Atividade sobre a lei de Ohm para alunos: plano de 2 aulas com LEDs

Uma boa atividade sobre a lei de Ohm para alunos não começa escrevendo a fórmula no quadro e pedindo que eles a decorem. Ela começa com uma previsão que os alunos depois testam no próprio circuito. O plano de aula abaixo ocupa duas aulas (2 × 40 minutos) e tem quatro etapas: prever (qual resistor deixa o LED mais brilhante?), calcular (quantos miliampères passam, usando V = I × R?), observar e medir (quão brilhante fica o LED, que tensão o Arduino lê?) e comparar (por que a previsão, o cálculo e a medição ficam próximos, mas não idênticos?). Depois que os alunos usam a fórmula com as próprias mãos, eles lembram o que V, I e R significam pela experiência, e não por uma lista.

Não vamos repetir a teoria aqui: a fórmula em si, as unidades e o cálculo de potência estão em o que é a lei de Ohm, e o funcionamento de um resistor e de um LED é explicado em o que é um resistor e o que é um LED. Este post se concentra no que você leva para a sala de aula: objetivos de aprendizagem, uma tabela de materiais para uma turma de 24, um plano minuto a minuto das duas aulas, um sketch curto de medição para Arduino que compila, um modelo de tabela de medição, uma ficha de exercícios de 6 questões com gabarito, concepções erradas comuns e ideias para diferenciar entre grupos rápidos e lentos.

Como funciona a atividade: prever, calcular, medir, comparar

A ideia dessa ordem é transformar a fórmula de uma máquina de respostas em uma ferramenta de verificação. Se um aluno faz uma previsão errada no primeiro minuto (muitos vão dizer “o resistor maior é mais forte, então deixa o LED mais brilhante”), isso não é um problema, é o material da aula. Ver a própria previsão falhar com os próprios olhos na segunda aula fixa muito melhor do que ler o mesmo fato no quadro. Trabalhar com uma única cor de LED (vermelho) do começo ao fim também é uma escolha proposital: quando o resistor é a única variável, os alunos enxergam com clareza o que muda o quê. As outras cores ficam como tarefas extras para os grupos rápidos.

Objetivos de aprendizagem e conhecimentos prévios

• Lê o valor de um resistor de quatro faixas pelo código de cores e confere com um app.
• Calcula a terceira grandeza em V = I × R quando duas são conhecidas e converte miliampères e quilo-ohms corretamente.
• Explica que um LED precisa de uma certa tensão direta para acender e que a tensão no resistor é a tensão de alimentação menos esse valor.
• Mostra por experimento que um resistor maior significa menos corrente e um LED mais fraco, e dá pelo menos dois motivos para a diferença entre os valores calculados e os medidos.
• Conclui, a partir da tabela de medição, que um LED não se comporta como um resistor: a tensão dele muda muito pouco enquanto a corrente muda várias vezes.

Como conhecimento prévio, basta os alunos já terem ouvido as palavras tensão, corrente e resistência. O plano também funciona com uma turma que nunca viu a fórmula; você só estica em alguns minutos a parte do triângulo na primeira aula. Saber ligar duas peças em série na protoboard facilita muito. Se eles não souberem, mostre na aula anterior, como aquecimento de cinco minutos, o esquema das ligações internas de o que é uma protoboard. Não é preciso experiência com Arduino: você pode carregar o sketch da segunda aula com antecedência, e os alunos só abrem o Monitor Serial e leem os números. O plano foi escrito pensando em alunos de 12 a 15 anos, mais ou menos, mas o mesmo fluxo funciona em cursos técnicos e oficinas de introdução à eletrônica.

Lista de materiais: por grupo e para uma turma de 24

Opção sem multímetro: a entrada analógica do Arduino Uno transforma de 0 a 5 V em um número entre 0 e 1023, então a placa é ao mesmo tempo uma fonte de 5 V e um voltímetro simples. A segunda aula deste plano é montada exatamente assim; o multímetro é só um bônus para os grupos que querem responder “quantos volts o pino 5V dá de verdade?” ou medir a corrente diretamente. Se você tiver alguns multímetros, pode fazer a medição de corrente como demonstração na sua mesa; a escala certa e onde encaixar as pontas de prova estão explicadas em como usar um multímetro. Se não tiver nem Arduinos nem multímetros, a primeira aula acontece sem mudanças e, na segunda, você faz só o experimento de brilho e deixa as colunas de medição em branco.

Aula 1 (40 minutos): previsão e cálculo

Não entregue a resposta da pergunta de aquecimento; recolha os cartões de previsão e guarde-os para a segunda aula. Alguns alunos vão dizer “1 kΩ é maior, então dá mais energia”, outros vão prever certo e escrever “o resistor segura a corrente” como justificativa. Quando as justificativas dos dois grupos forem lidas de novo no fim da aula 2, a discussão começa sozinha. Na parte do código de cores, os alunos leem as faixas e depois conferem o resultado no celular com a ferramenta Código de cores; a ferramenta não está ali para fazer a leitura, e sim para confirmar a leitura do próprio aluno. Então defina a regra desde o início: primeiro escreve no papel, depois confere.

Na parte do triângulo, não peça que decorem a fórmula em três formas separadas; um triângulo basta. Quando você cobre a incógnita com o dedo, as duas letras que sobram ficam lado a lado (multiplica) ou uma em cima da outra (divide). Três exemplos que sugerimos: 5 V e 1 kΩ, quantos mA (5 mA)? 2 V e 10 mA, quantos ohms (200 Ω)? 20 mA e 150 Ω, quantos volts (3 V)? Os alunos conferem o resultado digitando dois valores na ferramenta Lei de Ohm. As unidades são o erro mais comum: um aluno que escreve 10 em vez de 10 mA chega a um resultado absurdo como 0,2 Ω. Para pegar isso, pergunte em voz alta “o resultado faz sentido?” em todos os exemplos.

A parte do LED é o ponto-chave da atividade. Diga aos alunos que um LED não brilha um pouquinho com qualquer tensão, como uma lâmpada: um LED vermelho quase não deixa passar corrente abaixo de 1,6–1,7 V e, perto de 2 V, a corrente sobe muito rápido. Então cerca de 2 V dos 5 V da alimentação ficam no LED, os 3 V restantes caem no resistor, e são esses 3 V que definem a corrente. Peça que consultem os valores típicos por cor na ferramenta Tensões dos LEDs; ela mostra cerca de 1,85 V para o vermelho e, em aula, arredondamos para 2 V para facilitar a conta. Essa pequena diferença também rende uma boa pergunta: com 220 Ω, a corrente é 13,6 mA ou 14,3 mA? As duas querem dizer “cerca de 14 mA”. Em seguida, cada grupo calcula a corrente para os seus quatro resistores, digita essa corrente na ferramenta Resistor para LED e vê que o resistor sugerido fica próximo do deles. A tabela abaixo é o gabarito do professor; os valores foram calculados com alimentação de 5 V.

• Pergunta de saída 1: O que deixa passar mais corrente, 220 Ω ou 330 Ω? Justifique com um número.
• Pergunta de saída 2: Em um circuito de 5 V, se há 2 V no LED vermelho, quantos volts há no resistor?
• Pergunta de saída 3: O LED azul tem tensão direta mais alta que o vermelho. Com os mesmos 220 Ω, a corrente do LED azul sobe ou desce?

Aula 2 (40 minutos): experimento de brilho e medição com Arduino

Começar o experimento de brilho com 1 kΩ é importante: indo do circuito mais fraco para o mais brilhante, os alunos percebem melhor a diferença e os olhos não cansam. Combine uma escala de brilho comum: 1 “mal dá para ver”, 3 “fácil de ver com a luz da sala”, 5 “incomoda olhar”. Comparar cores diferentes a olho engana, porque o olho é mais sensível ao verde do que ao vermelho ou ao azul; com a mesma corrente, um LED verde pode parecer mais brilhante. Então compare o brilho sempre dentro de uma mesma cor. Essas duas aulas também cabem como um dia extra no programa de oficina de Arduino em 5 dias; elas se encaixam bem logo depois do primeiro dia de LED da oficina.

Monte o circuito e transforme o Arduino em voltímetro

1. Com o cabo USB desconectado, ligue o pino 5V do Arduino a uma fileira da protoboard.
2. Encaixe um terminal do resistor na mesma fileira e o outro terminal em uma fileira vazia.
3. Encaixe o terminal longo (anodo) do LED vermelho na mesma fileira do segundo terminal do resistor, e o terminal curto (catodo) em outra fileira.
4. Ligue a fileira do catodo do LED ao pino GND do Arduino.
5. Passe um fio da fileira em que o resistor encontra o anodo do LED até o pino A0 do Arduino.
6. Conecte o USB, abra o Monitor Serial a 9600 baud e anote na tabela de medição os dois valores que chegam a cada segundo.
7. Desconecte o USB, troque o resistor pelo próximo e repita o passo 6. Não é preciso carregar o sketch de novo.

1// Ohm kanunu etkinliği: LED ve direnç gerilimini ölç / Ohm's law activity: measure LED and resistor voltage
2// Devre / Circuit: 5V -> direnç / resistor -> A0 + LED anot / anode -> LED katot / cathode -> GND
3const float VCC = 5.00;      // 5V pinindeki gerilim, multimetre varsa ölçüp yaz / voltage on the 5V pin, measure it if you have a multimeter
4const int SENSE_PIN = A0;    // direnç ile LED'in birleştiği nokta / node where the resistor meets the LED
5const int SAMPLES = 20;      // ortalaması alınacak okuma sayısı / number of readings to average
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  Serial.println(F("V_LED (V)   V_R (V)"));
10}
11
12void loop() {
13  long sum = 0;
14  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
15    sum += analogRead(SENSE_PIN);         // 0-1023
16    delay(5);
17  }
18  float raw = sum / (float)SAMPLES;       // ortalama okuma / average reading
19  float vLed = raw * VCC / 1023.0;        // LED üzerindeki gerilim / voltage across the LED
20  float vRes = VCC - vLed;                // direnç üzerindeki gerilim / voltage across the resistor
21
22  Serial.print(vLed, 2);
23  Serial.print(F("        "));
24  Serial.println(vRes, 2);                // akımı kağıtta bul: I = V_R / R / find the current on paper: I = V_R / R
25  delay(1000);
26}

O sketch não calcula a corrente de propósito: o Monitor Serial só mostra a tensão no LED e no resistor, e os alunos calculam a corrente no papel com I = V_R / R. Assim a lei de Ohm é usada mais uma vez no fim da aula, agora com uma medição real, e o sketch nunca precisa ser carregado de novo quando o resistor muda. analogRead() transforma a tensão no A0 em um número de 0 a 1023; com referência de 5 V, um degrau equivale a cerca de 4,9 mV. Para uma turma que ainda não viu como esse número é lido, o exemplo de leitura analógica de o que é um potenciômetro é uma boa preparação. Como o sketch tira a média de 20 leituras, os números não ficam pulando na tela. Os 5 V que vêm do USB costumam ficar entre 4,7 e 5,1 V; se você tiver um multímetro, meça uma vez entre 5V e GND e coloque o valor na linha VCC, o que deixa as duas colunas alguns por cento mais precisas.

A tabela com que os alunos terminam fica mais ou menos assim: quando o resistor cai de 1 kΩ para 220 Ω, a corrente sobe de quatro a cinco vezes e a nota de brilho vai de 1–2 para 4–5, mas a tensão do LED sobe só alguns décimos de volt e normalmente fica entre 1,8 e 2,0 V em um LED vermelho. Esse é o momento mais valioso da aula, porque os alunos veem nos próprios números que um LED não se comporta como um resistor: aplicamos a lei de Ohm ao resistor e tratamos o LED como uma peça que derruba uma tensão mais ou menos fixa. Uma diferença de alguns por cento entre cálculo e medição é normal; deixe os alunos encontrarem os motivos sozinhos. Respostas esperadas: a tensão do USB não é exatamente 5 V, os resistores têm tolerância de ±5%, a tensão direta real do LED é diferente dos 2,0 V que arredondamos e um degrau da leitura analógica vale cerca de 5 mV.

Ficha de exercícios: 6 questões e gabarito

Concepções erradas comuns e como corrigi-las em aula

As duas primeiras concepções erradas são as mais teimosas. Para “o resistor gasta corrente”, a demonstração com o multímetro é o caminho mais convincente; sem multímetro, mostre que as duas tensões no Monitor Serial sempre somam quase exatamente 5 V e explique que essa é a tensão sendo dividida em um circuito em série. Isso leva naturalmente às leis de Kirchhoff e pode virar lição de casa para os alunos curiosos. Derrube o “não precisa de resistor” com cálculo, e não queimando um LED: ver a corrente crescer à medida que R diminui, e ficar indefinida no zero, já impressiona o bastante.

Diferenciação: grupos rápidos e lentos

• Grupo rápido, série e paralelo: Ligue dois de 220 Ω em série (440 Ω, cerca de 6,8 mA) e dois de 1 kΩ em paralelo (500 Ω, cerca de 6,0 mA). Peça que prevejam primeiro qual vai ficar mais brilhante; os dois saem quase iguais, e essa surpresa rende uma boa discussão. Eles podem conferir a resistência equivalente na ferramenta Série / paralelo. Essa ferramenta é Premium; usuários grátis a veem como vitrine em Exemplo de cálculo, e calcular com os próprios valores exige Premium. As fórmulas estão em cálculo de resistores em série e em paralelo.
• Grupo rápido, um resistor no lugar do LED: Tire o LED e coloque um segundo resistor de 1 kΩ no lugar; o A0 lê cerca de 2,5 V. Com 220 Ω em cima e 330 Ω embaixo (onde estava o LED), o A0 lê 5 × 330 / 550 = 3,0 V. Deixe que comparem nas próprias tabelas como a tensão muda em proporção ao resistor, enquanto no LED ela ficava quase constante.
• Grupo rápido, trocar de cor: Peça que repitam a medição com um LED azul, testem contra a medição os 7,7 mA calculados para 220 Ω e expliquem pela tensão no resistor por que o LED azul puxa menos corrente. Pela medição eles também conseguem dizer se o LED verde deles é do tipo antigo (cerca de 2,2 V) ou verde puro (cerca de 3,2 V).
• Grupo lento, circuito pronto: Entregue ao grupo uma protoboard com um resistor de 330 Ω e um LED vermelho já encaixados e o fio do A0 ligado. Os alunos só trocam o resistor, anotam duas tensões e fazem uma única operação: I = V_R / R.
• Grupo lento, cartão de passos: Coloque na mesa um cartão com o triângulo V = I × R e a linha “5 V − tensão do LED = tensão do resistor”. Um aluno que ainda não sabe ler o código de cores primeiro digita as cores na ferramenta Código de cores para obter o valor e, na segunda tentativa, faz a leitura sozinho.

Checklist antes da aula

• O sketch de medição está carregado em todos os Arduinos e o Monitor Serial foi testado uma vez a 9600 baud.
• Foi conferido que os cabos USB são de dados (um cabo só de carga não faz a placa aparecer no computador).
• Os saquinhos de resistores estão prontos, sem valores escritos; o de 100 Ω está na mesa do professor.
• Os terminais dos LEDs não foram cortados, para que o terminal longo possa ser reconhecido como anodo; todo grupo tem um LED vermelho de reserva.
• Cartão de previsão, tabela de previsão, tabela de medição e ficha de exercícios estão impressos para 24 alunos.
• O BlueGrays está instalado nos celulares dos alunos e a tela Ferramentas abre; as quatro ferramentas usadas em aula foram testadas uma vez.
• Se for usar multímetro, a bateria e o fusível da escala de corrente foram conferidos.

Como usar o BlueGrays nesta atividade

• Ferramentas grátis: Código de cores, Lei de Ohm, Resistor para LED e Tensões dos LEDs estão entre as ferramentas grátis. Elas abrem pela aba Ferramentas do menu inferior. Os alunos fazem primeiro o cálculo no papel e depois conferem com a ferramenta; ela serve para confirmar o trabalho deles, e não para entregar a resposta.
• Projeto LED piscante: LED piscante é totalmente grátis: esquema do circuito, lista de peças, código-fonte, visualização em blocos com Ver em blocos e Entenda o código estão todos liberados. Em uma terceira aula, acender o LED desta vez por um pino digital e escolher o resistor com o próprio cálculo é a continuação natural da atividade.
• Perguntas do dia: são cerca de 400 perguntas em 6 níveis; entre os temas está Eletricidade, e entre os tipos de pergunta há Cálculo e Circuito. Um novo conjunto chega todo dia e leva cerca de 3 minutos. Na semana entre as duas aulas, uma tarefa de “resolver o seu conjunto todo dia” é uma boa revisão. O app não tem um painel de turma que mostre as notas ao professor; se quiser acompanhar, peça que os alunos tragam os resultados semanais para a aula.
• Se precisar do Premium: se você quiser usar com a turma toda ferramentas Premium como Série / paralelo ou projetos Premium, explicamos em códigos Premium para uma turma como funciona distribuir códigos de um pacote para educadores em vez de uma assinatura por aluno. Esta atividade inteira pode ser feita com as ferramentas grátis.

Depois de duas aulas, o que os alunos têm não é uma fórmula decorada, mas o próprio cartão de previsão, uma tabela que eles mesmos calcularam e mediram e a resposta escrita por eles para “por que a minha previsão não se confirmou?”. Da próxima vez que a lei de Ohm aparecer, são os números dessa tabela que eles vão lembrar. Se você instalar o app BlueGrays no seu celular na véspera e testar uma vez as quatro ferramentas grátis e o projeto LED piscante, vai saber com antecedência o que os alunos verão na tela.