RELATIVIDADE RESTRITA NO 1º ANO DO ENSINO MÉDIO:
ABORDAGEM HISTÓRICA E INFLUÊNCIAS
Thiago da Silva Peron1, Andreia Guerra2
1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Celso Suckow da Fonseca- CEFET-RJ/Programa de
Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática/Colégio Militar de Juiz de Fora - CMJF, thiagoperon@yahoo.com.br
2 Centro Federal de Educação Tecnológica de Celso Suckow da Fonseca- CEFET-RJ/Programa de
Pós-Graduação em Ensino de Ciências e Matemática, aguerra@tekne.pro.br
Resumo
O presente artigo relata uma atividade extracurricular e interdisciplinar desenvolvida no 1º ano do Ensino Médio de uma escola pública da rede federal. Tal atividade possibilitou a inserção da Física Moderna, na ocasião a Teoria da Relatividade Restrita, seu estudo histórico e a análise de suas influências, na ciência, tecnologia e nas artes. A importância do estudo da Física Moderna e Contemporânea evidencia-se em sua aplicabilidade, sendo importante para entendermos a tecnologia e sociedade de nosso tempo. A atividade constava de uma pesquisa sobre o tema em questão, sugerida aos alunos, que envolve todo entendimento da ciência do século XIX, desde o problema da detecção do éter até a assimetria do eletromagnetismo de Maxwell. Além disso, destaca-se a contextualização de Albert Einstein, entendendo como o fato de morar na Suíça no início do século XX e seu trabalho em um escritório de patentes foram determinantes para a construção de suas teorias. Finalizamos expondo os detalhes do Trabalho Interdisciplinar e as possibilidades de aplicá-lo em outro contexto.
Palavras-chave: Relatividade Restrita; Ensino Médio; Interdisciplinaridade.
I – Introdução
O final do século passado e o inicio deste foram marcados pelo avanço tecnológico, tanto na diversidade quanto na velocidade em que ocorreu. Os aparelhos eletrônicos domésticos, as técnicas aplicadas na medicina e agricultura, o desempenho e a segurança dos automóveis e vários outros equipamentos ou técnicas de trinta anos atrás se mostram obsoletos frente aos que se encontram atualmente. De fato essa evolução, sentida pela maioria da sociedade, ocorre não só na área tecnológica, mas em todas as áreas do conhecimento. A arte, em toda sua abrangência, sempre esteve de certa forma atrelada ao desenvolvimento tecnológico, o abstrato tornou-se valorizado desde o momento em que a fotografia passou a retratar a realidade. A história se constrói neste cenário, guerras foram iniciadas e decididas em razão do uso de tecnologia. As concepções acerca de distâncias e tempo mudaram, cientificamente e em sentido figurado. Todas essas mudanças estão vinculadas aos desenvolvimentos científicos e, em especial, aos ocorridos no século passado.
ao que há de mais novo no estudo dessa ciência: buraco negro, teoria do Big Bang, possibilidade de viagem temporal entres outras. Porém nem sempre essas dúvidas podem ser sanadas, ou por que falta ao professor conhecimento acerca destes assuntos, ou por que ele deve seguir um currículo que não aborda estes temas e que está repleto de outros conteúdos que devem ser tratados em uma carga horária reduzida.
A lacuna provocada por um currículo de física desatualizado resulta numa prática pedagógica desvinculada e descontextualizada da realidade do aluno. Isso não permite que ele compreenda qual a necessidade de se estudar essa disciplina que, na maioria dos casos, se resume em aulas baseadas em fórmulas e equações matemáticas, excluindo o papel histórico, cultural e social que a física desempenha no mundo em que vive. (Oliveira, Vianna, Gerbassi, 2007, p 448)
Sobre o currículo de Física no Ensino Médio do país, Terrazzan (1992) defende uma nova abordagem, criticando a divisão comumente encontrada, ou seja, o estudo pontual da Mecânica, Física Térmica, Ondas, Óptica e Eletromagnetismo. Divisão esta baseada em livros estrangeiros, sobretudo franceses do século XIX, dos quais se observa a herança de uma Física dogmática e acabada, onde discussões sobre processos são dispensáveis (Braga, Guerra, Reis, 2008).
A Física ensinada desta maneira, além de não demonstrar o processo de
construção da ciência, mitifica a imagem do cientista e “recorta” a natureza, criando
para o aluno a imagem do gênio isolado que descobre conceitos que jamais serão aplicados no cotidiano daquele. A ênfase na Física Clássica e a renúncia da Física Moderna e Contemporânea, associada a diversos outros fatores, como o excesso de matemática nas aulas de Física, as condições de trabalho e a formação do professor, constroem a imagem da disciplina no Brasil (Bonadiman, Nonenmacher, 2007).
Os livros didáticos de Física reforçam a imagem destacada ao enfatizarem o tratamento matemático e aplicação direta de fórmulas. Os aspectos históricos do desenvolvimento dessa ciência, quando presentes, aparecem como breves introduções, textos curtos que enfeitam os livros didáticos ou como complemento cultural. O objeto principal do ensino de Física seguindo esse caminho é um conjunto de “ferramentas” que, de fato, só terão utilidade após o término do período
da escolarização básica, para aqueles que ingressarão em uma faculdade que as utilize, ou seja, a minoria dos estudantes (Pena, Ribeiro Filho, apud Menezes 2009).
As recomendações dos documentos oficiais vão contra a esse objetivo para o ensino de física. Os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) apontam que o indivíduo com boa educação científica será capaz de: argumentar e posicionar-se criticamente em relação a temas de ciência e tecnologia; compreender o conhecimento científico como resultado de uma construção humana, inserido em um processo histórico; avaliar o desenvolvimento tecnológico e sua relação com as ciências, seu papel e seus impactos na vida humana e avaliar o caráter ético do conhecimento científico e tecnológico (MEC, 2002). Seguindo a mesma linha de
pensamento, Tedesco (2006) defende que numa “formação cidadã no contexto da sociedade moderna”, a formação científica deve ser prioridade, provocando o “contato reflexivo entre os peritos e os leigos” (Tedesco, 2006 p. 16). O
importantes e polêmicos, como a manutenção e investimento de pesquisas específicas. Numa abordagem menos individualista, o ensino eficiente da Física pode contribuir para o desenvolvimento de uma nação.
(...) É indiscutível a importância da ciência e tecnologia para o desenvolvimento econômico e social do país, é preciso reconhecer que entre os condicionantes desse desenvolvimento estão uma educação científica de qualidade nas escolas. (...) O ensino de Ciências é fundamental para a população não só ter a capacidade de desfrutar dos conhecimentos científicos e tecnológicos, mas para despertar vocações, a fim de criar estes conhecimentos. O ensino de Ciências é fundamental para a plena realização do ser humano e a sua integração social. (UNESCO, 2005, p 2).
Nesse contexto, o ensino da Física Moderna e Contemporânea torna-se necessário. A formação de cidadãos reflexivos e participativos politicamente, ao menos no que concerne ao caráter científico, só será possível se estes dominarem a Física do último século, entendendo suas aplicações e as consequências de seu uso.
A Física Moderna e Contemporânea não está presente nos editais de muitos concursos vestibulares do país que, por sua vez, norteiam o Ensino Médio. Alguns livros didáticos apresentam-na em capítulos finais de seus últimos livros temas de Física Moderna, desvinculados às outras áreas da Física. Estes materiais, indiretamente e equivocadamente, sugerem que a Física Moderna foi construída espontaneamente por alguns privilegiados e que se constitui de conceitos independentes ou de casos especiais da Física Clássica.
Com vistas a reverter esse distanciamento da Física Moderna e Contemporânea dos currículos de física, alguns autores defendem o uso de abordagens inovadoras para tal ensino, de forma a torná-lo mais acessível aos alunos do Ensino Médio. Entre elas o uso de softwares para simulações de experiências e fenômenos da Física (Machado, Nardi, 2006); apresentação de práticas simples, construídas com materiais de baixo custo (Valadares, Moreira, 1998); ou o uso de histórias em quadrinhos para o estudo da Relatividade Restrita (Caruso, Freitas, 2009).
Um número muito grande de artigos apoia, também, o uso da história da ciência no ensino da Física Moderna e Contemporânea para o Ensino Médio (Pena, Ribeiro Filho, 2009, p 51). Quintal e Guerra (2009) defendem o estudo da história da ciência, pois ele apresenta os cientistas de forma contextualizada, inseridos e moldados em seu tempo e sociedade. Essa metodologia relaciona a produção científica com outras áreas do conhecimento, trazendo a ciência para o contexto sócio-cultural do aluno, reforçando que a sua construção é contínua, que influencia e é influenciada por diversos fatores, sociais e filosóficos, de seu tempo (Quintal, Guerra, 2009).
autêntica, ou seja, de uma maior compreensão da estrutura das ciências bem como do espaço que ocupam no sistema intelectual das coisas (Matthews,1995, p. 165).
As considerações anteriores nos fazem defender que a inclusão da Física Moderna e Contemporânea no currículo do Ensino Médio ocorra a partir de uma contextualização e correlação com os fatos históricos. O presente artigo pretende trazer contribuições em torno ao tema, discutindo um projeto pedagógico para trabalhar, no 1º ano do Ensino Médio, a teoria da Relatividade Restrita numa abordagem histórico-filosófica. A proposta apresentada foi desenvolvida ao longo do ano letivo de 2010 numa escola da rede federal de ensino.
II – O trabalho interdisciplinar
A instituição de ensino em que a proposta se desenvolveu promove anualmente um trabalho interdisciplinar, com temas que variam a cada ano. Para o
1º ano de 2010 um dos temas sugeridos foi o “tempo”. A temática apresentada pela
escola se mostrou uma oportunidade interessante para trabalhar-se a Teoria da Relatividade Restrita, respeitando toda sua contextualização e interferência nas demais áreas, tendo em vista a interdisciplinaridade do projeto.
O Trabalho Interdisciplinar (TI) é uma atividade proposta pela diretoria pedagógica de todo o sistema de Colégios Militares, em todas as regiões brasileiras. A instituição de ensino destina-se a filhos de militares, muitos provenientes de regiões nas quais o ensino está aquém daquele que se almeja. Outra forma de ingresso é através de concurso, na 1ª série do Ensino Médio e no 6º ano do Ensino fundamental, o que garante a heterogeneidade entres os alunos em uma mesma sala de aula. O sistema prevê em sua grade curricular o ensino de Física Moderna e Contemporânea, no final do terceiro ano do Ensino Médio. Pela extensão do currículo e pela não exigência em alguns concursos vestibulares, em algumas destas escolas essa Física não chega a ser trabalhada.
O TI é de aplicação obrigatória em todo o Ensino Fundamental e no 1º ano do Ensino Médio. O tema principal a cada ano é criado e imposto pela diretoria do sistema de ensino. Um segundo tema é permitido ao 1º ano e cabe aos professores decidir por qual tema escolher e quais subtemas trabalhar. O tema sugerido pelos
professores, no ano de 2010, foi o “Tempo e suas várias formas”, e os subtemas referiam-se as suas respectivas disciplinas. Após a definição do tema, os alunos foram divididos em grupos, de no máximo dez integrantes, e os subtemas sorteados entre estes. Cada grupo foi responsável pela elaboração de um trabalho sobre um subtema, com orientação do professor da disciplina referente. No caso da Física, o
subtema foi “Os Relógios de Einstein”, com a intenção de trabalharmos a mudança
de concepção de tempo advinda com a Teoria da Relatividade Restrita (TRR) proposta por Albert Einstein, em 1905.
desenvolvimento do trabalho. A partir de então, encontros semanais ou quinzenais foram marcados. Ao completar o terceiro mês, os alunos entregaram o artigo para avaliação e dedicaram-se à preparação da apresentação de seus estudos ao restante dos alunos e aos professores, ao final do quarto mês.
O trabalho foi avaliado pela apresentação e pela parte escrita entregue no final do projeto. 30% da nota bimestral do terceiro bimestre foi destinada à pontuação obtida na avaliação do TI, sendo a mesma considerada em todas as disciplinas.
III – O Trabalho com os Alunos
Por ser uma atividade extraclasse, o TI promove encontros esporádicos com os alunos, que devem ocorrer em horários que não comprometam as aulas do colégio. Com um número de encontros reduzido, o trabalho é conduzido, em sua maioria, pelos alunos. Neste contexto, o professor tem a função de orientador.
Considerando a dificuldade e complexidade do tema oferecido, adotamos medidas diferentes daquelas propostas pelo TI. Assim, propusemos um número maior de encontros; oferecemos material de leitura sobre o tema para os alunos, minimizando o tempo dedicado à pesquisa, mas não a excluindo. Duas aulas foram ministradas pelo professor discutindo o tema. Fora isso, os alunos orientados elaboraram um material didático a ser oferecido aos outros estudantes para orientar a apresentação, onde as explicações dos principais conceitos deveriam estar claras e sucintas, sendo a abordagem histórica priorizada. Este material foi avaliado cuidadosamente pelo professor antes da distribuição aos alunos.
Nos primeiros encontros, apresentamos resumidamente os problemas do eletromagnetismo do final do século XIX, desde a questão da aberração das estrelas fixas (Pietrocola, 1993) até a assimetria encontrada no eletromagnetismo ao explicar os efeitos do movimento relativo entre uma bobina e um ímã (Stachel, 2005), ambos relacionados com o conceito de éter e a esperança de detectá-lo (Lang, 2004). A condição de Einstein como técnico em um escritório de patentes na Suíça contemporaneamente à busca de sincronização de relógios no início do século XX também foi discutida (Galison, 2005). Em seguida, explicamos rapidamente os conceitos da Relatividade Restrita, seus postulados e consequências, enfatizando a dilatação do tempo. A explicação privou-se de fórmulas. As discussões dos conceitos foram realizadas através de desenhos e gravuras dos livros didáticos. Após a exposição e explanações, sugerimos aos alunos as seguintes referências:
Livro: O Universo na Casca de Noz – Stephen Hawking. Nele o autor explica didaticamente o as consequências dos postulados de Einstein e a experiência de Michelson-Morley.
Livro: Einstein e o Universo Relativístico – Reis, Guerra, Braga, Freitas 2000. Livro voltado ao Ensino Médio que contextualiza o cientista e, de maneira criativa, cria um diálogo entre as Físicas de Galileu Galilei e Einstein.
História em quadrinhos: A máquina do tempo - H. G. Wells, adaptada por Terry Davis. Naturalmente trata-se de uma discussão menos informativa, mas, como o livro, contextualizará Einstein e possui uma linguagem mais atraente para alguns alunos.
Reportagens da revista Super Interessante, Super e Scientific American Brasil. Cedemos aos alunos a compilação de 25 anos iniciais da primeira, em CD-ROM, e dos 5 anos de edição da última. Orientamos os alunos no sentido de procurar reportagens que expliquem a TRR e outras que exploram suas consequências e influências.
Obras do espanhol Salvador Dali1. Essa referência visava explorar nas obras a relação com a TRR, através de um olhar pedagógico, buscando aproximar arte e ciência.
A Persistência da Memória talvez seja o trabalho de Salvador Dalí mais relacionado à Teoria da Relatividade. (...) Os relógios apresentam-se macios, flexíveis, maleáveis, parecendo fluir pela superfície onde estão postos. A imagem de relógios moles se repete em várias outras pinturas de Dalí, como em Relógios moles (1933), O sonho de Vênus (1939), Relógio mole no momento da primeira explosão. A desintegração da persistência da memória, Raios cósmicos ressuscitando relógios macios (1965) e Relógio macio ferido (1974). Esta fluidez ou maleabilidade dos relógios é relacionada à noção de dilatação do tempo da Teoria da Relatividade Restrita. É importante salientar que a noção de dilatação do tempo na Relatividade Restrita é uma propriedade do espaço-tempo e não um efeito
no mecanismo dos relógios. Quem “amolece” é o próprio tempo, e não os
relógios. (Andrade, 2007, p. 409)
Figura 1:A persistência da memória. Salvador Dalí (1931).
Filmes como Jornada nas estrelas, A Máquina do Tempo e Contato. Em todos os filmes citados, a TRR é explorada ou aplicada. A vantagem dos filmes é a visualização de fenômenos de difícil compreensão.
Série Cosmos, de Carl Sagan. Na série, o físico americano explica conceitos científicos com linguagem clara e acessível. Em um dos episódios, há uma simulação do paradoxo dos gêmeos.
1
Livros didáticos terceiro ano: livros como Tópicos da Física (Gualter, Newton, Helou, 2007) ou Os Fundamentos da Física (Ramalho, Nicolau, Toledo).
Sugestão de pesquisa na internet, em sítios como You Tube
(http://www.youtube.com) que contêm simulações e vídeos sobre o
tema.
Textos, música, poemas baseados na relatividade do tema.
Entrevista com professores de história e filosofia, com a intenção de obter informações sobre o pensamento e modo de vida do início do século XX.
Os encontros seguintes serviram de orientação do trabalho escrito. Os alunos deveriam construir um texto contextualizando Einstein e sua teoria, descrevendo seus postulados, além de demonstrar a dilatação do tempo. No mesmo texto, os alunos deveriam expor as influências da teoria nos diversos campos pesquisados. Em relação à apresentação final, os alunos escolheram uma apresentação na forma de encenação teatral antecedida por uma palestra sobre a Teoria. Nessa etapa, eles deveriam apenas explorar os efeitos da dilatação temporal.
Depois da entrega do material didático, e da leitura do mesmo pelos alunos da série, discutimos o contexto histórico-científico do século XIX e início do século XX. Desta forma, apresentamos os antecedentes e as motivações que levaram Albert Einstein a formular a Teoria da Relatividade Restrita. Não expusemos as equações de Lorentz nesta etapa. A seguir, apresentamos os postulados da TRR e suas consequências, ou seja, as modificações das medidas de comprimento, tempo e massa, para referenciais inerciais em movimentos relativos. A equação da energia proposta por Einstein foi trabalhada em outro momento.
Para a abordagem matemática da TRR, ao menos no Ensino Médio, alguns livros didáticos oferecem um material útil, cujas demonstrações são acessíveis aos alunos e os exercícios servem de apoio para facilitar o entendimento dos movimentos relativos dos referenciais inerciais. No entanto, a contextualização histórica é escassa, geralmente apresentada com uma breve biografia de Albert Einstein e um relato sobre a experiência de Michelson-Morley, indicando que esta experiência foi fundamental para que Einstein ignorasse o éter. De fato não existe relato de que a experiência para detectar o arrastamento do éter tenha embasado Einstein a descartar a hipótese do éter. Esta relação que aparece nos livros tem origem na sensação de segurança causada pelo empirismo (Lang, 2006). Assim, a aula ministrada pelo professor teve por propósito explorar esse último aspecto negligenciado pelos livros didáticos.
IV – Considerações Finais
A Física Moderna e Contemporânea ainda é uma área da Física a ser inserida de maneira significativa no Ensino Médio. Sua importância se dá na sua aplicabilidade cotidiana e na possibilidade de discutir suas consequências no futuro. Por outro lado, o currículo da Física na educação básica apresenta-se extenso e a ampliação de conteúdos sem uma reformulação torna-se inviável. A procura por caminhos alternativos para trabalhar-se a Física Moderna e Contemporânea não é nova. O uso de hipermídia, a abordagem histórica e o estudo da influência da ciência do século XX nas manifestações artísticas, já se mostraram eficientes (Quintal, Guerra, 2009).
Durante o processo de construção do Trabalho Interdisciplinar, o entendimento da construção da ciência, inserida em um contexto histórico-filosófico, mostrou-se novidade para os alunos e despertou-lhes a curiosidade sobre o tema, comprovados pelo excesso de perguntas durante os encontros e riqueza de contextualização histórica e referências artísticas nos artigos escritos por eles. Consta no artigo escrito pelos alunos referências sobre o trabalho de Einstein no escritório de patentes e sua relação com a sincronização dos relógios devido ao avanço das ferrovias na Europa (Galison, 2005), além de citações de livros de ficção científica do final do século XIX e obras de Pablo Picasso e Salvador Dali. Entretanto, motivados pelas informações dos livros didáticos que lhes foram sugeridos, os alunos enfatizaram as experiências de Michelson-Morley na tentativa
de detectar os “ventos de Éter” (Lang, 2004) como condicionante para a criação da
TRR, e negligenciaram a questão da aberração das estrelas fixas (Pietrocola, 1993) e a assimetria encontrada no eletromagnetismo ao explicar os efeitos do movimento relativo de uma bobina e de um ímã (Stachel, 2005). Ao perceber que os alunos tiveram a sensibilidade de contextualizar Einstein em seu tempo, mas dificuldade em colocar a TRR como algo que não foi oriundo do problema experimental da detecção do éter, o professor planejou novos encontros antes da apresentação final dos alunos. Essas aulas visavam problematizar a ideia apresentada no artigo final de
que a TRR queria resolver o problema da não detecção do “vento de éter”. A
apresentação final ainda não foi concluída, assim, não foi possível avaliar se essa interferência do professor causou alguma mudança no planejamento prévio da apresentação.
O Trabalho Interdisciplinar como atividade extraclasse, com a possibilidade de escolha do tema, permitiu a inserção da Física Moderna e Contemporânea, em especial a Teoria da Relatividade Restrita, no 1º ano do Ensino Médio em um período extenso, dando condições para trabalhar a contextualização e consequências desta teoria em outras áreas do conhecimento. No ano de 2010, apenas um pequeno grupo de estudantes foi envolvido. durante o processo. Como continuação do trabalho serão utilizados os resultados obtidos pelo TI de 2010 para implementar a introdução do tema como conteúdo obrigatório para ao primeiro ano de Ensino Médio na instituição em que o trabalho foi apresentado. Uma nova proposta seria aplicar este tipo trabalho em todos os alunos, seguindo as mesmas etapas, porém os encontros dar-se-iam nas próprias aulas.
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