UNIJUÍ - UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
PROGRAMA DE PÓS - GRADUAÇÃO MESTRADO EM EDUCAÇÃO NAS CIÊNCIAS
A ABORDAGEM DA DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA EM LIVROS DIDÁTICOS DE FÍSICA DO ENSINO MÉDIO
GRACIELA PAZ MEGGIOLARO
GRACIELA PAZ MEGGIOLARO
A ABORDAGEM DA DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA EM LIVROS DIDÁTICOS DE FÍSICA DO ENSINO MÉDIO
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Educação nas Ciências da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Educação nas Ciências - área de Física.
Orientadora: Dra. Cátia Maria Nehring
Ijuí/RS 2012
“Eu não me envergonho de corrigir meus erros e mudar as opiniões, porque não me envergonho de raciocinar e aprender” Alexandre Herculano
AGRADECIMENTOS
Para a concretização desse ideal em minha vida, registro aqui a minha manifestação de amor e agradecimento:
A Deus, a cada dia de vida;
À minha orientadora, Dra. Cátia Maria Nehring, que desde a graduação vem me acompanhando nesta jornada. Muito obrigada, pelo exemplo de pessoa, que foi.
Ao professor, Msc. Nelson Toniazzo, pelas leituras críticas;
Aos professores, Dra. Maria Cristina Pansera de Araújo e Dr. Milton Antonio
Auth. Pelas recomendações na qualificação, que enriqueceram esse trabalho. Aos Antepassados das famílias Meggiolaro, Machado, Paz e Reule.
Aos meus pais, Genésio e Silvana, que permitiram que eu viesse a esse mundo, por terem me guiado nestes anos, pelas lutas, conquistas, cumplicidades e respeito. Eu amo vocês.
Aos meus irmãos, Genesio Jr, Vanessa e Luiza, minhas relíquias.
Ao meu companheiro, Fabiano, que sempre me apoiou, pelo incentivo, e a paciência.
Ao meu amigo, Jonas, pelas horas que dedicou em corrigir e trocar ideias sobre a pesquisa.
Às colegas e amigas, Andreia, Emanueli e Juliana, pelo incentivo nos momentos de angústias e as conversas sobre a pesquisa, conselhos e lições.
RESUMO
A Física, como ciência da natureza, não é algo acabado e nem imutável, pois nenhuma teoria é totalmente consistente, mas sim uma busca de interesses individuais e coletivos, na qual podemos provar, validar conceitos e teorias, na perspectiva de descrever a realidade e permitir a compreensão de fenômenos da natureza. A teoria da dualidade onda-partícula é uma representação dessa perspectiva, pois ao longo dos anos muitas foram as discussões em torno da luz, até que se chegasse à concepção atual. Essa pesquisa analisou a proposição da dualidade onda-partícula em três coleções de livros didáticos de Física, indicados no Catálogo do Programa Nacional do Livro para o Ensino Médio – Física, PNLEM/2009, por ser um instrumento dos professores no planejamento de suas aulas e por expressarem formas de socialização dos conceitos. Neste sentido, verificamos como é apresentado o conceito da dualidade onda-partícula nesses materiais. O referencial teórico foi constituído através de uma revisão da literatura sobre as controvérsias relativas a natureza da luz e, também, o papel do livro didático como instrumento de planejamento do professor. A metodologia da pesquisa foi baseada nas ideias de Moraes e Galiazzi (2007), referente à Análise Textual Discursiva – ATD, uma vez que a partir de fragmentos retirados dos livros didáticos, organizamos grupos de palavras-chave, por ordem de aproximação e de significados, que emergiram em categorias, que nos ajudaram na organização dos metatextos. Com base na análise buscamos identificar o conceito da dualidade onda-partícula através de fragmentos retirados dos livros didáticos. Os resultados apontaram que apenas duas coleções abordaram a teoria da dualidade onda-partícula, apresentada como um conceito totalmente novo. E no momento que fizemos a recorrência sobre os conceitos mais abordados, dessas duas coleções, verificamos que o livro didático prioriza as discussões da física clássica, ou seja, o modelo ondulatório da luz.
Palavras-chave: Dualidade Onda-Partícula; Livro Didático; Física Moderna e Contemporânea.
ABSTRACT
The Physics, as a science of nature, it is not something unfinished and unchangeable, because no theory is totally consistent, but is the search of individual interests and collective, in which we can prove, valid some concepts and theories, at the perspective of describing the reality and allow the comprehension of nature phenomena. The duality theory wave-particle is a representation of this perspective, by the years along a lot of discussions about the light, until we found the present conception. This research analyzed the proposal of the duality wave-particle in three Physics didactics books, indicated in the Catalog of National Book Program to High School- Physics PNLEM/2009, because is an instrument of teachers in planning their classes and expressing ways of socializing concepts. In this sense, we verify how presented ths duality concept wave-particle in these materials is. The theorical reference were constituted through of the review of the literature about controversies related to light nature and, also, the paper of the didactic book as an instrument of the teachers planning The methodology of research was based in the ideas from Moraes and Galiazzi(2007), refers to the Discursive Analyzed Textual DAT, from the fragments of the didactics books, we organized a keyword group, in order from approximation and meanings , that comes in categories that helped us organizing the metatexts. Based in the analyze we search to identify the duality concept wave-particle through the fragments from the didactics books. The results pointed that just two collections approached the theory of duality wave-particle, presented as a totally new concept. At the moment that we have made this recurrence about the most approached concepts, from this two collections, we verify that the didactic book firstly gives the classical physics, or, the wave light model.
LISTA DE SIGLAS
Análise Textual Discursiva - ATD
Física Moderna e Contemporânea - FMC
Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional - LDB Ministério de Educação - MEC
Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio - PCNEM Programa Nacional do Livro Didático - PNLD
Programa Nacional do Livro Didático para o Ensino Médio - PNLEM Projeto da Universidade de Colorado - PhET
Rede Internacional Virtual de Educação - RIVED Sistema Estadual de Bibliotecas Escolares - SEBE
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama da experiência de dupla fenda de Young ... 36 Figura 2: Representação de uma onda eletromagnética ... 37 Figura 3: Espalhamento de Raios X por um elétron ... 43
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Rol dos Livros Didáticos Utilizados na Pesquisa ... 47
Tabela 2: Totais de Fragmentos Localizados ... 48
Tabela 3: Fragmentos Coleção LD-1; Dualidade, Onda, Partícula, Onda-Partícula e Dualidade Onda-Partícula ... 50
Tabela 4: Fragmentos Coleção LD-2; Dualidade, Onda, Partícula, Onda-Partícula e Dualidade Onda-Partícula ... 51
Tabela 5: Fragmentos Coleção LD-3; Dualidade, Onda, Partícula, Onda-Partícula e Dualidade Onda-Partícula ... 52
Tabela 6: Coleção LD-1 ... 58
Tabela 7: Coleção LD-2 ... 58
Tabela 8: Coleção LD-3 ... 58
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 24
CAPÍTULO 1 – FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA ... 19
1.1 Dimensão Epistemológica: Mudanças conceituais de percepção do mundo ... 19
1.2 Física Moderna e Contemporânea na Escola ... 23
1.3 O Papel dos Livros Didáticos no Ensino de Física ... 26
CAPÍTULO 2 – O TEMA EM ESTUDO: AS CONTROVÉRSIAS SOBRE A NATUREZA DUAL DA LUZ ... 32
CAPÍTULO 3 – PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS E ANÁLISE DOS LIVROS DIDÁTICOS ... 46
3.1 Escolha e a Aquisição do Corpus da Pesquisa ... 46
3.2 Unitarização, Categorização e Organização do Metatexto ... 47
3.3 Dualidade Onda-Partícula: Fenômenos Distintos para Explicar o Comportamento da Luz ... 54
3.3.1 Identificação e Apresentação da Dualidade Onda-Partícula nas Coleções... 54
3.3.2 Dualidade Onda-Partícula e Conceitos Relacionados ... 57
3.3.3 O Modelo Ondulatório e Corpuscular da Luz x Dualidade Onda-Partícula ... 59
3.3.3.1 Luz ... 61
3.3.3.2 Radiação ... 64
3.3.3.3 Onda e Partícula (Fóton) ... 73
CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 86
REFERÊNCIAS ... 89
INTRODUÇÃO
Estamos inseridos em um contexto de rápida evolução tecnológica com grandes progressos da ciência, o que ocorreu devido ao aperfeiçoamento dos equipamentos de análises e à evolução do conhecimento científico, desenvolvidos ao longo dos anos, permitindo, assim, a evolução nos estudos e abrindo portas para todas as áreas do conhecimento. Mezalira afirma que “[...] a evolução do desenvolvimento científico e tecnológico influenciou a vida social, política, econômica e, fundamentalmente, as relações com o ambiente [...]” (2008, p.21), gerando benefícios ou prejuízos às pessoas.
Os artefatos tecnológicos que surgiram mudaram comportamentos, ditaram regras e geraram expectativas e dúvidas. Um pequeno exemplo de sua influência no mundo social é o compartilhamento de arquivos pela Internet. A troca livre de arquivos de músicas digitalizadas, os temíveis mp3, causa prejuízos bilionários na indústria fonográfica mundial, obrigando-a a repensar toda sua estratégia de funcionamento. As pessoas que trocam gratuitamente seus arquivos pela rede sentem-se como “guerrilheiros”, rebeldes revolucionários lutando contra o domínio das imponentes gravadoras (BROCKINTON, 2005, p. 9).
Ao mesmo tempo em que as tecnologias servem para benefício das pessoas, ocorrem esses pequenos problemas referente à exposição de informações e dados que facilmente podem ser clonados e compartilhados. Tendo consciência desses riscos, os indivíduos não imaginam, porém ficar sem a Internet, uma vez que a mesma é indispensável nas ações da sociedade atual, devido à praticidade e velocidade de trocas de informações. Inseridos em um século em que a agilidade das informações é imprescindível o sistema de troca de cartas via Correios foi abandonado pelas empresas devido à demora da entrega e do retorno, constituindo um caso de superação tecnológica.
Outro artefato tecnológico, que promoveu mudança significativa na medicina, foi o equipamento de raios X. Com a sua descoberta, foi possível visualizar uma imagem radiográfica do corpo de um paciente, em poucos segundos, tornando um artefato de grande importância nos hospitais. Com o passar dos anos, e com o aprofundamento e desenvolvimento das pesquisas, foram construídos o Mamógrafo e, Medicina Nuclear.
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Citamos apenas alguns exemplos de artefatos tecnológicos que podem ser explorados no Ensino de Física com a explicação/conhecimento sobre o funcionamento e evolução, o que, segundo Brockington,
[...] não é possível ao cidadão comum (aquele não especializado nas áreas científicas e tecnológicas) entender o que realmente ocorre no interior de produtos dessas novas tecnologias: embora vivendo no século XXI, muitos se portam diante dessa nova realidade cotidiana, como os nativos diante dos utensílios dos europeus conquistadores. Faltam-lhes conhecimentos, capazes de permitir leituras do mundo tecno-virtual no qual vivem (2005, p.9-10).
Podemos questionar, enquanto professores, o quanto seria significativo abordar em sala de aula os conceitos da Física que permitem entender o funcionamento dos artefatos tecnológicos, o qual faz parte do contexto do aluno, contribuindo para o aprendizado e a compreensão da área científica e tecnológica.
Essas questões impõem um repensar sobre o nosso cotidiano e as relações com essas tecnologias, uma vez que nem sempre é possível de fato escolher o que é benéfico sem consequências negativas. As ações propostas pelos artefatos tecnológicos são muitas vezes automatizadas, sem reflexões (MEZALIRA, 2008, p.25).
O professor, instigando a investigação do aluno em relação à tecnologia, estará aproximando esses artefatos tecnológicos do ambiente de sala de aula, permitindo que ocorra uma discussão sobre os conceitos e suas significações referentes ao conhecimento científico, pois “Tem-se muito ainda a ideia de que a ciência é única, a detentora de toda a verdade” (Idem, p. 24). Assim, é necessário permitir ao aluno a reflexão de que a ciência não é acabada e sim que está sujeita constantemente a reformulações.
Com a preocupação de reorganizar o Ensino de Física no sentido de abrir caminhos para novos conhecimentos, voltados aos conceitos que envolvem a era tecnológica e a ciência, o PCN+(BRASIL, 2002) aponta sobre a atualização científico-tecnológica no ensino.
Alguns aspectos da chamada Física Moderna serão indispensáveis para permitir aos jovens adquirir uma compreensão mais abrangente sobre como se constitui a matéria, de forma que tenham contato com diferentes e novos materiais, cristais líquidos e lasers presentes nos utensílios tecnológicos, ou com o desenvolvimento da eletrônica, dos circuitos integrados e dos microprocessadores (BRASIL, 2002, p.69).
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O próprio PCN, organizado pelo governo, reforça a importância de desenvolver com os alunos os conceitos da Física Moderna, os quais irão possibilitar uma compreensão mais abrangente, do mundo tecnológico por eles vivenciado em seu cotidiano, sendo necessário à escola o papel de trabalhar com este conhecimento.
É em sala de aula que o professor tem a oportunidade de discutir os princípios das leis físicas, problematizando as concepções, possibilitando, com isso, que eles tenham articulações entre a teoria e a prática, através da compreensão das situações do mundo. A Lei de Diretrizes e Base (LDB): nᵒ 9.394/96 na Seção IV - Do Ensino Médio, descreve que o estudante deve demonstrar, no final do Ensino Médio, o domínio dos princípios científicos e tecnológicos que possuem influência no cotidiano. As Orientações Curriculares, nessa direção, também enfocam essa necessidade com algumas advertências quanto à prática de escolas e professores.
Devem-se assumir também as práticas como referências e formas de articular teoria e prática, pois, além das pesquisas científicas, fundamentais ou aplicadas, também as práticas domésticas, industriais, ideológicas, políticas e tecnológicas, bem como suas funções sociais, devem servir às escolhas didáticas. Busca-se proporcionar aos alunos a aquisição de elementos de compreensão e/ou manuseio de aparatos tecnológicos, de máquinas e dos processos de produção industrial e outras atividades profissionais. Essa pode ser uma forma de se entender a preparação para o trabalho da qual trata a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional/1996 e as Diretrizes Curriculares Nacionais do Ensino Médio (BRASIL, 2006, p.46).
Nesse sentido, o Ensino de Física na Educação Básica tem como um dos seus objetivos fazer com que o sujeito compreenda os fenômenos e o mundo tecnológico por ele vivenciado. E, na educação básica é possível fazer essa discussão sobre os aparatos tecnológicos através da tematização dos conhecimentos que estão envolvidos no processo de criação científica do século XX.
Sobre a discussão da evolução das concepções dos conceitos no processo de criação científica, durante a graduação o que mais me instigava era a dualidade onda-partícula, pois me reportava para as lembranças do Ensino Médio e não recordava em qual momento havia estudado sobre a Física Moderna e Contemporânea. Não pretendo, com a pesquisa, deixar receitas para os demais professores, nem avaliar se os conceitos estão certos ou errados,
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apenas pretendo compreender essa amplitude da Física Moderna e Contemporânea na educação e, mais especificamente, sobre a teoria da Dualidade Onda-Partícula.
Nesse processo de investigação inicial sobre as pesquisas realizadas referentes à Dualidade Onda-Partícula, encontrei fundamentação teórica nas discussões de pesquisadores e filósofos como Montenegro e Pessoa Jr (2002); Kuhn (1997); Rocha (2002); Heisenberg (1987) e Brockington (2005).
Com a preocupação da inserção da Física Moderna no ensino médio em uma escola da rede pública de São Paulo, Brockington (2005) organizou uma sequência didática na qual apresentou aos estudantes a dualidade onda-partícula. Iniciou discutindo os conceitos clássicos de ondas, partículas e eletromagnetismo, conceitos estes relacionados à Física Clássica, criando, assim, condições para introduzir o conceito de dualidade onda-partícula, apresentando a Física Quântica, fazendo com que o aluno percebesse diferenças epistemológicas e filosóficas entre os modelos.
De modo semelhante, Alvarenga (2008) desenvolveu uma atividade extracurricular a partir da discussão do dualismo onda-partícula e outros conceitos da Física Moderna, na qual ele discutiu esses conceitos em sala de aula e, posteriormente, no laboratório de Informática, no projeto denominado de “Introdução à Física Moderna no Ensino Médio através da discussão do dualismo Onda-partícula”, debatendo a questão sobre se a luz é onda ou partícula. O objetivo era mostrar a relevância da Física na tecnologia atual. Sua proposta de pesquisa foi marcada pela introdução da teoria ondulatória e, em seguida, a teoria corpuscular a um grupo de alunos, levando-os a perceber que trabalhando de forma qualitativa com a descrição visual dos fenômenos da natureza da luz e definindo-a como onda, tal experiência servirá de ancora para trabalhar com os conceitos complexos no que tange à Mecânica Quântica, ou seja, o conceito da dualidade onda-partícula. O autor organizou um material didático expositivo para os alunos e professores, constituído por textos e simulações computacionais referente a experiências que caracterizam os fenômenos de caráter ondulatório e corpuscular da luz, como efeito fotoelétrico e a simulação da fenda dupla.
Silva (2010), em sua pesquisa, explorou as controvérsias da luz do século XVII e XVIII, através de textos históricos com unidades didáticas, por trabalhar com uma forma diferente a Óptica voltada ao estudo em desenho de raios e ângulos, bem como o processo de visão, reflexão, refração, difração e interferência com alunos do Ensino Médio, além da introdução de elementos da História e da Filosofia da Ciência. Também organizou um júri
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simulado através de debate coletivo sobre o que é a luz com os alunos, no intuito de tornar o conteúdo mais significativo, propiciando uma melhor aprendizagem sobre os fenômenos. O autor, porém, concluiu que o trabalho com os textos históricos em sala de aula revelou-se um obstáculo, pois os alunos não estavam acostumados a trabalhar com leituras. No que se refere à atividade do júri simulado, ele destaca que foi um momento de socialização e discussão dos diferentes pontos de vista dos alunos.
Forato (2009) trabalhou, em sua tese, com a exploração da história e filosofia da ciência sobre teorias da Óptica, elaborando um curso-piloto através de materiais didáticos e atividades didáticas, desenvolvendo com um grupo de alunos do ensino médio, da cidade de São Paulo, através de episódios da história da luz para tratar aspectos epistemológicos na visão empírico-indutivista da ciência, com o objetivo de analisar a utilização da história da ciência na educação científica, e a transposição didática desses conteúdos. Um dos resultados refere-se ao intuito de contribuir na produção do conhecimento acadêmico e o uso da história e filosofia da ciência no ambiente escolar, com esses materiais didáticos na forma de sequências de atividades didáticas e textos de apoio para o professor, pois os resultados indicaram possibilidades de generalizações que podiam ser entendidas como parâmetros iniciais para a pesquisa com a história e filosofia da ciência na educação científica.
Silva (2009) propôs estratégias de ensino através de atividades interativas no intuito de discutir e apresentar os conceitos de ondas e o comportamento ondulatório da luz, iniciando com a óptica ondulatória, com os fenômenos de reflexão, interferência e difração, tratando assim a óptica geométrica como um caso particular da óptica ondulatória. Concluiu que é possível iniciar o curso de óptica a partir da teoria ondulatória, pois os alunos verificaram a correspondência do comportamento de uma onda com o da luz.
Melo (2010), em sua tese, analisou a história da ciência referente ao modelo ondulatório, em que a visão mecânica de Huygens, através da versão de Traité de la Lumière (1690), sobre a formação conceitual da ideia de onda na física, quando explorou os potenciais didáticos do contexto da natureza da luz e a conceitualização científica ao interpretar a intencionalidade didática. Utilizou, para isso, textos e livros didáticos de física, observando a inserção, a exposição e o contexto histórico na presença de atividades, mas também com a análise de alguns livros didáticos do ensino superior em relação ao Princípio de Huygens. A autora concluiu que a física escolar ressignifica as ideias de Huygens referentes à interpretação do modelo ondulatório, com distorções históricas no caso de Huygens, e a sua
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possível intencionalidade didática. De igual modo, também observou a ausência de propostas de atividades que envolvessem os episódios históricos, nos quais julgou insuficientes os propósitos didáticos tradicionais para o contexto da ondulatória na alfabetização científica, defendendo que, na contextualização histórica, o estudante pode se deparar com as dificuldades dos cientistas, com conceitos incipientes, com ideias vagas que, mesmo equivocadas, revistas e/ou ressignificadas, desempenharam papel fundamental na conceituação atual. Por fim, concluiu que a história da ciência não é vista como mais um conteúdo de ensino, ponto de vista que, muitas vezes, dá origem às imagens deformadas da ciência e outras distorções como algumas presentes nos textos didáticos.
As pesquisas, envolvendo a discussão da dualidade onda-partícula, expressam a importância de se estar discutindo o ensino de física no ensino médio, seja ela, voltada somente para o modelo ondulatório, ou a dualidade onda-partícula. Algumas com a elaboração de materiais didáticos e aplicação em sala de aula, com o objetivo de promover situações de ensino voltadas à natureza da luz, e outros com análises de materiais didáticos, referentes à contextualização histórica.
Essas pesquisas ajudaram a organizar e delimitar nossa temática, pois compreendemos que o estudo sobre a natureza da luz é de extrema importância no ensino médio, considerando as discussões filosóficas e epistemológicas.
Delimitamos, então, a pesquisa com a seguinte problemática: O livro didático de Física no Ensino Médio, sendo um dos principais instrumentos didáticos dos professores no planejamento de suas aulas, aborda a teoria da dualidade onda-partícula? E, se aparece, quais são os conceitos mais utilizados nas coleções? Esses conceitos estão relacionados com a teoria da dualidade onda-partícula?
Assim, o objetivo geral desta investigação consiste em verificar de que forma a dualidade onda-partícula é abordada em coleções de livros didáticos de Física, indicados no Catálogo do Programa Nacional do Livro para o Ensino Médio – Física, PNLEM/2009, explicitando a sua apresentação, com possibilidade de contribuir no processo de repensar a Física Moderna e Contemporânea trabalhada no Ensino Médio.
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Buscar, através de uma análise conceitual, as controvérsias sobre a natureza da luz com ênfase na dualidade onda-partícula, para compreender como está sendo apresentado nos livros didáticos de Física; e
Através dos critérios de análises estabelecidos na metodologia, verificar nos livros didáticos a apresentação da teoria da dualidade onda-partícula, voltada à discussão da Física Moderna e Contemporânea.
Com a conclusão desses objetivos, esperamos contribuir com o conhecimento sobre a dualidade onda-partícula para o entendimento epistemológico e filosófico dos conceitos relacionados à natureza da luz.
A dissertação está dividida da seguinte forma:
- Primeiro capítulo, propomos uma discussão sobre a Física Moderna e
Contemporânea, especificidades, novas concepções e entendimentos sobre o mundo com um olhar filosófico e, em seguida, estendemos à sua inserção na educação, frente à posição de documentos oficiais e à importância do livro didático no contexto do professor e do aluno.
- Segundo capítulo, efetuamos uma revisão bibliográfica sobre as concepções da natureza da luz guiadas pelo contexto histórico e epistemológico, enfatizando a discussão nas teorias elaboradas pelos filósofos sobre o modelo ondulatório e corpuscular da luz.
- Terceiro capítulo, discorremos sobre a metodologia usada na pesquisa, baseada na Análise Textual Discursiva de Moraes e Galiazzi (2007), a qual nos permitiu organizar grupos por ordem de aproximação e de significados através de palavras-chave: dualidade; onda
(onda; onda eletromagnética); partícula (partícula; fóton); partícula e dualidade onda-partícula, com as categorias apresentamos as análises através dos metatextos.
A teoria da dualidade onda-partícula é parte fundamental da Física Moderna e Contemporânea, uma vez que, em torno dela, está todo um descobrimento tecnológico, histórico e epistemológico.
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CAPÍTULO 1 – FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA
Neste capítulo, efetuamos a discussão sobre a evolução do pensamento científico e as mudanças nas concepções da Física, em relação à Física Clássica, à Moderna e à Contemporânea – FMC. Neste sentido, levantamos a discussão sobre a FMC no contexto escolar, já que este estudo propicia ao sujeito o contato com as potencialidades em relação ao desenvolvimento da humanidade, estabelecendo vínculos com o cotidiano tecnológico atual.
Também apresentamos a discussão do papel do livro didático no Ensino de Física, já que o livro didático é um instrumento que pode ser utilizado pelo professor como um suporte para o planejamento de sua aula e pelos alunos como um aprofundamento de conhecimento voltado à aprendizagem.
1.1 Dimensão Epistemológica: Mudanças conceituais de percepção do mundo
A preocupação em entender, descrever e discutir as manifestações da natureza com os seus detalhes, de modo que expresse o observado, já possui uma longa caminhada na história da ciência e da filosofia, uma vez que os homens contribuíram para a evolução do conhecimento científico.
Grandes são as contribuições de estudiosos e desbravadores de conhecimentos através de determinação de modelos, teorias e leis. As observações da natureza e a vontade de chegar tão perto da explicação do observado enriqueceram a ciência, abrindo portas para importantes invenções, baseadas constantemente nos conhecimentos internalizados e complementados ao longo dos anos de análises e estudos.
A Física, como a ciência da natureza, não está acabada nem imutável, pois nenhuma teoria é totalmente consistente, mas sim uma busca de interesses individuais e coletivos. Com isso, podemos provar, validar conceitos e teorias, descrevendo a realidade e permitindo uma compreensão de fenômenos da natureza.
O estudo da Física passou a ter destaque há três séculos, período em que as leis da mecânica clássica estavam sendo corroboradas pelos estudiosos. Essas leis descreviam os
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fenômenos relacionados com os movimentos de grandes massas e posições, sendo válidas para o mundo macroscópico.
Porém, essa moldura extremamente rígida, com os conceitos fundamentais da Física Clássica, chegou ao fim (HEISENBERG, 1987), a partir do século XIX, desencadeando uma instabilidade na comunidade científica, com novos questionamentos sobre as leis e teorias. As mesmas foram confrontadas, acarretando uma grande revolução nas concepções da ciência. Esses questionamentos levaram em consideração o fato de que as leis que já estavam bem enraizadas não conseguiam descrever as partículas de alta velocidade. A discussão estava voltada, à origem do universo e sistemas físicos microscópicos.
Essa ruptura ocorreu em dois estágios distintos. O primeiro foi a descoberta feita na teoria da relatividade que mesmo conceitos fundamentais, como espaço e tempo poderiam ser modificados [...]. O segundo estágio consistiu na discussão a respeito do conceito da matéria, que foi imposta por resultados experimentais acerca da estrutura atômica (HEISENBERG, 1987, p.149).
Como, por exemplo, a dinâmica de Newton, da Física Clássica, e a Teoria Geral da Relatividade de Einstein, da Física Moderna, denominada por Kuhn como sendo uma mudança de paradigma1. “Guiados por um novo paradigma, os cientistas adotam novos instrumentos e orientam seu olhar em novas direções” (KUHN, 1997, p.145). Essa mudança de paradigma significa uma transição do velho paradigma para um novo que possui uma (re)construção de métodos, instrumentos e aplicações. No entanto,
[...] está longe de ser um processo cumulativo obtido através de uma articulação do velho paradigma. É antes uma reconstrução da área de estudos a partir de novos princípios, reconstrução que altera algumas das generalizações teóricas mais elementares do paradigma, bem como muitos de seus métodos e aplicações (KUHN, 1997, p.116).
Parecerá que existe coincidência entre o antigo e o novo paradigma, mas “haverá igualmente uma diferença decisiva no tocante aos modos de solucionar os problemas” (KUHN, 1997, p.116). “Decidir rejeitar um paradigma é sempre decidir simultaneamente aceitar outro” (KUHN, 1977 apud OSTERMAN, 1996, p.8).
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São “realizações científicas universalmente reconhecidas que, durante algum tempo, fornecem problemas e soluções modelares para uma comunidade de praticantes de uma ciência” (KUHN, 1997, p. 13).
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Kuhn considera essa transição como sendo uma revolução científica na qual são “[...] episódios de desenvolvimento não-acumulativo, nos quais um paradigma mais antigo é total ou parcialmente substituído por um novo, incompatível com o anterior” (1997, p.125). Esses novos paradigmas que compõem a Física Moderna e Contemporânea – FMC, também conhecida como Física Quântica, possibilitaram uma nova visão do mundo, criando infinitas possibilidades de evolução. Sua linguagem é mais complexa, pois, para a teoria quântica,
[...] não se tem, de começo nenhum critério simples para se correlacionar os símbolos matemáticos aos conceitos da linguagem quotidiana; e a única coisa que sabemos, como ponto de partida, é que os conceitos comuns não são aplicáveis ao estudo das estruturas atômicas (HEISENBERG, 1987, p.134).
Segundo a interpretação de Copenhague da teoria quântica, “qualquer experiência em física, refira-se ela a fenômenos da vida comum ou a eventos atômicos, tem que ser descrita na terminologia da física clássica” (HEISENBERG, 1987, p.39), devido à linguagem na qual são descritos e enunciados os resultados. Esse paradoxo pode ser compreendido da seguinte forma:
Na mecânica newtoniana, por exemplo, podemos começar pela medida da posição e velocidade do planeta cujo movimento queremos estudar. O resultado da observação feita é traduzido matematicamente com auxílio dos valores numéricos que a experimentação revelar. (HEISENBERG, 1987, p.39).
Esses valores numéricos são possíveis de prever, como o tempo, futuras coordenadas e o momento linear do instante exato em que ocorrerá um eclipse na lua. Já, na FMC, ocorre diferente ao determinar a posição e velocidade inicial de um elétron, pois “essa determinação, todavia, não seria precisa; ela traria consigo, pelo menos, as imprecisões que derivam da correspondente relação de incerteza e, provavelmente, ainda erros maiores devido às dificuldades da técnica experimental utilizada” (HEISENBERG, 1987, p.39). Porém, para determinar a função de probabilidade do instante inicial de um elétron, as leis quânticas nos dariam subsídios pouco precisos.
Uma diferença entre a Física Clássica e Moderna está relacionada ao tratamento das grandezas físicas. Na Física Clássica, trabalhamos com grandezas grandes, com massas que podemos visualizar. Já, na Física Moderna, é trabalhado com o mundo microscópico. Como exemplo, na Física Clássica o estado de uma partícula de massa m, possui números que
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descrevem a posição e a velocidade; já, na Física Moderna, a determinação do estado de um objeto é complexa e diversa, dependo da interpretação da teoria (CHIBENI, 2001).
A luz também foi uma questão conceitual e desafiadora devido à discussão da sua natureza. A teoria em que ela possui um comportamento ondulatório foi comprovada por experiências realizadas por Young, e outros. Tendo, uma maior aceitabilidade, com os trabalhos de Maxwell devido aos estudos sobre as radiações, em que elas também são ondas eletromagnéticas.
E, com os novos questionamentos sobre os acontecimentos que estavam ocorrendo no início do século XX referente à Radiação Térmica, descoberta feita por Planck, iniciou-se uma caminhada com um grande progresso científico. A natureza da luz foi novamente rediscutida por Einstein em seu experimento sobre o efeito fotoelétrico com a discussão em que a luz possuía comportamento similar ao de partículas, apresentando, assim uma natureza dual (ROCHA, 2002). Einstein não desprezou a natureza ondulatória da luz, porque ele sabia que os fenômenos de difração e interferência só podiam ser explicados pelo modelo ondulatório (HEISENBERG, 1987). Porém, nem a teoria ondulatória e nem a corpuscular explicam sozinhas os aspectos e comportamentos da radiação luminosa observados na natureza, porque, em determinadas circunstâncias, elas se comportam como onda e em outras como partícula. Esta radiação apresenta propriedades ondulatórias como difração, interferência e polarização e, em outras situações, comporta-se com feixe de partículas (WEBBER, RICCI, 2007).
A dualidade onda-partícula, como ficou conhecida, não era apenas uma característica da luz. Segundo Jammer (1966, apud BROCKINGTON, 2005, p.44), “[...] em 1924, Louis de Broglie introduz a idéia da ‘dualidade onda-partícula’, propondo a existência de uma onda fictícia que acompanharia o movimento de qualquer corpo, tornando indissociável a propagação da onda do movimento do corpo”.
Logo, um elétron ou um fóton, em certas situações experimentais, pode ser encarado ou como partícula, ou como onda, sendo praticamente impossível preparar uma situação experimental que exiba simultaneamente esses dois aspectos, segundo Zeilinger
Estava, assim, instaurada a indisposição entre os físicos, visto que era necessária a utilização de duas concepções antagônicas e inconciliáveis para luz, a ondulatória e a corpuscular, para a explicação da totalidade dos fenômenos. Esse mal-estar gerado pela dualidade onda-partícula acompanharia a “Velha Física Quântica” (1900-1924) até à considerada “Verdadeira Mecânica Quântica” (1925-1927). A natureza dual da
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luz é a raiz de quase todos os problemas filosóficos e epistemológicos relacionados à teoria mais poderosa e bem-sucedida inventada pelo homem para a descrição da natureza (1999 apud BROCKINGTON, 2005, p.41).
A teoria corpuscular não anulou a teoria ondulatória. Os dois modelos são válidos, pois a luz ao interagir com a matéria, ora se comporta como onda, ora como partícula. O que definirá qual será apropriado ao fenômeno em questão, pois, para os fenômenos de reflexão, refração, interferência, difração e polarização, a teoria ondulatória dará conta de explicar, e a explicação dos fenômenos de emissão e absorção caberá à teoria corpuscular.
Essa nova visão de mundo também nos remete a compreender como funciona o mundo da estrutura básica da matéria. Analisamos as técnicas de visualização que antes utilizavam lentes e microscópios óticos, o que já era uma grande descoberta, e, agora, possuímos a tecnologia de métodos de visualização, baseados em feixes de íons ou de elétrons e microscópios de sonda.
Graças à invenção do microscópio de tunelamento (STM), passou a ser possível não só ver, mas, medir e manipular átomos ou moléculas. A invenção do STM desencadeou o desenvolvimento de uma grande variedade de microscópicos de varredura por sonda (SPM) tais como o microscópio de força atômica (AFM), o microscópio de força magnética (MFM), o microscópio de força eletrostática (EFM), o microscópio ótico de campo próximo (SNOM), e todos os derivados. O principal componente de um SPM é o sensor, com o qual consegue-se sondar as amostras e obter as imagens com magnificações muito altas, de forma tal que podem ser medidas distâncias com resolução de até 0,1 ângstrom (1Å=10-10 m) (DUARTE, 2010, p.2).
Outra medida em pequena escala que também é muito mencionada é a nanotecnologia (10-9m em “nano”), com grandes aplicações em medicamentos, cosméticos e dispositivos sensoriais. Essas descobertas dos conceitos que envolvem a FMC trouxeram importantes contribuições para os dias de hoje, pois o princípio do nosso desenvolvimento científico e tecnológico está diretamente envolvido com o mundo microscópico.
1.2 Física Moderna e Contemporânea na Escola
A escola, enquanto instituição educativa, tem por finalidade trabalhar os conhecimentos socialmente institucionalizados, levando o aluno a obter compreensão sobre a
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tecnologia que temos a partir do século XX, desde que o professor explore e trabalhe em sala de aula os fenômenos relacionados à tecnologia, juntamente com a discussão dos conceitos de FMC.
Surge, nas escolas, a necessidade de desenvolverem com os alunos os conceitos e processos da ciência, através da chamada “alfabetização científica” com a necessidade de se discutir nas aulas de ciência, a ciência do conhecimento e a natureza da ciência, sendo necessário para a formação do cidadão e para a sua compreensão do mundo (BROCKINGTON, 2005).
Não temos dúvida de que o ensino da Física por meio de uma abordagem que considera o papel da tecnologia é fundamental. Tem-se, ao tratar o conteúdo teórico a partir de situações retiradas do dia-a-dia do aluno, uma maior possibilidade do estabelecimento de vínculos com o seu cotidiano (Idem, p. 19).
O professor, utilizando das suas estratégias de ensino, considerando o papel da tecnologia, propiciará ao sujeito o contato com as potencialidades em relação ao desenvolvimento da humanidade, estabelecendo vínculos com o cotidiano, pois os conhecimentos da FMC, sendo compreendidos, possibilitarão aos alunos a interpretação de fenômenos complexos.
O uso do computador em sala de aula através de softwares educativos ou materiais institucionais é uma ótima metodologia no sentido de ajudar o aluno na aprendizagem, favorecendo a compreensão de fenômenos que somente são possíveis serem visualizados através de instrumentos apropriados e raramente disponibilizados nas escolas. Esse material conhecido como Objetos de aprendizagem, pode ser confeccionado pelo professor, ou adquiridos em sites disponíveis como RIVED (Rede Internacional Virtual de Educação), e PhET2 (Projeto da Universidade de Colorado) permite explorar fenômenos de interferência, efeito fotoelétrico entre outros.
Nos documentos oficiais, como a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional – LDB (BRASIL, 1996) e os Parâmetros Curriculares Nacionais: Ensino Médio – PCNEM (BRASIL, 2002), discute-se a importância da inserção dos conceitos de FMC na Educação Básica. O Artigo 36 da LDB (Lei 9394/96) tem como diretriz que o currículo do ensino médio
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“[...] destacará a educação tecnológica básica, a compreensão do significado da ciência [...]”, o que nos permite complementar dizendo que, “[...] assim o aprendizado de Física deve estimular os jovens a acompanhar as notícias científicas, orientando-os para a identificação sobre o assunto que está sendo tratado e promovendo meios para a interpretação de seus significados” (BRASIL, 2000, p. 27).
Conforme a LDB e os PCNEM, trabalhar em sala de aula com os assuntos da atualidade instiga o aluno ao conhecimento científico, estimulando a compreensão sobre a ciência, interligando-a com a realidade e a aula será mais atrativa.
Há muitas justificativas na literatura que nos permitem lançar uma hipótese: há uma tendência nacional e internacional de atualização dos currículos de Física no Ensino Médio. No entanto, ainda é reduzido o número de trabalhos publicados que encaram a questão sob a ótica do ensino e, mais ainda, os que buscam colocar, em sala de aula, propostas de atualização (OSTERMANN e MOREIRA, 2001, p.135).
Garcia e Silva (2009) realizaram uma pesquisa sobre a proposta de ensino referente à inserção da FMC no ensino médio, analisando produções a partir de 2002. Organizando em áreas como: a Teoria da Relatividade, Mecânica Quântica, Física de Partículas e Supercondutividade, verificando, que a metodologia estava voltada a utilização da História e Filosofia da Ciência. Também verificaram que existe um número significativo de trabalhos voltados à Teoria da Relatividade, e apenas um trabalho na área de partículas e supercondutividade, constatando que existe uma grande carência de trabalhos na área de FMC no currículo escolar.
Porém, desde o ano de 2002, a Sociedade Brasileira de Física tem motivado os interessados a publicarem artigos sobre a FMC. Em 2003, organizaram uma série de livros direcionados aos professores de física referente à abordagem da FMC, com o objetivo de desenvolver o ensino de física e a física nos anos de 2005 a 2015. Mas a intenção de introduzir a FMC está longe de ser concretizada e, ainda, permanece no imaginário dos professores (SALES, VASCONCELOS, CASTRO FILHO, PEQUENO, 2009).
Mesmo que na FMC muitos dos seus temas não tenham aplicação direta, pode-se trabalhar focando os processos da ciência com seus problemas e questionamentos, discutindo questões fundamentais das teorias e suas relações com a realidade, levando os alunos a ter a satisfação intelectual em compreender esses assuntos (BROCKINTON, 2005).
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Pode-se pensar também na importância de se compreender o desenvolvimento histórico da tecnologia nos mais diversos campos e suas conseqüências para o cotidiano e as relações sociais de cada época, identificando como seus avanços foram modificando as condições de vida e criando novas necessidades, como no caso da evolução dos meios de comunicação, a partir da compreensão das características das ondas eletromagnéticas, do telégrafo ao celular via satélite (BRASIL, 2006, p.64).
Com a compreensão do desenvolvimento histórico e tecnológico em relação aos avanços e evoluções em sala de aula, o estudo pode ser aprofundado destacando o modelo científico na sua construção, com enfoque filosófico, mostrando que não é um método único e fechado. Um exemplo é o estudo da óptica do século XVII e o avanço dos instrumentos da óptica do século XXI. A discussão da natureza da luz referente à dualidade onda-partícula no contexto escolar, não deve ser trabalhada isoladamente, é necessário que os conhecimentos estejam articulados para que o ensino seja de qualidade, e os livros didáticos de Física são um bom recurso para mediar esses conceitos.
1.3 O Papel dos Livros Didáticos no Ensino de Física
O livro didático é um instrumento que pode ser utilizado pelo professor como um suporte para planejamento de sua aula e para os alunos como um suporte de conhecimento voltado à aprendizagem.
[...] O livro didático é instrumento específico e importantíssimo de ensino e de aprendizagem formal. Muito embora não seja o único material de que professores e alunos vão valer-se no processo de ensino e aprendizagem, ele pode ser decisivo para a qualidade do aprendizado resultante das atividades escolares (LAJOLO, 1996, p.4).
Para que realmente o livro seja um bom material didático referente ao processo ensino-aprendizagem, “[...] a qualidade dos conteúdos do livro didático — informações e atitudes — precisa ser levada em conta nos processos de escolha e adoção do mesmo, bem como, posteriormente, no estabelecimento das formas de sua leitura e uso” (Idem, p.7), “A elaboração do livro didático está diretamente ligada à própria escola, como instituição
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responsável pela formação dos alunos, através dos saberes indispensáveis para o conhecimento de sua cultura e realidade sócio-econômica” (CRUZ, 2007, p.32).
Segundo Choppin (2004), os livros didáticos assumem quatro funções essenciais: Função referencial, também chamada de curricular ou programática, na qual o livro é um suporte dos conteúdos educativos; Função instrumental, como método de aprendizagem que facilita a memorização dos conhecimentos e apropriação de habilidades; Função ideológica e cultural como instrumento da construção de identidade, e, por último, a Função documental, em que pode fornecer um conjunto de documentos textuais, cuja observação ou confrontação podem vir a desenvolver o espírito crítico do aluno.
Associando à função ideológica descrita por Choppin, o pesquisador Romanatto defende que o Livro Didático deveria
Tratar o conceito por meio de sua história, mostrando que em seu desenvolvimento sempre está presente a resolução de um problema, ora prático, ora especulativo. A abordagem dos problemas científicos deveria ser feita, pois, na ordem histórica. A dificuldade que a humanidade teve para construir uma disciplina será, talvez, a mesma que o aluno sentirá ao iniciar a sua aprendizagem. Os estudos de psicologia genética mostram que há indícios de que o processo seja assim. Não se trata de recapitular o passado, mas de compreender a gênese do conhecimento (2004, p. 8-9).
Também acreditamos que esse material possa ter relação com a história, para que assim ocorra um maior entendimento dos conceitos descritos, ajudando-o no processo de aprendizagem. Nesse sentido, Gonçalves faz uma pesquisa com professores de matemática, nos quais analisa a utilização do livro didático no ensino e conclui que um bom livro
[...] deve ser atrativo aos olhos dos alunos, para isso deve ter uma boa apresentação, trazendo os conteúdos de forma objetiva, com uma linguagem de fácil compreensão, letras em tamanho adequado, com exemplos e ilustrações em quantidade satisfatória,com o propósito de promover o aprendizado, exercícios que trabalhem o conteúdo em questão de forma variada e, finalmente, recursos que auxiliem o professor em sua prática docente, com sugestões de atividades práticas e instrumentos avaliativos diferenciados ( 2007, p.23).
O livro precisa satisfazer a todos, sendo atrativo aos olhos dos alunos e promovendo o aprendizado, auxiliando o professor em sua prática. Garcia e Silva (2009) destacam, em sua pesquisa, que para os alunos o que mais chama a atenção no livro de Física é que a matéria
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seja bem explicada por desenhos e esquemas. Além do professor e do aluno, outro consumidor é o Estado.
Do ponto de vista do uso, há três categorias de usuários ou consumidores do livro didático: o Estado, que compra o livro, o professor, que o escolhe e o utiliza como instrumento de trabalho em suas aulas, e, finalmente, o aluno que tem, no livro, o material considerado indispensável para seu aprendizado nesta ou naquela área do conhecimento, num ou outro nível de formação (FREITAG, MOTTA e COSTA, 1987, p.79).
Vamos discutir essas três perspectivas de categorias dos usuários. A primeira, o Estado, e, na sequência, o professor e o aluno, com o intuito de compreendermos a relação que esse material exerce em cada categoria.
A partir dos anos de 1930, os livros didáticos passaram a ter uma trajetória significativa no Brasil, pois o Estado passou a adotar políticas de controle sobre eles. (SILVA, 2010). O Ministério de Educação – MEC criou, a partir de 1985, o Programa Nacional do Livro Didático – PNLD, e, em 1996, publicou o Guia Nacional do Livro Didático do Programa Nacional do Livro Didático – PNLD voltados aos livros de ciências do Ensino Fundamental, cujo critério de análise era a correção conceitual. Em 2005, além das correções conceituais, passaram a ser analisadas as articulações pedagógicas nas coleções. O programa distribuiu os livros de português e matemática e língua espanhola no ano de 2006; em 2007, os de biologia; em 2008, os de história e química e em 2009, os livros de geografia e física.
Atualmente, a avaliação dos livros didáticos continua ocorrendo em todas as áreas, de forma a ser selecionadas ao encontro do edital das respectivas, de modo a selecionar as obras que vão ao encontro de editais lançados no ensino médio. As análises das seleções são disponibilizadas aos professores das escolas para selecionar os livros que serão distribuídos gratuitamente para a rede pública.
Em 2005 foi criado o Programa Nacional do Livro para o Ensino Médio - PNLEM que também se estrutura a partir de um Guia que expressa o resultado da avaliação dos livros didáticos de português, matemática, história, química, geografia, biologia e física. Por exemplo, no catálogo de Física, está indicada uma relação de livros didáticos da área, com comentários, síntese avaliativa, sumário e análise da obra e recomendações aos professores. Também são apresentados os princípios e avaliações dos critérios comuns de cada obra sendo de duas naturezas: eliminatórios e de qualificação. O catálogo serve como orientação para o
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professor escolher um dos seus instrumentos de trabalho, auxiliando na sua prática pedagógica. “No âmbito do PNLEM, a avaliação das obras didáticas baseia-se, portanto, na premissa de que a obra deve auxiliar os professores na busca por caminhos possíveis para sua prática pedagógica” (BRASIL, 2008, p.11).
As obras relacionadas no Catálogo do Programa Nacional para o Livro do Ensino Médio – Física PNLEM/2009 são a base empírica para a seleção dos livros didáticos do Ensino de Física desta pesquisa. Esses livros foram distribuídos para serem utilizados em sala de aula e auxiliarem o professor e o aluno com a representação de concepções de ensinar física, considerando conceitos a serem trabalhos e metodologias de ensino. Os livros didáticos elencados no Catálogo já haviam sido pré-selecionados, tendo atendido aos critérios de qualidade estabelecidos pelo MEC, razão pela qual a análise sobre a dualidade onda-partícula efetivar-se-á em obras avaliadas por uma equipe de especialistas da área da Física. Nessas condições, tais livros devem atender aos critérios e requisitos de um instrumento a serviço da Educação Nacional e, também,
[...] é de fundamental importância que as obras didáticas contribuam significativamente para a construção da ética necessária ao convívio social e ao exercício da cidadania; considerem a diversidade humana com eqüidade, respeito e interesse; respeitem a parcela juvenil do alunado a que se dirigem (BRASIL, 2008, p. 14).
Este material necessita, portanto, retratar com respeito a diversidade humana, levando em consideração a realidade do aluno e cada região do Brasil, correspondendo às expectativas do professor em relação ao conteúdo, à forma e às finalidades desse instrumento auxiliando na ação didática pedagógica. É preciso ser críticos em relação a esse instrumento, e não entrar na zona do comodismo.
O caso é que não há livro que seja à prova de professor: o pior livro pode ficar bom na sala de um bom professor e o melhor livro desanda na sala de um mau professor. Pois o melhor livro, repita-se mais uma vez, é apenas um livro, instrumento auxiliar da aprendizagem (LAJOLO, 1996, p.8).
Esse instrumento auxiliar da aprendizagem precisa ser repensado pelo professor em seu planejamento, para que seja um instrumento de trabalho docente e que faça o aproveitamento adequado em sala de aula, pois cabe ao professor direcionar o estudo em sala
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de aula, conduzindo assim o aluno à aprendizagem. O conhecimento escolar irá avançar no momento da interação entre o saber que se traz do mundo e o saber trazido pelos livros. O professor precisa planejar em relação aos conteúdos e comportamentos que ele trabalha, no processo de seleção do livro didático (LAJOLO, 1996).
O livro didático adotado na escola, portanto, precisa interagir com o aluno, estabelecendo um diálogo. Porém, “com frequência, os livros didáticos diluem fontes de conhecimento, simplificam-nas para torná-las acessíveis à compreensão do aluno. E raros são aqueles que o fazem com competência” (ROMANATTO, 2004, p.1). A decisão da sua utilização ou não em sala de aula está nas mãos do professor, que precisa contemplar com esse material as seguintes competências:
a) o desenvolvimento da habilidade de ler com compreensão, rapidez, espontaneidade e segurança; b) a utilizar-se da leitura como fonte de informação e aperfeiçoamento cultural; c) a utilizar-se da leitura como fonte do lúdico e da recreação, como ocupação das horas de lazer e d) a expressar-se eficientemente (Idem, p.4).
Nas análises de Freitag, Mello e Costa (1987), sobre os livros didáticos e a relação com os alunos, conclui-se que existem poucas pesquisas referentes ao livro voltadas ao aluno, mas enfatizam “que os livros didáticos, destinados para as crianças, desconhecem essa criança” (p.93). Elas afirmam que os alunos são pouco motivados e estimulados na utilização desse material. Ferreira e Selles (2002) também apontam que o livro didático de Física tem sido objeto de investigação em relação ao estudo de conteúdos referentes à forma de apresentação, assunto, senso comum dos alunos e erros conceituais, ressalvando que o estudo sobre o uso do material didático utilizado pelo professor é pouco abordado.
Mas, voltados à utilização desse material em sala de aula, Garcia e Silva (2009) realizaram sua pesquisa no ano de 2009, ano em que o PNLEM distribuiu gratuitamente os livros de Física nas escolas. A pesquisa foi realizada com 60 alunos do Ensino Médio do terceiro ano, através de um questionário para verificar o que os alunos pensavam sobre o livro didático. Os resultados da pesquisa indicaram que os alunos utilizam o livro através de trabalhos, exercícios e questionários e alguns responderam que utilizam como cópia. Referente ao uso em casa, eles utilizam raramente, e, quando o utilizavam era para realizar as lições e exercícios, encaminhadas pelo professor. Os alunos concordaram que o livro didático pode ser interessante, pois proporciona mais conhecimento além do assunto da aula, pelo
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aprofundamento das leituras e conteúdos, e que aprenderam a Física diferente já que puderam aprofundar melhor os conteúdos.
Já Garcia e Pivovar (2008) realizaram uma pesquisa com 7 professores do Ensino Médio, em duas etapas. A primeira, referente à utilização do livro na sua formação e, a segunda, referente à utilização do livro didático em sala de aula, na atuação profissional. Os resultados foram que, na primeira parte, a experiência profissional influencia determinados modelos de trabalho em sala de aula, utilizando apenas o quadro de giz para trabalhar os conceitos e exercícios. E, na segunda etapa da pesquisa, concluíram que os professores utilizam o livro também para planejamento das aulas, exercícios e experimentos. Referente ao livro ideal, um grupo de professores descreve que um bom livro é o que traz roteiros e orientações para as práticas; outro, que o livro deve permitir escolhas ao professor, com conteúdos evidenciando a defesa do espaço da autonomia docente no encaminhamento das atividades didáticas.
Sobre pesquisas que se baseiam na análise de conteúdos de Física no livro didático evidenciamos a de Souza e Germano (2009) sobre o tratamento da Física Nuclear nos livros didáticos de Física; Araújo e Silva (2008), a partir da teoria de Huygens no Tratado da Luz, fizeram uma análise em livros didáticos referente à teoria de Huygens relacionada ao modelo ondulatório da luz; a de Groch e Bezerra (2009), que contempla um estudo realizado nos livros didáticos de Física referente ao conteúdo de Relatividade Restrita e Relatividade Geral. Em comum, o que essas pesquisas concluíram é que esse instrumento de ensino precisa passar por avaliações no sentido de melhorar o conteúdo, forma e relações de ensino-aprendizagem e entre professor, livro didático e aluno, para que de fato possa contribuir efetivamente com a sua finalidade de melhorar o ensino do país.
Nesse sub-capítulo, abordamos as três categorias de usuários dos livros didáticos: o Estado, o professor e o aluno, e em cada uma existe a peculiaridade voltada ao interesse do usuário. No transcorrer do capítulo, fizemos a discussão sobre as mudanças conceituais da Física em relação à Física Clássica e a FMC, e sua discussão na educação. No próximo capítulo, abordaremos as controvérsias a cerca das diferentes concepções sobre a luz ao longo dos séculos.
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CAPÍTULO 2 – O TEMA EM ESTUDO: AS CONTROVÉRSIAS SOBRE A NATUREZA DUAL DA LUZ
Neste capítulo, abordamos uma revisão bibliográfica sobre as concepções da natureza da luz guiadas pelo contexto histórico. Dela, enfatizamos a discussão cerca das teorias elaboradas pelos filósofos sobre os modelos ondulatório e corpuscular da luz, mas principalmente da dualidade onda-partícula, por se tratar de uma importante controvérsia da história da física.
Nosso intuito é entender as discussões da história e filosofia da ciência e, por isso, nos reportaremos a identificar os modelos com suas interpretações e comportamentos, na tentativa de compreender diferenças filosóficas e epistemológicas do processo de criação científica. Acreditamos que reconhecer os conflitos conceituais referente à natureza da luz, entre as distintas interpretações são imprescindíveis para a compreensão da Física Moderna e Contemporânea.
Vamos tematizar as concepções acerca da luz, seguindo uma ordem cronológica, relembrando eventos ocorridos ao longo dos séculos e discutindo os conceitos relevantes.
Sobre o enfoque da abordagem da história e filosofia da ciência no ensino, autores como Teixeira, Freire Jr, El-Hani ( 2009); Pinto e Zanetic (1999) pontuam que “A história e a filosofia da ciência, indo muito além da mera ilustração ou motivação para o estudo, podem facilitar a construção conceitual e cultural da Física a ser trabalhada no ensino médio” (PINTO, ZANETIC, 1999, p.21).
Os primeiros filósofos a refletirem sobre a luz elaboraram hipóteses na tentativa de descrevê-la e compreendê-la. Inicialmente, a luz era associada a divindades e aceita como sendo também criada por Deus. Santo Agostinho (354-430 d.C.), importante filósofo da idade média do Império Romano, apresentou uma interpretação sobre a criação do Universo, de acordo com o primeiro dia do livro de Gêneses, da Bíblia Judaica, do qual o provável autor é Moisés: a criação da Luz. Ele defendia que a luz era uma matéria sem forma (MARTINS, 1996).
Diferente dos pensamentos relacionados à Igreja, os gregos também tinham questionamentos e preocupações em explicar os fenômenos que envolviam a luz. Platão (428-328 a.C.) “[...] acreditava que a visão de um objeto era devida a três jatos (raios) de partículas:
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um proveniente dos olhos, outro do objeto e o último da fonte iluminadora (SILVA, 2010, p.98).
Leucipo (480-420 a.C.) e Demócrito (460-370 a.C.) afirmavam que a luz estava presente nos olhos em forma de pequenas partículas que ao atingirem um objeto, tornavam possível visualizá-lo. Eles acreditavam que “[...] os objetos emitiam átomos, que formavam uma imagem dos objetos, percebida, posteriormente, pelos órgãos da visão para formar, por fim, a imagem” (García et al; 2007 apud SILVA, 2010, p.47).
Nessa discussão, “Aristóteles (384-322 a.C) entendia que não havia os átomos, e, sim, uma substância, que preenchia todo o espaço - o éter. Ele foi um dos primeiros a tentar dar uma explicação não corpuscular para a natureza da luz” (SILVA, 2010, p.48). Defendia que a “[...] a luz era resultado da atividade de um determinado meio, cuja vibração provocaria o movimento de humores presentes nos olhos” (ROCHA, 2002, apud SILVA, 2009, p.48).
Por volta de 1038 d.C., um cientista árabe, Alhazen (965-1039) aperfeiçoou seus estudos, dando uma nova explicação para a visão, a qual
[...] consistia na formação de uma imagem óptica no interior do olho, que funcionava como uma câmara escura, onde os raios de luz emitidos por cada ponto do corpo atravessariam a pupila e formariam um ponto correspondente da imagem no fundo da câmara (SILVA, 2010, p. 51).
Tomás de Aquino (1225-1274), sob A influência do pensamento de Aristóteles, também discutiu sobre o primeiro dia de Gêneses da Bíblia: a criação da luz:
[...] Tomás de Aquino discute a própria noção de luz. Ele lembra que se pode falar sobre a luz no sentido original (aquilo que é produzido pelos corpos luminosos e que nos permite ver) ou em sentido metafórico. “Ver” pode ser usado no sentido de “perceber”, seja no caso de se ver um objeto, ou de se “ver” que um objeto é áspero, ou “ver” uma verdade. Da mesma forma, “luz” pode se referir ao seu significado original quando falamos sobre objetos da natureza, perceptíveis; mas pode ter um sentido metafórico, quando se fala sobre coisas espirituais (MARTINS, 1996, p.66).
Para Tomás de Aquino, a luz era produzida pelos corpos luminosos e permitia perceber que não podia ser material. Argumentava que “[...] dois corpos não podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo tempo. Mas a luz e o ar (ou qualquer objeto transparente) podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo tempo. Portanto, a luz não pode ser um corpo, isto é, não pode ser algo material” (MARTINS, 1996, p.65).
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Nesse período histórico, constatamos o quanto a luz era problematizada e os filósofos estavam em busca de respostas. Santo Agostinho e Tomás de Aquino acreditavam que a luz era sem forma. Já os gregos e Aristóteles descreviam que o éter preenchia todo o espaço.
Essas concepções filosóficas, em que a luz era composta por partículas que saíam dos corpos materiais, ou eram modificações do meio material entre o objeto e o observador, em que a luz era composta por corpúsculos, prosseguiram até o século XVII, quando,novamente, foi rediscutida com grandes progressos.
Nesta época, Christiaan Huygens (1629-1695), René Descartes (1956-1650), Roberto Hooke (1635-1703) e Isaac Newton (1642-1727) retomaram os debates sobre os fenômenos luminosos, na tentativa de explicarem corretamente a natureza da luz. Porém, suas bases conceituais eram distintas. Newton, por sua vez, defendia que a luz era composta por partículas; Huygens e Descartes que a luz era transmitida por meio de vibrações num meio material.
Na época, havia a concepção de que as ondas necessitavam de um meio material para se propagarem, levou a considerarem que a luz tem natureza ondulatória e que deveria existir um espaço considerado vazio. A existência desse espaço vazio foi chamado de éter, “como um meio material que viabiliza a propagação de ondas luminosas, estaria presente em todo o espaço que nos rodeia, preenchendo o Universo [...]” (SALVETTI, 2008, p. 64).
Huygens defendia que entre a Terra e o Sol não existia ar, e sim uma substância invisível (éter), a qual o sentido do olho humano não conseguia captar e ela se propagava a luz. Descartes caracterizava “[...] a natureza da luz como problema científico, sustentava que a luz tinha uma tendência natural ao movimento ou pressão e que ela era transmitida com velocidade infinita.” (BASSALO e PIETROCOLA, 1986; 1993 apud SILVA, 2010, p. 51). E, para Hooke, “[...] a luz seria constituída por pulsos de pequenas amplitudes, propagando-se em um meio contínuo [...]” (SILVA, 2007, p.152).
Silva (2007) refere-se à Huygens, que defendia a teoria ondulatória, mas desconhecia o conceito de ondas eletromagnéticas, sendo que Huygens concebia a luz na forma de uma perturbação mecânica que se propagava através de forças de contato entre corpúsculos. Portanto, para ele, a luz se propagava por um meio que se chamava éter luminífero, através de impulsos independentes e de forma análoga ao som, possuindo as seguintes propriedades de propagação retilínea; reflexão regular e difusa; e, refração. “A luz seria propagada por meio de ondas esféricas, pois os corpúsculos de éter não se encontram alinhados um após o outro,
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mas distribuídos de maneira confusa, da forma que cada um toque diversos vizinhos” (Idem, 2007, p.154).
Forato (2009) relembra que, contrário a essas concepções, Isaac Newton discutiu e defendeu outra explicação para a luz, descrevendo o comportamento dos raios de luz, como se fossem corpúsculos emitidos pelas superfícies dos corpos, que se deslocavam em linha reta até interagir com algum obstáculo. Os objetos seriam feitos de partículas.
Newton supunha, por exemplo, que havia uma força de atração entre as partes de um corpo transparente e a luz, por isso o raio luminoso era atraído e se desviava em seu interior. Quer dizer, se os objetos são feitos de partículas, havia uma força de atração entre as partículas dos corpos transparentes e o raio de luz, pois este penetrava em seu interior (FORATO, 2009, p.3).
Newton, na sua teoria corpuscular para a luz, propunha que os corpúsculos poderiam ser repelidos ou atraídos, razão pela qual a teoria ondulatória foi deixada de lado, principalmente pelo fato de acreditarem que a luz sempre se propagava em linha reta, não podendo contornar os objetos.
Newton (2002), nos seus dois primeiros livros de Óptica, provou, com experimentos, as diferenças originais com os raios de luz, demonstrando suas propriedades. Enquanto para Hooke apenas existiam duas cores básicas a cor vermelha e azul, as demais cores eram geradas por distorções ocorridas durante a refração. No livro I da Óptica, explícito em 1671-1672, ele discutiu a decomposição das cores espectrais ao atravessar um prisma; no Livro II da Óptica em 1704, tratou sobre as cores produzidas por corpos transparentes; no Livro III, esboçou sobre a difração, e questões apresentadas com teoremas, baseadas em experiências. Nesse mesmo livro, ele afirma que a luz era composta por corpúsculos de matéria.
Silva (2010) relata as controvérsias referentes aos conflitos teóricos através de uma revisão bibliográfica da história da Óptica de Huygens e Newton sobre a natureza da luz, especificando as diferenças e os fenômenos defendidos entre os dois modelos, o ondulatório e o corpuscular. Salvetti (2008) descreve a discussão que ocorreu para se entender a natureza da luz, entre Christian Huygens, que considerava a luz formada por ondas, e Newton, por corpúsculos.
Porém, entre as duas teorias, outra controvérsia se efetivava, quando da explicação da velocidade da luz ao passar do vácuo para os corpos. Newton defendia que a velocidade
