apresentação global, objetva, bascamente, desenvolver nos alunos capacdade de sstematzação de fenômenos físcos, e testar a abordagem de LNE no ensno de Engenhara. Para o desenvolvmento deste trabalho consderamos, em prmero lugar, o caráter essencalmente fenomenológco da Físca. Em segundo lugar, que a formação do engenhero exge o domíno de metodologas de nvestgação e, fnalmente, o perfl do engenhero do século XXI. Em publcação recente (2), a Socedade Braslera de Engenhara reconhece que o engenhero do próxmo século deverá ter sóldos conhecmentos em cêncas báscas, espírto de pesqusa e capacdade de conceber e operar sstemas complexos. Sobre os cursos de Engenhara a mesma publcação aponta que docentes e alunos estarão mas envolvdos em atvdades de pesqusa. Estas se confundrão com o própro processo de ensno, onde os alunos serão levados a redes cobrr o conhecmento. Assm, as aulas expostvas poderam ser substtuídas por stuações onde os alunos fossem desafados a resolver problemas, exerctando a capacdade de trabalho em equpe e a cratvdade. Este espírto de pesqusa poderá ser ncentvado com atvdades de ncação centífca e tecnológcas. II. Metodologa A nvestgação da metodologa do LNE, para os cursos de Engenhara, fo proposta para as dscplnas de Físca Geral I e III dentro dos cursos de Engenhara Elétrca e Mecânca, leconadas pelos autores. Constavam bascamente de: Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr

3 a- Apresentação de uma metodologa de nvestgação de fenômenos físcos; b- descrção de como devem ser apresentados os resultados; c- modelo de relatóro e d- uma folha de avalação. As dscplnas são formalmente dvddas em noventa (90) horas de aulas teórcas e trnta (30) horas de aulas prátcas. Na proposta apresentada os cursos constam de cento e vnte (120) horas contínuas, sem a dvsão em aulas teórcas e aulas prátcas. Para cada tema a ser nvestgado os alunos recebem um texto contendo (veja exemplos em anexo): a- Um resumo teórco com nformações essencas para a pesqusa bblográfca; b- a stuação problema a ser nvestgada e c- uma relação de equpamentos com nformações sobre sua utlzação que seram, ou não, nstrumentos da nvestgação. Os trabalhos dos alunos eram realzados no laboratóro e na bbloteca sempre com a orentação do professor e/ou de um montor. III. Conclusões Fg. 1 - Evolução das médas das notas dos alunos. A Fg. 1, a segur, apresenta os resultados de avalações fetas pela equpe de professores e montores, regstrando as médas das notas dos alunos para cada relatóro. Deve-se regstrar também que a turma de Físca I era de um curso durno, enquanto a turma de Físca III era de um curso noturno. Embora Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr

4 consderemos delcado avalar processos de ensno entendemos que a própra aprendzagem do procedmento expermental seja um dos objetvos a serem atngdos. A prncípo houve uma certa dfculdade dos alunos em seus trabalhos, mas as fguras mostram que houve uma evolução à medda em que novas stuações-problemas eram apresentadas e novas nvestgações requerdas. Observamos que, durante o curso, os alunos dedcavam um tempo de estudo muto maor que o normal em cursos tradconas, além das cento e vnte horas aula legas das dscplnas. A avalação fo realzada de forma contnuada, com os alunos trabalhando toda a semana com um tema a ser nvestgado e acompanhados pelos montores. Os montores que trabalharam no projeto foram trenados a pror, recebendo estudos orentados pelos professores, realzando antecpadamente todos os trabalhos de nvestgação e partcpando atvamente do processo de avalação formal e de avalações do própro projeto. Referêncas 1. MOREIRA, M.A., LEVANDOWSKI, C.E. Dferentes abordagens ao ensno de laboratóro. Porto Alegre: Edtora da Unversdade, ANAIS do Congresso Braslero de Ensno de Engenhara, Poços de Caldas, MG, set. de I. Introdução Apêndce Trabalho prátco número 04 o pêndulo smples O pêndulo smples, um modelo dealzado de um sstema mas complcado, consste de um pequeno corpo suspenso de um ponto fxo por um fo nextensível e de peso desprezível. Quando afastado de sua posção de equlíbro e abandonado, o corpo oscla em torno desta posção. Analsando-se este movmento para verfcar se ele é ou não um movmento harmônco smples, vê-se que a condção necessára para que o movmento seja harmônco smples é que a força restauradora F seja dretamente proporconal à coordenada X e orentada no sentdo oposto ao deslocamento. A trajetóra do corpo não se faz em lnha reta, mas num arco de círculo de rao L, onde L é o comprmento do fo. A coordenada X refere-se a dstâncas meddas sobre esse arco. A fgura a segur mostra as forças sobre o corpo no nstante em que sua coordenada é X. Escolhendo exos tangentes ao círculo e ao longo do rao, Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr

5 pode-se decompor o peso em componentes nestes exos. É fácl ver que a força restauradora F será: F m g sen (1) A força restauradora não é proporconal a, de forma que o movmento não é harmônco smples. Entretanto, se o ângulo for pequeno, sen estará muto próxmo a. Com esta aproxmação, a equação (1) torna-se: x F m g m g. l m g F x (2) L A força restauradora, então, é proporconal à coordenada X apenas para pequenos deslocamentos, e a constante m g/l representa a constante de força K. II. Stuação problema Estabeleça as relações exstentes entre período e massa do corpo suspenso e entre período e comprmento do pêndulo. Represente seus resultados por meo de gráfcos e equações. Obtenha o valor das constantes presentes. Compare seus resultados com prevsões teórcas. III. Materal utlzado -suporte -fo -pequena esfera presa ao fo -régua -cronômetro. Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr

6 Trabalho prátco nº. 32 corrente elétrca nos condutores metálcos I. Introdução A corrente elétrca é defnda como a quantdade de carga elétrca líquda que atravessa a área da seção transversal de um condutor, por undade de tempo: dq dt Essa corrente é devdo ao movmento de partículas carregadas no nteror do condutor, denomnadas portadoras de carga. Em eletróltos, gases onzados e em semcondutores, os portadores de carga podem estar postva ou negatvamente carregados. Entretanto, em condutores metálcos, os portadores de carga são elétrons lvres da últma camada atômca. Em um condutor solado e eletrcamente neutro podem ocorrer varações locas na densdade de carga devdo ao movmento aleatóro dos elétrons lvres, semelhante àquele das moléculas de um gás deal. Isto produz pequenas correntes que flutuam rapdamente, mas a méda da corrente total permanece nula, se consderarmos um ntervalo de tempo grande em comparação com o período das flutuações. Ao lgarmos uma plha ou batera (fonte) às extremdades do condutor cra-se um campo elétrco, de ntensdade. E, no seu nteror. Este campo faz com que os elétrons lvres adquram uma velocdade méda de arrastamento no sentdo E. Isto tem o efeto de produzr um transporte de carga estabelecendo uma corrente elétrca através do condutor. Se a carga q que atravessa a seção reta do condutor no ntervalo de tempo t for constante, então a equação (1) reduz-se a: q t Uma grandeza assocada convenente é a densdade de corrente elétrca, defnda como: j, A onde A é a área da seção reta do condutor. A densdade de corrente relacona-se com o campo elétrco externo ao condutor pela equação: E j, onde p é a resstvdade do materal condutor. (1) (2) (3) (4) Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr

7 Se mantvermos uma dferença de potencal (d.d.p.) constante V entre as extremdades de um condutor de comprmento L, o módulo do campo elétrco em seu nteror será dado por: E V. L Defne-se a resstênca elétrca de um condutor com a razão entre a d.d.p. a ele aplcada e a corrente elétrca que nele transta: R V. A resstênca elétrca depende do materal e da geometra do condutor. Essa dependênca entre o comprmento e a área da seção reta de um fo de cobre é o motvo da nvestgação dessa prátca. Para uma melhor compreensão das expressões matemátcas apresentadas acma consulte a bblografa do curso. II. Stuação problema Investgue a dependênca da resstênca elétrca R de um fo de cobre com o seu comprmento L e com a área da seção transversal A. Deduza a equação relaconando A, L e A para o fo de cobre. O que sgnfca fscamente a constante de proporconaldade? III. Materas e equpamentos -fo de cobre -plhas, bateras ou fontes de tensão -resstor como redutor de tensão -amperímetro. (5) (6) Cad.Cat.Ens.Fís., Floranópols, v.9,n.1: p.54-60, abr