4. METODOLOGIA
4.1 - Descrição da intervenção
Foi realizada inicialmente uma pesquisa bibliográfica onde se analisaram diversos artigos sobre pilhas e baterias.
A quantidade de informação obtida foi ampla e com ajuda dela conseguiu-se encontrar os principais conceitos de pilhas e de baterias, tanto das convencionais (as clássicas e comerciais), quanto das alternativas (as construídas de material opcional).
Na literatura estudada constatou-se o fato de existirem diferentes pontos de vista dos autores no que se refere à montagem, funcionamento e aplicação das pilhas e das baterias, optando-se, basicamente por utilizar os trabalhos de Netto (1999), Feltre (2004), Filho (2011) e Gouveia (2003).
O planejamento inicial foi trabalhar com cinco turmas, mas devido ao volume de dados, optou-se por três, quantidade suficiente para a análise dos objetivos propostos.
As investigações foram feitas em turmas de segundo ano do Ensino Médio numa escola da rede pública do Estado localizada na cidade de Belo Horizonte.
Codificaram-se as turmas escolhidas para o teste da forma seguinte: T01 (primeira), T02 (segunda), T03 (terceira). Os alunos foram codificados de forma numérica: 01, 02, 03, etc.
Total de participantes por turma: T01: 23, T02: 13, T03: 11
O tempo proposto para a execução das atividades foi de 50 minutos em cada aula, seguindo as regras básicas da escola. Foram utilizadas cinco (05) aulas para o desenvolvimento da atividade.
As atividades investigativas do professor-interventor seguiram o roteiro seguinte:
1. Revisão da bibliografia sobre pilhas e baterias.
2. Pesquisa sobre a metodologia investigativa mais adequada.
3. Verificação dos parâmetros mais adequados de experimentação para a investigação.
4. Verificação da influência, nos resultados da ddp da pilha, do tamanho do material usado como eletrólito (batata e limão), assim como do seu tempo de validade, mantendo sempre constante o tipo de material.
5. Verificação da influência, nos resultados da diferença de potencial (ddp) da pilha, dos parâmetros das plaquinhas usadas como eletrodos: volume, superfície (lisa, grossa), relativo à variação do valor da ddp da pilha.
6. Elaboração de um roteiro de aula prática reproduzível para professores e alunos.
4.2 - Tarefas preliminares programadas e executadas.
O professor-interventor:
1. Montou uma pilha de batata e uma de limão e verificou o seu tempo de duração.
2. Montou outra pilha de batata e de limão e verificou o valor da ddp em diferentes condições de medição, levando em conta as características principais das placas (ou dos fios e lâminas em lugar delas), verificando seu volume ( espessura, altura e cumprimento), tipo de material: alumínio, zinco, cobre ferro, etc., assim como lâminas de material alternativo como latinhas de cerveja, clipes, pregos, moedas, etc., alternando cada um destes materiais.
3. Fixou as condições das experiências reproduzíveis para os alunos, prevenindo-se de possíveis erros experimentais e de improvisações.
4. Montou um roteiro das aulas investigativas e práticas sobre pilhas e baterias.
As pesquisas práticas foram realizadas pelo professor-interventor fora das salas de aula, com os mesmos instrumentos e as condições em que foram executadas as atividades com os alunos nas salas de aulas. Com estas atividades obtiveram-se os seguintes resultados que foram importantes no planejamento da intervenção:
1- Observaram-se oscilações mais significativas nas medições com as pilhas de limões, sendo mais estável nas medições com as pilhas das batatas.
2- Observou-se a evolução da estrutura das pilhas no percurso do tempo e detectou-se que estas se degradavam com rapidez, tanto das pilhas de batatas quanto das dos limões, contradizendo os trabalhos de Netto (1999), tendo maior aceleração de decomposição nas pilhas de limão. Ao cabo de um mês já estavam virtualmente decompostas.
3- Foram medidos os valores da ddp das pilhas de batata e de limão modificando os parâmetros mais importantes das plaquinhas de cobre e de alumínio usadas como eletrodos: volume e superfície. Observou-se que a variação destes parâmetros não mudava os valores da ddp substancialmente.
Após escolher o método apropriado da pesquisa - a pesquisa-ação - de estabelecer a metodologia e ação corretas para a intervenção - práticas investigativas - e de ter verificado os parâmetros mais adequados de experimentação para a investigação, elaborou-se um roteiro das atividades dos alunos para sua execução.
Foram considerados os conhecimentos prévios dos alunos contemplados no CBC do curso de Química do primeiro ano do ensino médio, sobre matéria, átomo, molécula, substância simples e composta, partículas elementares (elétrons, prótons), configuração eletrônica dos átomos, formação de íons (cátions e ânions), reação química, meio ácido e básico, etc.
As aulas programadas foram desenvolvidas mediante as seguintes tarefas:
1. Pesquisa bibliográfica com o auxílio da literatura impressa e virtual.
2. Debate em sala de aula.
3. Atividade prática investigativa em sala de aula.
4. Avaliações escritas (mediante um pré-teste e um pós-teste) e orais (debates).
O professor dividiu a turma em grupos de no máximo quatro estudantes.
Na primeira aula foi aplicado o pré-teste por parte do professor-interventor para saber o grau de conhecimentos dos alunos nas turmas. Analisaram-se as respostas dos alunos, indicando o conteúdo de investigação a realizar relativo às perguntas do pré-teste de maior dificuldade.
O pré-teste teve como finalidade verificar o conhecimento prévio dos alunos para facilitar não só o entendimento, assim como também esclarecer o assunto a ser tratado.
O professor-interventor recomendou a utilização dos seguintes recursos complementares para a construção de uma pilha de limão primária, em série e em paralelo.
http://www.youtube.com/watch?v=mGfi72fp1tg - em português, duração de 46 segundos.
Descrição: montagem de uma pilha primária com um limão, uma placa de alumínio e outra de cobre, conectadas a um multímetro digital, mediante fios condutores de eletricidade. Observa-se como o ddp marca 0,76 volts.
http://www.youtube.com/watch?v=y9JULJhCsXk&feature=related - em inglês, duração de 2 minutos e 52 segundos.
Descrição: Montagem de uma pilha com um limão, um prego e uma moeda de cobre, conectados através de fios elétricos a um multímetro digital, dando como resultado a leitura de 1,012 - 1,013 V. Seguidamente se mostra uma bateria feita com quatro limões conectados em série e com um prego e uma moeda de cobre, ligados a um LED vermelho. Finalmente mostra-se uma bateria com dois limões inteiros ligados em série, usando eletrodos semelhantes ao experimento anterior conectados a uma calculadora digital simples e uma bateria com quatro partes iguais de um limão, ligadas em série, indicando uma ddp de 3,13 V.
Na segunda e terceira aula aconteceram os debates dos grupos anteriormente organizados, referentes às perguntas do pré-teste, cada grupo com um tema específico.
4.3 - Temas investigados em casa e debatidos em sala de aula:
01. Eletrólitos.
02. Funcionamento de uma pilha.
03. Composição das pilhas e das baterias.
04. Diferenças entre as pilhas e as baterias.
05. Conseguir-se-á construir uma bateria substituindo o material componente dela por outro, supostamente, mais econômico e acessível no mercado? Por quê?
06. Diferenças entre uma pilha comercial e uma feita de batata ou de limão.
07. O meio ácido, básico ou neutro influenciaria no funcionamento de uma pilha ou de uma bateria? Por que?
08. A durabilidade das pilhas depende do tempo de uso e dos componentes? Por quê?
09. Quando as pilhas e baterias usadas em sua casa acabam, em que local elas são descartadas?
O professor precisou aprofundar com os alunos, os conceitos científicos relacionados a fenômenos químicos e físicos, dada a complexidade de se relacionar os conceitos de pilha e de baterias do dia a dia com os científicos, mesmo depois da pesquisa orientada.
Os alunos organizaram-se em grupos de quatro ou de cinco para as atividades práticas em sala de aula, como planejado, com os materiais disponíveis para a montagem das pilhas e das baterias.
Os alunos das três turmas compartilharam com o professor os recursos necessários para esta atividade: materiais para as placas de alumínio e de cobre, os fios de condução de cobre de diferentes tamanhos e espessura, batatas e limões de diferentes tamanhos, e também alguns multímetros, inclusive o do professor o outros, cedidos por alguns pais de alunos.
O roteiro das atividades práticas investigativas foi elaborado com apoio dos trabalhos de Netto (1999), Gouveia (2011), Silva (2003) e Filho (2011).
4.4 - Atividades práticas investigativas realizadas em sala de aula:
01 – Montagem de uma pilha de batata primária, uma em série e outra em paralelo.
02 – Montagem de uma pilha de limão primária, uma em série e outra em paralelo.
Materiais utilizados:
01 - Três batatas: duas inteiras e uma para ser cortada pela metade.
02 - Três limões: dois inteiros e um para ser cortado pela metade.
03 - Fios condutores de eletricidade, preferentemente de cobre.
Seguindo recomendações de Netto (1999), prepararam-se os fios de cobre, condutores de eletricidade finos, de comprimento 40-50 cm e de 10 cm, aproximadamente. Embora tenham sido utilizados fios de cobre de diferentes tamanhos e espessuras obtendo-se os mesmos resultados do trabalho deste autor, o que facilitou a utilização de recursos alternativos.
04 - Duas placas de cobre (Cu) e duas de alumínio, Al, para formar o par de eletrodos de alumínio/cobre, Al/Cu, preparadas pelo professor-investigador e os alunos, e testadas depois pelo professor.
Netto (1999) recomenda preparar dois fios de cobre, com uma espessura de aproximadamente de 0,1 cm (10 mm), de comprimento aproximado de 7,5 – 8 cm, dobrá-los pela metade para aumentar mais a sua espessura (20 mm); embora tenham-se seguido estas indicações, foram testados pelo professor-pesquisador chapas de cobre e de alumínio de diferentes espessuras e tamanhos, com resultados semelhantes aos das plaquinhas dos metais.
05 - Um medidor de voltagem (multímetro ou voltímetro) por grupo.
06 - Uma faca, uma tesoura.
a)
|
b)
|
Figura 02. Duas plaquinhas de alumínio (ou de cobre),
acopladas a fios condutores de eletricidade de cobre;
Multímetro medidor de voltagem.
4.5 - Procedimento
4.5.1 - Fazendo uma pilha com uma batata dividida ao meio (ou de uma inteira) ou de um limão dividido ao meio (ou de um inteiro).
Baseando-se nos trabalhos descritos por Netto (1999) e Gouveia (2011), relacionado com a montagem de uma pilha de batata, e por Silva (2003), relacionado com a montagem de uma pilha de limão, para a construção de uma pilha de uma batata dividida ao meio (ou de uma inteira) ou de um limão dividido ao meio (ou de um limão inteiro), com eletrodos de Al/Cu, seguiu-se a mesma metodologia de construção com eletrodos de uma pilha de Zn/Cu, ilustrada nas figuras seguintes:
a)
|
b)
|
Figura 03. Montagem de uma bateria a) de batata primária (metade).
Fonte - NETTO (1999)
b) de uma de pilha de limão primária (inteiro) com eletrodos de Zn/Cu, acoplada a um
multímetro.
Fonte - SILVA (2003).
As montagens ilustradas nas figuras anteriores foram reproduzidas pelos alunos das turmas T01, T02 e T03, guiadas pelo professor-interventor.
a)
|
b)
|
c)
|
Figura 04. Montagem de uma pilha com plaquinhas de Al/Cu e fios de cobre com
a) duas metades de uma batata b) de uma batata dividida ao meio
c) de um limão dividido ao meio.
4.5.2 - Pilhas montadas com duas metades de uma batata (e de duas batatas inteiras) e com de duas metades de um limão (e de dois limões inteiros) ligados em série.
A metodologia de montagem destas pilhas seguiu as recomendações indicadas nos trabalhos de Netto (1999), onde a associação em série é feita pela ligação de uma placa de zinco (Zn) de uma das pilhas à placa de cobre (Cu) da outra; ele aponta que para aumentar a voltagem, por exemplo, até 1,4 V, suficiente para acionar uma calculadora ou relógio digital, deve-se construir uma bateria a partir de duas dessas pilhas primárias e associá-las em série, como ilustra a figura a seguir:
a)
|
b)
|
Figura 05. Montagem de uma pilha de Al/Cu com a) uma batata dividida ao meio
ligados em série b) dois limões divididos ao meio ligados em série.
Fonte: NETTO (1999).
Porém, na montagem das pilhas semelhantes às de Netto (1999) foram utilizados os produtos cortados pela metade e inteiros, acoplados às plaquinhas de alumínio (Al) e às de cobre (Cu) como ilustram as figuras 07, 08 e 09:
4.5.3 - Montagem de uma pilha de duas metades de uma batata (e de duas batatas inteiras) e de duas metades de um limão (e de dois limões inteiros) ligados em paralelo.
As conexões de pilhas de batatas em paralelo são semelhantes às conexões das pilhas comerciais comuns ligadas em paralelo segundo a figura 07.
Figura 06. Esquema de associação de pilhas em série e em paralelo.
Fonte: Filho (2011).
Segundo Filho (2011), na conexão das pilhas em série, a ddp de cada pilha é somada. Na conexão em paralelo, cada pilha produz uma ddp de 0,7V. As pilhas associadas em paralelo formarão um conjunto que também produzirá 0,7V, mas esse mesmo conjunto pode, dependendo da demanda, disponibilizar uma corrente mais alta por um tempo mais longo, em comparação com o que pode fornecer, individualmente, cada pilha.
Os trabalhos de Gouveia (2011) apontam que a pilha de batata ligada em paralelo é como ilustra a figura 08.
Figura 07. Pilha de duas batatas divididas associadas
em paralelo utilizando o par Zn/Cu.
Fonte: Gouveia (2011).
Gouveia (2011) indica que cada pilha produz uma ddp de 0,7V. Associadas em paralelo formam um conjunto que também gera o mesmo valor de ddp, 0,7V; a associação em paralelo é feita pela ligação das placas de zinco (Zn) e de cobre (Cu) de uma das pilhas às respectivas placas de zinco (Zn) e de cobre (Cu) da outra.
Os procedimentos de montagem de uma pilha de duas batatas divididas ao meio (e de duas inteiras), e de dois limões divididos ao meio (e de dois inteiros) ligados em paralelo cumpriram os procedimentos de montagem similares aos anteriormente descritos, sendo ilustrados na figura 09:
a)
|
b)
|
c)
|
Figura 08. Montagem de uma pilha de Al/Cu com a) uma batata dividida ao meio,
b) duas batatas inteiras e c) dois limões inteiros ligados em paralelo.
4.6 - Aula 5: Aplicação do pós-teste.
Na quinta aula teve lugar o pós-teste com o objetivo de identificar o conteúdo assimilado pelos alunos depois das atividades práticas investigativas.
Este teste final foi de dez perguntas semelhantes às do pré-teste com duas perguntas a mais e analisou o aumento qualitativo efetivo do ensino aprendizado dos alunos sobre o tema tratado.
EXEMPLOS DE MEDIÇÕES
22 - 11 - 2011
