Artigo-ii-como-ensinar-física-moderna-no-ensino-médio-1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA\nFACULDADE DE FÍSICA - FAFIS\n\nCOMO ENSINAR FÍSICA MODERNA\nNO ENSINO MÉDIO: DISCUSSÕES E SUGESTÕES\n\nAndré Gustavo Cruz da Costa\n\nMonografia submetida à Coordenação do Curso\nde Licenciatura Plena em Física da\nUniversidade Federal de Uberlândia, como\nrequisito parcial para a obtenção do grau de\nlicenciado em Física.\n\nOrientador:\nProf. Dr. Noelio Oliveira Dantas\n\nBanca Examinadora:\nProf. Dr. Eduardo Koji Takahashi\nProf. Dr. Ademir Cavalheiro\n1 Uberlândia, 2004\n\nProf. Dr. José Luís Petricelli Castineira\nCoordenador do Curso de Licenciatura Plena em Física\nFaculdade de Física - FAFIS\n\nProf. Dr. Noelio Oliveira Dantas\n(Orientador - FAFIS/UFU)\n\nProf. Dr. Eduardo Koji Takahashi\n(FAFIS/UFU)\n\nProf. Dr. Ademir Cavalheiro\n(FAFIS/UFU) 1 - INTRODUÇÃO\nFATOS HISTÓRICOS....................................................... 4\nFÍSICA CLÁSSICA .......................................................... 6\nTERMODINÂMICA ...................................................... 6\nELETROMAGNETISMO ......................................... 7\nESTRUTURA DO ÁTOMO ........................................... 8\n2 - FÍSICA MODERNA\nQUÂNTICA .................................................................. 9\nDUALIDADE: ONDA - PARTÍCULA.............................. 10\nRELATIVIDADE ............................................................ 10\nPARTÍCULAS SUBATÔMICAS.................................... 11\n3 - ATUALMENTE\nENSINO MÉDIO .......................................................... 13\n4 - ENSINAR FÍSICA MODERNA CONTEMPORÂNEA NO ENSINO\nMÉDIO: DISCUSSÕES E SUGESTÕES\nEXPERIÊNCIAS DE FÍSICA MODERNA EM SALA DE AULA.......... 17\nEXPERIÊNCIA SIMPLES PARA EXPLICAR A LEI DE WIEN ......... 22\n5 - CONCLUSÃO............................................................. 25\n6 - BIBLIOGRAFIA............................................................ 26 1 – INTRODUÇÃO\n\nA Física estuda a matéria nos níveis molecular, atômico, nuclear e subnuclear. Estuda os níveis de organização, ou seja, as fases sólida, líquida, gasosa e plasmática da matéria. Pesquisa também as quatro forças fundamentais: a da gravidade (força de atração exercida por todas as partículas massivas do Universo), a eletromagnética (que atua entre partículas ou corpos eletricamente carregados), a interação forte (que mantém a coesão do núcleo) e a interação fraca (responsável pela desintegração de certas particulas nucleares).\n\nFísica teórica e experimental - A Física experimental investiga as propriedades da matéria e de suas transformações, por meio de transformações e medições, geralmente realizada em condições laboratoriais universalmente reprodutíveis. A Física teórica sistematiza os resultados experimentais, estabelece relações entre conceitos e grandezas Físicas e permite prever fenômenos inéditos.\n\nFATOS HISTÓRICOS\n\nÉ na Grécia Antiga que são feitos os primeiros estudos \"científicos\" sobre os fenômenos da natureza. Surgem os \"filósofos naturais\" interessados em racionalizar o mundo sem recorrer a intervenção divina.\n\nA primeira teoria atômica começa na Grécia, no século V a.C. Leucipo, de Mileto, e seu aluno Demócrito, de Abdera (460 a.C. - 370 a.C.), formulam as primeiras teorias sobre átomos e vácuo. Os átomos são infinitos e não podem ser contados e divididos. São sólidos, mas de tamanhos tão reduzidos que não podem ser vistos. Estão sempre se movendo no vácuo.\n\nÉ com Aristóteles que a Física e as demais ciências ganham o maior impulso na Antiguidade. Suas principais contribuições para a Física são as ideias sobre o movimento, queda de corpos pesados (chamados \"graves\"), da origem da palavra \"gravidade\") e o geocentrismo. A lógica aristotélica irá dominar os estudos da Física até o final da Idade Média.\n\nAristóteles - (384 a.C. - 322 a.C.) Nasce em Estagira, antiga Macedônia (hoje, Província da Grécia). Aos 17 anos muda-se para Atenas e passa a estudar na Academia de Platão, onde fica por 20 anos. Em 343 a.C. torna-se tutor de Alexandre, o grande, na Macedônia. Quando Alexandre assume o trono, em 335 a.C. (antes de Cristo)\n\nGeocentrismo - Aristóteles descreve o cosmo como um enorme (porém finito) círculo onde existem nove esferas concêntricas girando em torno da Terra, que se encontram no centro delas.\n\nGravidade - Aristóteles considera que os corpos caem para chegar ao seu lugar natural. Na antiga, consideram-se elementos primários a terra, a água, o ar e o fogo. Quanto mais pesado um corpo (mais terra) mais rápido cai no chão. A água se espalha pelo chão porque seu lugar natural é a superfície da Terra. O lugar natural do ar é uma espécie de capa em torno da Terra. O fogo fica em uma esfera acima de nossas cabeças e por isso as chamas queimam para cima. A hidrostática, estudo do equilíbrio dos líquidos, é inaugurada por Arquímedes. Diz a lenda que Hierão, rei de Siracusa, desafiou Arquímedes a encontrar uma maneira de verificar sem danificar o objeto, se era de ouro maciço uma coroa que havia encomendado. Arquímedes solucionou o problema durante o banho. Percebeu que a quantidade de água deslocada quando entrava na banheira é igual ao volume de seu corpo. Ao descobrir esta relação saiu gritando pelas ruas \"Eureka, eureka!\" (Achei!). No palácio, mediu então a quantidade de água que transbordou da recipiente e verificou quando nele manobrava sucessivamente o volume de um peso de ouro igual ao da coroa, o volume de um peso de prata igual ao da coroa e a própria coroa. Este, sendo intermediário aos outros dois, permite determinar proporção de prata que foi misturada ao ouro.\n\nOs chineses também realizaram na Antiguidade estudos relacionados à Física. Não se ocupam de teorias atômicas ou estrutura da matéria. Procuram explicar o Universo como resultado do equilíbrio das forças opostas Yin e Yang. Estas palavras simbolizam o lado sombrio e ensolarado de uma montanha e simbolizam forças opostas que se manifestam em todos os fenômenos naturais e aspectos da vida. Quando Yin diminui, Yang aumenta e vice-versa.\n\nA noção de Stêncil começou a ser aplicada aos aspectos inaugurada pela noção de Yin e Yang será retomada no início XX com a teoria quântica.\n\nEm 1510 Nicolau Copérnico rompe com mais de dez séculos de domínio do geocentrismo. No livro Commentariolus diz pela primeira vez que a Terra não é o centro do Universo e sim um entre outros tantos planetas que giram em torno do sol. Enfrenta a oposição da Igreja Católica, que adorara o sistema aristotélico como dogma e traz da Física um campo de estudo específico.\n\nPara muitos historiadores, a revolução copernicana se consolidou apenas um século depois com as descobertas telescópicas e a mecânica de Galileu Galilei (1564-1642) e as leis de movimentos dos planetas de Joannes Kepler (1571-1630).\n\nHeliocentrismo - \"O centro da Terra não é o centro do mundo (Universo) e sim o Sol\". Este é o princípio do heliocentrismo (que tem o Sol do grego helios - como centro), formulado por Nicolau Copérnico e marca da concepção moderna do Universo. Segundo o heliocentrismo, todos os planetas, entre eles a Terra, giram em torno do Sol descrevendo órbitas circulares.\n\nNicolau Copérnico - (1473 - 1543) nasce em Torun, na Polônia. Estuda matemática, os clássicos gregos, direito canônico (em Bolonha, na Itália) e medicina (em Pádua, Itália) e só depois se dedica exclusivamente à física e à astronomia. Em 1513 constrói um observatório e começa a estudar o movimento dos corpos celestes. A partir dessas observações, descreve o movimento dos corpos celestes com os princípios do heliocentrismo. revoluciona a ideia que o homem tinha de si mesmo (visto como imagem de Deus e por isso centro de tudo) e dá novo impulso a todas as ciências ao colocar a observação e a experiência acima da autoridade e dos dogmas.\n\nFÍSICA CLÁSSICA\n\nO século XVII lança as bases para a Física da era industrial. Simon Stevin desenvolve a hidrostática, ciência fundamental para seu país, a Holanda, protegida do mar por comportas e diques. Na óptica, contribuição equivalente é dada por Christiaan Huygens, também holandês, que constrói lunetas e desenvolve teorias sobre a propagação da luz. Huygens é o primeiro a descrever a luz como onda. Mas Isaac Newton (1642-1727), cientista inglês, o grande nome dessa época: são dele a teoria geral da mecânica e da gravitação universal e o cálculo infinitesimal.\n\nIsaac Newton - (1642- 1727) nasce em Woolsthorpe, Inglaterra, no mesmo ano da morte de Galileu. Começou a estudar na Universidade de Cambridge com 18 anos e aos 26 já se torna catedrático. Em 1687 publica Princípios matemáticos da filosofia natural. Dois anos depois é eleento membro do Parlamento como representante da Universidade de Cambridge. Já em sua época é reconhecido como grande cientista que revolucionou a Física e a matemática. Preside a Royal Society (academia de ciência) por 24 anos. Nos últimos anos de vida dedica-se exclusivamente a estudos teológicos.\n\nDecomposição da luz - Newton pesquisa também a natureza da luz. Demonstrou que, ao passar por prismas, a luz se decompõe em várias cores. Agrupou todas elas nas conhecidas cores básicas do espectro luminoso: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta.\n\nLeis da mecânica - A mecânica clássica se baseia em três leis.\n\n• Primeira lei - É a da inércia.\n• Segunda lei - Diz que a força é proporcional à variação do momento linear com o tempo.\n• Terceira lei - Diz que para toda ação há uma reação equivalente e contrária.\n\nNo século XVIII, embora haja universidades e academias nos grandes centros, mais uma vez é por motivos práticos que a Física se desenvolve. A revolução industrial marca nova fase da Física. As áreas de estudos se especializam e a ligação com o modo de produção torna-se cada vez mais estreita.\n\nTERMODINÂMICA\n\nEstuda as relações entre calor e trabalho. Baseia-se em dois princípios: o da conservação de energia e o de entropia. Estes princípios constituem a base de funcionamento das máquinas a vapor, turbinas, motores de combustão interna, motores a jato e máquinas frigoríficas. Primeiro princípio - É o da conservação da energia. Diz que a soma das trocas de energia em um sistema isolado é nula. Se, por exemplo, uma bateria é usada para aquecer água, a energia da bateria é convertida em calor, mas a energia total do sistema, antes e depois do processo começar, é a mesma.\n\nSegundo princípio - Em qualquer transformação que se produza em um sistema isolado, a entropia do sistema aumenta ou permanece constante. Portanto, não há qualquer sistema térmico perfeito no qual todo o calor é transformado em trabalho. Existe sempre uma determinada perda de energia.\n\nEntropia - tendência natural da energia se dispersar e do sistema evoluir invariavelmente de ordem para a desordem. O conceito foi sistematizado pelo estudioso Ludwig Boltzmann (1844 -1906) e explica o desequilíbrio natural entre trabalho e calor.\n\nELETROMAGNETISMO\n\nEm 1820, o dinamarquês Hans Oersted relaciona fenômenos elétricos ao magnéticos ao observar como a corrente elétrica alterava o movimento da agulha de uma bússola. Michel Faraday inverte a experiência de Oersted e verifica que os magnetos exercem ação mecânica sobre os condutores percorridos pela corrente elétrica e descobre a Indução eletromagnética, que consegue grandes aplicações nas novas redes de distribuição de energia.\n\nIndução eletromagnética - Um campo magnético (variável) produz uma corrente elétrica (também variável) podendo fazer mover-se outra corrente elétrica em outro circuito. A energia elétrica também pode ser obtida a partir de uma ação mecânica: girando em torno de um eixo, um enrolamento de fio colocado entre dois ímãs surgirá uma diferença de potencial induzida nas extremidades do fio (princípio do dínamo).\n\nMicael Faraday - (1791-1867) é um caso raro entre os grandes nomes da ciência. Nasce em Newington, Inglaterra. Começa a trabalhar aos 14 anos como aprendiz de encadernador. Aproxima-se das ciências como autodidata e depois se torna assistente do químico Humphry Davy. Apesar de poucos conhecimentos teóricos, o espírito de experimentação de Faraday o leva a importantes descobertas para a Química e a Física. Consegue liquefazer praticamente todos os gases conhecidos, isola o benzeno. Elabora a teoria da eletólise, a indução eletromagnética e esclarece a noção de energia eletrostática.\n\nRaios catódicos - São feixes de partículas produzidos por um eletrodo negativo (cátodo) de um tubo contendo gás comprimido. São resultado da ionização do gás e provocam luminosidade. Os raios catódicos são identificados no final do século XIX pelo William Crookes. O tubo de raios catódicos é usado em osciloscópios e televisões.\n\nRaios X - Em 1895 Wilhelm Konrad von Röntgen descobre acidentalmente os raios X quando estudava ondas de raios catódicos. Verificou que algo acontecia da vávula e fazia brilhar no escuro folhetes fluorescentes. Eram raios capazes de\n impressionar chapas fotográficas através de papel preto. Produziam fotografias que revelavam moedas nos bolsos e os ossos das mãos. Estes raios desconhecidos são chamados simplesmente de \"x\".\n\nRadioatividade - É a desintegração espontânea do núcleo atômico de alguns elementos (urânio, polônio e rádio), resultando em emissão de radiação. Descoberta pelo francês Henri Becquerel (1852 - 1909) poucos meses depois da descoberta dos raios X. Becquerel verifica que, além de luminosidade, as radiações emitidas pelo urânio são capazes de penetrar a matéria.\n\nDois anos depois, Pierre Curie e sua mulher, a polonesa Marie Curie, encontram fenómenos radiativos muito mais fortes que o urânio. Isolam o rádio e o polônio e verificam que o rádio era tão potente que podia provocar sérios efeitos fatais nas pessoas que dele se aproximavam.\n\nTipos de radiação - Existem três tipos de radiação: alfa, beta e gama. A radiação alfa é uma partícula formada por um átomo de hélio com carga positiva, beta é radiação beta também uma partícula, de carga negativa, e elétron. A radiação gama é uma onda eletromagnética. As substâncias radiativas emitem continuamente calor e pela capacidade de ionizar o ar e tornar-se condutor de corrente elétrica. São penetrantes e ao atravessarem uma substância chocam-se com suas moléculas.\n\nESTRUTURA DO ÁTOMO\n\nEm 1803, John Dalton começa a apresentar sua teoria de que cada elemento químico era formado por átomos idênticos. Em 5 de abril de 1897, com o descoberto do elétron, que é átomo como de sol e outras entidades menores como os descrentes desde a Antiguidade.\n\nDescoberta do elétron - Em 1897 Joseph John Thomson, ao estudar os raios X e raios catódicos, identifica partículas de massa muito pequena, cerca de 1.800 vezes menores que a do átomo mais leve. Conclui que o átomo não é indivisível, mas composto por partículas menores.\n\nModelo pudim - Thomson diz que os átomos são formados por uma nuvem de eletricidade positiva na qual flutuam, como ameixas em volta de um pudim, partículas de carga negativa - os elétrons.\n\nModelo planetário - Em 1911 Ernest Rutherford bombardeia uma lâmina de ouro com partículas em alta velocidade. Observa que algumas partículas atravessam o anteparo e outras ricocheteiam. Descobre que existem espaços vazios no átomo, por isso algumas partículas passaram pela lâmina. Verifica também que há algo consistente contra o que outras partículas se chocaram e refletiram. Conclui que o átomo possui um núcleo (de carga positiva) em volta do qual orbitam elétrons, formando girando em torno do Sol. O modelo planetário é apreciado por Niels Bohr com fundamentos da Física quântica.\n\nPrótons - 1919 Rutherford desintegra o núcleo de nitrogênio e detecta partículas nucleares de carga positiva. Elas seriam chamadas de prótons. Segundo Rutherford, o núcleo é responsável pela maior massa do átomo. Anuncia a hipótese de existência do nêutron, confirmada apenas 13 anos depois.\n\nNêutrons - 1932 James Chadwick membro da equipe, de Rutherford, descobre os nêutrons, partículas nucleares com a mesma massa do próton, mas com carga elétrica neutra.\n\nErnest Rutherford - (1871 - 1937) nasce em Nelson, na Nova Zelândia, onde começa a estudar Física. Suas maiores contribuições foram as pesquisas sobre radioatividade e teoria nuclear. Em 1908 cria um método para calcular a energia liberada nas transformações radiativas e recebe o prêmio Nobel de química. Em 1919 realiza a primeira transmutação induzida e transforma um núcleo de nitrogênio em oxigênio através do bombardeamento com partículas alfa. A partir daí dedica-se a realizar transmutacões de vários tipos de elementos. Em 1931 torna-se o primeiro barão Rutherford de Nelson\n\n2 - FÍSICA MODERNA\n\nQUÂNTICA\n\nA grande revolução que leva a Física a modernidade e a teoria quântica, que começa a se definir no fim do século XIX. É a inauguração de uma nova \"lógica\" resultante das várias pesquisas sobre a estrutura do átomo, radioatividade e ondulatória.\n\nMax Planck é quem define a nova linguagem da nova teoria - o quanta. Mas a teoria geral e a autora de um grupo influencial de físicos, entre os quais, Niels Bohr (Dinamarca), Louis De Broglie (França), Erwin, Schrödinger e Wolfgang, Pauli (Áustria), Werner Heisenberg (Alemanha), e Paul Dirac (Inglaterra).\n\nQuanta - Em 1900 o físico alemão Max Planck afirma que as trocas de energia não acontecem de forma contínua e sim em doses, ou pacotes de energia, que ele chama de quanta. A introdução do conceito de descontinuidade subverte o princípio do filósofo alemão Wilhelm Leibniz (1646-1716), \"natura non facit saltus\"(a natureza não dá saltos), que dominava todos os ramos da ciência na época.\n\nMax Planck - (1858-1947) nasce em Kiel, Alemanha. Filho de juristas, chega a oscilar entre a carreira musical e os estudos científicos. Decide-se pela Física e se dedica à carreira acadêmica até o fim da vida. Em 14 de dezembro de 1900, durante uma reunião da Sociedade Alemã de Física, apresenta a noção de \"quanta elementar de ação\". Em sua autobiografia Planck diz que na época pois não previa os efeitos revolucionários dos quanta. Em 1918 recebe o prêmio Nobel de Física.\n DUALIDADE: ONDA – PARTÍCULA\n\nA grande marca da mecânica quântica é a introdução do conceito de dualidade e depois, com Werner Heisenberg, do princípio de incerteza. Para a mecânica quântica, o universo é essencialmente não-determinístico. O que a teoria oferece é um conjunto de prováveis respostas. No lugar do modelo planetário de átomo, com elétrons orbitando em volta de um núcleo, a quântica propõe um gráfico que indica zonas onde eles têm maior ou menor probabilidade de existir. Toda matéria passa a ser entendida segundo uma ótica dual: pode se comportar como onda ou como partícula. E o rompimento definitivo com a mecânica clássica, que previa um universo determinístico.\n\nPrincípio da incerteza - Em 1927 Werner Heisenberg formula um método para interpretar a dualidade da quântica, o princípio da incerteza. Segundo ele, pares de variáveis interdependentes como tempo e energia, velocidade e posição, não podem ser medidos com precisão absoluta. Quanto mais precisa for a medida de uma variável, mais imprecisa será a segunda. \"Deus não joga dados\", dizia Albert Einstein, negando os princípios na nova mecânica.\n\nRELATIVIDADE\n\nA teoria da relatividade surge em duas etapas e altera profundamente as noções de espaço e tempo. Enquanto a mecânica quântica é resultado do trabalho de vários físicos e matemáticos, a relatividade é fruto exclusivamente das pesquisas de Albert Einstein.\n\nRaios simultâneos - Einstein dá o exemplo dos raios e o trem. Dois indivíduos observam dois raios que atingem simultaneamente as extremidades de um trem (que anda em velocidade constante em linha reta) e chamuskam o chão. Um homem está dentro do trem, exatamente na metade dele. O segundo indivíduo está fora, no meio do trecho entre as marcas do raio. Para o observador que está no chão, os raios caem simultaneamente. Mas o homem no trem dirá que os raios caíram em momentos sucessivos, porque ele, ao mesmo tempo em que se desloca em direção ao relâmpago da frente, se afasta do relâmpago que cai na parte traseira. Este último relâmpago deve percorrer uma distância maior do que o primeiro para chegar até o observador. Como a velocidade da luz é constante, o relâmpago da frente \"chega\" antes que o de trás.\n\nDez anos depois, Einstein estende a noção de tempo-espaço à força da gravidade. A Teoria Geral da Relatividade (1916), classificada pelo próprio Einstein como \"bonita esteticamente\", é também uma teoria da gravidade capaz de explicar o fenômeno de atração pela geometria tempo-espaço.\n\nA fórmula relativa - A \"revolução\" de Einstein torna popular a fórmula Física E= mc2 (energia é igual à massa vezes a quadrado da velocidade da luz). A equivalência entre massa e energia (uma pequena quantidade de massa pode ser transformada em uma grande quantidade de energia) permite explicar o atuo dos estrelas e dar ao homem maior conhecimento sobre a matéria. E a expressão