proposição - Pós-Graduação em Ensino de Ciências da UnB

Transcrição

1
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
Decanato de Pesquisa e Pós-Graduação
Instituto de Ciências Biológicas
Instituto de Física
Instituto de Química
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIAS
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE CIÊNCIAS
EXPERIMENTOS EM ÓPTICA: UMA PROPOSTA DE
RECONCEITUALIZAÇÃO DAS ATIVIDADES
EXPERIMENTAIS DEMONSTRATIVAS
JAIR LÚCIO PRADOS RIBEIRO
Proposta de ação profissional resultante da
dissertação realizada sob orientação da Profa.
Dra. Maria de Fátima da Silva Verdeaux e
apresentada à banca examinadora como
requisito parcial à obtenção do Título de
Mestre em Ensino de Ciências – Área de
Concentração Ensino de Física, pelo
Programa de Pós-Graduação em Ensino de
Ciências da Universidade de Brasília.
Brasília – DF
Março
2010
2
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 03
2. A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA ........................................... 04
3. REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 - A natureza da ciência para Karl Popper e Thomas Kuhn ..................................... 06
3.2 - A teoria de desenvolvimento mental de Jean Piaget ............................................. 10
3.3 - Hodson e a reconceitualização do trabalho experimental ..................................... 12
3.4 - O ideário piagetiano e a reconceitualização da atividade experimental ................ 15
4. SUGESTÃO DE ABORDAGEM DIDÁTICA
4.1 - Condições e equipamentos necessários ................................................................. 17
4.2 - Natureza dual da luz, luz e sombra ....................................................................... 18
4.3 – Fundamentos da óptica: cor .................................................................................. 22
4.4 - Reflexão: fundamentos e espelhos planos ............................................................. 32
4.5 - Reflexão da luz: espelhos esféricos ....................................................................... 38
4.6 - Refração e reflexão total da luz ............................................................................. 45
4.7 - Prismas e dispersão da luz branca ......................................................................... 56
4.8 - Lentes e óptica da visão ….................................................................................... 60
4.9 - Difração e espalhamento ....................................................................................... 66
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS …............................................................. 72
3
1. INTRODUÇÃO
A proposta de trabalho descrita aqui tem como objetivo principal a apresentação
de técnicas experimentais que podem colaborar para o aprendizado da óptica. Nossa
principal preocupação concentrou-se na apresentação de experiências demonstrativas
que possam ser facilmente realizadas em sala de aula. Conjecturamos que a realização
dessas atividades experimentais demonstrativas tende a contribuir para a geração de
conflitos cognitivos no estudante, estimulando o aprimoramento dos esquemas mentais
do estudante, quando comparada à experiência didática tradicional, onde a
experimentação frequentemente está ausente.
Assim, nosso trabalho sugere uma reformulação da maneira com que os
conteúdos da óptica são abordados em sala, inspirado pela tradição newtoniana de se
estudar a luz a partir da análise e compreensão de experiências reais (NEWTON, 1704),
estimulando a atualização do conteúdo curricular tradicional do ensino de Física no
nível médio, a partir da utilização da experimentação como recurso instrucional
primário.
Uma significativa parcela das demonstrações experimentais propostas nesse
trabalho foi adaptada de sugestões presentes em artigos publicados em diversos
periódicos da área (Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Revista Brasileira de Ensino
de Física, Física na Escola, Physics Education, entre outros), colaborando para a
integração entre a pesquisa na área de ensino de ciências e a sua aplicação efetiva em
sala de aula.
4
2 – A EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA
De acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio
(BRASIL, 1998), a Física não é uma disciplina estanque, fazendo parte de um ramo
maior, nominalmente as “ciências da natureza, matemática e suas tecnologias”. Por ser
considerada uma ciência da natureza, é esperado que a observação e compreensão de
fenômenos naturais explicados pelas teorias da Física estejam presentes na sua
apresentação aos alunos.
A experimentação é claramente uma parte desse processo. Observar
diretamente um fenômeno pode levar o estudante a ter uma visão absolutamente nova
ou diversa sobre o mesmo. Os próprios professores afirmam que a experimentação é
fundamental para a maior compreensão de um tema, e várias obras presentes nessa
revisão mostram falas dos próprios professores em atividade ou em formação,
corroborando essa informação (LABURÚ et al., 2007; DA ROSA e DA ROSA, 2005;
GRANDINI e GRANDINI, 2004). Por exemplo, encontramos na revisão realizada por
Alves (2006):
A maioria dos artigos que foram analisados nesta revisão de literatura aponta
para encaminhamentos de possíveis soluções para a melhoria do ensino de
Física, o desenvolvimento de uma educação voltada para a participação dos
indivíduos, que devem estar capacitados a compreender os avanços
tecnológicos atuais e a atuar de modo que suas colocações sejam mais
fundamentadas, agindo de forma mais consciente e responsável diante dos
grupos sociais em que convivem. Pode-se dizer que [...] o uso de atividades
experimentais como estratégia de ensino de Física tem sido apontado por
professores e alunos como uma das maneiras mais frutíferas de minimizar as
dificuldades relativas a aprender e a ensinar Física de modo significativo. (p.
25)
Para Araújo e Abib (2003), “os autores são unânimes em defender o uso de
atividades experimentais”, em especial pela capacidade intrínseca dos experimentos de
estimular a participação ativa dos estudantes, despertando sua curiosidade e interesse,
além da tendência que a experimentação propicia para a construção de um ambiente
motivador (op. cit., 2003). A unanimidade nem sempre é conseguida, entretanto, na
efetiva aplicação de atividades experimentais em sala de aula.
Apesar da sua inegável importância como recurso instrucional (op.cit., 2003),
a atividade experimental não está sempre presente nos cursos de Física de ensino médio,
e muitas vezes apresenta sérias dificuldades para ser implantada com eficácia. A própria
literatura assim o demonstra. Apesar do grande volume de artigos que ressaltam as
5
vantagens da atividade experimental, há um número também relevante de artigos que
apresentam o ponto de vista contrário: embora o trabalho experimental seja importante
para o aprendizado de física, ele raramente é utilizado ou quando o é, muitas vezes sua
importância é superestimada ou mal-compreendida. Por exemplo, encontramos em
Laburú et al. (2007):
As atividades experimentais de física são raramente utilizadas pela maioria
dos professores brasileiros. [...] Investigações apontam como justificativas
[...]: indisponibilidade ou qualidade de material, excessivo número de alunos
em sala de aula, formação precária dos professores, pouca bibliografia para
orientá-los, restrições institucionais [...], disponibilidade da sala de
laboratório (TSAI 2003: 855, apud op. cit., 2007), ausência de horário
específico, necessidade de laboratorista, inexistência de programação e
articulação entre atividades experimentais com o curso (RICHOUX e
BEAUFILS, 2003; GARCIA et al., 1995, apud op. cit., 2007), falta de
atividades preparadas, ausência de tempo para o professor planejar e montar
suas atividades, carência de recursos (BORGES, 2000; PESSOA et al.,
1985, apud op. cit., 2007). (p. 306)
Já Hodson (1994) alega que o trabalho experimental, mesmo quando realizado
por um professor habilitado para tal, não necessariamente se mostrará eficaz:
Muitas das dificuldades discutidas previamente se devem à maneira
irreflexiva com que os planejadores dos currículos e os professores
empregam o trabalho experimental. Em poucas palavras, (o trabalho
experimental) é suprautilizado e subutilizado. Usa-se em demasia no sentido
que os professores usam as experiências como algo normal e não como algo
extraordinário, com a ideia que servirá como um "dispositivo automático de
entrada" que permitirá alcançar todos os objetivos da aprendizagem. É
subutilizado no sentido que somente em poucas ocasiões seu real potencial
está sendo alcançado completamente. Ao contrário, a parte grande das
práticas que são oferecidas é mal concebida, são confusas e lhes falta o real
valor educativo. (p.306, tradução nossa)
Percebe-se dos artigos expostos que não há apenas uma necessidade de um
maior uso da experimentação para o ensino de ciências, mas também a realização de
experiências que sejam capazes de levar o estudante a realmente compreender os
métodos das ciências naturais. Em outras palavras, a prática experimental deve ser
revista, ou reconceitualizada. A reconceitualização do trabalho experimental é a
proposta central do artigo de Hodson e funciona como a mola-mestre desse trabalho.
6
3. REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 – A natureza da ciência para Karl Popper e Thomas Kuhn
A concepção de ciência que um professor adota traz inevitáveis consequências à
sua prática didática. A natureza da ciência é um tema discutido especialmente pelos
filósofos da ciência, entre os quais historicamente se destacam Karl Popper, Thomas
Kuhn, Imre Lakatos, Paul Feyerabend e Gaston Bachelard. Em particular, corroboramos
nesse trabalho com a visão que os dois primeiros autores apresentam, e faremos aqui
uma rápida exposição de suas ideias. Pessoalmente, acreditamos que a inclusão das
ideias de Popper e Kuhn em uma proposta de ensino pode e deve ser buscada, pois a
presença da filosofia da ciência no currículo escolar é praticamente inexistente, mesmo
que apenas como uma linha-mestra.
Talvez a principal questão investigada por Popper e Kuhn seja a natureza do
conhecimento científico, em contraste com o conhecimento comum, dito informal. A
princípio, pode-se afirmar que “não existe uma única natureza da ciência” (MILLAR,
1993, apud DRIVER et al., 1999, p.2). Pode-se considerar que o conhecimento
científico é simbólico (ou seja, os objetos científicos não são “naturais”, e sim
“construções mentais” para interpretar os fenômenos naturais) e socialmente construído
(isto é, o conhecimento científico é elaborado através de mediações sociais, que o dotam
de certo relativismo).
Essa concepção de conhecimento científico como algo relativo e não definitivo
tem sua origem nas ideias do filósofo da ciência Karl Popper. Na obra de Silveira
(1991), encontramos um resumo das ideias principais de Popper sobre esse tema.
Alguns excertos são citados a seguir:
“Teorias científicas são sempre conjecturas, que podem ser refutadas. Não
há uma forma de se provar a verdade de uma teoria científica, mas às vezes
é possível descobrir que uma teoria é falsa.” (SILVEIRA, 1991, p.4)
“Quando uma teoria é refutada, (...) a nova teoria deverá ser capaz de
explicar todos aqueles fatos corroboradores da teoria superada e os novos
fatos que a refutaram. A antiga teoria pode então sobreviver como um caso
limite da nova teoria.” (op. cit., p.5)
“A ciência não está interessada em teorias que pareçam ter a probabilidade
de oferecer-nos melhor apreensão dos fatos. A ciência não está interessada
em ter a última palavra, se isso significar o fechamento de nossas mentes ao
7
falseamento das experiências, mas sim em aprender com as nossas
experiências; isto é, em aprender com os nossos enganos. (POPPER, 1975,
p. 331, apud SILVEIRA, 1991, p. 6)
Dos trechos citados, podemos extrair uma forte conclusão: não há uma verdade
absoluta em ciência. Esse ponto de vista foi revisitado e rediscutido posteriormente pelo
filósofo da ciência Thomas Kuhn.
É interessante perceber que, nas décadas de 1950 e 1960, quando os currículos
de ciências passaram por reformas nos Estados Unidos, tais reformas “ocorreram sem
qualquer participação de historiadores ou filósofos da ciência” (MATHEWS, 1995, p.
171). Mesmo que o texto introdutório do seminal Biological Sciences Curriculum
Studies (BSCS) já afirmasse que “a essência do ensino de ciências [...] deveria ser
mostrar algumas das conclusões da ciência sob o ponto de vista da maneira como
surgem e são experimentadas, [...] e deveria incluir também um tratamento honesto das
dúvidas e da natureza incompleta da ciência” (SCHWAB, 1963, p.41, apud
MATHEWS, 1995, p.172), a influência da filosofia da ciência no ensino de ciências
permaneceu obscura até a ascensão do construtivismo.
As ideias kuhnianas são extremamente abrangentes e têm aplicação em campos
tão diversos quanto a física, o ensino ou a economia. Sua obra fundamental é, sem
dúvida, “A estrutura das revoluções científicas” (1962). Adotamos como linha-mestre
as interpretações realizadas por Vieiral e Fernandéz (2006) e Zylbesztajn (1991).
Para Zylbesztajn (1991), “A estrutura das revoluções científicas” é uma
“tentativa de delinear uma nova imagem da ciência, em oposição àquelas disseminadas
pelo positivismo lógico na filosofia da ciência e pela historiografia tradicional” (op. cit.,
1991, p.49). Assim, para Kuhn, o avanço da ciência é cíclico: após períodos de relativa
estabilidade (chamados de ciência normal), um campo científico passa por uma
revolução e um novo paradigma se estabelece.
Vieiral e Fernandéz (2006) entendem por paradigma um marco ou perspectiva
que se aceita de forma geral por toda a comunidade científica (conjunto de cientistas
que compartilham um mesmo paradigma e realizam a mesma atividade científica), e a
partir do qual se realiza a atividade científica, cujo objetivo é esclarecer as possíveis
falhas do paradigma ou extrair todas as suas consequências. Segundo Zylbesztajn
(1991), esse paradigma é composto de generalizações simbólicas, modelos particulares,
valores compartilhados e exemplares. Como o presente trabalho não se propõe a discutir
8
toda a obra kuhniana, tais conceitos não serão detalhados, até mesmo porque o próprio
Kuhn admite que a palavra paradigma é polissêmica.
Se um paradigma está em vigor e não há contestação (caso raro), diz-se que o
campo científico está em um período de ciência normal. Nesse período, busca-se
modelar a solução de novos problemas seguindo aqueles previamente encontrados.
Através da aprendizagem do conhecimento incorporado nos exemplos compartilhados,
que fazem parte do paradigma dominante, o cientista individual desenvolve um modo
de ver um grupo de fenômenos, que é próprio da comunidade à qual ele pertence
(ZYLBESZTAJN, 1991). O período de ciência normal é encarado por Kuhn como
absolutamente necessário para o progresso de um campo de conhecimento, pois os
cientistas podem se “libertar” das paixões que se exaltam nas discussões paradigmáticas
e centrar seus esforços na construção de um paradigma cada vez mais robusto.
Entretanto, em algum momento, problemas que antes eram vistos como “quebracabeças” (isto é, possíveis de serem resolvidos com o paradigma dominante, em uma
primeira análise) podem se revelar insolúveis, passando então a ser encarados como
anomalias. Gera-se então um estado de crise no paradigma vigente (ZYLBESZTAJN,
1991). Durante a crise, ocorre uma proliferação de novos paradigmas, muitos dos quais
já poderiam estar parcial ou totalmente desenvolvidos, mas que não pareciam adequados
às situações anteriores. Tais “candidatos a paradigmas” competem entre si, tentando
impor-se como o enfoque mais adequado.
O estado de crise só será solucionado quando um dos novos paradigmas se
firmar (VIEIRAL e FERNANDÉZ, 2006). O novo paradigma ascendente, em geral,
encontra a resistência de membros influentes de uma comunidade; mas, se tiver sucesso
em resolver alguns problemas iniciais, irá atrair mais e mais adeptos, tornando-se
eventualmente dominante e um novo período de ciência normal tem início. Esse
processo de mudança paradigmática é chamado revolução científica. (ZYLBESZTAJN,
1991) Apesar de comumente associado a eventos que provocaram alterações radicais
nas concepções de mundo vigentes, “é legítimo empregar o termo em conexão com
mudanças menores, capazes de alterar os compromissos de uma comunidade particular,
mas nem sempre vistas como revolucionárias fora desse grupo” (Zylbesztajn, 1991).
A proposta didática contida no presente trabalho tem seu centro epistemológico
na relatividade do conhecimento científico (proposta por Popper) e na revolução
científica (proposta por Kuhn). Segundo a interpretação de Zylbesztajn (1991), o aluno
pode ser encarado como um “cientista kuhniano”, pois continuamente ele é exposto a
9
crises em seus paradigmas vigentes (suas “noções prévias” ou “concepções
alternativas”), através dos exemplos providos, via de regra, pelo professor.
Na nossa proposta didática, esses exemplos são atividades experimentais
demonstrativas, planejadas especificamente para expor os flancos dos paradigmas
originais do aluno. Se bem empregados, tais exemplos podem levar à “substituição”
desses paradigmas por outros mais eficazes.
Sabemos do risco do uso do termo “paradigma” como representativo das ideias
prévias de um estudante: afinal, o termo foi cunhado por Thomas Kuhn como um
conjunto de ideias não individuais, mas sim coletivas, pelo menos no tocante à sua
aceitação pela comunidade científica. Mas acreditamos que podemos usá-lo como uma
metáfora útil, compatível com a nossa proposta didática: atividades experimentais
demonstrativas, no fundo, são oportunidades de contestação dos “paradigmas” vigentes
entre os alunos, e trazem consigo uma oportunidade para uma reflexão sobre essas
mesmas ideias, contribuindo para a aprendizagem dos estudantes.
10
3.2 – A teoria de desenvolvimento mental de Jean Piaget
Piaget é um clássico absoluto na área educacional, mas suas ideias têm
abrangência também em campos como a psicologia, a sociologia e a filosofia. E é
sempre temerário escrever sobre os clássicos, pois suas ideias já foram interpretadas e
reinterpretadas por inúmeros autores, e sempre há o risco de afirmações errôneas virem
à tona.
Piaget não concebeu, a priori, uma teoria de ensino e aprendizagem. Ferraciolli
(1999) apresenta uma argumentação para esse fato:
Uma vez contextualizada a obra de Piaget, torna-se claro que não tem do
sentido se referir a um método pedagógico piagetiano. Piaget não é
pedagogo, não é psicólogo, e jamais formulou uma teoria de aprendizagem.
Seu objetivo maior é a busca do entendimento de como o conhecimento é
construído, e nesta perspectiva ele torna-se epistemólogo. A rigor, o que
existe são propostas pedagógicas que utilizam as ideias de Piaget como
diretrizes para uma metodologia de trabalho didático-pedagógica visando o
processo de ensino-aprendizagem.
Assim, adotaremos como linhas-guia as interpretações que Moreira (1999) e
Ferraciolli (op.cit.) nos apresentam sobre a obra de Piaget, quando aplicada (ou
recontextualizada) ao ensino de ciências.
Ferraciolli (op.cit.), ao apresentar o pensamento piagetiano, ressalta:
Jean Piaget (1896-1980) [...], investigando sobre a relação entre organismo e
o meio, passa a estudar a natureza humana. Interessa-se pela inteligência
humana, que considera tão natural como qualquer outra estrutura orgânica,
embora mais dependente do meio do que qualquer outra. O motivo está no
fato de que a inteligência depende do próprio meio para sua construção,
graças às trocas entre organismo e o meio, que se dão através da ação (p.
180).
Percebe-se nas palavras do autor que Piaget apresenta uma teoria para entender
como se dá essa construção do pensamento, ou mais especificamente, o
desenvolvimento cognitivo do indivíduo. Moreira (1999) nos diz que, apesar da divisão
do desenvolvimento cognitivo em fases ser o mais popular item da obra de Piaget, o
“núcleo-duro” de sua teoria é a tríade assimilação, acomodação e equilibração, além
dos conceitos de esquema e conflito cognitivo.
A assimilação ocorre quando o indivíduo incorpora a realidade percebida dentro
de um esquema mental, sem modificação do mesmo. O esquema é um construto pessoal
11
de técnicas mentais que permitem o entendimento do mundo (por exemplo, a resolução
de equações de segundo grau através da fórmula de Báskara).
Alguns fenômenos, entretanto, não podem ser assimilados diretamente pelos
esquemas prévios que o indivíduo possui. Um aluno que possua um esquema para
resolver equações de primeiro grau não pode aplicá-lo diretamente na resolução de
equações de segundo grau. Diz-se que, nessas situações, o esquema existente está
submetido a um conflito cognitivo. Esse conflito só é resolvido a partir de um esforço
pessoal, chamado de acomodação, o qual surge quando a realidade assimilada provoca
modificação dos esquemas mentais do indivíduo, e permite a construção de novos
esquemas de assimilação. A atividade experimental é, ao menos potencialmente, uma
grande seara de conflitos cognitivos para o estudante.
Já a equilibração é literalmente o processo pelo qual a assimilação e a
acomodação entram em equilíbrio dinâmico, pois assimilar um novo conhecimento
envolve um processo de acomodação, que prepara o indivíduo para novos processos de
assimilação, e assim por diante. Tais processos, evidentemente, se comportam como
uma progressão geométrica que tende para um valor limite, que seria o ponto da
equilibração. Após a equilibração, o esquema mental prévio não mais existe, tendo sido
modificado e reforçado no processo de aprendizagem. Dessa forma, o desenvolvimento
se dá por uma constante busca de equilíbrio, que significa a adaptação dos esquemas
existentes ao mundo exterior (FERRACIOLLI, 1999).
A preocupação central de Piaget foi com a descrição e detalhamento desse
processo de construção e reconstrução dos esquemas mentais (MORTIMER, 1996). Os
teóricos do construtivismo deram um passo além: ideias aparentemente negligenciadas
na obra de Piaget (op. cit., 1996) foram revisitadas, com ênfase não mais na tríade
assimilação – acomodação – equilibração, mas na substituição de um esquema mental
prévio (as concepções alternativas) por um esquema mental mais robusto, que seria
produzido após o estudante passar pelo processo de mudança conceitual. O termo
mudança conceitual, em particular, é problemático na pesquisa atual em ensino de
ciências, e portanto procuramos evitá-lo, preferindo os termos evolução conceitual ou
formação de perfis conceituais.
12
3.3 – Hodson e a reconceitualização do trabalho experimental
Apesar das críticas ao trabalho experimental, apresentadas no capítulo
anterior, Hodson apresenta razões significativas para o desenvolvimento de práticas
experimentais com os alunos, afirmando que são poucas as pesquisas que já se
preocuparam em medir a eficiência de tal recurso para o ensino de ciências (HODSON,
1994). O trabalho laboratorial supostamente apresenta algumas vantagens intuitivas:
segundo o autor, os professores de ciências tendem a acreditar que o trabalho
experimental pode ser útil, para: a motivação do interesse do aluno; o ensino das
técnicas e métodos laboratoriais; a melhoria da aprendizagem dos conhecimentos
científicos; a apresentação de noções sobre os métodos da ciência; o desenvolvimento
de uma “atitude científica”, como a consideração das ideias de colegas (op. cit., 1994).
Hodson não chega a negar tais pressupostos intuitivos, mas propõe uma
análise crítica sobre cada um deles, perguntando se o trabalho laboratorial realmente
motiva os estudantes, se os alunos realmente adquirem técnicas laboratoriais a partir dos
trabalhos escolares, se o trabalho experimental realmente ajuda na compreensão dos
conceitos científicos, qual a imagem que o aluno adquire sobre os métodos da ciência e
até que ponto o trabalho prático favorece o desenvolvimento de uma “atitude científica”
por parte do aluno (op. cit., 1994). A seguir, é apresentado um rápido resumo da
argumentação desenvolvida pelo autor.
- Sobre a motivação: a maior motivação do aluno pelo trabalho experimental,
especialmente em laboratório, é a chance de colocar em prática métodos mais ativos de
aprendizagem, além da interação mais livre com o professor e com outros alunos, e não
a chance de conduzir a investigação de um conceito científico. Em outras palavras, o
estudante aprecia a atividade experimental não exatamente pela experiência a ser
apresentada ou realizada, mas pela fuga do modelo tradicional de aulas expositivas.
- Sobre o ensino das técnicas e métodos laboratoriais: pesquisas demonstram
que experiências laboratoriais didáticas não promovem a aquisição de nenhuma dessas
destrezas, mesmo que o aluno tenha alguns anos de experiência com atividades em
laboratório (TOOTHACKER, 1983; NEWMAN, 1985; apud op. cit., 1994).
Dificuldades como leitura de instrumentos, montagem de experiências, dificuldades
13
com construção de gráficos (incluindo suas escalas) e zeragem de instrumentos se
mantiveram, apesar da prática constante.
- Sobre a melhoria na aprendizagem dos conhecimentos e dos métodos da
ciência: é frequente que o trabalho prático individual se revele contraproducente, dando
origem a um entendimento distorcido da metodologia científica.
- Sobre o desenvolvimento de atitudes científicas: acredita-se que os alunos,
apesar de terem contato com o trabalho experimental, continuam com a visão
estereotipada do cientista como um ser com características inatas, tais como a
objetividade e a neutralidade.
Enfim, as ideias intuitivas sobre as vantagens didáticas dessa atividade não são
corroboradas pelas pesquisas. Felizmente, Hodson apresenta as vantagens do trabalho
de laboratório, e acaba nos levando a repensá-lo. Para o autor, deve ser buscada a
reconceitualização das atividades experimentais. Simplificadamente, o processo de
reconceitualização do trabalho de laboratório significa a integração do mesmo dentro de
um plano de ensino que vise ao ensino da ciência e dos seus métodos.
Segundo o autor, é comum que a atividade experimental seja utilizada em
demasia (uma ajuda para todo e qualquer objetivo de aprendizagem) ou utilizada
precariamente (pois só em poucas ocasiões se extrai o seu verdadeiro potencial). Assim,
o trabalho experimental deve-se incluir em um projeto de ensino de ciências, que releve
os seguintes aspectos:
- A aprendizagem da ciência: o trabalho experimental tende a colaborar na
produção de modificações do pensamento nos estudantes. Assim, o professor deve
procurar identificar as ideias prévias que seus alunos possuem sobre um assunto, e então
desenvolver experimentos que funcionem como estímulos para o desenvolvimento e a
possível modificação dessas ideias. Essa proposta encontra eco nas ideias de Piaget
sobre a construção do conhecimento.
- A aprendizagem sobre a natureza da ciência: a fim de garantir que os
estudantes aprendam algo sobre a natureza da ciência, o professor deve levá-los a
perceber as quatro fases principais da atividade científica: a fase de planejamento
14
(formulação de hipóteses, seleção de técnicas, idealização de experimentos), a fase de
realização (coleta de dados), a fase de reflexão (exame e interpretação dos dados
experimentais, em confronto com a teoria) e a fase de registro (onde é feito um
“memorial” a respeito do evento, para uso pessoal e de outros interessados, incluindo a
descrição do procedimento, sua teoria subjacente, os dados obtidos e as conclusões). O
trabalho experimental é, sem dúvida, parte integrante desse processo, mas ele não pode
ficar restrito apenas à atividade experimental em si e ao relatório da mesma. Nas
palavras do autor: “Menos prática e mais reflexão” (op. cit., 1994, p. 308, tradução
nossa).
- Aprendizagem da prática da ciência: não basta ao estudante apenas estar
consciente da natureza de uma observação científica e dos métodos de experimentação.
É necessário que o aluno possa compreender como a ciência dá valor a uma
investigação científica, ou seja, como se coloca a ciência em prática. Para que o aluno
possa alcançar esse nível de compreensão, não basta que confrontá-lo com uma
demonstração prática de um fenômeno. Deve-se utilizar uma ampla gama de outras
técnicas ativas de aprendizagem, como o estudo de casos históricos, simulações,
reconstruções, debates e reflexão sobre experimentos.
Assim, não faz sentido abandonar o trabalho experimental em Física, ou
mesmo
considerá-lo
insignificante
para
a
aprendizagem
do
estudante.
Se
reconceitualizado segundo a proposta de Hodson, a atividade experimental pode se
revelar de grande valia para a construção do conhecimento por parte do estudante.
15
3.4 – O ideário piagetiano e a reconceitualização da atividade
experimental
Resumidamente, vemos assim a relação entre nosso referencial teórico e a
pesquisa aqui relatada: o uso de atividades experimentais demonstrativas (realizados
pelo professor) em sala de aula é uma situação especialmente preparada para o
surgimento e posterior resolução de conflitos cognitivos. A título de exemplificação do
que afirmamos, citamos a seguir uma situação presente na metodologia do nosso
trabalho.
Para apresentarmos o conceito de índice de refração aos estudantes, foi
apresentada inicialmente uma experiência onde esferas de policreatina (transparentes,
mas visíveis no ar) eram mergulhadas em água, tornando-se invisíveis nesse meio. Os
esquemas mentais prévios dos estudantes não foram, a princípio, capazes de assimilar
diretamente a experiência e explicá-la, gerando um conflito cognitivo. Assim, tornou-se
necessária nossa intervenção, apresentando o conceito formal de índice de refração e
sua relação com a velocidade da luz na água e na policreatina. Supondo que os
estudantes compreenderam a explicação do conceito, realizou-se a acomodação (a partir
da resolução do conflito cognitivo introduzido pela experiência) e posterior equilibração
(fortalecimento dos esquemas mentais). Quando perguntados em seguida sobre o porquê
de certos camarões terem o corpo invisível na água mas os olhos serem negros, por
exemplo, alguns alunos rapidamente responderam que o corpo desses animais tem o
mesmo índice de refração da água, mas os olhos não, pois estes necessitam absorver a
luz para que o animal possa enxergar.
Assim, não basta apenas apresentar a experiência aos estudantes, pois se pode
correr o risco de transformá-la apenas em um evento lúdico, sem real significância no
aprendizado dos estudantes. Deve-se buscar contextualizá-la, englobá-la em um
espectro mais amplo de fenômenos do que apenas a experiência em si, a fim de que os
esquemas mentais saiam realmente fortalecidos após a apresentação e discussão da
atividade experimental. Nesse aspecto, vemos um paralelo com a reconceitualização do
trabalho experimental proposta por Hodson. Para que o trabalho experimental tenda a
colaborar na produção de modificações do pensamento nos estudantes, ele deve ser
encarado como um manancial de conflitos cognitivos, mas somente com a reflexão
sobre a prática experimental pode-se atingir o fortalecimento dos esquemas mentais préexistentes.
16
A notória frase do artigo de Hodson, “menos prática e mais reflexão”, aponta
nessa direção. Parafraseando o autor, acreditamos que o melhor seria buscar “mais
prática e mais reflexão”. A experimentação é parte inerente do processo de construção
científica, e portanto deve ser utilizada com a máxima frequência possível em situações
de aprendizado, mas somente se estiver subjacente a um contexto mais amplo.
No passado, acreditou-se que a prática experimental poderia induzir a mudanças
conceituais no indivíduo, e esse foi um dos focos das pesquisas com viés construtivistas.
Embora a mudança conceitual plena raramente seja alcançada (MORTIMER, 1996),
acreditamos que a incorporação da experimentação no cotidiano didático e a
reconceitualização da atividade experimental colabora, pelo menos, para uma visão
mais crítica do processo de construção do conhecimento científico. Essa condição torna
a experimentação uma técnica privilegiada de ensino, mais do que apenas um recurso
didático, mas uma parte essencial da aprendizagem das ciências naturais.
17
4. SUGESTÃO DE ABORDAGEM DIDÁTICA
4.1 – Condições e equipamentos necessários
O principal requisito para o desenvolvimento da nossa proposta didática é o
escurecimento do ambiente. As atividades experimentais propostas perdem muito do
seu impacto em ambientes claros, e são às vezes impossíveis de serem realizadas.
Sabemos que nem sempre isso é possível nas salas de aula tradicionais, e portanto
procuramos ressaltar, ao longo do texto, aquelas demonstrações que apresentam bons
resultados mesmo em salas não escurecidas. A maior parte das atividades
demonstrativas sugeridas foi feita em um ambiente escurecido, a não ser quando o
oposto estiver citado explicitamente no texto. Cada aula descrita foi planejada para
ocupar dois tempos de aula tradicionais (45 ou 50 minutos cada) para ser executada. O
ideal seria realizá-las em aulas duplas (conjugadas).
A maior parte da aparelhagem necessária para a realização das atividades
experimentais descritas pode ser facilmente adquirida no comércio tradicional ou pela
rede mundial de computadores. Um apontador laser de boa qualidade é fundamental:
hoje, o comércio já os disponibiliza até mesmo em cores variadas (vermelho, verde e
azul), e com potências diversas. Para melhores resultados, recomendamos um apontador
com potência mínima de 20 mW: um apontador laser de alta potência é absolutamente
necessário se o escurecimento do ambiente não for satisfatório. Espelhos são facilmente
encontráveis em vidraçarias, lojas de artigos de maquiagem e até mesmo em lojas de
autopeças. Lentes convergentes e divergentes podem ser encontradas em ópticas ou
feiras livres, especialmente lupas de alto poder de resolução. Lâmpadas de cores
diferentes, seus suportes elétricos e abajures de fibra óptica são encontrados por preços
acessíveis em lojas de material de construção ou elétrico. Tubos e prismas de acrílico
estão presentes em lojas de artigos de decoração, as quais também vendem peças de
vidro lapidado e bases plásticas contendo lâmpadas LED nas cores primárias, e também
é possível improvisar usando garrafas de vidro. Discos de Newton podem ser impressos
em papel grosso em uma impressora comum. Algumas experiências envolvem materiais
como bulbos de lâmpadas, garrafas ou xícaras, cujo custo é virtualmente nulo. Ainda
assim, é possível até mesmo encomendar kits laboratoriais em fornecedores
especializados, se o orçamento escolar assim o permitir.
18
4.2 – Natureza dual da luz, luz e sombra
Recomendamos que essa aula seja iniciada com um questionamento sobre a
natureza da luz, com a eventual apresentação de duas opções aos estudantes (partícula
ou onda). Para estimular essa discussão, propomos que sejam conduzidas duas
demonstrações. Inicialmente, direcione um apontador laser para a parede, espalhando pó
de giz sobre a trajetória da luz (Atividade experimental demonstrativa 01), com a
visualização de um rastro (fig. 1). Pergunte então aos estudantes sobre sua interpretação
dessa experiência, segundo os dois modelos (ou seja, qual modelo mais se aplicaria para
a explicação da mesma). No nosso trabalho, os estudantes favoreceram o modelo
corpuscular em suas respostas, mas não necessariamente isso ocorrerá.
Em seguida, coloque um fio de cabelo sobre a saída do feixe de laser, e projete a
figura de difração (fig. 2) em uma parede (Atividade experimental demonstrativa 02).
Pergunte novamente aos alunos sobre qual modelo mais se adequa a essa explicação. Na
nossa prática didática, não houve consenso: alguns alunos afirmaram que o fio de cabelo
refletia algumas das partículas, mas não souberam explicar a regularidade da figura de
difração formada.
Apresente então a explicação ondulatória (superposição das ondas difratadas),
procurando evitar o uso de termos técnicos nesse momento (prefira “desvio” ao invés de
“difração”, por exemplo), mas ressaltando que apenas ondas sofrem esses fenômenos de
interferência e difração.
Figura 1 – Atividade experimental demonstrativa 01
1
[1]
A foto exibida na figura 1 não representa o experimento que propomos, pois é utilizado um laser muito
mais potente. Como não conseguimos uma boa imagem do experimento, por debilidade do nosso
19
Pergunte então aos alunos se a Atividade experimental demonstrativa 01 pode
ser reinterpretada (reflexão das ondas luminosas), de acordo com a abordagem
ondulatória. Após apresentar essa explicação, discuta sobre a dualidade onda-partícula,
mostrando-a como um elemento fundamental da natureza. Percebe-se aqui o papel da
experimentação na prática da ciência (discussão de fenômenos segundo uma nova
teoria) para a reconceitualização da experimentação apregoada por Hodson (1994).
Questione então os estudantes sobre a necessidade ou não da presença de luz
para que um objeto seja visualizado. Na nossa experiência, uma boa parte afirmou que a
luz era necessária sim, mas quando perguntados se eles conseguiriam enxergar algum
objeto em uma caverna perfeitamente escurecida, muitos responderam que sim, se
ficassem na caverna por tempo suficiente. Assim como no trabalho de Gircoreano e
Pacca (2001), vários alunos apresentaram o ponto de vista de não imaginar a luz como
necessária à visualização, já que os olhos cumpririam tal papel.
Se a estrutura da sala assim o viabilizar, conduza então a Atividade
experimental demonstrativa 03, intitulado “Sala do Nada” no trabalho de Gircoreano
e Pacca (op. cit., 2001). Cubra as janelas da sala e as frestas da porta foram cobertas
com sacos plásticos negros (os alunos, em geral, são bastante eficazes nessa tarefa), e
peça aos estudantes que desliguem ou guardem todos os celulares e os relógios com
ponteiros fosforescentes.
equipamento fotográfico, optamos por adicionar uma figura representativa da situação, para fins de
ilustração.
20
O retângulo negro anterior (fig. 3) não é um erro de impressão: é o que se espera
do ambiente nessa experiência, uma sala absolutamente escura. Ao se apagar as luzes,
provavelmente se seguirá uma sequência de gritos (um tradicional comportamento
adolescente, conforme a pesquisa de Gircoreano e Pacca, 2001), mas após alguns
minutos de completa escuridão os primeiros relatos da falta completa de visão
provavelmente começarão a surgir. Se algum aluno relatar estar observando alguma
entrada de luz, procure tapá-la a todo custo, para que os efeitos da experiência sejam
mais perceptíveis.
No nosso trabalho, deixamos as luzes apagadas por mais de quinze minutos, e
nenhum aluno relatou ter “recuperado” a visão, ao contrário do que as ideias prévias
pareciam sugerir. Observa-se aqui um típico conflito cognitivo, colocando os esquemas
prévios dos estudantes em xeque. A resolução do conflito se deu com a acomodação (e
posterior equilibração) do esquema à “solução” do conflito (a substituição da ideia
prévia intuitiva pelo conceito científico válido).
Pergunte então aos estudantes sobre a trajetória de um raio de luz (não cremos
que seja necessário se preocupar em definir esse conceito, por achá-lo intuitivo).
Possivelmente, a ideia da propagação retilínea da luz se fará presente, mostrando que a
Atividade experimental demonstrativa 01 não é exatamente necessária para o
aparecimento dessa concepção. Estabelecido esse princípio da propagação retilínea
como verdadeiro (se quiser, discuta as limitações desse princípio, aplicável apenas para
meios homogêneos e transparentes), desenvolva a sua aplicação aos conceitos de
sombra e penumbra. É interessante dedicar uma particular atenção ao estudo dos
eclipses, desenhando os tradicionais esquemas de formação de sombras e penumbras no
quadro.
Propomos então a apresentação da Atividade experimental demonstrativa 04
(projeção de sombras de objetos opacos usando a luz emitida por uma vela) e da
Atividade experimental demonstrativa 05 (projeção de sombras e penumbras de
21
objetos opacos usando a luz emitida por duas velas), confrontando-os com os esquemas
didáticos apresentados. Essa experiência pode levar a uma série de perguntas sobre os
fenômenos da sombra e penumbra. Em especial, procure destacar a nitidez das áreas de
sombra e penumbra quando as velas ou os objetos opacos eram aproximados ou
afastados da parede de projeção (fig. 4 e fig. 5), sempre procurando apresentar a
situação real e depois compará-la com o esquema didático, demonstrando
geometricamente o fenômeno. Acreditamos que essa prática contribui para o
aprendizado da prática da ciência, tal como proposto por Hodson (1994), por permitir
que os alunos comparem os modelos estabelecidos com as situações reais.
22
4.3 – Fundamentos da óptica: cor
Hodson propõe que utilizemos não só a experimentação para a promoção da
aprendizagem da prática da ciência: relatos históricos, entre outros, também podem
contribuir para esse fim. Assim, sugerimos que esse encontro seja iniciado com um
relato sobre o contexto histórico em que Isaac Newton realizou suas experiências
ópticas, especialmente a célebre experiência da dispersão da luz branca através de um
prisma. A leitura da obra seminal de Newton, “Opticks” (“Óptica”), não
necessariamente exige preparo matemático e é obrigatória para um professor de Física.
Muitos dos desenhos esquemáticos que usamos até hoje em sala de aula estão presentes
nesse livro, como o mostrado a seguir (fig. 6), o qual Newton utiliza para apresentar
suas ideias sobre a dispersão luminosa:
Figura 6 – Dispersão da luz solar. Desenho retirado da obra “Opticks” (NEWTON, 1704).
Após o relato da experiência da dispersão da luz em um prisma, apresente um
desenho esquemático representando essa demonstração experimental (baseie-se no
original de Newton representado acima, por exemplo). Se não for possível fazer esse
desenho (em geral, há limitação das cores de canetas nos quadros brancos), utilize uma
figura impressa. Uma reprodução dessa experiência é a lendária capa do álbum “The
dark side of the moon” (1971), da banda inglesa Pink Floyd (fig. 7).
23
Figura 7 – Capa do álbum “The Dark side of the Moon”, Pink Floyd, 1971.
Conduza então a Atividade experimental demonstrativa 06 (dispersão da luz
branca, utilizando a luz emitida por um retroprojetor e um prisma de acrílico, com
projeção do espectro em um anteparo, em um ambiente escurecido). Após colocar o
prisma sobre o retroprojetor e conseguir a projeção do espectro, procure imobilizar o
prisma, usando um livro, por exemplo (fig. 8). O livro também cumpre a função de
limitar a luz no ambiente, reforçando o efeito visual resultante (o “arco-íris” projetado).
Esse efeito, geralmente, é fascinante para os alunos.
Se possível, peça que alguns deles fotografem a experiência com seus celulares
ou câmeras digitais. Algumas das máquinas fotográficas utilizadas possuem um sistema
de flash automático, que eliminará o arco-íris da fotografia devido à alta intensidade da
luz emitida pelo flash. Se este fato ocorrer, aproveite então para realçar a necessidade da
escuridão e da ausência de outras fontes de luz para a boa visualização de
demonstrações ópticas, correlacionando com o sótão escuro da casa de Newton. Já
outras máquinas (como a nossa) não possuem sensibilidade idêntica a todas as cores (na
figura 9, por exemplo, a parte violeta do espectro não está presente na fotografia, mas
ela é bastante clara na demonstração experimental sugerida). Acreditamos que esses
atos fortuitos, se presentes, contribuirão para a geração de conflitos cognitivos e para o
aprendizado da prática científica (no caso, a adequada preparação das condições de um
experimento e a interpretação dos dados, no caso as fotografias do mesmo).
24
Discuta então com os estudantes o modelo da luz branca, apresentando-a como a
mistura de “todas as cores” (se quiser, discuta as limitações desse conceito, pois um
cachorro não enxerga as mesmas cores que nós, mas ainda assim vê os objetos brancos).
Pergunte então aos alunos o que seria a “cor negra”, e apresente essa “cor” como
resultado da ausência de luz.
Figura 8 – Montagem da Atividade experimental demonstrativa 06
Figura 9 – Projeção do espectro no teto (Atividade experimental demonstrativa 06)
25
Conduza então a Atividade experimental demonstrativa 07, girando um disco
de Newton didático com sete ou mais cores (fig. 10). Esses discos podem ser impressos
em papel grosso, colados sobre um disco de vinil (long play, ou LP), e girados com o
auxílio de um lápis encaixado no centro do disco. A concepção de diferentes discos de
Newton utilizando um processo similar é sugerida por Maroto et al. (2006).
Apresentamos na figura 10 alguns modelos de discos de Newton que podem ser
utilizados para essa experiência, sendo que o disco da direita provavelmente fornecerá
melhores resultados.
O resultado provavelmente não será satisfatório: o branco “teórico” que deve
resultar dificilmente passará de um tom acinzentado. Se isso ocorrer, aproveite para
perguntar aos estudantes sobre o porquê do fracasso experimental, destacando na
resposta que não existem apenas sete cores, e sim infinitas, explicando assim a falha nos
resultados esperados na experiência. Acreditamos que essa discussão se adequa à
reconceitualização da prática científica, pois não é raro as pesquisas conduzirem a
resultados diferentes dos inicialmente imaginados.
Questione então os estudantes se todas as cores são necessárias para que o olho
humano visualizasse a cor branca. Na nossa experiência, a resposta geral nos grupos de
trabalho foi um sonoro “sim”; pergunte logo em seguida sobre quais cores existem nas
telas de uma televisão ou de um computador, frisando que apenas três cores estão
presentes: vermelho, verde e azul. Aproveite esse gancho para discutir o conceito de
cores primárias (cor-luz) e discuta também a adição de cores, responsável pela
multiplicidade de tonalidades existentes nas telas dos aparelhos citados.
Figura 10 – Discos de Newton sugeridos para a Atividade experimental demonstrativa 07
26
Uma
ampla
gama
de
autores,
tais
como
Yurumezoglu
(2009),
Nopparatjamjomras et al. (2009), Kamata e Matsunaga (2007), Maroto et al. (2006),
Costa et al. (2008), Reid (2008), Loreto e Sartori (2008) e Silva e Topa (2001) faz
sugestões para a demonstração do fenômeno da adição de cores. Inspirados pela
literatura, sugerimos três demonstrações experimentais que permitem explorar esse
conceito.
A Atividade experimental demonstrativa 08 demonstra essa adição a partir do
uso de três lâmpadas (nas cores vermelha, verde e azul). Pode ser construída uma base
para a fixação das lâmpadas, mas no nosso trabalho apenas fixamos os suportes para as
lâmpadas com fita adesiva na mesa. Direcione então os cones de luz emitidos por essas
lâmpadas, em sequência, em uma parede branca. Essa exposição permitirá aos alunos
observarem que a superposição de feixes vermelhos e azuis produz a cor magenta
(chamada de “rosa” ou “pink” pelos estudantes), a superposição de feixes vermelhos e
verdes produz o amarelo, a superposição de feixes verdes e azuis produz o ciano
(chamado de “azul claro” pelos alunos) e a superposição das três cores produz o branco
(pelo menos teoricamente). Escreva então as “equações” dessa somatória no quadro de
giz, de preferência reforçando a letra que simboliza cada cor, escrevendo-a com a cor
correspondente [2] (fig. 11):
Figura 11 – “Equações” pictóricas para a adição de cores primárias
2
O quadro de giz está sendo progressivamente substituído nas escolas por quadros de plástico laminado,
no qual são usadas canetas, as quais não possuem uma grande variedade de cores, ao contrário do giz,
encontrado em dezenas de tons. Essa é uma das situações onde o quadro de giz se revela uma ferramenta
didática ainda muito eficiente, apesar de sua propagada obsolescência.
27
Nas “equações” representadas na figura, R significa vermelho (red), B azul
(blue), G verde (green), Y amarelo (yellow), C ciano (cyan), M magenta (magenta) e W
branco (white). Escolheu-se a primeira letra do nome da cor em inglês e não em
português para se evitar repetição (amarelo e azul, verde e vermelho). No quadro,
desenhe uma figura representando essa adição de forma pictórica. Uma representação
possível da figura desenhada é mostrada a seguir (fig. 12). Caso o quadro de giz não
permita essa representação, a figura mostrada aqui pode servir de referência.
Figura 12 – Diagrama para adição de cores primárias
Aproveite a montagem de lâmpadas e realize a Atividade experimental
demonstrativa 09, uma variação da demonstração anterior, mostrando a adição de
cores usando sombras de objetos opacos (fig. 13 e fig. 14). Coloque objetos variados
(tais como a mão, livros, estojos, carteiras, entre outros) em frente aos três feixes
luminosos projetados. Provavelmente, a distinção entre os oito tons das “cores”
formadas (incluindo nessa lista o preto, mesmo sabendo que ele representa a ausência de
cor) se tornará bastante nítida para os estudantes. Aproveite para perguntar sobre como
poderíamos produzir a cor laranja, por exemplo, a qual não está presente na mistura.
Após as respostas, cubra parcialmente a luz verde e desligue a luz azul, e diferentes tons
alaranjados poderão ser obtidos na parede de projeção.
Essa atividade experimental pode ser reconceitualizada para prover a explicação
de uma tecnologia cotidiana: a produção de imagens coloridas em monitores de
televisão e computador. A partir da seleção entre 256 tons de vermelho (desde a
ausência total até a presença total) e o mesmo número de tons de verde e azul, podem
ser conseguidas mais de 16 milhões de cores em um monitor, esquema apelidado de
high colour (cor de alta qualidade) em informática.
28
Figura 13 – Montagem da Atividade experimental demonstrativa 08
29
Finalmente, realize a Atividade experimental demonstrativa 10, que também
apresenta a adição de cores, mas a partir do uso de uma base plástica contendo três
lâmpadas tipo LED nas cores vermelha, verde e azul. Essas bases são facilmente
encontradas em feiras livres ou lojas de presentes, e em geral as lâmpadas podem ser
ligadas individualmente, duas a duas ou todas juntas.
Utilizando um bastão de acrílico (ou outro objeto desse material) colocado sobre
a base, ligue as lâmpadas em sequência, permitindo aos estudantes a visualização do
efeito resultante sobre o bastão de acrílico (fig. 15). Usamos também um boneco de
silicone transparente para o mesmo fim (fig. 16 e fig. 17), e até mesmo uma caneta
esferográfica. Percebemos aqui a prática da ciência em ação: o uso de aparatos préexistentes para experimentos similares, com fins de comparação de resultados.
As figuras 15, 16 e 17 representam os resultados obtidos na Atividade
experimental demonstrativa 10 e estão presentes nas páginas a seguir.
30
Figura 15 – Atividade experimental demonstrativa 10 (bastão de acrílico iluminado com
diferentes combinações de lâmpadas)
31
Figura 16 – Atividade experimental demonstrativa 10 (boneco de silicone
[3]
iluminado
com lâmpadas azul e verde, resultando na cor ciano)
Figura 17 – Atividade experimental demonstrativa 10 (boneco de silicone iluminado
com lâmpadas vermelha e azul, resultando na cor magenta)
3
O boneco representado nas fotos é uma escultura em silicone transparente do super-herói Caçador de
Marte, confeccionada a partir da sua aparição no romance gráfico “Justice” (2007), do desenhista e
roteirista Alex Ross. A obra foi publicada no Brasil em 2007 (Editora Panini).
32
4.4 – Reflexão: fundamentos e espelhos planos
Inicie a aula argumentando que a luz, ao interagir com uma fronteira de
separação entre dois meios (citamos a superfície de um lago como exemplo), pode
sofrer três fenômenos: absorção, reflexão e refração. Recomendamos explicar então que
a maior parte do conteúdo de óptica se dedica ao estudo dos fenômenos da reflexão e
refração, e que normalmente a absorção é deixada de lado, pois a principal importância
do estudo do fenômeno encontra-se no conteúdo da termodinâmica (o conceito de corpo
negro).
Discuta então alguns fenômenos onde a reflexão da luz está presente, usando a
formação de imagens em espelhos como ponto de partida. Para tal, apresente a primeira
lei da reflexão, que afirma a igualdade entre os ângulos de incidência e reflexão,
contados em relação à reta normal, a partir do desenho do tradicional esquema de um
raio refletido em uma superfície plana, e apresente no desenho o raio incidente, o raio
refletido e a reta normal. Para que os estudantes compreendam melhor a visualização do
desenho esquemático, conduza a Atividade experimental demonstrativa 11,
produzindo a reflexão da luz emitida por um apontador laser em um espelho plano
(fig. 18), com o uso de pó de giz
[4]
para visualização da trajetória. Mesmo um espelho
de pequenas dimensões já será suficiente.
4
Devido a reações alérgicas ao pó de giz exibidas por alguns alunos, procuramos encontrar outros meios
para a visualização do laser. Foram testados: fumaça emitida por incensos, pó compacto de maquiagem,
água borrifada por um aspersor e desodorantes contendo alguma forma de pó em sua composição. O pó
de giz se revelou o mais eficiente de todos os métodos.
33
Realize logo em seguida a Atividade experimental demonstrativa 12,
aproveitando que o feixe laser está sendo refletido em um espelho plano limpo,
produzindo a reflexão chamada especular. Peça para que os alunos observem o teto da
sala: o feixe laser, ao refletir no espelho limpo, praticamente formará um ponto único no
teto (alguns apontadores laser, infelizmente, são produzidos com irregularidades na
região de saída do feixe, e pode haver alguma difração da luz). Em seguida, molhe o
espelho com um aspersor de água, tornando a superfície irregular, e faça o feixe laser
refletir novamente, agora de forma difusa. Nessa situação, o feixe refletido no espelho
molhado mostrará múltiplos pontos e manchas de luz no teto, confirmando a difusão do
feixe de luz incidente pela superfície irregular (fig. 19). Para melhor evidenciar essa
reflexão difusa, espalhe novamente pó de giz sobre o espelho, e múltiplos raios
refletidos serão evidenciados.
Pergunte então aos alunos por que a superfície irregular “espalhou” a luz. Na
nossa experiência, alguns alunos afirmaram (com palavras diferentes) que o ângulo de
reflexão era diferente do ângulo de incidência (percebemos aqui que a experiência
funcionou como um conflito cognitivo, e os alunos citados inicialmente utilizaram seus
esquemas pré-existentes para explicar erradamente esse conflito). Após argumentar
contra essa ideia, mostrando que a primeira lei da reflexão era válida em cada ponto (no
caso da reflexão difusa, as retas normais à superfície não são paralelas entre si, daí a
34
reflexão se dar em múltiplos ângulos) e correlacionar essa explicação com a difusão da
luz, espera-se a superação (ou minimização) desse conflito conceitual, levando os
esquemas mentais pelos estudantes para um nível superior.
Faça então os desenhos explicativos para os dois tipos de reflexão, e realize em
seguida a Atividade experimental demonstrativa 13, provocando a incidência de dois
feixes laser aproximadamente paralelos no espelho plano, tanto limpo quanto molhado,
espalhando pó de giz para visualização da trajetória. Com o espelho limpo, será
observado que os raios se mantêm paralelos após a reflexão (a grande dificuldade dessa
experiência, entretanto, consiste em conseguir o paralelismo inicial desses feixes). Já
com o espelho molhado, a visualização da trajetória individual de cada um dos dois
feixes após a reflexão se mostrará impossível, pois dada a difusão do feixe de luz
incidente, múltiplos feixes serão produzidos. A figura a seguir (fig. 20) apresenta a
situação em que o espelho plano encontrava-se limpo.
[5]
Geometricamente, construa então a imagem virtual conjugada pelo espelho
plano. Apresente então a técnica do prolongamento de raios, e frise que tais
prolongamentos são apenas um artifício geométrico para a construção e localização das
imagens virtuais. Para que os alunos compreendam melhor as propriedades da imagem
(simetria com o objeto e enantiomorfismo), propomos a Atividade experimental
5
Retirada de http://cdlpc.blogs.sapo.pt/29417.html.
35
demonstrativa 14, o qual se difere dos anteriores por ser uma espécie de “teatro”.
Usando dois alunos como “voluntários” (o professor pode fazer o papel de espelho),
peça a um dos estudantes que seja o objeto, postando-se à sua frente, de lado para os
outros estudantes. O outro estudante fará o papel da imagem conjugada no espelho
plano; peça a ele para se posicionar atrás de você. Em seguida, peça ao estudante que
faz o papel de objeto para levantar uma das mãos, e pergunte ao outro estudante
(imagem) qual mão ele deve levantar. Independentemente da mão levantada, pergunte
aos estudantes sobre a correção da resposta e aproveite para discutir o conceito de
enantiomorfismo (reversão) da imagem formada nesse tipo de espelho.
Peça então ao aluno que esteja fazendo o papel de objeto luminoso que se mova,
aproximando-se e afastando-se do “espelho”, e pergunte ao outro aluno o que ele deve
fazer. Discuta então a simetria da imagem formada, em comparação ao objeto.
Inicialmente, não pensamos na situação descrita acima como uma experiência
em si, encarando-o apenas como uma ferramenta didática. Entretanto, dado o seu caráter
ilustrativo, decidimos nomeá-lo como uma “experiência com materiais não usuais”
[6]
.
Observamos aqui mais uma oportunidade para a reconceitualização da experimentação,
tal como proposta por Hodson (1994): deve-se buscar a superação das fronteiras das
demonstrações experimentais didáticas, levando o estudante principalmente à reflexão
sobre a prática observada.
A simetria entre o objeto e a imagem também é o tema da Atividade
experimental demonstrativa 15, realizado a partir da sugestão de Hewitt (2002).
Utilize um pequeno espelho plano de maquiagem (provavelmente, você o conseguirá
emprestado com uma das alunas) e peça a um estudante que mantenha o espelho
próximo ao seu rosto, à distância de aproximadamente um palmo, dizendo quais partes
do rosto podem ser observadas por reflexão. Suponha que a resposta seja: “desde o topo
do nariz até a ponta do queixo”. Pergunte então à sala o que aconteceria se ela afastar o
espelho horizontalmente. Na nossa experiência, praticamente de forma unânime, os
alunos costumam responder que a parcela vista do rosto aumentará, pois a imagem
diminuirá de tamanho. Peça então ao estudante que afaste o espelho e descreva o que é
visto: a parcela vista no espelho se manterá a mesma. Explique essa situação com base
6
Um momento constrangedor ocorreu conosco logo no início dessa experiência: pedimos a uma das
alunas que fizesse o papel de objeto, e recebemos um forte olhar de reprovação por parte da mesma,
devido ao termo “objeto”. Explicamos que o termo, no contexto da óptica, representava o ponto do qual
emanavam os raios que chegavam ao espelho, e parecemos ter superado o constrangimento rapidamente.
36
na simetria entre objeto e imagem e em desenhos geométricos explicativos. Aqui, a
proposta de Hodson (1994) se mostra presente mais uma vez: a experiência em si não
tem valor sem a reflexão posterior.
Para a representação visual dessa demonstração (fig. 21), apresentamos duas
fotografias produzidas por nós. Inicialmente, estamos próximos ao espelho, e
posteriormente, mais afastados. Perceba que a proporção do corpo visualizada por
reflexão é a mesma nas duas situações, iniciando-se na base da camiseta.
[7]
Finalmente, apresente a Atividade experimental demonstrativa 16, mostrando
a produção de múltiplas imagens em um diedro formado por dois espelhos planos (não
se preocupe em conseguir espelhos de grande tamanho para isso, pois o campo visual
será extremamente restrito quando o ângulo for diminuído, obrigando que os estudantes
estejam extremamente próximos aos espelhos para observarem as imagens formadas.
Dois espelhos pequenos serão mais que suficientes, contanto que você os desloque pela
sala ou os empreste para os alunos). Diminuindo o ângulo, mostre que o número de
imagens aumenta, e peça que eles reflitam sobre o porquê dessa situação (fig. 22).
Finalmente, apresente os desenhos explicativos da associação de espelhos em ângulo,
além da expressão para o cálculo do número de imagens formadas.
7
O autor pede desculpas pelo seu “momento Hitchcock”, mas a aparição no trabalho era inevitável nessa
situação.
37
38
4.5 – Reflexão da luz: espelhos esféricos
Inicie esse encontro apresentando os três tipos de espelhos aos estudantes:
côncavo, plano e convexo, e procure desenhar suas representações tradicionais no
quadro. Discuta então os pontos de interesse geométrico dos espelhos esféricos (centro,
foco e vértice), reforçando a propriedade de raios de luz paralelos ao eixo principal se
concentrarem no foco de um espelho côncavo.
Na realidade, sabemos que esse fato somente ocorre para espelhos parabólicos;
assim, conduza a Atividade experimental demonstrativa 17, apresentando a cáustica
(curva formada pelo encontro dos raios paralelos em um espelho esférico) em uma
xícara, conforme sugerido por Catelli e Vicenzi (2004). O fato dos raios paralelos não se
concentrarem em apenas um ponto pode ser usado para a discussão da diferença entre
espelhos esféricos e parabólicos, reforçando que só é caracterizado um foco para os
espelhos esféricos em condições de aproximação (raios próximos ao eixo principal).
Não conseguimos uma foto de boa qualidade dessa experiência, logo optamos por
representá-la aqui através da foto original do trabalho dos autores citados (fig. 23):
Figura 23 – Atividade experimental demonstrativa 17, retirada de Catelli e Vicenzi (2004), p. 399.
39
Aproveite então a discussão sobre a concentração de raios paralelos para
conduzir a Atividade experimental demonstrativa 18, o qual mostra como pode ser
feita a determinação do foco de um espelho côncavo. Para tal, propomos o uso de um
espelho de maquiagem, de distância focal aproximada de 0,50 metros, encontrado
facilmente no mercado. Direcione dois feixes de luz emitidos por apontadores laser,
aproximadamente paralelos, perpendicularmente ao “plano” do espelho. Para melhores
resultados, utilize prendedores de roupa para manter os apontadores fixos, conforme a
sugestão proposta por Catelli e Vicenzi (2002). Esses feixes se tornam convergentes
após reflexão no espelho, fato evidenciado ao ser espalhado pó de giz para a
visualização do rastro. Essa experiência só terá um bom resultado se o paralelismo for
conseguido, o que é extremamente difícil; ademais, o encontro dos feixes só ocorre se
os feixes forem coplanares, condição igualmente complexa de ser conseguida com o
material proposto. A visualização dessa demonstração, infelizmente, é difícil de ser
captada em uma câmera fotográfica de baixa resolução, e não está presente nesse
trabalho. A seguir, apresentamos apenas um esquema da montagem da experiência
(fig. 24).
Figura 24 – Montagem utilizada na Atividade experimental demonstrativa 18
Para efeito de comparação, a demonstração da divergência de raios paralelos
incidentes em um espelho convexo pode ser apresentada na Atividade experimental
demonstrativa 19. A montagem é a mesma usada para a demonstração anterior (fig.
40
24), substituindo-se apenas o espelho utilizado. Qualquer espelho convexo pode ser
usado para esse fim (no nosso trabalho, usamos um retrovisor de bicicleta e um espelho
presente em um frasco vazio do perfume Zaad, fabricado pela marca O Boticário) e
apenas um apontador laser (emitindo os raios aproximadamente paralelos). A
divergência é facilmente constatada pelos alunos: após o espalhamento do pó de giz,
nota-se um feixe colimado vindo do apontador, o qual se transforma em um cone
divergente de luz após reflexão no espelho. Novamente, não obtivemos uma boa
fotografia dessa experiência para exibição nesse trabalho.
Dependendo do espelho, será possível perceber que há alguns aneis claros e
escuros na mancha formada na parede após a incidência dos feixes nos espelhos
convexos. Essa situação, quando possível de ser observada, caracteriza a Atividade
experimental demonstrativa 20: a reflexão da luz em um espelho convexo apresenta
como resultado os aneis claros e escuros observados, formados devido às
irregularidades da superfície. Tais irregularidades produzem diferenças de fase entre os
raios refletidos, com uma consequente interferência entre os mesmos, gerando os aneis.
Se desejar, aproveite o momento para frisar o caráter ondulatório da luz na interpretação
da demonstração acidental
[8]
. Nossa fotografia (fig. 25), infelizmente, não captou os
aneis em detalhe, e eles aparecem apenas como manchas escurecidas na imagem.
8
Admitimos que essa experiência, originalmente, não estava nos planos constantes no nosso trabalho,
revelando-se um resultado acidental da prática experimental didática.
41
Contraste então as duas atividades anteriores (18 e 19), a partir de desenhos
esquemáticos no quadro, apresentando a convergência e a divergência dos raios, e
expondo os conceitos de foco real (para o espelho côncavo) e virtual (para o espelho
convexo). Em seguida, apresente os principais raios notáveis e o método geométrico
para a construção de imagens usando tais raios.
A construção de imagens pelo método geométrico é praticamente inevitável em
uma aula de espelhos esféricos, mas acreditamos que intercalar os desenhos explicativos
no quadro (para cada uma das posições que um objeto óptico pode ocupar no eixo
principal de um espelho côncavo) com a demonstração prática dessas imagens pode
favorecer a solução dos conflitos cognitivos que emanarem dos abstratos desenhos.
Assim, recomendamos que seja desenhada no quadro a explicação geométrica
tradicional para a situação de um objeto que esteja mais distante que o centro de um
espelho côncavo, e seja realizada logo em seguida a Atividade experimental
demonstrativa 21, onde é mostrada a formação da imagem real, invertida e menor. Para
tal, procure usar um objeto externo à sala, distante do espelho côncavo, projetando a
imagem real na parede interna da sala. Em um ambiente escuro, onde a luz entre apenas
por uma janela ou pela fresta de uma porta, os resultados podem ser bastante visíveis.
Para a representação fotográfica (fig. 26 e fig. 27), utilizamos uma lâmpada de um
banheiro, e projetamos a sua imagem na parede externa a este cômodo.
Figura 26 – Objeto da Atividade experimental demonstrativa 21
42
Figura 27 – Imagem obtida na Atividade experimental demonstrativa 21
Analogamente, a Atividade experimental demonstrativa 22 apresenta a
formação da imagem real, invertida e maior no espelho côncavo, usando a chama de
uma vela como objeto e a parede novamente como anteparo de projeção. Por ser uma
vela um objeto luminoso de baixa potência, a qualidade da fotografia obtida (fig. 28)
deixa naturalmente a desejar.
Figura 28 – Imagem obtida na Atividade experimental demonstrativa 22
Desenhe então todos os casos de formação de imagem no quadro (cinco casos
para o espelho côncavo e um caso único para o convexo) e apresente a noção da
43
imagem real como invertida em relação ao objeto e da imagem virtual como não
invertida [9].
Questione então os estudantes sobre a necessidade de projeção para a
visualização de uma imagem real. Afirmamos então aos alunos que nem sempre a
projeção se fazia necessária para essa visualização [10], e para a demonstração desse fato
usamos a Atividade experimental demonstrativa 23, provavelmente uma das
experiências mais fascinantes da óptica. Utilizando uma associação de dois espelhos
parabólicos côncavos voltados um para o outro (como dois pratos) e colocando um
objeto no vértice do espelho inferior (o qual coincide com o foco do espelho superior, e
vice-versa), é produzida uma imagem real não projetada, a qual parece flutuar no ar
(fig. 29). Direcione então um feixe de laser para essa imagem, e ela se mostrará
iluminada como um objeto real. Peça aos alunos para tentar tocar a imagem, para que
seja constatada a inexistência de um objeto naquele ponto.
Finalmente, para a fixação da diferença entre imagens reais (invertidas em
relação ao objeto) e virtuais (não invertidas), adotamos a sugestão de Catelli e Reis
(2004) e Keeports (2005) para a realização da Atividade experimental demonstrativa
9
Na nossa prática didática, comumente temos ouvido a expressão “toda imagem real é invertida, toda
imagem virtual é direita” ser chamada pelo codinome de “Regra de Ouro da Óptica”, dada a sua
abrangência e generalização. Todavia, não encontramos em nenhuma fonte essa expressão.
10
Informalmente, o professor Fernando Lang da Silveira, citado nesse trabalho, responde à pergunta “A
imagem real só pode ser projetada, mas como é possível a minha imagem na parte côncava da colher?” no
endereço http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080701202245AAAQmBd .
44
24. Utilizando o bulbo de vidro de uma lâmpada incandescente comum, peça aos alunos
que observem a reflexão de uma fonte luminosa (por exemplo, uma lâmpada
fluorescente no teto da sala). Os estudantes que observarem a experiência
provavelmente relatarão a formação de duas imagens, uma invertida e a outra direita.
Ambas as imagens parecem estar “dentro” do bulbo de vidro. Explique então que as
duas imagens são produzidas pelo fato do bulbo se comportar como dois espelhos: um
convexo (face externa, produzindo uma imagem virtual e direita) e um côncavo (face
interna, produzindo uma imagem real e invertida). Mostramos na figura a seguir o
resultado esperado. Não conseguimos uma boa foto da demonstração, e optamos pela
reprodução da foto constante no artigo de referência (fig. 30).
Figura 30 – Atividade experimental demonstrativa 24. Imagem retirada de Catelli e Reis, 2004,
p. 115.
Por fim, acreditamos que a tradição deve ser rompida aqui: a equação dos pontos
conjugados e a expressão para o cálculo do aumento linear transversal são
tradicionalmente apresentadas após esse tratamento geométrico dos espelhos esféricos,
o qual por si só já pode ser encarado pelos estudantes como maçante ou complexo.
Assim, sugerimos que a apresentação dessas equações seja guardada para um momento
posterior, quando o estudo dos principais instrumentos ópticos for realizado, para que o
estudo de lentes e espelhos de forma analítica possa ser comparado.
45
4.6 – Refração e reflexão total da luz
Por ser a refração um fenômeno óptico que está presente em múltiplas situações
cotidianas, recomendamos apresentar nessa aula um grande número de demonstrações
ilustrativas (propomos nove ao todo), sempre buscando a reconceitualização das
atividades experimentais, especialmente estabelecendo sua conexão com os fenômenos
cotidianos.
Inicie o encontro apresentando o conceito de índice de refração de um meio,
estabelecendo-o como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz
no meio em questão, e insistindo que um maior índice de refração significa uma menor
velocidade da luz naquele meio. Usando a sugestão de Hewitt (2002), procure levar o
aluno a estabelecer uma relação informal entre a densidade de um meio e o seu índice
de refração: quanto mais denso o meio, maior o seu índice. Frise que, embora haja
exceções a essa regra, essa generalização é ampla o suficiente para ser útil.
Conduza então a Atividade experimental demonstrativa 25, apresentando a
refração na sua forma mais tradicional: o desvio de um feixe de luz laser ao passar por
um dioptro (no caso, o ar e a água presentes em uma garrafa). Além da presença dos
raios incidente e refratado, percebe-se também a existência de raios refletidos, tanto na
superfície quanto pelo vidro da garrafa (fig. 31).
46
Para realizar essa demonstração, preencha a garrafa (transparente, de paredes
laterais planas) parcialmente com água e adicione algumas gotas de corretor líquido
(substância utilizada para cobrir a tinta de caneta no papel). Discuta com os alunos o
fato dessas gotas de corretor líquido serem capazes de transformar a água originalmente
pura em uma mistura coloidal, ressaltando o fato de que a visualização do rastro do
feixe laser na água só passa a ser possível
[11]
por serem essas partículas dispersas
capazes de refletir a luz,. À porção de ar restante na garrafa, adicione fumaça de um
incenso, constituindo também um coloide nessa região.
Direcione então o laser em um ângulo agudo com a superfície, a partir do ar,
permitindo a visualização do desvio (aproximação da reta normal) quando a luz
transpuser a fronteira entre os dois meios. Em seguida, leve o laser a atravessar primeiro
a lâmina de água, refratando-se para o ar. O desvio observado agora será o oposto do
inicial (afastamento da reta normal à superfície). Tome o cuidado de evitar ângulos
superiores ao crítico, a fim de manter a reflexão total para um momento posterior da
aula. Produza também a incidência normal (perpendicular à superfície), para demonstrar
que o desvio nem sempre ocorre na refração.
Desenhe então o esquema didático tradicional para a refração no quadro, e
argumente então a favor da lei de Snell, sem uma dedução formal da mesma, da
seguinte maneira: quanto maior o índice de refração do meio, menor o ângulo formado
entre o raio e a reta normal. Apresente então a formulação matemática tradicional da Lei
de Snell (n1.seni = n2.senr), e discuta a relação entre essa equação e a experiência
observada.
Pergunte então aos alunos sobre a possibilidade da igualdade entre os índices de
refração para substâncias diferentes, e também sobre as possíveis consequências desse
fato. Mostre então que isso é possível: não havendo refração, não observamos nenhum
desvio da luz e a consequência dessa ausência de desvio será a invisibilidade. Se você
for questionado por um aluno sobre a possibilidade de um material com o mesmo índice
de refração do ar, ele provavelmente estará fazendo alusão a uma “capa da
invisibilidade” citada nos filmes da série “Harry Potter”. Desconhecemos a existência
11
Na nossa experiência didática, já percebemos que o rastro do laser é sempre visível na água, mesmo
que fracamente, evidenciando a má qualidade das tubulações de água das instituições de ensino.
47
de tal material na natureza [12], mas alegamos que se ele existisse, a capa seria invisível,
mas o corpo do indivíduo que a vestisse não, resultando em uma “capa de nudez” ao
invés do efeito de invisibilidade desejado.
A fim de estimularmos a resposta ao conflito cognitivo gerado pela pergunta
original, propomos a Atividade experimental demonstrativa 26 (desaparecimento de
um bastão de acrílico imerso em tetracloroetileno) e a Atividade experimental
demonstrativa 27 (desaparecimento de esferas de policreatina na água). A igualdade
entre os índices de refração nessas experiências faz com que os contornos do bastão de
acrílico
[13]
e das esferas de policreatina seja praticamente imperceptível, produzindo a
sensação de invisibilidade [14].
Como variação das experiências descritas acima, direcione um feixe laser
através do tetracloroetileno onde o bastão se encontra imerso, para que os alunos
possam perceber que não há desvio, independentemente do ângulo de incidência da luz.
O mesmo pode ser feito com as esferas de policreatina imersas em água. As
representações fotográficas dessas duas demonstrações estão apresentadas nas páginas a
seguir (fig. 32, fig. 33, fig. 34 e fig. 35).
12
Apesar dessa afirmação, alguns metamateriais sintéticos alegadamente possuem essa capacidade de
serem invisíveis, mas essa propriedade está associada a um índice de refração negativo. Para mais
detalhes sobre esse tema, consultar, por exemplo, SHALAEV et al. (2005).
13
No caso do bastão mergulhado em tetracloroetileno, pode-se perceber seus contornos olhando-se com
cuidado a fotografia. Esse fato decorre principalmente do fato do tetracloroetileno usado por nós já estar
provavelmente contaminado com impurezas, especialmente pó de giz.
14
É interessante perceber que Laburú e Silva (2004) apresentam em seu trabalho outra experiência, a
“garrafa invisível”, onde são utilizadas uma garrafa pequena de vidro cheia de glicerina, e um copo de
vidro de 250ml com características semelhantes às da garrafa, contendo também um pouco de glicerina.
Mergulhada a garrafa no interior do copo, a parte da garrafa que fica em contato com a glicerina externa
desaparece. De acordo com os autores, costuma-se dizer que a igualdade entre os índices de refração da
glicerina e do vidro explica essa invisibilidade, tais como nos casos das experiências sugeridas por nós.
Os autores mostram, entretanto, que essa explicação está incorreta nessa experiência tão popular: o vidro
funciona como lente, e a imagem da garrafa fica maior que o copo, sendo impossível de ser vista.
48
Figura 32 – Preparação da Atividade experimental demonstrativa 26
49
50
Em seguida, apresente o conceito de ângulo limite e sua relação com a reflexão
total. Ressalte o fato de esse fenômeno só ser possível quando o índice de refração do
meio onde a luz incide for menor que o índice do meio de propagação original. Em
geral, por ser a reflexão total um fenômeno desconhecido para os alunos, percebemos
informalmente que os desenhos esquemáticos não contribuem para a compreensão do
tema.
Assim, além dos esquemas, apresente também a Atividade experimental
demonstrativa 28, usando o mesmo dioptro da Atividade experimental demonstrativa
25 (garrafa parcialmente cheia com água). Direcione o feixe laser em um ângulo acima
do crítico, fazendo-o atravessar a água, mostrando que a luz reflete-se totalmente na
superfície de separação entre a água e o ar (fig. 36). Tente apresentar o ângulo limite
(onde a emergência da luz seria rasante). Se essa tarefa se revelar impraticável, dada a
simplicidade dos recursos usados na experiência, discuta essas limitações. A discussão
sobre os limites de validade de uma experiência científica é perfeitamente coerente com
a reconceitualização da atividade experimental proposta por Hodson.
A reflexão total está presente em inúmeros fenômenos, tais como o brilho de
pedras preciosas, a transmissão de dados por fibra óptica, o espelhismo e as miragens
em dias quentes. Recomendamos que seja dada atenção especial à fibra óptica. Para tal,
apresente um modelo didático dessa fibra na Atividade experimental demonstrativa
51
29, onde é simulada a reflexão total na fibra óptica usando um bastão de acrílico como
modelo. Essa experiência é sugerida por Mendonça et al. (2001), e mostra o ziguezague
resultante das reflexões totais da luz na superfície lateral interna do bastão de acrílico e
o correlaciona com o envio de dados digitais através da fibra óptica (fig. 37).
Acidentalmente, na nossa prática didática, a saída da luz através do extremo do
bastão permitiu que os alunos visualizassem o surgimento de uma espiral formada pela
luz quando ela sai do bastão (fig. 38). Concebemos então essa situação como a
Atividade experimental demonstrativa 30. Explique que a formação dessa espiral se
deve ao fato dos múltiplos feixes de luz emitidos pelo apontador laser não apresentarem
um paralelismo perfeito, e essa divergência é amplificada durante as múltiplas reflexões
internas no bastão, resultando na figura formada no teto ou na parede [15].
Ainda como exemplo da reflexão total na fibra óptica, se for possível, apresente
aos alunos um abajur de “fibra óptica” (na realidade, as “fibras” são apenas tubos finos
de plástico comum), onde apenas o extremo da “fibra” apresenta coloração,
evidenciando que a luz é refletida totalmente no interior da “fibra”, impedindo a saída
da mesma pela lateral do tubo plástico. Chamamos essa apresentação de Atividade
experimental demonstrativa 31. Esses abajures são facilmente encontrados em lojas
15
O fenômeno da produção da espiral luminosa é intrigante, mas infelizmente nenhuma referência teórica
sobre a sua produção foi encontrada na nossa pesquisa.
52
populares, com um custo extremamente acessível: em 2009, esse abajur podia ser
comprado por cerca de dez reais em lojas de presentes.
Na reprodução fotográfica da Atividade experimental demonstrativa 31 (fig. 39),
observa-se a luz atravessando as fibras de plástico e saindo apenas pelas suas pontas
irregulares. Como as fibras possuem dois tamanhos diferentes, parte da luz é vista no
“meio” das fibras mais longas, onde está localizado o ponto final das fibras mais curtas.
53
A fim de encerrar a sessão de experiências sobre fibra óptica, a Atividade
experimental demonstrativa 32 apresenta a reflexão total em um bastão curvo,
mostrando que a reflexão total permite que a luz faça “curvas” (fig. 40 e fig. 41).
Buscando a reconceitualização da experimentação para essa atividade, propomos
correlacioná-la com a experiência cuja primeira realização é atribuída a John Tyndall no
século XIX, no qual a luz é desviada por múltiplas reflexões totais em um filete curvo
de água, mostrando que princípios científicos descobertos em um momento podem só
gerar aplicações tecnológicas em momentos muito posteriores, reafirmando a
necessidade e a importância da pesquisa básica em ciência.
Outro tradicional exemplo de aplicação da reflexão total é o brilho de pedras
preciosas ou de vidro lapidado. Explique aos estudantes que esse brilho é resultado das
múltiplas refrações e reflexões totais nas superfícies e arestas de uma peça lapidada. A
Atividade experimental demonstrativa 33 apresenta o resultado dessas reflexões
totais e refrações, quando direcionamos um feixe laser através de uma peça de vidro
lapidado
[16]
imersa no ar (fig. 42). O resultado (a separação do feixe original em
múltiplos feixes) gera um belo efeito visual no teto da sala (fig. 43).
16
Apesar do aspecto visual da peça utilizada ser um diamante lapidado, seu custo é extremamente baixo.
54
Se uma peça de diamante de tamanho equivalente a uma peça de vidro estiver
disponível (por exemplo, dois brincos de tamanho semelhante), é possível comparar o
brilho de ambas as peças, fazendo com que o laser reflita em ambas as peças
[17]
.
Provavelmente, a figura resultante da reflexão no diamante será muito mais ampla, a
não ser em casos onde a peça de vidro tem tamanho claramente superior. Caso essa
comparação não seja possível na prática, pode-se perguntar aos alunos sobre qual seria o
efeito resultante, na hipótese de tais peças estarem indisponíveis.
17
Em uma única situação de sala de aula, tivemos a oportunidade de fazer essa comparação, graças a uma
aluna que possuía um brinco de diamante, e o resultado foi exatamente o descrito no texto.
55
Figura 43 – Resultados da Atividade experimental demonstrativa 33
56
4.7 – Prismas e dispersão da luz branca
Nesse encontro, será retomado um assunto iniciado na aula inicial do curso, com
a exposição mais detalhada da teoria corpuscular de Newton e da sua concorrente
histórica, a teoria ondulatória da luz de Huygens, dando destaque principalmente para a
experiência conduzida por Thomas Young em 1801.
Como motivação inicial, repita a Atividade experimental demonstrativa 06
(dispersão da luz branca, utilizando a luz emitida por um retroprojetor e um prisma de
acrílico, com projeção do espectro em um anteparo, em um ambiente escurecido). A
repetição de experiências se alinha com a proposta de Hodson: menos prática, mais
reflexão. A mesma atividade experimental pode ser utilizada várias vezes em sala, com
diferentes intenções didáticas, apesar da perda do impacto lúdico. Utilize então as ideias
de Newton e Huygens para a explicação da dispersão da luz branca pelo prisma, com a
consequente projeção de um arco-íris, e enfatize o fato de ser comum haver teorias
concorrentes na ciência [18].
Questione então se há um arco-íris invisível e pergunte sobre qual seria a origem
de tal arco-íris. Aproveite as respostas dos estudantes para discutir a ideia de uma “luz
invisível”, refinando-a com os termos técnicos adequados, ou seja, a radiação
eletromagnética de forma geral. Recomendamos que seja dada uma atenção especial
para o infravermelho e o ultravioleta, envolvendo as aplicações práticas de tais
fenômenos. A descoberta da radiação infravermelha em 1800 por William Herschel
pode ser particularmente discutida. Hershell colocou um termômetro de mercúrio no
espectro obtido por um prisma com a finalidade de medir o calor emitido por cada cor, e
descobriu que a temperatura era mais alta abaixo do lado vermelho do espectro, mesmo
ali não havendo luz. Não repetimos essa clássica experiência no nosso trabalho, mas sua
realização em sala de aula não nos parece inviável.
A explicação da dispersão da luz branca, seja na teoria corpuscular ou
ondulatória, é extremamente eficaz para a elucidação de fenômenos cotidianos, tais
como o arco-íris atmosférico, a aberração cromática em lentes e a cor branca das
nuvens. Acreditamos que a explicação tradicional pode ser assim reduzida: quanto
menor a frequência da cor incidente, menor o índice de refração do prisma para essa
18
No caso particular descrito, sabemos hoje que tais teorias são complementares, mas preferimos não
discutir esse aspecto epistemológico com os alunos nesse nível do curso, a fim de manter o foco no
assunto em questão.
57
cor, e portanto menor o desvio dos raios dessa cor. Assim, o vermelho se desvia menos
da trajetória original que todas as outras cores, enquanto o violeta se desvia mais.
Parta então para a discussão dos fenômenos específicos ligados à dispersão da
luz branca. A explicação da formação do arco-íris pode ser realizada comparando-se a
experiência do prisma com a situação atmosférica, realçando-se que as gotículas de
água suspensas na atmosfera fazem o papel de prismas, e que a luz no arco-íris que
observamos é a luz refletida no interior dessas gotas, após sua dispersão causada pela
refração.
Já para a explicação da cor branca das nuvens, recomendamos a condução da
Atividade experimental demonstrativa 34. Para tal, utilize uma base plástica
[19]
(já
apresentada na Atividade experimental demonstrativa 10) e faça a luz branca emitida
por essa base (quando as três lâmpadas estão acesas) ser dispersa por um grupo de
pequenas esferas de policreatina (uma resina transparente e fortemente hidrófila, usada
em jardinagem e decoração). Coloque várias esferas em um copo e obrigue a luz
emitida pela lâmpada do retroprojetor a atravessá-las (fig. 44). A experiência
evidenciará a dispersão luminosa em um padrão menos regular que o produzido pelo
prisma.
19
Caso a base plástica mencionada não esteja disponível, acreditamos que a luz emitida pela lâmpada de
um retroprojetor também pode trazer bons resultados nessa experiência.
58
Aproveite para comparar essa irregularidade com a produzida quando a luz
branca do Sol atravessa as gotículas de água que compõem uma nuvem: a dispersão é
fortemente irregular nessa situação, e a ausência de padrão acaba fazendo com que
nossos olhos identifiquem a somatória de cores dispersas como a luz branca.
A aberração cromática normalmente já é um fenômeno conhecido da maioria
dos estudantes, embora não com essa nomenclatura. A título de exemplo, pergunte se
eles já fotografaram algum objeto e receberam um arco-íris ou outras cores indesejadas
na fotografia. Alguns podem até mesmo possuir exemplos de fotos tiradas com seus
aparelhos celulares onde essa aberração cromática esteja presente. Explique então que
as bordas de uma lente convergente tendem a se comportar como prismas, produzindo
esse efeito.
Para maior clarificação do fenômeno, propomos a Atividade experimental
demonstrativa 35, onde a aberração cromática na lente de Fresnel do retroprojetor pode
ser evidenciada jogando-se pó de giz sobre o aparelho. Um cone de luz aparece nessa
situação, e suas laterais possuem colorações avermelhadas e amareladas, evidenciando a
dispersão da luz pelas bordas da lente (fig. 45). Se for possível, desmonte o retroprojetor
para mostrar essa lente aos alunos, pois em uma visão externa ela parece apenas com
um vidro comum.
59
Procure correlacionar as cores apresentadas no cone de luz formado com a
dispersão da luz branca, mostrando que o vermelho se desvia menos que as outras, e por
isso ocupa a lateral externa do cone de luz. Após o cruzamento dos raios nos planos
focais, entretanto, a luz vermelha vai para o interior, e é a luz violeta que passa a estar
presente nas bordas do cone de luz invertido, por razões puramente geométricas.
60
4.8 – Lentes e óptica da visão
Recomendamos que esse encontro seja iniciado com a apresentação de lentes aos
estudantes, representando os principais tipos de lentes esféricas (convergentes e
divergentes). No nosso caso, conseguimos com um estudante, ex-representante
comercial de produtos ópticos, algumas lentes demonstrativas de acrílico. Entretanto, o
custo de lentes de baixa qualidade não costuma ser alto. A lente convergente possui as
bordas mais finas que o centro (uma lupa pode fazer esse papel) e a lente divergente
possui bordas mais grossas que o centro (uma lente de miopia se aplica a este fim).
Pergunte aos estudantes sobre qual lente é capaz de concentrar os raios solares,
supostos paralelos. Provavelmente, a lente convergente será a escolhida. No nosso
trabalho, não pudemos demonstrar esse fato, pois o dia estava nublado, mas uma lupa de
razoável qualidade consegue iniciar a queima de uma folha de papel em um dia com sol
a pino em poucos segundos.
Pergunte então sobre o porquê da convergência, e qual a relação dessa
propriedade com a forma da lente. Para facilitar a compreensão desse tema, conduza a
Atividade experimental demonstrativa 36, onde dois (ou mais) feixes laser
aproximadamente paralelos, emitidos por apontadores controlados por um ou mais
alunos, sejam obrigados a passar por lentes convergentes e divergentes, mostrando o
desvio desses raios e sua eventual união no foco real da lente convergente (fig. 46). Essa
experiência permite também a ilustração da divergência da luz e da existência de um
foco virtual na lente divergente, onde os prolongamentos dos raios teoricamente se
cruzam
[20]
. Acreditamos que essa experiência representa um conflito cognitivo de alto
nível para os estudantes, que apesar de já terem sido apresentados às leis fundamentais
da refração, provavelmente ainda não conseguiram conectar essas leis ao funcionamento
de lentes, necessitando de alterações no esquema mental pré-existente para levar tais
conexões a cabo. Na representação fotográfica que apresentamos (figura 46), mostramos
uma experiência semelhante à nossa, realizada em uma feira de ciências em um colégio
português [21].
20
Esse experimento também permite que raios de luz refletidos sejam observados. Se os apontadores
laser utilizados tiverem potência suficiente, dois raios refletidos serão observados, devido à separação na
incidência da luz nas duas faces da lente utilizada.
21
Figura retirada do sítio http://cdlpc.blogs.sapo.pt/29417.html.
61
Faça os desenhos tradicionais, representando as situações experimentais:
apresentando as lentes de perfil, mostre-as sendo atravessadas por raios paralelos, com a
posterior convergência ou divergência, dependendo do formato da lente. Correlacione
esse desvio com a lei de Snell e com a vergência da lente (o “grau”, na linguagem
popular).
Figura 46 – Atividade experimental demonstrativa 36, usando uma lente convergente
Realize então a Atividade experimental demonstrativa 37, espalhando pó de
giz sobre a luz que sai de um retroprojetor, com esse facho direcionado apenas para o
teto (fig. 47). A presença do pó de giz evidenciará a existência de um cone de luz, já
apresentado na Atividade experimental demonstrativa 35.
62
[22]
Esse cone é fruto da alta concentração da luz e do calor emitidos pela lâmpada
do retroprojetor no foco da lente de Fresnel existente no aparelho. A alta temperatura
atingida no foco pode ser testada colocando-se papel branco e preto no vértice do cone
de luz formado. O papel branco provavelmente nada sofrerá; pergunte aos alunos do
porquê dessa situação, esperando que sua resposta seja que o papel branco reflete a luz.
Nesse caso, pergunte qual seria a cor ideal para iniciar a combustão do papel nesse
ponto. Se a resposta for a cor preta, estaremos observando a sugestão de Catelli e
Franco (2006) em ação: o papel preto absorve uma grande parte da radiação luminosa
incidente e rapidamente entra em combustão. Essa atividade mostra mais uma vez a
necessidade da reconceitualização da prática experimental: sem uma reflexão adequada
sobre a prática experimental, mostrando o papel que a lente de Fresnel tem na nitidez da
imagem projetada, o estudante pode ser levado apenas à lembrança lúdica de objetos
“incendiados” em sala de aula [23].
Aproveite a presença do retroprojetor para a condução da Atividade
experimental demonstrativa 38. Coloque as lentes mostradas aos alunos no caminho
22
O autor, à esquerda na foto, pede desculpas pela aparição indevida (embora inevitável nesse caso) nesse
trabalho acadêmico.
23
No nosso experimento, ilustrado na figura 44, não conseguimos uma boa imagem da fumaça formada,
mas ela se encontra presente no experimento fotografado, logo acima do papel que foi colocado próximo
ao plano focal da lente de Fresnel do aparelho.
63
do feixe da luz emitida pelo aparelho e projete o resultado no teto ou na parede. A
projeção realizada com a lente convergente mostrará uma sombra circular
[24]
com um
círculo brilhante próximo ao seu centro, evidenciando a convergência. Já a lente
divergente apresentará uma projeção oposta: uma área de penumbra cercada por um
halo luminoso, evidenciando a divergência (fig. 48).
Peça então alguns óculos emprestados aos alunos, a fim de mostrar a divergência
e a convergência dos raios de luz nas lentes dos mesmos. Raramente se encontra um
aluno hipermetrope na adolescência, mas os graus de miopia costumam ser variados,
permitindo uma discussão mais detalhada do conceito de vergência e sua relação inversa
com a distância focal. Algumas lentes para correção do astigmatismo também podem
ser utilizadas, a critério do professor.
Figura 48 – Atividade experimental demonstrativa 38, usando uma lente divergente (à
esquerda) e uma lente convergente (à direita)
Finalmente, demonstre as principais construções geométricas que explicam a
formação de imagens a partir do uso de lentes convergentes (objeto além do
antiprincipal, objeto entre o foco e o antiprincipal, objeto entre a lente e o foco) e
divergentes, com uma rápida citação dos instrumentos ópticos onde elas estão presentes
e dos problemas de visão que podem ser corrigidos a partir do uso das mesmas (miopia
e hipermetropia. A título de exemplificação, realize a Atividade experimental
demonstrativa 39, mostrando a formação e projeção das imagens reais (maior e menor
que o objeto), com o uso de uma lente convergente. Os objetos utilizados podem ser
uma vela (para a projeção de imagens ampliadas e reduzidas) e objetos externos à sala
(para a projeção de imagens reduzidas apenas). Escolhendo-se adequadamente a posição
24
Tecnicamente falando, será observada uma penumbra cercando o círculo luminoso, e não uma área de
sombra.
64
da lente entre a vela e uma parede, podem-se conseguir duas posições onde a imagem
real da vela é projetada na parede de forma invertida, em um tamanho menor ou maior
que a própria vela. Já para os objetos externos, pode-se conseguir uma projeção
reduzida de boa qualidade, mesmo com as luzes acesas. Aproveite para fazer a conexão
dessa experiência com o princípio de funcionamento de aparelhos de projeção, como o
próprio retroprojetor ou uma máquina fotográfica.
Para a representação dessa demonstração (fig. 50), usamos a figura mostrada em
uma televisão LCD (liquid crystal display: monitor de cristal líquido) como objeto, e
obtivemos a projeção invertida com o uso de uma lente convergente. A cena
apresentada é parte do filme “2001, uma odisseia no espaço” (1967), dirigido por
Stanley Kubrick (fig. 49).
Figura 49 – Figura usada como objeto para a Atividade experimental demonstrativa 39
65
Figura 50 – Projeção da imagem real e reduzida na Atividade experimental demonstrativa 39
66
4.9 – Difração e espalhamento
Nesse encontro, recomendamos uma apresentação dos conceitos de difração e
espalhamento de forma puramente qualitativa, sem a apresentação das equações que
modelam tais fenômenos [25]. Inicialmente, pergunte aos alunos se uma onda (tal como a
luz) possui a capacidade de “fazer curvas”, ou seja, se desviar da sua trajetória original
para contornar obstáculos ou atravessar fendas. Após as respostas dos estudantes, diga
que a resposta correta à pergunta é sim: a difração do som ao redor de um obstáculo
como um exemplo. Nomeie esse fenômeno como difração para os estudantes.
Após fazer os desenhos explicativos tradicionais, apresentando a difração em
obstáculos e fendas, pergunte aos estudantes sobre a capacidade da luz de sofrer tal
fenômeno, ou seja, se a luz pode contornar obstáculos. No nosso trabalho, a resposta
não foi unânime, pois alguns alunos alegaram que as sombras só surgiam porque a luz
não é capaz de se desviar dos obstáculos, enquanto outros acreditavam que os
obstáculos cotidianos eram grandes demais para a luz ser capaz de contorná-los.
Se a segunda explicação surgir, aproveite-a (ou a coloque na discussão) e repita
a Atividade experimental demonstrativa 02, apresentando novamente a figura
formada pela difração da luz emitida por um apontador laser, quando esta passa por um
fio de cabelo. Essa experiência é proposta e detalhada por Laburú e Lopes (2001). A
figura formada é uma longa linha listrada, alternando luz e sombra, e um brilhante ponto
central onde normalmente se esperaria que a sombra do fio de cabelo estivesse. Faça
então um desenho representativo da experiência no quadro, mostrando que a luz sofre
difração ao redor do fio do cabelo, se transformando em duas ondas, as quais
posteriormente interferem entre si. Procure evitar a palavra interferência, especialmente
se os alunos ainda não houverem sido apresentados ao tema, e explique que a formação
da faixa listrada acontece devido ao reforço que essas duas ondas sofrem em alguns
pontos (com a formação de luz) ou ao cancelamento das mesmas ondas (com a
formação de sombra).
Reapresentada a difração em obstáculos, parta para a demonstração da difração
luminosa em fendas estreitas. Inicialmente, explique aos alunos que um CD (compact
disc) ou DVD (digital video disc) armazena as informações ao longo de uma trilha em
espiral invisível presente no disco. Faça o desenho de uma espiral no quadro e pergunte
25
Versões “curtas” das equações podem ser usadas, a critério do professor. Sugerimos λ = d.senθ para a
difração, e I = k / λ4 para o espalhamento.
67
aos alunos sobre a distância entre duas voltas da espiral, e se ela é menor no DVD, por
este disco conter mais informação que em um CD.
Após as respostas dos estudantes, conduza então a Atividade experimental
demonstrativa 40, uma adaptação das sugestões de Costa (2007). Na experiência,
apresente a difração da luz emitida por um apontador laser em um CD e um DVD,
usados como redes de difração
[26]
. A projeção da figura formada mostrará um ponto
central brilhante e dois pontos à direita e esquerda do centro, respectivamente. Esses
dois pontos laterais são os máximos de difração de primeira e segunda ordem, sendo
que este está localizado mais distante do ponto central (fig. 48).
Quando o DVD for usado, a distância entre os pontos brilhantes será
sensivelmente maior do que a distância obtida no uso do CD como rede de difração.
Correlacione então os resultados experimentais da difração da luz no fio de cabelo com
os obtidos com os discos, mostrando que quando o tamanho do obstáculo (ou fenda)
diminui, a difração se acentua, ou seja, os pontos brilhantes se afastam do ponto central.
Pergunte então aos alunos se diferentes ondas se difratam de forma diferente,
dadas as mesmas condições. Caso os alunos não entendam tal pergunta, reformule-a,
26
No CD, retirar a película é extremamente fácil: faça um corte na película usando uma faca, e use fita
adesiva para ir retirando a película a partir desse corte. Para o DVD, o mecanismo é semelhante, mas a
película está localizada internamente a dois discos de plástico. É necessária alguma paciência (e um bom
estilete) para conseguir separar os dois discos plásticos e finalmente retirar a película usando o mesmo
método do CD.
68
questionando se o som grave se difrata tanto quanto o agudo, por exemplo. O som grave
pode ser encarado como possuidor de uma maior capacidade de contornar obstáculos do
dia-a-dia, e esse fato ocorre devido ao maior comprimento de onda do som grave,
quando comparado com o som agudo. Explique que o mesmo pode ocorrer para a luz:
cada cor tem um comprimento de onda diferente e portanto se difrata em um ângulo
diverso, permitindo que a luz branca seja separada por difração (fig. 49).
Figura 49 – Cores resultantes da difração (e posterior reflexão) da luz branca em um CD
Conforme sugerido por Catelli (1999), realize então a Atividade experimental
demonstrativa 41, executando a projeção do espectro da luz emitida pelo retroprojetor
usando o CD no lugar do espelho plano do mesmo. A figura projetada [27] será um arcoíris praticamente circular (máximo de primeira ordem) e talvez um segundo arco-íris
(máximo de segunda ordem). Argumente que a dispersão da luz se deu por difração:
como cada cor possui um comprimento de onda diferente, ela é difratada em um ângulo
levemente diferente, permitindo a separação da luz branca em suas cores constituintes
(fig. 50). Se desejar, repita a Atividade experimental demonstrativa 34 mais uma vez
(dispersão da luz emitida por um retroprojetor com o uso de um prisma de acrílico),
para mostrar a dispersão da luz por refração. Vemos aqui mais uma oportunidade para a
reconceitualização da experimentação: comparar dois fenômenos que produzem
27
Se, ao invés do retroprojetor, for utilizado um projetor digital em modo de espera (tela azul), o padrão
de difração pode se tornar mais relevante (fig. 51), permitindo a realização de atividades de caráter
quantitativo.
69
resultados semelhantes (no caso, a formação de um arco-íris), mas com explicações
causais distintas. A seleção de teorias para a explicação de fenômenos é uma típica
atividade científica.
Figura 50 – Resultado da Atividade experimental demonstrativa 41 (realizada com um
retroprojetor)
Figura 51 – Resultado da Atividade experimental demonstrativa 41 (realizada com um projetor
digital em modo de espera)
70
No momento posterior da aula, apresente aos alunos o espalhamento de
Rayleigh. Sugerimos encará-lo como um fenômeno “irmão” da difração, produzido
quando a dimensão dos obstáculos é muito inferior ao comprimento de onda, enquanto
na difração essa dimensão é comparável ao comprimento de onda.
Apesar da importância desse fenômeno para a explicação de fenômenos
cotidianos, não há nos livros didáticos uma transposição didática tradicional para esse
fenômeno. Assim, recomendamos a utilização da modelagem proposta por Krapas e
Santos (2002), apresentando experimentalmente o fenômeno e sua relação com o
cotidiano (a cor azulada do céu, a cor avermelhada do sol no poente e a cor alaranjada
da Lua no início da sua trajetória pelo céu).
A experiência sugerida pelos autores citados envolve ácido sulfúrico e hidróxido
de sódio, reagentes que nem sempre o colégio possuirá. Assim, sugerimos que tais
produtos sejam substituídos por algumas gotas de leite colocadas em um aquário de
tamanho médio contendo água.
A Atividade experimental demonstrativa 42 consiste em fazer o feixe de luz
branca emitido por uma lanterna atravessar a mistura. Provavelmente, os alunos
identificarão que o feixe de luz, ao atravessar a água com leite, ganhará um leve tom
azulado [28].
Explique esse fato afirmando que as cores mais espalhadas são justamente
aquelas que possuem menor comprimento de onda (ao contrário da difração), e por isso
o azul é a cor predominante no céu (devido ao espalhamento produzido pelas moléculas
de oxigênio e nitrogênio), enquanto o vermelho e o laranja, por se espalharem menos,
são as últimas cores que sobram da luz branca vinda do Sol e da Lua ao atravessarem
grandes camadas de atmosfera. Use essa argumentação para explicar a cor alaranjada ou
avermelhada desses astros no nascente e no poente. Um diagrama conveniente para
essas explanações está representado na ilustração a seguir (fig. 52).
28
Infelizmente, não possuímos fotos dessa experiência, pois o aquário que utilizávamos para a sua
realização foi quebrado durante o transporte entre a sala de aula e o laboratório onde ele era guardado, e
não adquirimos outro em um tempo hábil que nos permitisse fotografá-lo para esse trabalho.
71
Figura 52 – Diagrama de referência para a explicação da cor azulada do céu. Retirada de
SILVEIRA e SARAIVA, 2008, p. 21.
As explicações para fenômenos tão cotidianos são particularmente bem
recebidas pelos estudantes, os quais tendem a perceber o potencial teórico contido na
explicação do fenômeno. Mais uma vez, a reconceitualização da prática experimental se
mostra presente: na impossibilidade da realização de certas experiências (dada a sua
dificuldade logística ou custo), a discussão e posterior interpretação de fenômenos
cotidianos pode suprir tal lacuna.
72
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALVES, V. A inserção de atividades experimentais no ensino de Física em nível médio:
em busca de melhores resultados de aprendizagem, Brasília, 2006. Dissertação
(Mestrado Profissional em Ensino de ciências; área de concentração: Física), Institutos
de Física, Química e Biologia, Universidade de Brasília, Brasília, DF.
ARAÚJO, M. ABIB, M. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes
Enfoques, Diferentes Finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 25, n.2,
Junho, 2003.
BRASIL. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros Curriculares
Nacionais (Ensino médio): Parte III - Ciências da Natureza, Matemática e suas
Tecnologias, Brasília, MECSEF, 1998.
CATELLI, F. Demonstre em aula. Projeção de espectros com um CD e retroprojetor.
Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 16, n. 1, p. 123-126, Abril, 1999.
CATELLI, F.; FRANCO, V. Pense e responda! Imagens queimam? Caderno
Brasileiro de Ensino de Física, v. 23, n. 3, p. 439-443, Dezembro, 2006.
CATELLI, F.; REIS, C. Demonstre em aula: imagens dentro de lâmpadas. Caderno
Brasileiro de Ensino de Física, v. 21, n. 1, p. 115-119, Abril, 2004.
CATELLI, F.; VICENZI, S. Laboratório caseiro: transformando um laser de diodo
para experimentos de óptica física. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 19,
n. 3, p. 393-406, Dezembro, 2002.
CATELLI, F.; VICENZI, S. Óptica geométrica no café da manhã. Caderno Brasileiro
de Ensino de Física, v. 21, n. 3, p. 392-400, Dezembro, 2004.
COSTA, G.; CORTESE, B. SCURACHIO, R. CATUNDA, T. Caixa de cores para o
estudo da mistura de luzes coloridas. Física na Escola, v. 9, n. 2, p. 25-28, 2008.
73
COSTA, I. Pense e responda! Qual o comprimento e a profundidade de bits em CD,
DVD e BD? Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 24, n. 3, p. 333-337,
Dezembro, 2007.
DA ROSA, C.; DA ROSA, A. Ensino de Física: objetivos e imposições no ensino
médio. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, vol. 4, n. 1, 2005.
DRIVER, R.; ASOKO, H.; LEACH, J.; MORTIMER, E.; SCOTT, P. Construindo
conhecimento científico em sala de aula. Química Nova na Escola, v. 9, p. 31-40,
1999.
FERRACIOLI, L. Aspectos da construção do conhecimento e da aprendizagem na obra
de Piaget. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 16, n. 2, p. 180-194, Agosto,
1999.
GIRCOREANO, J.; PACCA, J. O ensino da Óptica na perspectiva de compreender a
luz e a visão. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 18, n.1, p. 26-40, Abril,
2001.
GRANDINI, N.; GRANDINI C. Os objetivos do laboratório didático na visão dos
alunos do Curso de Licenciatura em Física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.
26, n. 3, p.251-256, Setembro, 2004.
HEWITT, P. Física Conceitual. 9. ed., p. 440-542, Porto Alegre, Bookman, 2002.
HODSON, D. Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratório. Enseñanza de
lãs ciencias, v. 12, n. 3, p. 299-313, 1994.
KAMATA, M.; MATSUNAGA, A. Optical experiments using mini-torches with red,
green and blue light emitting diodes. Physics Education, v. 42, n. 6, p. 572-578, 2007.
KEEPORTS, D. Reflections from a Fresnel lens. Physics Education, v. 40, n.1, p. 6066, Janeiro, 2005.
74
KRAPAS, S.; SANTOS, P. Modelagem do espalhamento Rayleigh da luz com
propósitos de ensino e de aprendizagem. Caderno Brasileiro de Ensino de Física,
v. 19, n. 3, p. 341-350, Dezembro, 2002.
LABURÚ, C.; BARROS, M.; KANBACH, B. A relação com o saber profissional do
professor de física e o fracasso da implementação de atividades experimentais no
ensino médio. Investigações em Ensino de Ciências, v.12, n.3, p.305-320, 2007.
LABURÚ, C.; LOPES, E. Diâmetro de um fio de cabelo por difração (um experimento
simples). Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 18, n. 2, p. 240-247, Agosto,
2001.
LABURÚ, C.; SILVA, H. Invisibilidade da garrafa (a explicação correta). Caderno
Brasileiro de Ensino de Física, v. 21, n. 1, p. 111-114, Abril, 2004.
LORETO, É.; SARTORI, P. Simulação da visão de cores: decodificando a transdução
quântica-elétrica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 25, n. 2, p. 266-286,
2008.
MAROTO, J.; VALVERDE, C.; TEJERO, J. Description of additive colour mixing
exhibits by using PC-designed Maxwell discs. Physics Education, v. 41, n.5, p. 448452, 2006.
MATTHEWS, M. R. História, Filosofia e Ensino de Ciências: a tendência atual de
reaproximação. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 12, n. 3, p. 164-214,
1995.
MENDONÇA, R.; MISOGUTI, L.; MUNIZ, R.; TUBOY, M.; BAGNATO, V.
Demonstrações de reflexão total interna para alunos do segundo grau. Revista
Brasileira de Ensino de Física, v. 20, n. 3, Setembro, 1998.
MOREIRA, M. Teorias de aprendizagem. São Paulo, EPU, 1999, p. 95-107.
75
MORTIMER, E. Construtivismo, mudança conceitual e ensino de ciências: para onde
vamos? Investigações em ensino de ciências, v. 1, n. 1, p. 20–39, Porto Alegre,
UFRGS, 1996.
NEWTON, I. Opticks: Or a Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections &
Colours of Light. 1st Edition, London, Dover Publications, 1704. Disponível em
<http://www.4shared.com/file/100242570/98552f3f/Opticks_-_scan_from_original_m.
html?s=1>
NOPPARATJAMOJOMRAS, S.; CHITAREE, R.; PANIJPAN, B. A handheld LED
coloured-light mixer for students to learn collaboratively the primary colours of light.
Physics Education, v. 44, n. 2, p. 123-128, 2009.
REID, A. The physics of the data projector. Physics Education, v. 43, n. 6, p. 599-602,
2008.
SHALAEV, W.; CAI, U.; CHETTIAR, H.; YUAN, A.; SARYCHEV, V.; DRACHEV,
V.; KILDISHEV, A. Negative index of refraction in optical metamaterials. Optics
Letters, v. 30, p. 3356-3358, 2005.
SILVA, A.; TOPA, P. A magenta gap in the colour wheel. Physics Education, v. 36,
n.1, p. 71-74, 2001.
SILVEIRA. F. A filosofia da ciência de Karl Popper e suas implicações no ensino de
ciência. In: MOREIRA, M.; AXT, R. Tópicos em Ensino de Ciências. Porto Alegre:
Ed. Sagra, p. 62-78, 1991.
SILVEIRA, F.; SARAIVA, M. As cores da lua cheia. Física na Escola, v. 9, n. 2,
2008.
VIEIRAL, J.; FERNÁNDEZ, R. A estrutura das revoluções científicas na economia e a
Revolução Keynesiana. Atas do VIII Encontro de Economia da Região Sul - ANPEC
SUL, Porto Alegre, 2005.
76
YURUMEZOGLU, K. An entertaining method of teaching concepts of linear light
propagation, reflection and refraction using a simple optical mechanism. Physics
Education, v. 44, n. 2, p. 129-132, 2009.
ZYLBERSZTAJN, A. Revoluções científicas e a ciência normal na sala de aula. In:
MOREIRA, M. A; AXT, R. Tópicos em Ensino de Ciências. Porto Alegre: Ed. Sagra,
p. 47-61, 1991.

proposição - Pós-Graduação em Ensino de Ciências da UnB

Transcrição

Documentos relacionados

Fax Cover Sheet - Instituto Nun`Alvres

QUI02374L - Química Orgânica Experimental III

Ondas electromagnéticas Definição Princípio de Fermat Princípio de

Fazer

experimentação em agrossilvicultura e participação social

Template for Electronic Submission of Organic Letters - ENEQ

PALAVRAS CRUZADAS DIRETAS

Espejos convexos INTERIOR/EXTERIOR acrílicos multiusos

Estudando experimentalmente metacontingências, práticas culturais

Comportamento tático nos jogos esportivos coletivos.