UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
INSTITUTO DO NOROESTE FLUMINENSE DE EDUCAÇÃO SUPERIOR DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS, BIOLÓGICAS E DA TERRA
LICENCIATURA PLENA EM FÍSICA
WALLAS MORETT DE OLIVEIRA LIMA
PROPOSTA DE EXPERIMENTOS NA SALA DE AULA: FENÔMENOS ONDULATÓRIOS
SANTO ANTÔNIO DE PÁDUA 2017
WALLAS MORETT DE OLIVEIRA LIMA
PROPOSTA DE EXPERIMENTOS NA SALA DE AULA:
FENÔMENOS ONDULATÓRIOS
Trabalho de Conclusão de Curso apre-sentado ao Curso de Graduação em Li-cenciatura em Física, do Departamento de Ciências Exatas, Biológicas e da Terra, no Instituto do Noroeste Flumi-nense de Educação Superior da Univer-sidade Federal Fluminense, como requi-sito parcial para a obtenção do grau de Licenciado Pleno em Física.
Orientador:
Prof. Dr. Juan Lucas Nachez
Coorientador:
Prof. Dr. Marciano Alves Carneiro
Santo Antônio de PáduaFicha catalográfica automática - SDC/BINF Gerada com informações fornecidas pelo autor
Bibliotecário responsável: Maria Dalva Pereira de Souza - CRB7/7044
L732p Lima, Wallas Morett de Oliveira
Proposta de experimentos na sala de aula: fenômenos ondulatórios / Wallas Morett de Oliveira Lima ; Juan Lucas Nachez, orientador ; Marciano Alves Carneiro, coorientador. Santo Antônio de Pádua, 2017.
45 f. : il.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Física)-Universidade Federal Fluminense, Instituto do Noroeste Fluminense de Educação Superior, Santo Antônio de Pádua, 2017.
1. Ensino de Física. 2. Experimentação. 3. Ondas Mecânicas. 4. Ondas Eletromagnéticas. 5. Produção
intelectual. I. Nachez, Juan Lucas, orientador. II. Carneiro, Marciano Alves, coorientador. III. Universidade Federal Fluminense. Instituto do Noroeste Fluminense de Educação Superior. IV. Título.
-WALLAS MORETT DE OLIVEIRA LIMA
PROPOSTA DE EXPERIMENTOS NA SALA DE AULA:
FENÔMENOS ONDULATÓRIOS
Trabalho de Conclusão de Curso apre-sentado ao Curso de Graduação em Li-cenciatura em Física, do Departamento de Ciências Exatas, Biológicas e da Terra, no Instituto do Noroeste Flumi-nense de Educação Superior da Univer-sidade Federal Fluminense, como requi-sito parcial para a obtenção do grau de Licenciado Pleno em Física.
Aprovado em 12 de dezembro de 2017.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Juan Lucas Nachez - INFES/UFF Orientador
Prof. Dr. Marciano Alves Carneiro - INFES/UFF Coorientador
Prof. Dr. Adilio Jorge Marques - INFES/UFF
Prof. Dr. Horacio Marconi da Silva Matias Dantas Linhares - INFES/UFF
Santo Antônio de Pádua 2017
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus, por me sustentar com suas fortes mãos por toda minha trajetória de vida.
À minha família, em especial meu pai Duilio, que sempre trabalhou duro, debaixo de sol e chuva, sendo o seu árduo trabalho a nossa única fonte de renda, não deixando nos faltar nada. À minha mãe, que sempre cuidou da casa e de nós, lhos, sendo sempre presente em nossas vidas nos dando amor superando todas as di culdades. Aos meus professores do ensino básico, que com muita destreza puderam me ensinar e me mostrar a beleza da ciência, em especial ao meu professor João Grabriel Ferreira pelas palavras de incentivo para que me tornasse professor, palavras essas que não me esqueço. Agradeço também a todos os professores que me acompanharam e incentivaram durante a graduação, minha formação acadêmica, pro ssional e pessoal não teria sido a mesma sem o apoio de todos.
Aos meus amigos e colegas de classe pelas alegrias, tristezas e dores compartilhas. Foram anos de trabalho duro, mas que consegui concluir graças ao apoio de vocês. Principalmente agradeço Krieger Jorge pela colaboração no presente trabalho. À Mariana, pessoa com quem compartilho grandes momentos, bons e ruins. Obri-gado por ter permanecido do meu lado na montanha-russa da vida. ObriObri-gado por cada conselho, por me confortar quando o fardo pesou mais que o devido. É impa-gável o amor que tem me dado.
A todos os funcionários do Infes que me deram o suporte necessário e estiveram dispostos a ajudar. Em especial ao técnico de laboratório Sidinei Nascimento, pela colaboração neste trabalho.
Aos Professores Lucas Nachez e Marciano Carneiro pela paciência na orientação e incentivo que tornaram possível a conclusão desta monogra a.
RESUMO
Com o propósito de contribuir com a incessante busca do aperfeiçoamento da qualidade do Ensino de Física no Ensino Médio, o presente trabalho propôs, dentro do panorama atual de diversas vertentes que se observam no sistema educacional brasileiro, a experi-mentação como um importante recurso auxiliador na construção do conhecimento. Os experimentos contidos nesta monogra a abordam os conceitos de interferência e difração tanto para ondas mecânicas quanto para ondas eletromagnéticas. O trabalho apresenta uma descrição detalhada da construção destes experimentos, junto com planos de aula e outras sugestões para a utilização dos mesmos. O intuito é ressaltar a importância da me-todologia experimental como facilitador na formação do saber, além propiciar a discussão, debate e re exão sobre o objeto de aprendizagem.
Palavras-chave: Ensino de Física, Experimentação, Ondas Mecânicas, Ondas Eletro-magnéticas.
ABSTRACT
With the purpose of contributing to the incessant search for the improvement of the quality of Physics Teaching, the present work proposed, within the current panorama of several aspects observed in the Brazilian educational system, the experimentation as an important and useful resource in the construction of knowledge. The experiments contained in this monograph address the concepts of interference and diraction for both mechanical and electromagnetic waves. The work presents a detailed description of the construction of these experiments, together with lesson plans and other suggestions for their use. The intention is to emphasize the importance of experimental methodology as a facilitator in the formation of knowledge, in addition to providing discussion, debate and re ection on the object of learning.
Keywords: Physics Teaching, Experimentation, Mechanical Waves, Electromagnetic Waves.
LISTA DE FIGURAS
2.1 Onda periódica em uma corda tensa.[9] . . . 21
2.2 Desenho esquemático de onda.[9] . . . 22
2.3 Interferência construtiva.[9] . . . 24
2.4 Interferência destrutiva.[9] . . . 24
2.5 Desenho esquemático de difração.[9] . . . 25
2.6 Difração de ondas através de aberturas em Alexandria, Egito (a) e Fernando de Noronha, Brasil (b). . . 26
2.7 Desenho esquemático de difração.[10] . . . 26
2.8 Máximos e mínimos de interferência.[10] . . . 28
2.9 Figura de difração em uma tela de observação.[10] . . . 28
3.1 Cuba de madeira e fundo de vidro . . . 32
3.2 Um dos cantos da cuba. . . 32
3.3 Peças para a montagem dos obstáculos. . . 33
3.4 Esquema de posicionamento das fendas. . . 33
3.5 Fixação dos arames próximos às extremidades da cantoneira. . . 33
3.6 Esquema de montagem do motor . . . 34
3.7 Hélice do fonte geradora em detalhe. . . 34
3.8 Esquema de montagem elétrica da fonte geradora . . . 35
3.9 Procedimentos nais da cuba de ondas. . . 35
3.10 Cuba de ondas pronta para observação dos fenômenos . . . 36
3.11 Fenômenos observados na cuba de ondas. . . 36
3.12 Re exão de ondas com obstáculo reto. . . 38
3.14 Base para o experimento de dupla fenda. . . 39
3.15 Laser posicionado. . . 40
3.16 Franjas claras e escuras causadas pela dupla fenda. . . 40
LISTA DE TABELAS
3.1 Plano de aula proposto para ondas mecânicas. . . 37 3.2 Plano de aula proposto para ondas eletromagnéticas. . . 41
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DCNEM : Diretrizes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio LDB : Lei de Diretrizes e Bases
PCN : Parâmetro Curricular Nacional PCN+ : Parâmetro Curricular Nacional Mais
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 14
1.1 Lei de Diretrizes e Bases . . . 15
1.2 Diretrizes Curriculares Nacionais Para o Ensino Médio . . . 16
1.3 Parâmetros Curriculares Nacionais . . . 16
1.4 A experimentação para o ensino de ondas . . . 17
2 REVISÃO CONCEITUAL 20 2.1 Ondas . . . 20
2.1.1 Ondas Periódicas . . . 20
2.2 Classi cação de ondas . . . 22
2.2.1 Ondas Mecânicas . . . 23
2.2.1.1 Interferência em ondas mecânicas . . . 23
2.2.1.2 Difração em ondas mecânicas . . . 25
2.2.2 Ondas Eletromagnéticas . . . 26
2.2.2.1 Interferência em ondas eletromagnéticas . . . 27
2.2.2.2 Difração em ondas eletromagnéticas . . . 28
3 EXPERIMENTOS DIDÁTICOS 30 3.1 Experimentos para o ensino de Ondas . . . 30
3.1.1 Cuba de Ondas . . . 30
3.1.1.1 Procedimentos de montagem . . . 31
3.1.1.2 Plano de aula sugerido . . . 36
3.1.2 Dupla Fenda para a Luz . . . 38
3.1.2.1 Procedimentos de montagem . . . 39
3.1.2.2 Plano de aula sugerido . . . 41
3.1.2.3 Outras sugestões para o uso da dupla fenda . . . 42
4 CONCLUSÕES 43
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
O Ensino de Física no Brasil vem sido confundido por muitos alunos do ciclo básico como só aplicação de fórmulas, vez que muitos materiais didádicos oferecidos pelas esco-las apresentam uma sequência exaustiva de solução de problemas, levam os discentes a considerar o Ensino de Física uma mera matematização. Muitas das vezes deixa-se passar despercebido os importantes conceitos físicos por trás de tais problemas. Sabe-se que a Matemática é a uma importante ferramenta para resolver problemas físicos, mas de forma alguma é a única.
O presente trabalho visa apresentar uma forma para auxiliar no Ensino de Física para que problemas como o citado anteriormente sajam minimizados. Esta monogra a tem como público alvo professores de Física que lecionam no Ensino Médio, como também graduandos em licenciatura em Física, futuros professores.
O uso da experimentação no ensino de fenômenos físicos possibilitam a concatenação das teorias físicas e suas leis. Segundo Séré et al [17], o contato com um experimento instigam o aluno a relacionar a teoria com a prática e assim tomar suas conclusões.
Compreende-se, então, como as atividades experimentais são enri-quecedoras para o aluno, uma vez que elas dão um verdadeiro sen-tido ao mundo abstrato e formal das linguagens. Elas permitem o controle do meio ambiente, a autonomia face aos objetos técnicos, ensinam as técnicas de investigação, possibilitam um olhar crítico sobre os resultados. Assim, o aluno é preparado para poder tomar decisões na investigação e na discussão dos resultados. O aluno só conseguirá questionar o mundo, manipular os modelos e desenvol-ver os métodos se ele mesmo entrar nessa dinâmica de decisão, de escolha, de inter-relação entre a teoria e o experimento.[17]
1.1 Lei de Diretrizes e Bases 15
Com o objetivo de organizar o Ensino de Física no Brasil, foram criados diversos do-cumentos que orientam docentes de todo país, tonando o processo de ensino igualitário no âmbito nacional. Tais documentos como as Leis de Diretrizes e Bases (LDB), as Diretri-zes Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (DCNEM) e os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) regram e auxiliam os professores na forma de ensinar para as disciplinas do ciclo básico, além do PCN+ que é especí co para o Ensino de Física.
1.1 Lei de Diretrizes e Bases
A Lei de Diretrizes e Bases da educação brasileira é a mais importante lei no que se refere a educação. Composta por 92 artigos, de ne e regulamenta o sistema educacional brasileiro, desde o ensino infantil até o superior. A LDB determina as funções dos entes federais no que diz respeito à gestão da área da educação, normatiza a educação e o ensino brasileiros, indica os direitos e deveres dos educandos e educadores, cria meios para univesalização do ensino.
Além das funções descritas acima, a LDB apresenta as diretrizes curriculares básicas, onde a mesma em seu Art. 35 instaura as diretrizes do Ensino Médio, que deve ser a útima etapa para conclusão da Educação Básica, onde nesta etapa o Ensino de Física se inclui.
O ensino médio, etapa nal da educação básica, com duração mí-nima de três anos, terá como nalidades: I a consolidação e o aprofundamento dos conhecimentos adquiridos no ensino funda-mental, possibilitando o prosseguimento de estudos; II a prepara-ção básica para o trabalho e a cidadania do educando, para conti-nuar aprendendo, de modo a ser capaz de se adaptar com exibili-dade a novas condições de ocupação ou aperfeiçoamento posteriores; III o aprimoramento do educando como pessoa humana, incluindo a formação ética e o desenvolvimento da autonomia intelectual e do pensamento crítico; IV a compreensão dos fundamentos cientí co-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina. [3]
O Ensino Médio é a fase onde se inclui o ensino tecnológico a partir do conhecimento e entendimento das ciências, a m de o aluno desenvolver a habilidade de conhecer e dominar as tecnologias a seu redor, capacitando-o para a vida em sociedade e para o trabalho.
O quarto item do artigo acima enfatiza a compreensão de processos relacionando teoria com a prática, a segunda pode ser aplicada por meio de um experimento em sala
1.2 Diretrizes Curriculares Nacionais Para o Ensino Médio 16
de aula com o intuito de que o discente identi que e relacione fenômenos aprendidos em classe com situações cotidianas.
1.2 Diretrizes Curriculares Nacionais Para o Ensino
Mé-dio
Assim como a LDB, as DCNEM tem o intuito de promover a equidade da aprendi-zagem através de normas obrigatórias para a educação básica, mas a segunda tem foco somente no Ensino Médio. Sendo importante no presente trabalho, vez que a Física é apli-cável em sua maioria nesta última etapa do ensino básico. Nestas diretrizes, novamente é discutida a habilidade dos conteúdos cientí cos e tecnológicos, e além disso é citado em um de seus artigos a experimentação como metodologia de ensino.
Art. 5o. Para cumprir as nalidades do Ensino Médio previstas
pela lei, as escolas organizarão seus currículos de modo a: III -adotar metodologias de ensino diversi cadas, que estimulem a re-construção do conhecimento e mobilizem o raciocínio, a experimen-tação, a solução de problemas e outras competências cognitivas su-periores.[4]
AS DCNEM enfatizam a importância de interdisciplinaridade entre as disciplinas ministradas no ensino médio, a m de aprofundar o conhecimento e levar dinâmica ao ensino, conduzindo o aluno a criar um senso crítico para interpretar conteúdos presentes em sua rotina.
1.3 Parâmetros Curriculares Nacionais
Assim como os outros documentos citados anteriormente, os PCN também defendem a igualdade de ensino para todos os cidadãos brasileiros, com uma série de diretrizes, auxiliam os entes responsáveis pelo Ensino no país.
Os PCN propõem aos educadores uma série mínima de assuntos que devem ser abor-dados na sala de aula, garantindo que todos os estudantes tenham direito a estes conteúdos de forma igualitária.
Com uma ênfase maior para o último ciclo básico, existem os Parâmetros Curriculares Nacionais Ensino Médio, o que complementa as DCNEM. No que se refere ao Ensino de Física, ambos tentam romper a forma tradicional e obsoleta de se lecionar esta disciplina
1.4 A experimentação para o ensino de ondas 17
com apresentação de conceitos abstratos e memorização de equações, com a única prá-tica sendo a solução de exercícios repetitivos, mecanizando o aprendizado do educando, tornando-o alienado para resolver somente aqueles tipos de problemas.
Propõe-se, no nível do Ensino Médio, a formação geral, em opo-sição à formação especí ca; o desenvolvimento de capacidades de pesquisar, buscar informações, analisá-las e selecioná-las; a capa-cidade de aprender, criar, formular, ao invés do simples exercício de memorização.[5]
Os PCN Ensino Médio estabelecem que os procedimentos de ensino sejam efetuados com o intuito de se trabalhar a compreensão dos fenômenos que nos rodeam de acordo com a nova cultura baseada no que é cientí co, tecnológico e usual.
Mais especí co para o Ensino de Física, existem os PCN+Física, os quais ditam com maior clareza as orientações a serem seguidas para a ministração desta disciplina. No PCN+Física há a defesa da experimentação como método de ensino e caz, aproximando o aluno do seu cotidiano, o apresentando na prática o que lhe fora ensinado na teoria, dei-xando de lado o sitema tradicional e obsoleto "caneta e quadro", tornando o aprendizado mais lúcido e tangível.
É indispensável que a experimentação esteja sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento das competências em Física, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em dife-rentes formas e níveis. É dessa forma que se pode garantir a cons-trução do conhecimento pelo próprio aluno, desenvolvendo sua cu-riosidade e o hábito de sempre indagar, evitando a aquisição do conhecimento cientí co como uma verdade estabelecida e inquesti-onável. [2]
Tendo em vista os aspectos observados, vê-se então que a proposta de trabalho com a técnica da experimentação na sala de aula é de grande importância na contrução do conhecimento do aluno para analisar e compreender fenômenos físicos na prática, fazendo-o um melhfazendo-or entendedfazendo-or dfazendo-o mundfazendo-o à sua vfazendo-olta.
1.4 A experimentação para o ensino de ondas
A proposta deste trabalho é desenvolver uma estratégia dinâmica de sala de aula que contemple atividades em pequenos grupos, discussões dentro do grupo e compartilha-mento de ideias. Segundo Cañal et al [6], o aluno como sujeito de aprendizagem, deve ser
1.4 A experimentação para o ensino de ondas 18
capaz de construir o conhecimento a partir de necessidades de resposta. A construção do conhecimento é devida às interaçoes aluno-aluno e aluno-professor, cumprindo o professor o papel de mediador. As atividades experimentais em particular tem se mostrado muito importantes para desenvolver estas interações. Para Hodson [11], os principais objetivos da experimentação são: motivar, através da estimulação do interesse e a diverssão; ensi-nar as técnicas em laboratório; intensi car a aprendizagem de conhecimentos cientí cos; introduzir a ideia de método cientí co e desenvolver seu uso; desenvolver determinadas atitudes cientí cas, tais como a consideração das ideias dos outros , a objetividade e prontidão para não emitir julgamentos apressados.
Segundo Carvalho e Vannuchi [7], Megid e Pacheco [1] e Machado e Nardi [13], há certa ine cência das propostas pedagógicas, no que diz respeito a experimentação no ensino de Física, de chegarem na sala de aula, apesar dessas propostas serem de grande número e diversidade.
Muitas das vezes essas di culdades de ser trabalhar com a experimentação na sala de aula se dá pela estrutura física escolar, na maioria das vezes não havendo laboratórios devidamente equipados para que aulas experimentais sejam realizadas. Como dizem Silva e Butkus [18] a ausência de laboratórios e materiais não se constitui em fator principal para a completa inexistência de atividades experimentais no ensino de Física. Uma solução para este problema é a contrução de experimentos de baixo custo, pois através desses é possível que professores os construam e levem seu próprio laboratório para sala de aula, não necessitando de laboratórios oferecidos pelas escolas.
Segundo pesquisa feita por Santos et al [16] a aplicação de experimentos na sala de aula alcança resultados obtidos pelos alunos os quais não são alcançados no método tradional de ensino.
[...] obtivemos dados indicativos de que a relevância da experiên-cia de laboratório na aprendizagem da Física não é detectada pelos instrumentos tradicionalmente usados pelos professores. Tal fato pode, inclusive, levar ao conformismo, ou à conveniência, de não dar aulas de laboratório por que não faz diferença. Basta que se avalie adequadamente para ver que faz diferença e, provavelmente, muita. [16]
Com esse intuito, este trabalho desenvolve duas atividades experimentais sobre fenô-menos ondulatórios, tanto para ondas mecânicas quanto para ondas eletromagnéticas, utilizando equipamentos de baixo custo em sua construção. Estas atividades buscam ins-tigar o aluno a questionar as ideias preconcebidas sobre o tema de ondas, assim como
1.4 A experimentação para o ensino de ondas 19
Capítulo 2
REVISÃO CONCEITUAL
2.1 Ondas
Para cada ponto em um determinado meio, podemos determinar algumas grandezas físicas que o de nem. Mas se houver mudanças neste meio, logicamente o ponto sofrerá mudanças e provavelmente as grandezas medidas anteriormente serão alteradas, dizemos então que este meio foi perturbado.
Então dizemos que não só o ponto em questão foi perturbado, mas também a pertur-bação foi propagada através meio. De ne-se onda como uma perturpertur-bação no meio.
Ao jogar uma pequena pedra nas águas de um lago, percebe-se a perturbação do, então, meio água. Nota-se que no ponto onde a pedra alcançou a água é formada uma linha que que circunda esse ponto que ca no centro, à medida que o tempo passa o seu raio aumenta e outras linhas circulares são formadas e seus raios são aumentados posteriormente, é vista a propagação de ondas. Pode-se observar que após o ponto ser perturbado, ele volta a seu estado de repouso mas a onda continua a se propagar.
Se então for jogada na água uma pequena rolha de cortiça, a qual utuará na água, próximo ao ponto onde se originam as ondas percebe-se que ela oscila na direção vertical, mas não há o transporte da rolha na direção da onda, com isso deduz-se que a as ondas não transportam matéria, mas sim fazem o transporte de energia.
2.1.1 Ondas Periódicas
Num meio a ser perturbado repetidas vezes, é produzido nele ondas chamadas perió-dicas. Como no caso dos pulsos de ondas produzidos em uma corda tensa, sendo uma
2.1 Ondas 21
de suas extremidades xa e a outra presa a uma fonte geradora de pulsos (a mão do operador), se a fonte realizar movimentos periódicos, chamados harmônicos, tem-se então uma onda periódica, como acompanhado na Figura 2.1.
Figura 2.1: Onda periódica em uma corda tensa.[9]
Mesmo tomando como exemplo uma onda numa corda tensa, os conceitos de nidos aqui serão válidos para qualquer tipo de onda, desde que sejam periódicas.
Pode-se perceber na posição da fonte geradora de ondas, ponto A, à medida que a onda se propaga, as partículas da corda vão transferindo energia às outras até que os pontos B e C, que repetem o movimento feito pela fonte posteriormente, passando seu movimento a diante. No momento em que A completa seu ciclo harmônico, ou seja, vai de seu eixo horizontal pontilhado até seu ponto mais alto, desce passando no eixo horizontal novamente e chega a seu extremo inferior e, então, retornando ao eixo horizontal, a pertur-bação da corda atinge o ponto C. Pode-se então de nir período T como o tempo em que o ponto A termina o seu ciclo alcançando C. A partir deste momento C também vibrará de acordo com A, fazendo ciclos harmônicos idênticos, de maneira que os pontos A e C
2.2 Classi cação de ondas 22
estarão na mesma posição vertical ao mesmo tempo, pode-se dizer então que estes pontos estão em fase entre si. O caminho percorrido pela perturbação enquanto A fecha seu ciclo é chamado de comprimento de onda, representado pela letra grega λ, lê-se lambda.
De ne-se o desenho esquemático a seguir na Figura 2.2:
Figura 2.2: Desenho esquemático de onda.[9]
É observado o ponto x, ponto no qual a elongação é mínima da onda na corda, ponto este chamado vale. O ponto y é a elongação máxima de vibração da corda, denominada crista. O comprimento de onda λ pode ser de nido como a distância em que dois pontos consecutivos entre si oscilam em fase. Se há um movimento harmônico na corda, pode-se dizer que a velocidade de propagação da onda é constante, tendo um movimento uniforme. Da cinemática, aplica-se o conceito de velocidade média:
v = ∆s
∆t (2.1)
Onde ∆s é o comprimento de onda na corda e ∆t é o período de oscilação, logo:
v = λ
T (2.2)
Sabendo que frequência é o inverso do período, f = 1/T , logo temos:
v = λf (2.3)
A frequência de uma onda será sempre a mesma que a fonte emissora, independente do meio em que a onda se propague. Já a velocidade e o comprimento de onda podem se alterar conforme o meio, podendo se veri car na Equação 2.3.
2.2 Classi cação de ondas
Tomando como base Halliday [10] e Nussensveig [14] de ni-se onda como uma ferência de sinal entre dois pontos distantes entre si, com uma certa velocidade,
trans-2.2 Classi cação de ondas 23
portanto energia e momento, sem haver transporte de matéria. As formas com que as ondas se propagam podem se dar de diferentes formas. Dois grupos de onda serão de- nidos neste trabalho, as ondas mecânicas e eletromagnéticas, e para cada grupo serão apresentados dois fenômenos ondulatórios nos quais esta pesquisa propõe experimentos para serem trabalhados no ensino deste assunto.
2.2.1 Ondas Mecânicas
De ne-se ondas mecânicas como o grupo de ondas que necessitam de um meio para propagação. Como por exemplo as ondas produzidas numa corda, sem a presença do meio corda as mesmas não existiriam, logo não seriam propagadas, o mesmo pode-se dizer as ondas do mar, sem a presença de água, não haveria propagação. Sabe-se também que existem ondas sonoras, estas se propagam devido ao transporte de energia através da compressão das moléculas de ar [9]. O estudo das ondas mecânicas é importante não apenas para saber como as mesmas se comportam, atualmente se usam ondas sonoras para a detecção de petróleo na crosta terrestre, submarinos se localizam no mar através de sonares [10]. Outra forma de uso das ondas mecânicas que é conhecida é o Ultra-som, que é a forma de se transmitir ondas em baixas frequências através de um meio a m de se obter informações do mesmo [15]. Em seu caminho de propagação, as ondas em geral, ao encontrarem obstáculos, sofrerem mudança de meio, encontrarem com outras ondas, essas sofrem alguns fenômenos, os quais este trabalho dará ênfase a dois deles, são a interferência e a difração.
2.2.1.1 Interferência em ondas mecânicas
Denomina-se interferência o fenômeno ondulatório em que duas ou mais ondas que se encontram em um determinado ponto, formando uma superposição de ondas, o efeito que é resultado se dá pela soma dos efeitos individuais das ondas naquele ponto em questão. Estuda-se duas ondas produzidas em uma mesma corda tensa - ondas mecânicas, que dependem da corda para se propagar - que vão uma de encontro à outra, denomina-se P o ponto de encontro das ondas, d1 é o deslocamento na vertical dos pontos da primeira
onda, enquanto d2 é o deslocamento na diração vertical dos pontos da segunda onda.
Pode-se de nir que o deslocamento resultante na interferência das ondas é a soma entre os deslocamentos individuais:
2.2 Classi cação de ondas 24
d = d1+ d2 (2.4)
Na Figura 2.3 são produzidos pulsos de ondas com sentido de deslocamento (verticais para cima) iguais, ou seja, em fase como observado em a, ao se encontrarem em b observa-se que os dois observa-se sobrepõem em P e há um pulso com um deslocamento maior que os dois anteriores, diz-se então que a houve interferência construtiva, após a superposição, em c os pulsos continuam a se propagar através do meio como no início do movimento, a interferência não afeta a propagação das ondas.
Figura 2.3: Interferência construtiva.[9]
Observa-se na Figura 2.4 em a dois pulsos se propagando com inversão de fase, ou seja o sentido de deslocamento vertical é inverso entre eles, ao se encontrarem em P ocorre um enfraquecimento dos pulsos, ocorrendo em b o que denomina-se interferência destrutiva, como na primeira situação, após a interferência dos pulsos o caminho de propagação não é afetado, como é mostrado em c.
Figura 2.4: Interferência destrutiva.[9]
2.2 Classi cação de ondas 25
tensa, mas é possível dizer que em todas as ondas mecânicas obedecem à mesma descrição do fenômeno da interferência, como por exemplo, as ondas na água, ondas sonoras, entre outras.
2.2.1.2 Difração em ondas mecânicas
As ondas, sejam elas mecânicas ou eletromagnéticas, não tem a necessidade de se propagaram em linha reta ou num caminho de fácil propagação, elas tem a capacidade de contornar obstáculos, uma vez que estes tenham dimensões próximas a seus comprimentos de onda. Esta capacidade faz com que as ondas atinjam lugares onde não se esperava alcançar. Dá-se o nome de difração o fenômeno de contorno de osbtáculos feito pelas ondas.
Por exemplo, uma vez que o comprimento das ondas sonoras variam de 2 cm a 20 m para ondas audíveis no ar, estas tem uma facilidade de contornarem obstáculos cotidianos, como portas, janelas, muros, etc.
Observa-se na representação da Figura 2.5 frentes de onda na superfície da água alcançando uma barreira em que há um orifício, ou também chamada de fenda, com dimensões comparáveis ao comprimento de onda. Estas, ao passarem pelo obstáculo, formam ondas semicirculares.
Figura 2.5: Desenho esquemático de difração.[9]
A difração é observada na natureza em diversos lugares, observa-se na Figura 2.6(a) e Figura 2.6(b), respectivamente, a difração vista via satélite nas cidades de Alexandria no Egito e também nas proximidades Fernando de Noronha, ilha do Brasil, nas duas localidades a água do mar contornou seus obstáculos continuando sua propagação.
Uma situação interessante de ser observada é ao se colocar duas ou mais fendas como no exexmplo anterior no caminho de frentes de onda, o fenômeno de difração ocorre normalmente, mas agora as ondas difratadas provém de duas fendas, como observado na
2.2 Classi cação de ondas 26
(a) (b)
Figura 2.6: Difração de ondas através de aberturas em Alexandria, Egito (a) e Fernando de Noronha, Brasil (b).
Figura 2.7, onde temos as frentes de onda da primeira fenda So alcançando outras duas
fendas, também chamada de dupla fenda, de mesmo tamanho S1 e S2.
Figura 2.7: Desenho esquemático de difração.[10]
Nota-se que, ao se refratarem pela segunda vez, as ondas provenientes da fenda S1
se intereferem com as ondas formadas pela fenda S2, estas se interferem contrutiva e
destrutivamente, nos pontos de destrutividade, não há a presença de onda nesses lugares [10].
2.2.2 Ondas Eletromagnéticas
Este grupo de ondas, identi ca-se por não necessitarem de um meio material para se propagarem, ou seja, estas ondas podem se propagar no vácuo. Apesar de serem menos
2.2 Classi cação de ondas 27
conhecidas na sociedade comum, as ondas eletromagnéticas estão muito presentes na vida cotidiana, como por exemplo a dona de casa ao ligar um aparelho de rádio e sintonizar na sua estação favorita para escutar suas músicas não sabe que esta ação só é possível graças à incidência de ondas eletromagnéticas na sua casa. Um paciente ao tirar uma radiogra a não percebe que é devido a produção de raios-x, ondas elétromagnéticas cujo comprimento de onda é menor que a luz visível, que incidem em sua estrutura óssea projetando sua imagem num lme sensível. Além das ondas de rádio e as ondas de raio-x, são conhecidas outras como também as ondas de televisão, as microondas, as ondas de radar e as ondas de luz visível, sendo a última a ser dada ênfase no trabalho em questão.
Diferente das ondas mecânicas, ondas as quais poderiam assumir diferentes valores de velocidade de propagação, as ondas eletromagnéticas tem sua velocidade de propagação no vácuo em comum para todas elas. Independentes de comprimento de onda e frequência, as ondas eletromaginéticas tem velocidade de propagação no vácuo da ordem de 299792458 m/s [10].
Durante cerca de duzentos anos houve um imbate no meio cientí co com respeito à natureza da luz, muitos acreditavam que a luz era uma partícula, incluisive Isaac New-ton e outros cientistas famosos, enquanto outros acreditavam que a luz era uma onda. Experimentos e teorias elaboradas naquela época defendiam e comprovavam seus respec-tivos princípios [12]. Até que Albert Einstein fez a ligação entre os modelos ondulatório e corpuscular da luz [8], a partir daí surgiu o princípio de que a luz tem um comporta-mento dual, ora a mesma se comporta como partícula, ora se comporta como onda, a este conceito se dá o nome de dualidade onda-partícula. Dar-se-á ênfase aqui o caráter ondulatório da luz.
Assim como as ondas mecânicas, as ondas eletromagnéticas sofrem fenômenos ondu-latórios ao encontrar obstáculos e ao mudarem de meio de propagação, assim como visto nas ondas mecânicas, será descrito os fenômenos de interferência e difração para as ondas eletromagnéticas.
2.2.2.1 Interferência em ondas eletromagnéticas
Quando duas ondas de frequências e comprimentos de onda e com fases diferentes se encontram, a onda resultante desta interferência depende da sua diferença de fase [19]. Segundo a Equação 2.4, se as fases das ondas são iguais, então as amplitudes se somam, sendo esta a interferência construtiva, do contrário se os sentidos dos deslocamentos das ondas forem inversos, as amplitudes se subtraem ocorrendo naquele ponto uma
interfe-2.2 Classi cação de ondas 28
rência destrutiva. Vê-se que a de nição de inteferência para a onda eletromagnética é identica à intereferência para as ondas mecânicas.
Ao se colocar duas fontes de ondas eletromagnéticas próximas com mesmas frequên-cias e mesmos comprimentos de onda, estas ondas irão se propagar pelo espaço a sua volta até que as ondas produzidas por elas se encontrem e se inter ram entre si. Sendo uma onda luminosa, é preciso colocar um anteparo onde é possível vizualisar sua re e-xão. Como na Figura 2.7, o resultado da interferência se dá por partes mais iluminadas, chamados máximos de inteferência, e escuras, os mínimos de interferência, ou seja, em uma interferência totalmente destrutiva neste ponto não há presença de luz, enquanto na interferência destrutiva há evidência de luz.
Figura 2.8: Máximos e mínimos de interferência.[10]
2.2.2.2 Difração em ondas eletromagnéticas
O fenômeno da difração também acontece para as ondas eletromagnéticas, ou seja, as ondas ao encontrarem um obstáculo, são capazes de contorná-los e continuar seu caminho de propagação. Um fenômeno importante e diferente na difração das referidas ondas, principalmente a luz, é que as ondas ao passarem por fendas de dimensões comparáveis ao tamanho do comprimento de onda, há um alargamento do feixe luminoso e ainda a luz acaba se interferindo consigo mesma, formando guras de difração [10].
Figura 2.9: Figura de difração em uma tela de observação.[10]
2.2 Classi cação de ondas 29
mais intensa, chamada de máximo central enquanto as outras faixas luminosas são menos intensas e mais estreitas, são os máximos laterais [10].
Capítulo 3
EXPERIMENTOS DIDÁTICOS
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas
Foram construídos experimentos como o objetivo observar fenômenos ondulatórios, sendo eles a cuba de ondas e o experimento de fenda dupla para a luz.
Estes experimentos são uma proposta para o ensino de ondas no Ensino Médio, mais especi camente os fenômenos ondulatórios ocorridos nas ondas mecânicas e eletromag-néticas. Experimentos estes de caráter demonstrativo, ou seja, o professor dirige o ex-perimento enquanto os alunos apenas observam os fenômenos ocorridos. Essa prática geralmente são utilizadas para ilustrar alguns aspectos dos conteúdos abordados em aula, tornando-os mais perceptíveis aos alunos e, dessa forma, contribuindo para seu aprendi-zado.
3.1.1 Cuba de Ondas
Para o estudo de difração e interferência para ondas mecânicas foi construída uma cuba de ondas utilizando água para se veri car os fenômenos de difração e interferência.
O material necessário para a construção do experimento foi o seguinte:
• Cuba de madeira resistente a água 1 e fundo de vidro com 58 cm de comprimento, 48 cm de largura e 15 cm de altura.
• Duas traves de madeira de 50 cm de comprimento e 4 cm de largura.
• Uma parte de 49 cm de cabo de vassoura com as duas extremidades cortadas em
1Cuba encomendada por pro ssionais fabricantes de móveis, uma vez que esta deve ser feita com bastante precisão para que não haja vazamento de água
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 31
uma seção reta vertical.
• Meio metro de tela de mosquiteiro.
• Cantoneira em "L"de 2,5 cm de lados e 30 cm de comprimento. • Pequeno retângulo em madeira MDF de dimensão 5 cm por 10 cm.
• Dois pedaços de 50 cm de arame com espessura aproximada a um raio de bicicleta que seja maleável.
• Motor de driver de DVD de 3 Volts. • Um dos lados de um pregador de roupas. • Fios condutores.
• Potenciômetro de 5 Volts
• Pilha de tamanho grande de 1,5 Volt.
• Forro de PVC com dimensões de 8 cm por 70 cm.
• Oito parafusos de madeira de 3,5 cm de comprimento e quatro de 2,5 cm de com-primento.
• Cinco pregos de 2,5 cm. • Fita isolante.
3.1.1.1 Procedimentos de montagem
Foram presos nas laterais da cuba com os parafusos de 2,5 cm as traves de 50 cm, a uma distância de 10 cm das arestas verticais as quais são ligadas as mesmas arestas horizontal. Ligou-se a parte superior das traves com o cabo de vassoura de 49 cm, utilizando os pregos para essa xação. Como mostrado na Figura 3.1.
Foram cortadas tiras da tela de mosquiteiro de um tamanho aproximado a 10 cm de altura, com auxílio de uma linha de costura e agulha as tiras foram costuradas e unidas, para que se obtivesse o comprimento aproximado do perímetro interno da cuba.
Próximo aos cantos internos da cuba, foram xados dois parafusos de 3,5 cm distan-ciados aproximadamente 5 cm, totalizando 8 parafusos para 4 arestas.
A tela de mosquiteiro foi presa aos parafusos por todo o perímetro interno da cuba, deixando um espaço de 3 cm distantes das paredes. Para uma maior sustentação,
utilizou-3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 32
Figura 3.1: Cuba de madeira e fundo de vidro
se ta isolante para que a tela não soltasse os como mostra a Figura 3.2.
Esta tela de mosquito amortece as ondas para evitar o fenômeno da re exão quando elas chegarem nas paredes, evitando turbulências.
Figura 3.2: Um dos cantos da cuba.
Para fazer o obstáculo necessário para observar os fenômenos de interferência e difra-ção, foram cortados dois pedaços de forro de PVC e colados numa base, como retratado na Figura 3.3.
Para realizar o experimento de dupla fenda, foi colocada uma pequena tira entre as duas barreiras de maneira que as duas cassem separadas igualmente. Para o sustento da pequena tira, foi instalado um pequeno lápis de forma a unir os três obstáculo, como pode ser observado na Figura 3.4.
Para construção da fonte geradora de ondas, foi usada como base a cantoneira em "L". Com o auxílio de uma furadeira, foram feitos furos de aproximadamente 1 cm para serem
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 33
Figura 3.3: Peças para a montagem dos obstáculos.
Figura 3.4: Esquema de posicionamento das fendas.
xados os arames que são colocados na trave superior da cuba, para isto foi necessário curvar os arames para que estes pudessem ser pendurados na trave. Figura 3.5
Figura 3.5: Fixação dos arames próximos às extremidades da cantoneira.
Foi feito um furo com auxilio da furadeira na madeira com a dimensão do motor para que este caiba dentro da madeira e que casse rme, como mostrado na Figura 3.6(a). A parte traseira da madeira foi parafusada junto à cantoneira, exatamente no centro da mesma, como indica a Figura 3.6(b)
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 34
(a) (b)
Figura 3.6: Esquema de montagem do motor
Foi feito um pequeno furo no pregador para que este pudesse ser xado no eixo do mo-tor e formar a hélice. Para diminuir a rotação do momo-tor, diminuindo assim sua frequência, foram xados com ta isolante três pequenos pregos na extremidade do pregador, hélice do motor (Figura 3.7). Pela hélice não ser simétrica com relação a seu eixo, esta ao rotacionar ocasiona uma vibração por toda peça onde o motor está xado.
Figura 3.7: Hélice do fonte geradora em detalhe.
Para a montagem elétrica do pequeno motor, uma saída de o do motor foi ligada na extremidade esquerda do potenciômetro, a outra saída do motor foi ligada diretamente ao polo positivo da pilha. Outro o foi ligado da parte central do potenciômetro até o polo negativo da pilha. O potenciômetro foi necessário para controlar a passagem da corrente, podendo controlar a potência dissipada pelo motor, logo, a sua frequência de rotação. Este procedimento da montagem da fonte geradora pode ser acompanhado na Figura 3.8. A cuba e a fonte foram unidas para nalizar a montagem da cuba de ondas. Os os, potenciômetro e pilha foram posicionados no exterior da cuba para que não houvesse curto
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 35
Figura 3.8: Esquema de montagem elétrica da fonte geradora
circuito e dani cação do equipamento elétrico. Com a cuba posicionada, foi adicionada água na cuba até que esta alcançasse aproximadamente 5 milímetros da parte inferior da cantoneira. As Figuras 3.9(a) e 3.9(b) demonstram tais procedimentos descritos anterior-mente.
(a) (b)
Figura 3.9: Procedimentos nais da cuba de ondas.
A cuba foi posicionada a uma altura de aproximadamente um metro de altura do chão com auxílio de bancos e cadeiras. Foi posicionado um smartphone com ash ligado na função lanterna para que se pudesse observar os efeitos de difração e interferência projetados no teto do cômodo onde estava situado a cuba Figura 3.10.
Ao ligar os os na pilha, o motor da fonte geradora gira sua hélice, o pregador. Pelas forças atuantes não serem diferentes em lugares distintos da hélice, este produziu vibração na fonte. Com a vibração da fonte,formam-se frentes de onda na água produzindo o fenômeno de difração quando alcançam o obstáculo, a fenda dupla. Por serem duas fendas, essas formam agora ondas circulares bidimensionais e em fase, ocorrendo interferência
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 36
Figura 3.10: Cuba de ondas pronta para observação dos fenômenos
construtiva em uns pontos e destrutiva em outros. Onde ocorreram as interferências destrutivas, podem ser observadas linhas, chamadas linhas de interferência, na água, como mostra as Figuras 3.11(a) e 3.11(b).
(a) (b)
Figura 3.11: Fenômenos observados na cuba de ondas.
3.1.1.2 Plano de aula sugerido
O plano de aula proposto para a aplicação deste experimento está descrito na Tabela 3.1. O tempo sugerido de aula é de cem minutos, tempo necessário para apresentar a teoria dos fenômenos ondulatórios, aplicar os experimentos para observação dos alunos e concluir com uma discussão relacionando os aspectos teóricos com os fenômenos observados. Isto pode ser complementado com uma lista de exercícios com atividades.
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 37
Tabela 3.1: Plano de aula proposto para ondas mecânicas. PLANO DE AULA
TEMA
Interferência e Difração de Ondas Mecânicas OBJETIVOS
GERAL: Apresentar fenômenos ondulatórios de interferência e difração para ondas mecânicas
ESPECÍFICOS: Conceituar o tema de interferência e difração para ondas
mecânicas através de aplicação teórica, exercícios e utilização de um experimento. CONTEÚDO
- Interferência em ondas mecânicas; - Difração em ondas mecânicas;
- Experimento para demonstração dos fenômenos de interferência e difração para ondas mecânicas.
Introduzir a aula expondo conceitualmente os fenômenos ondulatórios na ordem Interferência e Difração para ondas mecânicas, Exempli cando cada fenômeno com modelos cotidianos.
Detalhar os acontecimentos dos experimentos de Difração e Interferência para ondas mecânicas e eletromagnéticas.
Utilizar o experimento da cuba de ondas para exempli car os fenômenos de Interferência e Difração ondas mecânicas.
AVALIAÇÃO
Exercícios trabalhando conceitos abordados em aula. REFERÊNCIAS
FERRARO, N. G. Física Básica: Volume Único. 3a Edição. São Paulo: Atual, 2009.
HALLIDAY, D., RESNICK, R., J., W. Fundamentos de Física, 8 ed. LTC, 2009.
3.1.1.3 Outras sugestões para o uso da Cuba de Ondas
O presente experimento não necessita car atrelado ao plano descrito acima, uma ou-tra proposta de ou-trabalho é ou-trabalhar no estudo de re exões de ondas mecânicas, utilizando anteparos com distintas geometrias, por exemplo, obstáculos planos e esféricos.
A Figura 3.12 esquematiza o posicionamento de um obstáculo reto formando um ângulo agudo com relação ao sentido de propagação das frentes de onda.
Na representação acima, é possível observar a re exão de ondas em uma superfície plana.
Também é possível observar as re exões de ondas em um obstáculo esférico, ao posi-cionar um obstáculo deste tipo no caminho de propagação das frentes de onda. Com o mesmo anteparo é possível reproduxir a re exão em um plano côncavo, como na Figura
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 38
Figura 3.12: Re exão de ondas com obstáculo reto.
3.16(b) e alterando sua posição, um plano convexo como visto na Figura 3.13(b).
(a) (b)
Figura 3.13: Re exão de ondas com obstáculo esférico.
A proposta de trabalho com a re exão de ondas é de grande valia, tendo em vista que esse tipo de fenômeno é visto com maior costume em ondas eletromagnéticas e não tanto no caso de ondas mecânicas.
Outra sugestão é trabalhar o mesmo experimento na forma de como está escrito o plano de aula da Tabela 3.1, mas introduzindo a aula com a apresentação do experimento. Desta forma, o aluno é levado a se perguntar o porquê do acontecimento dos fenômenos observados, induzindo o discente a construir seu conhecimento a partir da experiência presenciada no princípio da aula.
3.1.2 Dupla Fenda para a Luz
Para o estudo qualitativo dos fenômenos de interferência e difração das ondas eletro-magnéticas, foi confeccionado um experimento similar ao experimento da Dupla Fenda de Young. O material necessário para sua contrução é listado a seguir:
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 39
• Pente no com abertura entre os dentes de aproximadamente 0,5 mm • Um folha de cartolina preta;
• Ponteira laser vermelha; • Fita Isolante;
• Cola de isopor.
3.1.2.1 Procedimentos de montagem
Com auxílio de um estilete, foi retirado da peça de isopor dois pedaços iguais de dimensões 10 cm x 4 cm x 2 cm. Foram encapadas com cartolina preta e devidamente coladas a peça maior de ispor de dimensão 20 cm x 10 cm x 5 cm e as duas outras peças. As peças menores foram coladas na parte superior da peça maior, posicionadas distantes uma da outra de maneira que o laser entrasse justo entre elas.
O pente no foi revestido de ta isolante até sobrarem em seu meio apenas duas aberturas, para que se reproduza a dupla fenda. O pente foi xado nas peças que dão suporte ao laser de maneira que a fenda dupla casse posicionada no centro do vão onde o laser seria xado. O resultado dos pessos anteriores pode ser visto na Figura 3.14.
Figura 3.14: Base para o experimento de dupla fenda.
Então o laser foi colocado como mostra Figura 3.15(a), pressionando o botão em uma das paredes (Figura 3.15(b)), o que deu estabilidade à base e não causou vibrações que in uenciaram no resultado do experimento.
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 40
(a) (b)
Figura 3.15: Laser posicionado.
presença de pequenas listras claras e outras escuras se alternando, chamadas de franjas. Este efeito é causado devido a interferência de ondas originadas pela dupla fenda, essas por sua vez causadas pelo efeito da difração. Por serem produzidas pela mesma fonte, as ondas da dupla fenda têm comprimento de onda, frequência e velocidade de propagação iguais. Em alguns pontos do espaço, os vales da onda produzida por uma das fendas se encontram com os vales das ondas produzidas pela outra fendas ocasionando uma interferência construtiva, de mesma forma, quando as cristas produzidas pelas duas fendas se encontram, também há a interferência construtiva, gerando o padrão das franjas claras. As franjas escuras são formadas devido à interferência destrutiva, que é o encontro de um vale de uma fenda com a crista de outra.
(a) (b)
Figura 3.16: Franjas claras e escuras causadas pela dupla fenda.
Comprova-se aqui o comportamento ondulatório da luz. Assim como no experimento anterior para ondas mecânicas, os efeitos de interferência e difração puderam ser detecta-dos em um exemplo de onda eletromagnética.
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 41
3.1.2.2 Plano de aula sugerido
A proposta de planejamento de aula para o experimento em questão é apresentado na Tabela 3.2. Sendo o tempo de aula recomendado é de cem minutos. O ideal para o uso deste plano é ministrar a aula após a abordagem dos referidos fenômenos para as ondas mecânicas, tendo em vista que é preciso fazer uma revisão do conteúdo apresentado anteriormente com o intuito de induzir os alunos assimilarem os fenômenos para as duas classi cações de ondas.
Tabela 3.2: Plano de aula proposto para ondas eletromagnéticas. PLANO DE AULA
TEMA
Interferência e Difração de Ondas eletromagnéticas OBJETIVOS
GERAL: Apresentar fenômenos ondulatórios de interferência e difração para ondas eletromagnéticas
ESPECÍFICOS: Conceituar o tema de interferência e difração para ondas meletromagnéticas através de aplicação teórica, exercícios e utilização de um experimento.
CONTEÚDO
- Interferência para ondas eletromagnéticas; - Difração para ondas eletromagnéticas;
- Experimento para demonstração dos fenômenos de interferência e difração para ondas eletromagnéticas.
METODOLOGIA
Introduzir a aula fazendo uma revisão de interferência e difração nas ondas mecânicas. Apresentar teoricamente o fenômenos de Interferência e Difração para ondas
eletromagnéticas discutindo suas evidências no cotidiano.
Discutir e indagar aos alunos a semelhança dos fenômenos vistos para as ondas mecânicas e eletromagnéticas.
Apresentar o experimento dupla fenda para exempli car os fenômenos de Interferência e Difração ondas eletromagnéticas.
AVALIAÇÃO
Exercícios trabalhando conceitos abordados em aula. REFERÊNCIAS
FERRARO, N. G. Física Básica: Volume Único. 3a Edição. São Paulo: Atual, 2009.
EISBERG, R., Resnick, R. Física Quântica, 1 ed. Elsevier, 1979.
3.1 Experimentos para o ensino de Ondas 42
3.1.2.3 Outras sugestões para o uso da dupla fenda
Uma sugestão interessante para enriquecer a atividade consiste na utilização de um laser de diferente cor, ou seja, uma fonte com diferente comprimento de onda. Nas Figuras 3.17(a) e 3.17(b) podemos observar o efeito de interferência utilizando um laser verde. É possível observar uma diferença na quantidade de franjas claras e escuras e também é possível observar uma diferença na distância entre duas franjas claras ou duas franjas escuras.
(a) (b)
Figura 3.17: Figuras de interferência com laser verde
Desta forma, pode-se trabalhar com os alunos a relação entre o comprimento de onda e as franjas de interferência.
Capítulo 4
CONCLUSÕES
O presente trabalho apresentou a construção de dois experimentos para trabalhar fenômenos ondulatórios, um deles tratando o tema de ondas mecânicas e o outro dedi-cado às ondas eletromagnéticas. Foram apresentadas propostas através de planos de aula para trabalhar com ambos experimentos, além de sugestões para aprimorar as experiên-cias em sala de aula. A experimentação na sala de aula, na disciplina de Física, pode favorecer a aprendizagem dos alunos, uma vez que esses às vezes acham di culdade em lidar com apenas equações matemáticas. Através do experimento, podem-se relacionar estas equações com a física envolvida.
Foi possível identi car nos documentos redigidos pelo Ministério da Educação, a LDB, as DCNEM, e os PCN e PCN+, a presença de normas que reconhecem a importância da experimentação com intuito de fazer com que o aluno construa seu próprio conhecimento, através das relações professor-aluno e aluno-aluno, e que também possam reconhecer, construir e dominar tecnologias. No caso deste trabalho, foi discutida a ideia do uso expe-rimentação para o ensino de fenômenos ondulatórios como ação facilitadora na concepção do entendimento da teoria vista em sala de aula da forma tradicional.
Foi exposto o embasamento teórico necessário para a aplicação em turmas do ensino médio dos fenômenos ondulatórios apresentados nesta monogra a. Após, foram explica-dos os processos de construção explica-dos dois experimentos desenvolviexplica-dos. Uma metodologia de aplicação dos experimentos foi apresentada, com planos de aula respectivos. Estes planos de aula foram pensados para se encaixar na carga horaria dedicada à disciplina de Física nas escolas de Ensino Médio. Também foram sugeridas outras formas de utilização dos experimentos com o objetivo de abrir o leque de opções, não vinculando-as a apenas uma estratégia de ensino. Outra das nalidades deste trabalho foi mostrar que mesmo para dois tipos de ondas, mecânica e eletromagnética, os fenômenos de difração e interferencia
4 CONCLUSÕES 44
obedecem as mesmas leis. Isto é um fato que para os alunos é, ás vezes, de difícil com-preensão, já que a observação de efeitos ondulatórios dependem do comprimento de onda e em alguns casos não são visíveis cotidianamente.
A utilização de experimentos com o objetivo de promover a interação do aluno, sobrele-vando sua participação ativa, eleva a capacidade de compreensão dos conceitos abordados. A experimentação tem contribuído de maneira satisfatória, pois ela proporciona o contato entre o aluno e o fenômeno que está sendo exposto, através da pesquisa e dominação do conteúdo. Outro aspecto signi cativo na abordagem experimental é a característica quali-tativa que ela exibe, diferentemente das aulas expositivas e tradicionais em que enfatizam mais a análise quantitativa.
A m de concluir, a realização de atividades experimentais é de suma importância no processo de ensino-aprendizagem do aluno. Cumpre ressaltar que os alunos que cursam o ensino médio, todos atuarão de alguma forma na sociedade através de suas carreiras, sejam elas acadêmica ou pro ssional, sociedade esta que aparece em constante mudança, sobretudo no âmbito tecnológico, onde a experimentação é a base.
Apresentar atividades que permitam ao aluno re etir, indagar, entre outros aspectos, deve ser o papel do componente experimental no processo de ensino e aprendizagem.
Referências
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problemas em teses e dissertações. Editora Escrituras, 1998.
[2] Brasil. PCN+ - Ensino Médio. Orientações Educacionais Complementares Aos Parâmetros Curriculares Nacionais. MEC.
[3] Brasil. Lei de Diretrizes e Bases. MEC, 1996.
[4] Brasil. Diretrizes Curriculares Nacionais do Ensino Médio. MEC, 1998. [5] Brasil. Parâmetros Curriculares Nacionais. Ciências Naturais. MEC, 1998.
[6] Cañal, P., Lledó, A., Posuelos, F., Travé, G. Investigar en la Escuela: elementos para una enseñanza alternativa. Díada Editorial, 1997.
[7] Carvalho, A. M. P., Vannuchi, A. O currículo de física: inovações e tendências anos anos noventa. Revista Investigações em Ensino de Ciências 1, 1 (1996), 319. [8] Eisberg, R., Resnick, R. Física Quântica, 1 ed. Elsevier, 1979.
[9] Ferraro, N. G., Soares, P. A. T. Física Básica, 1 ed. Atual, 1998.
[10] Halliday, D., Resnick, R., J., W. Fundamentos de Física, 8 ed. LTC, 2009. [11] Hodson, D. Hacia um enfoque más crítico del trajo de laboratorio. Enseñanza de
las Ciencias 12, 3 (1994), 299313.
[12] Luz, A. M. R., Alvarenga, B. Física: Volume Único, 2 ed. Scipione, 2007. [13] Machado, D. I., Nardi, R. Construção de conceitos de física moderna e sobre a
natureza da ciência com o suporte da hipermídia. Revista Brasileira de Ensino de Física (2006).
[14] Nussnzveigh, H. M. Curso de Física Básica, 1 ed. Editora Blucher, 1998. [15] Pécora, J. D., Guerisoli, D. M. Z. Ultra-som, 2004.
[16] Santos, A. C. K. e. a. Algumas características dos professores de física do ensino de 2o grau em porto alegre. Caderno Catarinense de Ensino de Física (1985).
[17] Seré, M., Coelho, S. M., Nunes, A. D. O papel da experimentação no ensino da física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física 20, 1 (2003), 3042.
[18] Silva, E. S., Butkus, T. Levantamento sobre a situação do ensino de física nas escolas do 2o grau de joinville. Caderno Catarinense de Ensino de Física (1985).