Metodologia do Ensino de Física II - Professor Maurício
Pietrocola
Alunos: Marcelo Bernardes Garcia, nºUSP 2956491
Thiago Paulin Caraviello, nºUSP 2930360
Valdinei M. Santos, nºUSP 1960894
Seqüência didática experimental
Fenômenos de fluorescência e fosforescência
Roteiro do professor
Apresentação:
Neste trabalho é proposto um conjunto de experimentos voltados para a investigação da fluorescência e fosforescência, fenômenos óticos muito comuns e com diversas aplicações práticas, que vão desde o reconhecimento de minerais e autenticação de documentos até efeitos visuais utilizados em festas e outros eventos. O estudo destes aponta para algumas limitações da teoria utilizada em física clássica, de maneira que tal fenômeno pode ser usado como uma evidência da necessidade da utilização da teoria quântica para explicar efeitos de emissão de luz pela matéria.
Introdução:
Quando ensinamos aos alunos do ensino médio as propriedades óticas da matéria, freqüentemente resumimos a interação da luz com esta classificando-a basicamente em três tipos de fenômenos: reflexão, refração e absorção da luz. É muito comum encontrarmos em livros didáticos explicações que apontam para o fato de que a maioria dos corpos que vemos na verdade apenas reflete a luz emitida por uma fonte, de modo que a cor do objeto é definida pelo comprimento de onda, ou melhor, pela faixa de comprimentos de onda que este reflete. Sendo assim, um corpo iluminado com uma luz monocromática deve, a princípio, ou ser visto com esta cor, no caso da luz ser refletida, ou ser negro, no caso desta ser absorvida. As observações cotidianas nos mostram que grande parte dos materiais ao nosso redor comporta-se desta forma. Porém, sabe-se que algumas substâncias apresentam características distintas, como a emissão de luz com comprimento de onda diferente do utilizado em sua iluminação, além do que em alguns casos esta emissão não cessa rapidamente ao retirarmos a fonte luminosa. Ao fenômeno de reemissão de luz com comprimentos de onda iguais e menores do que os absorvidos, costumamos dar o nome de fluorescência, pelo fato deste fenômeno ter sido observado primeiramente em um composto de flúor, num mineral comumente chamado de fluorita (CaF2). Quando o fenômeno não
cessa imediatamente (entendemos como imediatamente um tempo inferior a 10-8s), tal fenômeno é chamado de fosforescência, por ter sido observado primeiramente no fósforo.
Objetivo geral:
Fornecer aos alunos noções elementares de interação de fótons com a matéria (absorção e reemissão de fótons), e fornecer ferramentas que possibilitem ao aluno refletir sobre a validade da teoria clássica para explicar fenômenos em partículas elementares.
Público alvo:
Alunos do ensino médio com um sólido conhecimento em fenômenos de reflexão e absorção da luz pela matéria, além de noções básicas sobre filtros de luz, freqüência e energia.
Conteúdo físico:
Fosforescência e fluorescência. Noções de níveis de energia. Relações fundamentais entre freqüência de luz e energia do fóton.
Quadro Sintético:
Aula 1
Objetivo: Evidenciar ao aluno a existência do fenômeno de fluorescência, familiarizando
este com o fenômeno e evidenciando as limitações da teoria clássica.
Conteúdo físico: Fluorescência.
Recursos instrucionais: Experiência 1 do anexo.
Momentos:
• O professor discute com os alunos reflexão e absorção da luz pela matéria, revendo conceitos que explicam classicamente as cores observadas em objetos iluminados. TEMPO ESTIMADO: 20 MINUTOS.
• O professor realiza então o experimento 1 do anexo 1, pedindo para os alunos relatarem o que estão observando. TEMPO ESTIMADO: 15 MINUTOS
• O professor discute então com os alunos a possibilidade de tal fenômeno de emissão de luz ser explicado segundo a teoria clássica comumente usada nas aulas de aula, formalizando a explicação com base na quantização da luz e na existência dos níveis eletrônicos nos átomos. TEMPO ESTIMADO: 15 MINUTOS.
Aula 2
Objetivo: Estudar o fenômeno de fosforescência, bem como discutir com os alunos a
relação entre sua ocorrência e a freqüência da luz incidente
Conteúdo físico: Fosforescência.
Recursos instrucionais: Experimento 2 do anexo.
Momentos:
• O professor dá uma breve explicação sobre as semelhanças entre fluorescência e fosforescência. Após isto ele explica o que será feito no experimento e propõe aos alunos que levantem hipóteses sobre os possíveis resultados que podem ocorrer ao aplicarmos diferentes luzes coloridas. TEMPO ESTIMADO:15 MINUTOS.
• O professor pede aos alunos que realizem o experimento 2 do anexo 1 e discutam os resultados obtidos. TEMPO ESTIMADO: 20 MINUTOS.
• O professor discute os resultados obtidos e formaliza o conceito de fosforescência e introduz nos alunos noções de níveis de energia. TEMPO ESTIMADO: 15 MINUTOS.
Aula 3
Objetivo: Utilizar a fluorescência na caracterização de minerais, evidenciando sua
aplicação prática e familiarizando o aluno com o fenômeno.
Conteúdo físico: Espectro de fluorescência.
Recursos instrucionais: Experimento 3 do anexo.
Momentos:
O professor discute com os alunos possíveis aplicações tecnológicas da fluorescência. TEMPO ESTIMADO: 15 MINUTOS.
O professor pede aos alunos que realizem o experimento 3 do anexo 1 e discutam os resultados. TEMPO ESTIMADO: 20 MINUTOS.
O professor finaliza a discussão discutindo quais seriam as diferenças que poderiam existir na estrutura dos materiais estudados, enfatizando que o espectro de fluorescência não está ligado com a cor do material. TEMPO ESTIMADO: 15 MINUTOS.
Anexo1
Material: Uma lâmpada de luz negra, materiais fluorescentes diversos, tais como roupas
brilhantes, tubos de pasta de dente com estampas coloridas, embalagens, documentos recentes, tais como carteiras de motorista do novo modelo, passes de ônibus, papéis pintados com canetas marca-texto, etc.
Procedimento: Estando a sala de aula ou laboratório devidamente protegido da luz, o
professor liga a lâmpada de luz negra de forma a iluminar todos estes objetos, evidenciando uma gama variada de cores que praticamente não podem ser vistas com outras lâmpadas. Pode-se obter um efeito interessante pintando cartolinas pretas com marca-textos. Quando expostos à luz visível, as cartolinas parecem quase que totalmente pretas, mas quando submetidas aos raios ultravioletas emitidos pela lâmpada de luz negra, as cores ganham um destaque muito maior.
O professor pode discutir com os alunos de que maneira este tipo de luz aparece nos objetos, visto que a luz que os ilumina não corresponde às cores observadas e em seu espectro tais cores não são observadas.
Experimento 2 – Fosforescência e sua dependência com a freqüência de luz incidente:
Material: Três caixas de filme fotográfico vazias, três lâmpadas incandescentes, de preferência não leitosas (ou seja, aquelas onde é possível ver o filamento no interior do bulbo), sendo uma de bulbo transparente, uma de bulbo azul e outra de bulbo vermelho, com respectivos soquetes e fios para ligação, e material fosforescente obtido em enfeites que brilham no escuro ou em interruptores de luz ou tomadas comuns.
Procedimento: Um pouco do material fosforescente deve ser colocado em cada uma das três caixas de filme, sendo as lâmpadas arranjadas de tal forma que cada uma ilumine uma e apenas uma caixa de filme (figura 1). Se não dispuser de lâmpadas coloridas pode-se cobrir uma das caixas com plástico azul e outra com plástico vermelho (filtros de luz) e utilizar apenas uma lâmpada incandescente branca e suficientemente intensa.
Figura 1 – Diagrama do experimento 2
Após a montagem, com a sala no escuro, ligam-se as três lâmpadas durante 5 minutos, desligando-as em seguida e observando o brilho dos materiais com a luz apagada. Deve-se encontrar fosforescência forte no material iluminado com a lâmpada branca e com a de bulbo azul, ficando o pote iluminado com a vermelha praticamente escuro, isto porque os fótons de cor vermelha não possuem energia suficiente para fazer com que os elétrons passem para um estado excitado de energia maior, enquanto a luz azul, que possui freqüência maior e portanto maior energia, e a luz branca, que contém uma faixa de espectros maior consegue excitar os elétrons dos materiais para níveis de energia mais elevados (figura 2 e 3).
Figura 2- espectros das lâmpadas utilizadas
Experimento 3 – identificação de materiais por espectro de fluorescência:
Material: Amostras de marfim, de PVC e dos minerais Sodalita (Na8(Al6Si6O24)), lápis
lazuri (Na8(Al6Si6O24)S2) e quartzo azul (SiO2), encontrados em lojas de minerais ou em
casas esotéricas, e uma lâmpada de luz negra.
Procedimento: Os alunos devem ligar a luz negra sobre os diferentes materiais. Foram
escolhidos materiais de cor semelhante, tais como o marfim e o PVC e os três minerais, mas com espectros de fluorescência muito distintos: azul intenso para o marfim, azul fraco para o PVC, branco para o lápis lazuri laranja para a sodalita e praticamente inexistente no quartzo, de forma a aproveitar a atividade de identificação dos materiais para mostrar que não existe um vinculo direto da cor com o espectro de fluorescência. Obviamente devem ser fornecidas aos alunos informações sobre qual a cor do espectro de cada objeto.
Figura 4 – Diagrama do experimento 3
Eisberg, R., Resnick, R.. Física Quântica – Átomos, Moléculas e Partículas, Ed. Caqmpus, 1979.
Metodologia do Ensino de Física II - Professor Maurício
Pietrocola
Alunos: Marcelo Bernardes Garcia, nºUSP 2956491
Thiago Paulin Caraviello, nºUSP 2930360
Valdinei M. Santos, nºUSP 1960894
Seqüência didática experimental
Fenômenos de fluorescência e fosforescência
Roteiro do Aluno
Introdução:
Este texto destina-se ao aluno que esteja realizando a sequência didática proposta para o estudo dos fenômenos de fosforescência e fluorescência. Tal estudo é importante por introduzir no aluno um primeiro contato com alguns aspectos da estrutura do átomo estudados em física moderna, tais como a quantização das partículas e a interação entre fótons e átomos. Todas as experiências são fáceis de serem realizadas, mas torna-se necessária uma discussão mais ampla sobre os possíveis modelos que podem explicar tais fenômenos.
Embora bastante conhecidas do nosso dia a dia, a fluorescência e a fosforescência muitas vezes passa desapercebida por nós, de forma que dificilmente paramos para pensar no que ocorre para que certos materiais brilhem no escuro ou para que nossa roupa ganhe destaque numa festa com lâmpadas de luz negra. Tais fenômenos certamente não se encaixam na física que é tradicionalmente ensinada em ótica. Um objeto iluminado por uma lâmpada a princípio não deveria continuar aceso após esta ser apagada, e um corpo iluminado por uma lâmpada azulada não deveria emitir um brilho alaranjado, por exemplo.
Aula 1:
Nesta aula serão apresentados os primeiros fenômenos de fluorescência. Para isto iremos utilizar uma lâmpada conhecida como luz negra. Tal lâmpada é frequentemente encontrada em festas, onde seu efeito decorativo chama a atenção das pessoas, que vêem suas roupa emitirem luz ao serem iluminadas por estas lâmpadas . É justamente a este efeito, o de fazer com que corpos emitam luz com freqüencias menores que a da luz incidente neles, é que danos o nome de fluorescência. Objetos fluorescentes existem em abundância ao nosso redor, e este experimento tem o intuito de tornar isto evidente.
È proposto um grupo de questões com o intuito de tornar evidente os problemas existentes no fenómeno observado no experimento. Refita sobre elas e tente discuti-las com seus colegas:
1) Tradicionalmente nos é ensinado que um corpo iluminado por uma determinada fonte de luz deve necessariamente emitir uma frequência que esteja presente na faixa emitida pela luz da fonte. Formule hipóteses sobre a natureza da luz emitida (se ela é propria do objeto, se é reflexo da luz incidente, se é possível vê-la sem o auxílio da luz negra, etc).
2) A experiência nos fornece evidências das limitações da teoria clássica tradicionalmente utilizada para explicar fenômenos de interação da luz com a matéria. Aponte ao menos uma evidência de que o que está sendo observado não corresponde ao esperado classicamente em termos das propriedades óticas da matéria..
Aula 2:
Nesta aula o aluno deve montar um experimento utilizando materiais que brilham no escuro. Tais materiais são semelhantes aos fluorescentes, porém seu brilho permanece durante um certo tempo após a luz incidente ser apagada, o que nos permite estudar como tais objetos se comportam quando os iluminamos com diversas fontes de luz.
Experimento 2 – fosforescência:
Material: Três caixas de filme fotográfico vazias, três lâmpadas incandescentes, de
preferência não leitosas (ou seja, aquelas onde é possível ver o filamento no interior do bulbo), sendo uma de bulbo transparente, uma de bulbo azul e outra de bulbo vermelho, com respectivos soquetes e fios para ligação, e material fosforescente obtido em enfeites que brilham no escuro ou em interruptores de luz ou tomadas comuns.
Procedimento: Um pouco do material fosforescente deve ser colocado em cada uma das
três caixas de filme, sendo as lâmpadas arranjadas de tal forma que cada uma ilumine uma e apenas uma caixa de filme (figura 1). Se não dispuser de lâmpadas coloridas pode-se cobrir uma das caixas com plástico azul e outra com plástico vermelho (filtros de luz) e utilizar apenas uma lâmpada incandescente branca e suficientemente intensa. Após a montagem, com a sala no escuro, ligam-se as três lâmpadas durante 5 minutos, desligando-as em seguida e observando o brilho dos materiais com a luz apagada.
Figura 1 – Diagrama do experimento 2
Discuta a relação entre as cores das lâmpadas e a ausência ou não de brilho após estas serem desligadas. O que faz com que o resultado obtido seja diferente para a lâmpada azul e para a lâmpada vermelha?
Aula 3 – Identificação de materiais:
Se formos atentos, talvez já tenhamos nos deparados com situações onde aplicações da fluorescência é fundamental. Frequentemente, ao tomarmos ônibus municipais aqui em São Paulo nos deparamos com pequenas máquinas de identificação de passes, e em algumas casas noturnas nosso “bilhete de entrada” é um carimbo que só pode ser visto dentro de tais lugares, o que evita inconvenientes. Além destas aplicações, podemos utilizar a fluorescência para a identificação de uma variada gama de compostos químicos. Tal técnica é utilizada em grande escala em mineralogia para identificar materiais muito parecidos em cor ou em densidade, mas que emitem espectros de cores diferentes quando iluminados por lâmpadas especiais. Desta forma, a fluorescência tem uma gama de aplicações práticas
muito grande, e nesta aula iremos simular uma delas com o uso de lâmpadas de luz negra, de maneira bem simplificada, servindo apenas para exemplificar sua utilização.
Experimento 3 – Identificação de materiais:
Material: Amostras de PVC e de marfim, tais como, por exemplo, bolas de bilhar sem tinta, e dos minerais Sodalita (Na8(Al6Si6O24)), lápis lazuri (Na8(Al6Si6O24)S2) e quartzo
azul (SiO2), encontrados em lojas de minerais ou em casas esotéricas, e uma lâmpada de luz
negra.
Procedimento: Deve- se ligar a luz negra sobre os diferentes materiais. Foram escolhidos
materiais de cor semelhante, tais como o marfim e o PVC e os três minerais, mas com espectros de fluorescência muito distintos: azul intenso para o marfim, azul fraco para o PVC, branco para o lápis lazuri laranja para a sodalita e praticamente inexistente no quartzo.
Discuta a aparente ausência de relação entre as cores dos materiais e seus espectros, comparando o esperado pela previsão clássica com o esperado pela quântica. Discuta a limitação da teoria clássica para explicar este fenômeno.
