THE USE OF VIRTUAL SIMULATORS FOR TEACHING PSHYSICS IN DISTANCE ENGINEERING COURSES: A STUDY OF CAPACITORS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ni10202506081317
Márcio Heron da Silveira Júnior1
Renan Zunta Raia2
Karina Gomes Rodrigues3
Resumo
O ensino de Física em cursos de Engenharia a distância apresenta desafios relacionados à abstração dos conceitos e à limitação de recursos práticos. Este trabalho investiga a eficácia do uso de simuladores virtuais, com foco na simulação “Laboratório do Capacitor: Básico”, da plataforma PhET Interactive Simulations. A partir de uma aula prática aplicada a estudantes de Engenharia, analisamos a compreensão dos conceitos de capacitância, energia armazenada e descarga elétrica, aliando simulação a cálculos teóricos manuais. Os resultados apontam para ganhos significativos na aprendizagem, reforçando a importância do uso de tecnologias interativas no ensino remoto.
Palavras-chave: Ensino de Física; Educação a Distância; Capacitores; Simulação Virtual; PhET.
Abstract
The teaching of Physics in distance Engineering courses presents challenges related to the abstraction of concepts and the limitation of practical resources. This study investigates the effectiveness of using virtual simulators, focusing on the “Capacitor Lab: Basics” simulation from the PhET Interactive Simulations platform. Based on a practical lesson applied to Engineering students, we analyzed the understanding of the concepts of capacitance, stored energy, and electric discharge, combining simulation with manual theoretical calculations. The results indicate significant learning gains, reinforcing the importance of using interactive technologies in remote education.
Keywords: Physics Teaching; Distance Education; Capacitors; Virtual Simulation; PhET.
1. Introdução
O avanço das tecnologias educacionais e a popularização dos cursos de Engenharia a distância demandam novas metodologias de ensino que aliem conteúdo teórico à prática. A Física, por ser uma ciência que exige visualização e manipulação de fenômenos, torna-se um desafio particular nesse contexto (SILVA et al., 2020). O uso de simuladores virtuais tem se destacado como alternativa eficaz, proporcionando experiências interativas e investigativas, que potencializam o aprendizado dos alunos.
Neste estudo, apresenta-se uma atividade prática envolvendo o simulador “Laboratório do Capacitor: Básico”, da Universidade do Colorado. O objetivo é analisar como a utilização da ferramenta auxilia na compreensão dos conceitos de capacitância, energia armazenada e descarga elétrica, promovendo a aprendizagem ativa. Além disso, os estudantes foram orientados a validar os resultados das simulações por meio de cálculos manuais, com base nas fórmulas teóricas apresentadas na disciplina, promovendo a articulação entre teoria e prática — essencial para a formação de engenheiros capazes de resolver problemas reais com precisão e criticidade.
2. Fundamentação Teórica
A capacitância C é definida como a razão entre a carga elétrica armazenada Q e a tensão aplicada V, conforme a equação:
C = Q / V
Para capacitores de placas paralelas, a capacitância também pode ser expressa como:
C = ε₀ · A / d
Onde:
– ε₀ = 8,85 × 10⁻¹² F/m é a permissividade elétrica do vácuo; – A é a área de cada placa em metros quadrados; – d é a distância entre as placas.
A energia elétrica armazenada no capacitor é dada por:
U = 1/2 · C · V²
A descarga do capacitor em um circuito resistivo segue uma curva exponencial, com constante de tempo τ = RC, sendo descrita por:
Esses conceitos são fundamentais no estudo de circuitos eletrônicos, temporizadores, sistemas de armazenamento de energia, entre outras aplicações na Engenharia (TIPLER; MOSCA, 2009).
2. Metodologia
A atividade prática foi aplicada a estudantes de Engenharia em cursos a distância, utilizando o simulador “Laboratório do Capacitor: Básico”, disponível na plataforma PhET. A aula foi estruturada em três etapas principais:
1. Exploração da ferramenta e introdução aos conceitos de capacitância e energia.
2. Análise de três diferentes condições experimentais, alterando área das placas e distância entre elas.
3. Simulação da descarga do capacitor em uma lâmpada, observando o tempo de acendimento.
Durante cada etapa, os estudantes:
– Registraram os valores fornecidos pela simulação;
– Realizaram cálculos manuais com base nas equações teóricas;
– Compararam os resultados com os da simulação;
– Refletiram sobre os fatores que influenciam o comportamento dos capacitores.
Além disso, foram incentivados a capturar imagens das simulações e responder a perguntas reflexivas que estimulassem o pensamento crítico.
4. Resultados e Discussão
A realização da atividade prática com o simulador “Laboratório do Capacitor: Básico” permitiu aos estudantes explorarem, de forma intuitiva e visual, os efeitos da variação de parâmetros físicos na capacitância e no comportamento do capacitor durante carga e descarga. Os resultados obtidos nas simulações foram sistematicamente comparados com os cálculos manuais, permitindo a validação da teoria estudada.
A análise das três diferentes condições evidenciou como a capacitância é diretamente proporcional à área das placas e inversamente proporcional à distância entre elas. Essas relações, que poderiam parecer abstratas em um contexto puramente teórico, tornaram-se mais claras quando observadas em tempo real no simulador. Por exemplo, ao dobrar a área e reduzir pela metade a distância entre as placas (Condição 2), os alunos observaram um aumento expressivo na energia armazenada, o que se refletiu em uma maior duração da iluminação da lâmpada. Isso reforça a importância da experimentação, mesmo que virtual, na consolidação da aprendizagem.
Outro ponto relevante foi a simulação da descarga do capacitor. A visualização da curva de decaimento da tensão, o comportamento da lâmpada e a correlação com a constante de tempo (τ = RC) favoreceram a internalização de conceitos como tempo de resposta e dissipação de energia em circuitos resistivos. Os estudantes foram estimulados a identificar variáveis envolvidas no processo e a compreender o papel de cada uma.
A validação teórica por meio de cálculos manuais desempenhou papel crucial na aprendizagem ativa, pois exigiu dos alunos não apenas a observação dos fenômenos, mas também a aplicação prática do conhecimento matemático. O confronto entre resultados simulados e teóricos levou a reflexões sobre possíveis fontes de erro, como arredondamentos ou suposições simplificadoras, enriquecendo o processo formativo.
Esse tipo de abordagem contribui para o desenvolvimento de habilidades cognitivas superiores, como a análise, a síntese e a avaliação, conforme os níveis propostos por Bloom (revisado por Anderson e Krathwohl, 2001). Além disso, atende às diretrizes pedagógicas da Engenharia, que exigem a formação de profissionais com capacidade de resolver problemas complexos com base científica e tecnológica.
As questões abordadas na atividade estão listadas abaixo.
4.1 Condição 1
– Área das placas: 1,0 unidade
– Distância entre placas: 1,0 unidade
A capacitância calculada com C = ε₀ · A / d e a energia com U = 1/2 · C · V², considerando V = 1,5 V, mostraram boa concordância com os valores fornecidos pelo simulador.
4.2 Condição 2
– Área das placas: 2,0 unidades
– Distância entre placas: 0,5 unidade
Com a área dobrada e a distância reduzida pela metade, a capacitância aumentou quatro vezes. A energia armazenada também foi significativamente maior, e a lâmpada permaneceu acesa por mais tempo.
4.3 Condição 3
– Área das placas: 0,5 unidade
– Distância entre placas: 2,0 unidades
Nesta configuração, a capacitância foi a menor entre as três condições. A energia armazenada foi reduzida e a lâmpada acendeu por um tempo muito curto.
4.4 Validação Teórica
Em todas as situações, os estudantes realizaram cálculos teóricos que confirmaram os dados apresentados pela simulação, fortalecendo a compreensão dos conceitos.
Imagem 1: Simulação de capacitor de placas paralelas.
5. Considerações Finais
A atividade demonstrou que simuladores virtuais como o PhET Capacitor Lab são ferramentas eficazes no ensino de Física aplicada à Engenharia. A comparação entre simulação e cálculo manual proporcionou uma aprendizagem significativa, conectando teoria e prática de forma concreta.
A metodologia ativa adotada promoveu o raciocínio analítico, o domínio conceitual e o desenvolvimento da autonomia dos estudantes. Em cursos de Engenharia a distância, onde o acesso a laboratórios físicos é limitado, essas ferramentas tornam-se essenciais para uma formação sólida e compatível com as exigências do mercado.
Além disso, o uso de simuladores incentiva a experimentação sem riscos físicos ou financeiros, permite a repetição de experimentos com diferentes configurações e estimula a curiosidade científica. Observou-se que os alunos se engajaram com entusiasmo na atividade, fazendo perguntas, levantando hipóteses e buscando compreender os fenômenos por trás dos resultados obtidos.
Portanto, o uso de tecnologias digitais interativas deve ser cada vez mais valorizado e integrado aos currículos de cursos à distância, não como substituto do laboratório tradicional, mas como uma estratégia complementar que amplia o repertório pedagógico e favorece a aprendizagem significativa de conteúdos fundamentais como os da Física.
Referências
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física – Volume 3: Eletromagnetismo. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
HEWITT, P. G. Física Conceitual. 12. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. MOURA, D.; RIBEIRO, L. M. Aprendizagem significativa e simulações virtuais no ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Ciência e Tecnologia, v. 12, n. 3, p. 101-114, 2019.
PHET INTERACTIVE SIMULATIONS. Laboratório do Capacitor: Básico. University of Colorado Boulder. Disponível em: https://phet.colorado.edu.
RODRIGUES, M. C. et al. A Física no Ensino a Distância: desafios e possibilidades no uso de tecnologias digitais. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 42, n. 2, e20200126, 2020.
SILVA, A. R. et al. A utilização de laboratórios virtuais no ensino de Física em cursos a distância. Revista Ensino em Re-Vista, v. 27, n. 2, p. 35-50, 2020.
TAVARES, C. A.; GUIMARÃES, P. S. M. Recursos tecnológicos no ensino de ciências: possibilidades dos simuladores interativos. Ciência & Educação, v. 25, n. 4, p. 935-950, 2019.
TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para Cientistas e Engenheiros. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
1Centro Universitário UniBrasil; marciosilveira@unibrasil.com.br;
https://orcid.org/0000-0001-5703-4242
2Centro Universitário UniBrasil; renanraia@unibrasil.com.br;
https://orcid.org/0000-0002-8775-3763
3Centro Universitário UniBrasil; karinarodrigues@unibrasil.com.br;
https://orcid.org/0000-0001-9315-3249