Em 1922 o físico inglês Albert Einstein recebeu o prêmio Nobel pelo efeito fotoelétrico, efeito esse descoberto acidentalmente por Hertz em 1887, quando estudava a natureza eletromagnética da luz. Nessa época, as ondas
eletromagnéticas de Maxwell trafegavam num mar de éter, enquanto isso o experimento mais famoso, o conhecido interferômetro de Michelson e Morley, não obtiveram qualquer prova da existência de tal substância, portanto, o resultado dessa experiência poderia ser explicado satisfatoriamente por uma teoria corpuscular da luz em que privilegia a fonte e não o meio(SILVA, 2002; LIMA, 2012; SILVA; FREIRE JR, 2014).
A essa altura físicos da envergadura do francês Jules Henri Poincaré (1854-1912) já desconfiavam da existência de um possível éter, ou até mesmo como o irlandês George Francis Fitzgerald (1851-1901) que acreditava numa deformação relativística do interferômetro nos resultados do experimento. Com isso a ideia do éter foi perdendo força, sendo, de certa forma, um ponto negativo na teoria ondulatória. Einstein postula que a fonte não interfere na velocidade da luz estando ela em movimento ou repouso a medida seria a mesma e, conclui ainda que nada pode se mover tão ou mais rápido que a luz (SILVA, 2002; LIMA, 2012; SILVA; FREIRE JR, 2014).
No fim do século XIX, surge o problema da radiação do corpo negro e o físico alemão Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858-1957), sem querer, dá início a era quântica na física e contribui com a teoria corpuscular. Então segundo Planck a luz é emitida aos pacotes de energia, pacotes estes denominados de fótons, a teoria corpuscular da luz foi confirmada finalmente pelo físico americano Arthur Holly Compton (1892-1862) com o conhecido experimento denominado efeito Compton, aceitava-se portanto a natureza dual da luz, em alguns fenômenos se revela mais o caráter corpuscular da luz e em outros o caráter ondulatório (SILVA, 2002; LIMA,2012; SILVA; FREIRE JR, 2014).
4 SOBRE NOSSO OBJETO EXPERIMENTAL
O aparelho de micro-ondas emite radiação entre as ondas de rádio e a região do infravermelho no espectro eletromagnético, possui energia não ionizante ou seja não arranca elétrons dos átomos que se movimentam no meio em questão, sua emissão produz ondas estacionárias. Comprimento de onda (λ) e frequência (˅) são grandezas inversamente proporcionais, a figura abaixo assevera o espectro eletromagnético em termos de alta e baixa energia, as micro-ondas estão na faixa de frequência compreendido entre 103GHz e 0,1GHz aproximadamente.
Figura 9 – Espectro eletromagnético em termos de energia
Fonte: penta3.ufrgs.br
O forno de micro-ondas produz ondas estacionárias, elas são produzidas a partir de duas ondas idênticas se propagando na mesma direção porém com sentidos opostos, este aparelho possui um elemento chamado tubo magnetron que produz ondas eletromagnéticas na faixa das micro-ondas, estas ondas são confinadas no forno e são refletidas pelas suas paredes devido a frequência de ressonância, são estas mesmas ondas que serão absorvidas pelos alimentos.
Figura 10 – Micro-ondas e o magnetron
Fonte: novoshorizontesfm.com
A figura acima mostra a posição do magnetron que pode receber tensão de uma fonte de energia, gerando assim ondas eletromagnéticas da ordem de 2,45 GHz atingido a chamada frequência de ressonância, a figura mostra também a reflexão destas ondas dentro da caixa metálica, moléculas polares como da água, óleos e açucares podem absorver energia por possuírem mesma frequência de ressonância do micro-ondas. De fato este fenômeno ocorre quando se igualam a frequência natural de vibração do sistema e a excitada por uma fonte, no caso o magnetron.
As ondas eletromagnéticas produzidas pelo aparelho de micro-ondas agitam moléculas da água por exemplo, aumentando assim sua energia interna, estas ondas estão de certa forma presas na caixa metálica, e são criadas a partir da superposição de outras duas cuja propagação é contrária sendo chamadas de estacionárias.
Figura 11 – Exemplo de onda estacionária
Fonte: Os fundamentos da física
A figura 11 nos fornece um exemplo de ondas estacionárias utilizando uma corda cuja extremidade é fixa, de fato pode-se fazer uma analogia com o forno de micro-ondas, uma fonte produz onda incidente que é refletida pelas suas paredes metálicas, no caso do aparelho de micro-ondas, estas duas ondas possuem mesma amplitude, frequência, comprimento de onda e direção, porém devem se propagar em sentidos opostos.
A figura ressalta ainda pontos de ventre (V) resultado da interferência construtiva das duas ondas, nos pontos de nós (N) a interferência é destrutiva, a distância entre dois ventres ou nós consecutivos resulta em metade do comprimento da onda, deve-se ressaltar ainda que a amplitude máxima da onda estacionária é a soma das amplitudes das duas ondas contrárias, outra característica importante dessa onda resultante é que não há o transporte de energia, observe que os nós não vibram permenecendo em repouso não admitindo transporte de energia, sendo assim não sabemos qual o sentido da onda estacionária que se encontra de certa forma em transformação continuada, de energia potencial elástica para energia cinética e vice-versa.
Outros. 22%
23% Uma fonte de energia. Uma lâmpada.
Qualquer coisa que ilumine, o sol por exemplo
22% São feixes de luz emitidos por objetos, uma lâmpada por exemplo
37% Outros.
4.1 – INVESTIGANDO CONHECIMENTOS PRÉVIOS
Na culminância desta dissertação foi aplicado um produto educacional, na busca de uma aprendizagem significativa, privilegiou-se de certa forma o conhecimento pré-existente do educando, os gráficos abaixo são sobre os resultados do teste de sondagem, as respostas foram frutos de investigação e análise.
Gráfico 2 - Na sua opinião o que é a luz? Exemplifique.
O gráfico 2 referente à primeira questão, que foi sobre o que é a luz e seus exemplos, mostra que na exploração das concepções espontâneas dos alunos se vê claramente no gráfico uma tendência, quase a metade dos alunos afirma que a luz é emitida pelos objetos. Vê-se aqui um pensamento muito parecido com os pensamentos dos gregos antigos, a maioria deu a lâmpada como exemplo. De fato, a lâmpada incandescente emite luz a uma temperatura razoavelmente alta, um quarto deles citam a luz como uma fonte de energia e ainda citam o sol como exemplo. Percebe-se aqui que eles possuem conhecimentos intuitivos sobre o tema, e que foram levados em consideração na construção da unidade didática.
Gráfico 3 - Em termos de velocidade e movimento a luz é finita ou infinita?
Essa pergunta foi elaborada remetendo-se a um tema clássico sobre a velocidade da luz. O gráfico 3 expressa uma tendência dos alunos para a velocidade da luz infinita, surgiram também questionamentos de como se medir essa velocidade, boa parte dos alunos consideraram a luz finita, a partir daí surgiu a ideia de se medir tal velocidade com o micro-ondas.
Gráfico 4- Você consegue ver a luz? Comente.
Sim, pois ela entra em meus olhos.
Outros. 30%
27%
Sim, os raios de luz que saem dos meus olhos permitem isso 10%
Sim, o sol a lua e a lâmpada emitem luz que vemos. Depende da luz.
17% 16%
60%
Finita, mas deve ser um valor alto.
Infinita, pois vemos as coisas imediatamente.
Outros 36%
Conforme mostra o gráfico 4, nesse questionamento, em parte todos conseguiram ver a luz. Primeiramente foi norteado o erro conceitual, no qual um terço deles afirmaram que os raios saem dos seus olhos. Existiu uma preocupação aqui, no sentido de uma mudança conceitual adequada. Com relação à resposta dada sobre ver a luz foi importante, de fato a luz é uma onda eletromagnética na faixa do espectro visível, mas existem outras radiações nesse espectro de frequências diferentes. Também houve uma preocupação no planejamento da aula para que o espectro eletromagnético fosse explicado da melhor forma.
Gráfico 5 - Na sua opinião por que você identifica as imagens? Comente.
O gráfico 5 mostra que a turma se encontrou dividida: ou os olhos emitem raios na direção dos objetos ou vice-versa, se os olhos emitem raios a resposta foi remetida aos antigos gregos. No caso de objetos que emitem luz, a resposta está correta, esse ajuste conceitual se encontra no plano de aula
47%
Os olhos emitem os raios na direção dos objetos.
Os objetos emitem luz.
Outros. 31%
Gráfico 6 - Você consegue ver o som? Comente.
Nesse questionamento, a maioria dos alunos disse ser impossível ver o som a olho nu. De certa forma eles relacionaram som e luz como se estas entidades possuíssem a mesma natureza. Foi tratado aqui a luz como uma onda eletromagnética, bem diferente do som que é uma onda mecânica. De fato, essa dissociação por si só, já é interessante ficando o tema ondas mecânicas para outra unidade didática.
Gráfico 7 - Na sua opinião o som seria uma forma de luz? Comente.
4%
17%
51%
É impossível ver a olho nu.
Não, pois a luz esquenta e o som não.
É um tipo de luz invisível.
Outros 28%
19%
Não, pois a luz eu vejo e o som eu escuto.
Sim, pode ser um tipo de luz que não vemos
Outros 19%
O gráfico 7 expressa que nesse questionamento foi reforçada a questão anterior e o conceito de que som e luz são ondas de naturezas completamente diferentes, e da mudança conceitual estabelecendo o conhecimento cientificamente aceito da luz como uma onda eletromagnética.
Quadro 4 - Respostas do cálculo da velocidade da luz medida pelos alunos a partir do micro-ondas pelos 8 grupos, valores encontrados
Grupo Valor de x Valor de λ Valor de c = λ x f encontrado em km/s 1 7,0 cm 14 cm = 0,14 m 343.000 2 7,5 cm 15 cm = 0,15 m 367.500 3 7,2 cm 14.4 cm = 0,144 m 352.800 4 7,3 cm 14,6 cm = 0,146 m 357.700 5 7,3 cm 14,6 cm = 0,146 m 357.700 6 7,5 cm 15 cm = 0,15 m 367.500 7 7,3 cm 14,6 cm = 0,146 m 357.700 8 7,5 cm 15 cm = 0,15 m 367.500
O quadro 4 mostra que foram analisadas as respostas em relação a medida da velocidade da luz com o aparelho de micro-ondas. De certa forma e considerando os erros de medida, o experimento foi positivo. De fato, os valores encontrados pelos alunos se aproximaram do valor real dessa velocidade, confirmando-se que a velocidade da luz tem uma valor finito, aqui calculado no ar com valor muito próximo para o vácuo.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Esta proposta de trabalho procurou contemplar os objetivos do mestrado profissional para o ensino de Física. Desde o início havia uma preocupação com uma aprendizagem que fosse significativa para os alunos. Na busca deste objetivo, foi sugerido o produto educacional como norteador da aprendizagem, e para isso, foram levados em consideração também as concepções espontâneas dos educandos.
De fato, surgiu a possibilidade de se medir a velocidade da luz com um eletrodoméstico utilizado no cotidiano dos alunos, algo que lhes despertasse a curiosidade, e a partir daí elaborando o produto.
É necessário dizer que foi levado em consideração as dificuldades que as escolas públicas brasileiras possuem com relação ao ensino experimental. Sendo assim, o plano de ensino aplicado, traz justamente a intenção de se levar experimentos para sala de aula, com uma proposta bastante definida, para que a aprendizagem seja significante.
A unidade didática proposta, de certa forma, privilegia o ensino inovador e sendo assim, as aulas foram trabalhadas de modo que houvesse uma aprendizagem crescente no decorrer do tempo. A parte teórica apresenta um breve relato sobre o comportamento da luz e a cronologia de suas medições.
Desta forma, o produto dessa unidade didática contemplou alunos do primeiro ano do ensino médio, expondo um novo cotidiano criado pelo próprio experimento. Essa experimentação foi realizada em sala de aula e teve como objeto, um tema relativamente difícil, tratando-se da natureza dualística apresentada pela luz, bem como sua velocidade muito alta.
Conforme já explanado, na produção deste trabalho, foram levadas em consideração as concepções espontâneas dos alunos. Além disso, foi pensado no cotidiano dos educandos, sendo levado para sala de aula. Desse modo, utilizou-se um aparelho de micro-ondas simples, comum nas casas desses estudantes. As aulas foram cronologicamente repensadas uma a uma, para que no fim houvesse uma mudança conceitual.
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