Eletromagnetismo no Ensino Médio

Esse plano foi idealizado para o primeiro semestre, considerando 28 aulas para desenvolvê-lo.

Atividade 1: Como e por que a lâmpada acende?

Duração: 2 aulas

Objetivos: O professor conhecer as concepções dos alunos e conscientizá-los de suas próprias concepções sobre corrente elétrica, a condução num circuito simples com uma lâmpada e com duas lâmpadas. Iniciar o entendimento de corrente elétrica e condições para sua existência.

Conteúdo: Idéia de corrente elétrica como "algo" percorrendo os componentes do circuito - fio, pilha, lâmpada - idéia de circuito fechado.

Procedimento: serão distribuídos um fio, uma lâmpada e uma pilha a grupos de 3 ou 4 alunos. Os alunos deverão acender a lâmpada e responder a pergunta da atividade com palavras e desenho, ampliando um trecho do fio. Os desenhos de cada grupo irão para a lousa e cada grupo explicará o seu desenho. Os alunos serão questionados pelo professor e/ou colegas sobre os contatos, sobre o significado de algum termo (cargas, energia, elétrons, prótons, eletricidade, etc.) utilizado pelo grupo, sobre as condições para acender a lâmpada, sobre o que os alunos entendem por circuito e se este precisa ser fechado.
Após a apresentação de cada grupo o professor perguntará o que acontece se colocarmos uma segunda lâmpada no circuito. Os alunos farão a experiência e completarão o desenho do circuito com uma lâmpada a mais. O professor escreverá na lousa as observações a mais que aparecerem, por exemplo, se uma lâmpada brilha diferente da outra, se o brilho da lâmpada 1 sozinha é igual ou diferente da mesma lâmpada quando colocada em série com a lâmpada 2 e dizer qual a explicação para o observado.

Tipos de respostas dadas pelos alunos em anos anteriores, que podem aparecer novamente:

- Quando colocadas + e - a lâmpada acende como acontece em aparelhos eletrônicos, já quando colocados - e - a lâmpada não acende, ou seja, precisa de uma carga + e outra - para que a lâmpada acenda, uma vez que carga é força, precisa de uma que dê energia ao aparelho e outra que neutralize, quando a pilha é fonte de energia.
- Sempre tem que ter + e - e se colocar do mesmo lado + e + não vai acontecer nada. O que eu observei é que a carga nunca pode estar na mesma posição porque eu acho que a carga fica mais fraca, não tem reação nenhuma. Carga para mim é um carregamento forte o suficiente e energia é algo que se pode usar para ligar algo.

As respostas dos alunos em relação às condições para acender a lâmpada foram:
- A lâmpada só acende se a corrente que passa por ela for pela base e pela rosca do outro lado.
- Os dois pólos da pilha têm que estar ligado à lâmpada.
- Que a corrente tem que estar fechada para que a corrente chegue até a lâmpada.
- Tem que ligar o fio (metal) nos dois pólos da pilha (+ e -).
- Colocar a base da lâmpada em um dos pólos da pilha e a rosca da lâmpada no outro pólo ou o contrário.
- As repostas dos alunos para o por que a lâmpada acende foram:
- A corrente e a energia que sai da pilha e passa pelos fios e chega à lâmpada.
- Quando um pólo está ligado, pelo outro pólo emite tipo de energia, que se encontra com a primeira e ocorre uma reação que acende a lâmpada.
- É que puxa energia da pilha e vai para a lâmpada causando o que chamamos de energia elétrica. No filamento acontece uma explosão de energia que cria a energia, e dessa energia vem a luz que ilumina os lugares e as coisas e etc.

Os alunos deram a explicação do encontro, isto é, a energia sai dos dois lados da pilha e se encontra na lâmpada.
Para ajudar os alunos a pensarem melhor no caminho percorrido pela energia darei mais uma lâmpada para os alunos colocarem no circuito e mostrar num novo desenho o caminho percorrido pela energia.
Com a colocação da segunda lâmpada os alunos podem concluir que "algo" (energia, cargas, eletricidade, elétrons), circula no circuito num sentido preferencial e que a este algo chamamos de corrente elétrica.

Atividade 2: "eletrólise" - O motor e o led funcionam? Por quê?

Duração: 2 aulas

Objetivos: Compreender corrente elétrica num meio líquido, ajudar os alunos a melhorarem suas explicações, convencer os alunos de que algo circula, se move no circuito (cargas, elétrons) e que no líquido o circuito está fechado com a movimentação de alguma coisa (íons, cargas).

Conteúdo: idéia de corrente elétrica no fio e no líquido, ionização, reações químicas.
Procedimento: Serão formados grupos de 3 ou 4 alunos que receberão o material e montarão o experimento com NaCl (sal de cozinha) e dois lápis (grafite) e observarão o que acontece quando colocarem os lápis em contato com a água (sem sal) e depois com sal, as pontas dos lápis estão ligados em série a fios e a uma bateria de 9 V. Depois é incluído no circuito um motorzinho e em seguida este é substituído por um led. Os grupos deverão responder a pergunta da atividade com palavras e um desenho, mostrando o que acontece no líquido e no fio.
Serão feitas as seguintes perguntas:
1 - O que foi observado na experiência? Como você explica o que foi observado?
2 - Existe corrente elétrica neste experimento?
3 - Como você sabe que há corrente elétrica?
4 - Se há corrente elétrica, como se explica o aparecimento desta corrente elétrica?

Cada grupo colocará seu desenho na lousa e explicará para a classe. O professor tentará obter dos alunos que algo (energia, eletricidade, cargas) se movimenta no circuito, tanto no fio como na solução e chamará este movimento de corrente elétrica.
O professor chamará a atenção para o líquido inicialmente só haverá água (não há reação). Perguntará sobre a constituição da água, do que ela é formada. Perguntas possíveis de serem feitas durante a atividade:
- Quando colocaram o sal mudou alguma coisa? O quê?
- O que constitui o sal?
- O que tem no líquido agora?
- Pensem e procurem saber do que é feito o sal.

Se os alunos disserem que energia ou eletricidade passa no fio e na solução, o professor perguntará:
- De onde vem esta energia?
- Como se mantém?
Respostas dos alunos em anos anteriores:
- a água, o sal, a grafite e a bateria são condutores de energia.
- como a lâmpada acendeu, o circuito está fechado.
- Passa onda de energia pelo lápis.
- Há uma reação, percebemos que se formaram bolhas (gás) nos grafites, porque está ocorrendo uma reação química.

Os alunos aprenderão a usar o multímetro para medir a corrente elétrica e a tensão.
Com esta atividade os alunos conseguem perceber que o circuito está fechado no líquido e que a corrente circula num sentido. Percebem que há cloro (gás) no líquido, devido ao cheiro característico. Os alunos não têm idéia sobre os íons, sobre os elétrons ou mesmo sobre o átomo, sendo necessário trabalhar estes conceitos para que eles possam realmente entender corrente elétrica como o movimento de cargas num sentido preferencial. Eles falam de carga e partículas, mas não sabem o que são, de onde vêm.

Atividade 3: Pilha de Daniell - Como se origina e se mantém a corrente elétrica?

Duração: 2 aulas

Objetivos: Conhecer uma pilha por dentro, perceber as reações químicas que ocorrem nela e ajudar os alunos a entenderem a origem e a natureza da corrente elétrica. Iniciar o entendimento de ddp, fem e campo elétrico. Ensinar a usar um multímetro.

Conteúdo: origem e natureza da corrente elétrica, reações químicas, ddp e fem.
Procedimento: O professor construirá a pilha de Daniell e demonstrará o que acontece na pilha, colocará um led e um motorzinho no circuito, fará medidas de corrente elétrica e de tensão (ddp). Pedirá que os alunos tentem explicar o que acontece, tendo como base a experiência da eletrólise, pensando nas semelhanças e diferenças.

A aula termina com um pergunta: de onde vêm as cargas, os elétrons?
Isto se aparecerem estes termos nas falas dos alunos. Se não, poderei fazer as seguintes perguntas:
-O que tem na pilha, no fio e no líquido? Pense microscopicamente.
-Por que são necessárias placas diferentes e soluções diferentes?
-Tem corrente elétrica no circuito? Como podemos perceber?
-Dá para medir? Como?
-Qual o caminho percorrido pela corrente elétrica? Represente num desenho.
-Por que a pilha acaba?

Os alunos farão medidas da corrente elétrica e da tensão, conforme o tempo for passando, se for necessário o professor levará a pilha montada para casa e fará as medidas durante alguns dias, para ter idéia de qual deve ser a corrente elétrica para o motor continuar funcionando durante um certo tempo.

Atividade 4: Entendendo cargas elétricas, onde estão?

Duração: 2 aulas

Objetivos: Ajudar os alunos a pensarem nos átomos e compreenderem a relação do átomo com a corrente elétrica. Compreender que as cargas elétricas estão nos átomos (prótons e elétrons), que os corpos como as placas de cobre e de zinco são constituídos de átomos. Compreender que há diferenças entre isolantes e condutores. Compreender a relação carga - campo, idéia de campo elétrico.

Conteúdo: modelos atômicos, átomo - prótons, nêutrons e elétrons - idéia de carga elétrica, isolantes e condutores de eletricidade.

Procedimento: O professor iniciará uma discussão com as placas de cobre e de zinco utilizadas na pilha da atividade anterior. Pedirá que os alunos pensem numa explicação para o que aconteceu com as placas, perguntará do que são constituídas as placas, como elas devem ser interiormente, elas são diferentes macroscopicamente? Em quê? E microscopicamente? Em quê? Como saber? Onde poderemos obter informações?

Os alunos deverão escrever suas idéias e conclusões.
O professor deverá ficar atento se aparecem idéias que permitem pensar e falar do campo elétrico, carga elétrica, átomos, de ddp e fem e entender isolantes e condutores.
Se não aparecerem em suas explicações idéias sobre o átomo será feita a seguinte pergunta:
-Do que as coisas são feitas?

O objetivo é ajudar os alunos a compreenderem o que é o átomo, quais são os modelos atômicos (com elétrons) que permitem explicar corrente elétrica e ajudar na compreensão do que é necessário para ter carga elétrica e como ela se comporta.
Os alunos deverão imaginar o átomo e desenhá-lo numa folha e explicá-lo para os colegas. Se for necessário o professor fará a experiência da caixa surpresa, onde os alunos têm que fazer previsões do que está dentro da caixa, sem abri-la, a partir de evidências, como som, peso, etc.

Atividade 5 - Aula expositiva - explicações da Física

Duração: 2 aulas

Objetivo: Compreender o conceito de corrente elétrica. (O que é? Como se origina? Como se mantém?)

Conteúdo: Representação de um circuito elétrico, conceito de corrente elétrica real e corrente elétrica convencional, ddp, cargas elétricas, corrente iônica, modelo de Drude. Fórmulas: Q = n.e;
i = q/ t; unidades de corrente elétrica e resolução de problemas matemáticos.

Atividade 6: Avaliação sobre corrente elétrica

Duração: 2 aulas

Objetivo: Verificar o que os alunos aprenderam, verificar se houve progresso em suas explicações e se houve mudança conceitual.

Conteúdo: Serão questões sobre circuito elétrico simples, caminho da corrente elétrica, condições para haver corrente elétrica e para acender e funcionar um "motorzinho", problemas para calcular corrente elétrica, número de cargas, etc.

Atividade 7: Circuitos elétricos em série, em paralelo e circuitos mistos - Comportamento da corrente elétrica

Duração: 2 aulas

Objetivo: levantar as concepções dos alunos e verificação se houve mudança conceitual nas explicações dos alunos sobre corrente elétrica. Ajudar os alunos a conhecerem e entenderem o comportamento da corrente elétrica em circuitos diferentes.

Conteúdo: Caminho da corrente elétrica, circuito de lâmpadas em série, em paralelo, tensão de pilhas em série e em paralelo.

Procedimento: O professor montará três tipos diferentes de circuitos com 2, 3 ou mais lâmpadas em série, em paralelo e mistas. Os alunos deverão desenhar o esquema de cada circuito e desenhar nestes esquemas o caminho percorrido pela corrente elétrica. Serão feitas perguntas sobre o que acontecerá com as lâmpadas ao abrir o circuito em determinados lugares do circuito. Os alunos medirão a corrente elétrica e a ddp em partes diferentes do circuito.

Atividade 8: Introduzindo um novo elemento no circuito elétrico

Duração: 1 aula

Objetivo: Ouvir as explicações dos alunos sobre resistência elétrica, perceber como os alunos a relacionam com a corrente elétrica. Ajudar os alunos no entendimento de resistência elétrica e como ela se relaciona com a corrente elétrica e a ddp.

Conteúdo: Resistência elétrica, relação entre corrente elétrica, resistência e ddp - Lei de Ohm.

Procedimento: Os alunos deverão colocar em alguns dos esquemas de circuitos elétricos um resistor com resistência R e montarão estes circuitos para verificar se suas previsões sobre o que acontece com as lâmpadas, estavam corretas e farão medidas de corrente elétrica, ddp e resistência elétrica, com o uso de um multímetro.

Atividade 9: Montar circuitos elétricos com pilhas (1 - 4), fio e resistor

Duração: 2 aulas

Objetivo: Entender a relação entre corrente elétrica, ddp e resistência elétrica - lei de Ohm.

Conteúdo: lei de Ohm, construção do gráfico Ux i.

Procedimento: Serão formados grupos de 3 ou 4 alunos para fazer as medidas de i (A ou mA) e de U (V), montarão a tabela com os valores de i e U. Construirão o gráfico U x i, e calcularão a razão U/i. Os alunos aprenderão a calcular a resistência elétrica a partir das listras coloridas do resistor e compararão com a resistência obtida do gráfico.

Atividade 10: Aula expositiva

Duração: 1 aula

Objetivo: Sintetizar as últimas 5 aulas com as explicações da física.

Conteúdo: Comportamento da corrente elétrica em circuitos diferentes. Resistência elétrica, resistividade de um material, dependência da resistência elétrica de acordo com a temperatura, o material, o comprimento e o diâmetro do resistor. Lei de Ohm. Cálculo da resistência elétrica em várias situações. Cálculo da resistência equivalente.

Atividade 11: Avaliação

Duração: 2 aulas

Objetivo: verificar o que e como foi o entendido pelos alunos.

Conteúdo: Comportamento da corrente elétrica em circuitos diferentes, Lei de Ohm, características da resistência elétrica. Cálculo de resistência equivalente, valor da corrente elétrica em cada resistor.

Atividade 12: Bússolas e ímãs

Duração: 2 aulas

Objetivo: Conhecer as concepções dos alunos sobre ímãs e bússolas. Entender como a bússola funciona e que a agulha da bússola é um ímã. Entender que o ímã age à distância e que existem forças de atração e de repulsão. Perceber a interação entre ímãs, entre bússolas e entre bússolas e ímãs. Pensar no campo magnético Terrestre, pensar e explicar o que entendem por campo magnético.

Conteúdo: Campo magnético, força magnética, forças de atração e repulsão (interação entre ímãs).

Procedimento: Serão formados grupos de 3 ou 4 alunos, eles terão orientação para determinar os pontos cardeais e farão experiências com questões, alguns exemplos:
a) Seguindo a orientação dada, determine o norte e o sul do local onde você se encontra.
b) Tome uma pequena bússola e observe a orientação adquirida pela agulha. Indique então, qual é a extremidade onde se localiza o pólo norte da agulha.
c) Marque com giz sobre sua carteira a direção norte - sul. Compare seus resultados com os obtidos por seus colegas.
d) Todas as bússolas indicam direções paralelas?
e) Se você possuir um ímã cujos pólos são desconhecidos, aproxime dele a agulha da bússola e determine qual dos pólos do ímã é o pólo norte e qual é o pólo sul.
Tome dois ímãs de barra e identifique cada uma das extremidades marcando-as com "N" e "S" (com giz, por exemplo).
Utilize mais uma bússola, por exemplo, a de um colega, para realizar a seguinte experiência: coloque uma das bússolas sobre sua carteira e movimente a outra em torno dela, mantendo as duas sempre bem próximas.
a) Uma bússola exerce alguma influência sobre a outra?
b) Como você explica a ação dos ímãs sobre a bússola?
c) Explique as suas experiências usando também desenhos.
d) Explique o campo magnético da Terra, como é a ação dele?
e) O que faz a Terra agir sobre a bússola?
O professor pedirá que os alunos pesquisem sobre o magnetismo terrestre, em livros de Física (3o ano) e na internet.

Atividade 13: Linhas de campo (ímã, bússola e limalha de ferro)

Duração: 2 aulas

Objetivo: ajudar o aluno compreender melhor a interação ímãs-ferromagnéticos. Perceber a interferência do ímã sobre a agulha da bússola. Pensar como ocorre e do que depende esta interferência. Perceber as linhas de campo, visualizar e entender o campo magnético, entender o sentido das linhas de campo.

Conteúdo: Campo magnético, força magnética e linhas de campo.

Procedimento: a aula iniciará com comentários sobre a pesquisa dos alunos sobre o magnetismo terrestre e depois o professor fará uma demonstração, fixando sobre uma carteira uma folha de papel e sobre ela um ímã de barra. Desenhará o contorno do ímã e mantendo-o nessa posição durante toda a experiência, aproximará a bússola do ímã até que a ação deste se faça sentir (cerca de 10 cm); marcará no papel a posição do centro da agulha da bússola e sua direção naquele ponto. Repetirá este procedimento (poderá pedir para alguns alunos) em cerca de 10 pontos diferentes. Os alunos observarão o que acontece e dirão o que estão percebendo em relação às direções da agulha. Se não tiver bússolas poderá usar alfinetes.
O professor continuará, cobrindo o ímã com uma folha de papel e espalhará um pouco de limalha de ferro. Os alunos farão um desenho numa folha de papel, esquematizando as linhas obtidas com a limalha e compararão com as direções traçadas com a bússola e responderão:
a) Que relação existe entre as direções traçadas com a bússola e as linhas obtidas com a limalha?
b) Qual é o sentido das linhas de campo? Essas linhas são fechadas?
c) O que significa a parte em branco entre o ímã e a limalha?
d) Qual é o significado das linhas que aparecem?

Atividade 14: experiência de Oersted

Duração: 1 aula

Objetivo: Observar o que acontece e explicar a ação do fio sobre a bússola. Explicar através de desenho.

Conteúdo: Relação entre fenômenos elétricos e magnéticos, corrente elétrica campo magnético.

Procedimento: Serão formados grupos de 3 ou 4 alunos, que montarão um circuito elétrico com fios e uma pilha, colocarão uma bússola embaixo do fio e observarão o que acontece.
Responderão às questões:
a) O que vocês observaram?
b) Como vocês explicam o observado?
c) Qual é o sentido da corrente elétrica no fio?
d) O que acontece com o sentido da agulha da bússola quando muda o sentido da corrente?
e) Existe campo magnético? Onde?
f) Como este campo magnético foi originado?

Atividade 15: Campo magnético produz corrente elétrica? Experiência de Faraday

Duração: 1 aula

Objetivo: Observar o que acontece e tentar explicar o observado. Responder a questão acima.

Conteúdo: Relação entre corrente elétrica e campo magnético. Campo magnético corrente elétrica. Corrente induzida e indução eletromagnética.

Procedimento: O professor fará uma demonstração da experiência, utilizando um fio de cobre bem longo (8 m), um ímã e uma bússola. Este fio será enrolado em duas bobinas, que podem ficar separadas por uma distância de 1,5 m. Colocará a bússola dentro de uma das espiras, procurando manter a bússola na posição horizontal, fixado na mesa. Na outra extremidade o ímã será deslocado, entrando e saindo da bobina, rapidamente. Os alunos responderão às questões:
a) O que acontece com a agulha da bússola?
b) Como vocês explicam o observado?
c) O que deve ter ocorrido na bobina I (onde está a bússola), para que a agulha da bússola mude momentaneamente de direção?
d) Aparece corrente na bobina? Como você explica isso?
Haverá socialização das respostas dos alunos.

Atividade 16: Aula expositiva do professor

Duração: 1 aula

Objetivo: Sintetizar o que foi visto nas últimas aulas. Falara das semelhanças e diferenças entre os campos gravitacionais, elétricos e magnéticos. Dizer que por qualquer ponto do campo magnético, sempre passa uma linha de campo. A forma do campo magnético pode ser representada por linhas de campo. Vetor indução magnética B (vetor que caracteriza o campo magnético).

Conteúdo: Campo magnético, comparação entre o campo magnético e o campo elétrico, força magnética, corrente elétrica campo magnético.

Atividade 17: Avaliação sobre eletromagnetismo

Duração: 1 aula

Objetivo: Verificar se houve aprendizagem e o que os alunos aprenderam.

Conteúdo: Campo magnético, campo eletromagnético, força magnética.