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Um teste para verificar se o respondente possui concepções científicas sobre corrente elétrica em circuitos simples

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Abstract

Este capítulo trata de um teste para verificar se o respondente possui concepções científicas relativas a circuitos elétricos simples.
Um teste para verificar se o respondente possui concepções
científicas sobre corrente elétrica em circuitos simples
Publicado em Física no ensino médio : falhas e soluções. Organizador: Rocha Filho, J. B.
Porto Alegre : Edipucrs, 2011. p. 61-67 - ISBN: 9788539700967.
Fernando Lang da Silveira
IF-UFRGS
lang@if.ufrgs.br
I. - Introdução
Resultados de pesquisa em ensino apontaram que em diversas áreas de física os
alunos (e os professores também!) apresentam concepções alternativas (CA), isto é,
concepções com significados errôneos, em conflito com o conhecimento aceito pela
comunidade científica. Particularmente na área de circuitos elétricos simples foram
detectadas CA que a tomam a corrente elétrica como uma característica primária das fontes
ou geradores elétricos, lhe atribuindo propriedades de substância e de energia, a
considerando como uma espécie de fluido que é consumido nos circuitos.
Com o objetivo de verificar se um respondente possui ou não as concepções
científicas sobre corrente elétrica em circuitos simples foi idealizado e validado o teste que
se encontra no apêndice deste artigo (Silveira, Moreira e Axt, 1989). O estudo original de
validade do teste, contendo também as respostas de alunos universitários, pode ser
encontrado em http://www.if.ufrgs.br/~lang/Textos/Teste_corrente_eletrica.pdf (acessado
em 18/10/2010).
II. - Contrapondo as concepções alternativas às concepções científicas
O professor interessado não apenas em verificar se os seus alunos possuem as
concepções científicas mas, caso não as tenham, ajudá-los a aprender sobre circuitos
elétricos simples, poderá se valer do teste e depois de aplicá-lo, realizar uma profícua
discussão sobre o tema. Para tal discussão é importante em um primeiro momento a
explicitação clara e definida das CA, articuladas em um conjunto de enunciados.
A tabela 1 apresenta de forma sucinta as principais idéias sobre corrente elétrica. A
tabela foi construída de maneira a contrapor lado a lado os enunciados que descrevem as
CA e os enunciados científicos. A tabela pode ser utilizada para prever que tipo de resposta
um aluno dá a uma questão do teste quando possui a CA. Exemplifiquemos com as duas
primeiras questões do teste:
Se o aluno acredita que a corrente se “desgasta” ao passar por um elemento, como,
por exemplo, no filamento de um lâmpada ou em um resistor, então certamente responderá
que alguma das lâmpadas dos circuitos das figuras 1 e 2 apresentará brilho diferente das
demais lâmpadas. Entretanto é interessante também notar que esta idéia errada de que a
corrente se “desgasta”, é “consumida”, se “dissipa”, diminui de intensidade, pode explicar
porque em uma associação em série de lâmpadas diferentes (com diferentes resistências
elétricas) uma lâmpada de fato brilha de forma diferente das demais. De fato aexplicação
científica para tal evento nada tem a ver com um possível “desgaste” da corrente elétrica.
Quando o professor discutir as CA e as concepções científicas deverá ter o cuidado de
alertar para esses casos aparentemente corroboradores da CA, demonstrando que as
concepções científicas os permitem entender também e com vantagem.
Tabela 1 - Concepções sobre corrente elétrica em circuitos simples.
Concepções sobre corrente elétrica em circuitos simples de corrente contínua
Alternativas
Científicas
1. A corrente é uma forma de fluído
produzido pela fonte ou gerador. A fonte é
um depósito deste fluído, liberando-o para
o circuito. A fonte produz ou armazena
cargas para fornecê-las ao circuito.
1 A corrente elétrica é o movimento
"ordenado"
das cargas livres que pré-existem
nos condutores. A fonte é responsável pelo
campo elétrico que, exercido internamente aos
condutores do circuito, coloca as cargas livres
nos condutores movimento "ordenado".
A fonte não produz ou armazena cargas; a
fonte libera energia para produzir o
movimento "ordenado" das cargas livres que
sempre existem nas diversas partes do circuito.
2 A corrente que "sai", que é "emitida"
pela fonte (gerador) é uma propriedade
exclusiva desta, não sendo afetada pelos
demais elementos do circuito.
2 A intensidade da corrente produzida pela
fonte não depende apenas da fonte. A parte do
circuito externa à fonte também influencia a
intensidade da corrente na fonte. A mesma
fonte pode produzir correntes elétricas com
intensidades diferentes, dependendo do que foi
conectado entre seus terminais.
Microscopicamente as cargas livres estão sempre em movimento desordenado, aleatório
(agitação térmica). Superposto a este movimento desordenado, quando aplicado um campo elétrico
(
E
) no condutor, ocorre um movimento preferencial (movimento de deriva). Esse movimento de
deriva, que tem em nível macroscópico efeitos facilmente perceptíveis (aquecimento do condutor,
aparecimento de campo magnético no entorno do condutor, ...), se estabelece na direção do vetor E
aplicado ao condutor; o sentido do movimento de deriva depende do sinal das cargas livres. Em
condutores metálicos o sentido do movimento de deriva é contrário ao vetor E pois as cargas livres
são elétrons; entretanto, em condutores iônicos o movimento de deriva dos íons positivos é no
sentido do vetor E e o movimento de deriva dos íons negativos é em sentido contrário ao sentido do
vetor E. Desta forma também é equivocada a afirmação reproduzida em muitos livros de
eletricidade, qual seja, a de que o sentido convencional da corrente é contrário ao sentido real da
corrente. Tal a afirmação, ainda que válida para condutores metálicos, é falsa quando aplicada ao
interior de uma pilha ou bateria eletroquímica por exemplo.
3 A corrente desgasta-se”, “dissipa-se”
ao passar por "obstáculos" no circuito
(lâmpadas, resistores, etc.), podendo até
ser extinta caso passe por muitos
"obstáculos". Conforme a corrente vai
“passando” pelos "obstáculos”, vai se
tornando mais fraca.
3 A corrente conserva-se espacialmente. Não
importando quantos elementos exista
associados em série, a intensidade da corrente
é a mesma em todos eles.
Para que a intensidade da corrente elétrica seja
diferente em regiões diversas de um circuito,
deve existir um ou mais nodos ou divisores de
corrente (associações em paralelo) entre essas
regiões. Quando isto ocorre, a corrente se
divide, entretanto a soma das intensidades da
corrente nas diversas partes é necessariamente
igual à corrente total.
4 A intensidade da corrente elétrica é
determinada pelo local em que ela "está
passando" e pelos locais onde já "passou".
Ela não pode ser influenciada pelos
elementos onde ainda "não passou".
4 A intensidade da corrente elétrica em uma
região do circuito depende de todo o circuito.
O circuito é um sistema, isto é, modificando-se
uma parte do circuito, altera-se a corrente em
outras partes.
Somente em situações muito especiais e
idealizadas é possível alterar a intensidade da
corrente elétrica em uma parte de um circuito
sem alterar a intensidade em outras partes.
Vejamos mais um exemplo. Se um aluno acredita que a corrente elétrica é
propriedade exclusiva da fonte (isto é, não depende de todo o circuito elétrico externo à
fonte), então na questão 4 indicará que o fechamento da chave na figura 4 não alterará o
brilho da lâmpada 1.
A última questão do teste, a questão 14, resultou de um experimento realizado por
um grupo de alunos da Licenciatura em Física da UFRGS. Notaram o “surpreendente”
efeito de observar duas lâmpadas do circuito apagar (deixar de brilhar) enquanto que as
demais lâmpadas ainda brilhavam. Como as lâmpadas apagadas se encontravam “no meio”
do circuito, o efeito foi mais instigador do que se elas estivessem “na extremidade” do
circuito. Certamente para um aluno que possua CA, a primeira lâmpada até poderia estar
acesa mas a última de maneira alguma, pois as lâmpadas “intermediárias” se encontravam
apagadas.
Esta questão (assim como outras do teste) permite uma rica discussão conceitual
sobre circuitos elétricos pois a resposta correta é derivada do entendimento de que a
corrente elétrica se conserva mas pode se dividir (sem entretanto nunca “gastar” ou ser
dissipada). Há que se considerar também que o brilho do filamento da lâmpada (emissão
de radiação eletromagnética na faixa do visível, luz) ocorre a partir de uma temperatura
elevada do filamento e que tal temperatura somente acontece quando a intensidade da
corrente atinge no filamento um determinado valor crítico. Assim, as lâmpadas apagadas na
verdade estão também irradiando mas apenas na faixa de infravermelho.
As alternativas consistentes com as concepções científicas sobre corrente elétrica no
teste são as seguintes: 1 - c; 2 - a; 3 - b; 4 - a; 5 - b; 6 - b; 7 - c; 8 - c; 9 - a; 10 - c; 11 - b; 12
- b; 13 - a; 14 - c.
III. - Conclusão
Neste artigo apresentamos um teste que permite investigar se um respondente possui
ou não possui as concepções científicas sobre corrente elétrica em circuitos simples.
Conforme argumentamos, o teste se presta também para uma frutífera discussão conceitual,
contrapondo as CA com as concepções científicas. Os aspectos teóricos e conceituais de
qualquer corpo de conhecimento em Física devem ser sempre valorizados e anteceder a
discussão quantitativa, baseada em “fórmulas” ou “equações”, sob pena de o corpo de
conhecimentos não fazer sentido para os aprendizes.
Referências
SILVEIRA, F. L., MOREIRA, M. A. e AXT, R. Validação de um teste para verificar se o
aluno possui concepções científicas sobre corrente elétrica em circuitos simples. Ciência e
Cultura, São Paulo, 41(11): 11291133, nov. 1989.
Anexo
Em todas as questões deste teste admite-se que as lâmpadas sejam
iguais. Os brilhos das lâmpadas crescem quando a intensidade da
corrente elétrica aumenta. A bateria representada tem resistência
elétrica desprezível.
1) No circuito da figura 1 pode-se afirmar que:
2) No circuito da figura 2, R é um resistor. Neste circuito:
3) No circuito da figura 3, R é um resistor. Neste circuito:
a) L1 e L2 têm o mesmo brilho.
b) L1 brilha mais do que L2.
c) L2 brilha mais do que L1.
a) L1 tem o mesmo brilho de L2.
b) L2 brilha mais do que L1.
c) L1 brilha mais do que L2.
4) No circuito da Figura 4, I é um interruptor aberto. Ao fechá-lo:
5) Nos circuitos 5a e 5b a lâmpada L, o resistor R e a bateria são
exatamente os mesmos. Nestas situações:
6) No circuito da figura 6, R é um resistor e I é um interruptor que está
aberto. Ao fechar o interruptor:
a) aumenta o brilho de L1.
b) o brilho de L1 permanece o mesmo.
c) diminui o brilho de L1.
a) L brilha mais no circuito 5a.
b) L brilha igual em ambos circuitos.
c) L brilha mais no circuito 5b.
a) L continua brilhando como antes.
b) L deixa de brilhar.
c) L diminui seu brilho mas não
apaga.
7) No circuito da figura 7 R1 e R2 são dois resistores. A caixa preta
pode conter resistores, baterias ou combinações de ambos. Para que
a intensidade da corrente em R1 fosse igual à intensidade da corrente
em R2 a caixa preta:
8) No circuito da figura 8, L é uma lâmpada, R um resistor, C um
capacitor descarregado e I um interruptor aberto. Ao fechar o
interruptor:
As questões 9 e 10 se referem ao circuito da figura 9.
9) No circuito da figura 9 o brilho de L1 é :
a) deveria conter somente resistores.
b) deveria conter no mínimo uma bateria.
c) poderia conter qualquer associação de
resistores e baterias.
a) L começa a brilhar e continua brilhando
enquanto o interruptor estiver fechado.
b) L não brilhará enquanto o capacitor não
estiver carregado.
c) L poderá brilhar durante parte do
processo de carga do capacitor.
a) igual ao de L4. b) maior do que o de L4. c) menor do que o
de L4.
10) No circuito da figura 9 o brilho de L2 é:
a) igual ao de L4. b) maior do que o de L4. c) menor do que o
de L4.
O circuito da figura 9 foi modificado pois se tirou a lâmpada L3. O novo
circuito é, então, o da figura 10.
11) Quando se compara o brilho de L1 nos circuitos 9 e 10 ele é:
a) maior no circuito 10. B) menor no circuito 10. C) o mesmo nos
dois.
12) quando se compara o brilho de L4 nos circuitos 9 e 10 ele é:
a) maior no circuito 10. B) menor no circuito 10. C) o mesmo nos
dois.
13) No circuito da figura 11:
a) L1 e L2 têm o mesmo brilho que é
menor do que o de L3.
b) L1 brilha mais do que L2 e do que L3.
c) L1,L2 e L3 brilham igualmente.
14) No circuito da figura 12, quando o interruptor é aberto, as
lâmpadas L3 e L4 deixam de brilhar, embora L2 brilhe. O que acontece
com as lâmpadas L1 e L5?
a) nem L1, nem L5 brilham.
b) L1 brilha e L5 não brilha.
c) L1 e L5 brilham.
... Os resultados dessas investigações podem servir para o levantamento dos subsunçores presentes na estrutura cognitiva dos alunos (AUSUBEL, 1960;SANTOS, 1981;MASINI, 1982) e para orientar o planejamento didático do assunto a ser abordado em sala de aula. Por outro lado, testes disponíveis na literatura para a investigação de concepções alternativas (DUIT; RHONECK, 1998;ENGELHARDT;BEICHNER, 2004;SHIPSTONE et al., 1988;SILVEIRA;AXT, 1989) podem ser usados como recursos didáticos para a promoção de mudança conceitual, conforme preconizam . ...
... Ao longo das últimas quatro décadas, testes sobre circuitos elétricos simples foram aplicados a estudantes de todos os níveis de ensino, da educação básica à universitária, em todos os continentes (DOMINGUEZ; MOREIRA, 1988;LIN, 2017;SHIPSTONE et al., 1988;SILVEIRA;AXT, 1989;SOLANO et al., 2002). Um dado surpreendente apresentado por essa literatura é que os resultados desses testes são extremamente similares em termos de concepções alternativas. ...
... Esses resultados proporcionaram a identificação de vários modelos mentais construídos a partir de concepções alternativas. Muitos desses modelos, embora similares, são apresentados na literatura sob diferentes designações (modelo linear, modelo não conservativo, modelo local, modelo sequencial, etc.) (BORGES; GILBERT, 1999;COHEN;EYLON;GANIEL, 1983;DUIT;RHONECK, 1998;FREDETTE;LOCHHEAD, 1980;OSBORNE, 1983;SHIPSTONE, 1984;SILVEIRA, 2011). Em alguns casos há ambiguidade no rótulo, de modo que preferimos utilizar a rotulação apresentada por (ANDRADE et al., 2018): ...
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Experimentos com materiais de baixo custo, inteiramente confeccionados por alunos do 3o. Ano do Ensino Médio de uma escola pública no Estado do Ceará, foram utilizados para abordar concepções alternativas sobre circuitos elétricos simples. Entrevistas clínicas realizadas com 12 alunos selecionados de acordo com o padrão de suas respostas no teste de múltipla-escolha elaborado para investigar concepções alternativas e de seus rendimentos escolares na disciplina antes do experimento, mostraram a recorrência de concepções alternativas, bem como a falta de consistência nas respostas escritas, em conformidade com relatos na literatura. As entrevistas clínicas, realizadas aproximadamente um mês após a manipulação dos experimentos, mostraram que a simples realização dos experimentos não é capaz de superar as concepções alternativas mais persistentes. Não obstante, acredita-se que o uso concomitante de experimentos e entrevistas clínicas, pode ser potencialmente útil para proporcionar mudanças conceituais. Na prática escolar, tal procedimento pode subsidiar o estabelecimento de estratégias didáticas para a superação das mais recorrentes concepções alternativas.
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Neste trabalho apresentamos uma proposta de Sequência Didática (SD) para investigação de conceitos sobre eletricidade a partir das concepções prévias dos estudantes e relatamos a aplicação em uma turma do terceiro ano do ensino médio de uma escola pública. A SD proposta tem uma abordagem qualitativa, com ênfase nos conceitos físicos e não na expressão quantitativa das grandezas e utiliza ferramentas facilmente acessíveis podendo ser facilmente replicada em condições de sala de aula. O desenvolvimento das atividades previstas na SD, induz o confronto entre as ideias provenientes dos conhecimentos prévios dos estudantes e o conhecimento científico, o que proporciona a oportunidade para que o professor, agindo como mediador, contribua para o rompimento das concepções prévias em favor do conhecimento científico. Nossas observações sobre o andamento das atividades indicam a necessidade da interferência do professor reforçando a interação entre o conhecimento prévio ou os espontâneos com os conceitos relevantes que se pretende ensinar.
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