A EXPERIÊNCIA CARGA/MASSA: UM EXPERIMENTO VIRTUAL COM A UTILIZAÇÃO DE VIDEOANÁLISE EM TEMPOS DE PANDEMIA

## A EXPERIÊNCIA CARGA/MASSA: UM EXPERIMENTO VIRTUAL COM A UTILIZAÇÃO DE VIDEOANÁLISE EM TEMPOS DE PANDEMIA

## THE CHARGE/MASS EXPERIENCE: VIRTUAL EXPERIMENT WITH, THE USE OF VIDEOANALYSIS IN PANDEMIC TIMES

Cristóvão Renato Morais Rincoski 1 , Marcus Vinicius Peres 2 , Marcos Antonio Florczak 3 , Arandi Ginane Bezerra Júnior 4

1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento Acadêmico de Física/PPGFCET, rincoski@utfpr.edu.br

2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/PPGFCET, markinhusperes@gmail.com 3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento Acadêmico de Física,

florczak@utfpr.edu.br

4 Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento Acadêmico de Física, arandi@utfpr.edu.br

## Resumo

Aqui analisamos a utilização de uma experiência clássica, a da Carga/Massa, que foi objeto da Lecture do Prêmio Nobel de 1906, concedido a Sir J. J. Thomson. Realizamos a videoanálise usando o software livre Tracker em sala de aula síncrona ( on line -), remota ou home office -, explicitando uma possibilidade de uso de Tecnologias Digitais de Informação e Comunicação (TDIC) em tempos de pandemia. Com este propósito, utilizamos Recursos Educacionais Abertos (REA) oriundos dos produtos educacionais associados a duas dissertações de mestrado profissional referentes ao ensino de física, buscando construir ferramentas para validação dos produtos. A proposta consiste em utilizar REA para: 1- explicar o que é a experiência Carga/Massa e 2- realizar esta experiência no âmbito de aulas síncronas, no contexto pandêmico. Assim, foi utilizado o software livre Tracker para coletar dados experimentais de um vídeo previamente gravado em laboratório. Como resultado, verificamos que os alunos foram capazes de reproduzir os experimentos, coletar dados e refletir a respeito dos resultados experimentais, o que revela o potencial de uso dessas tecnologias e produtos educacionais no ensino de física.

Palavras-chave : Videoanálise; Tracker ; Experiência Virtual; Ensino de Física.

## Abstract

Here we analyze the use of a classic experiment, that of Charge/Mass, which was the subject of the 1906 Nobel Prize Lecture, awarded to Sir J. J. Thomson. We performed the video analysis using the free software Tracker in a synchronous (online), remote or home-office classroom, explaining a possibility of using Digital Information and Communication Technologies (TDIC) in times of pandemic. For this purpose, we used Open Educational Resources (OER) from educational products associated with two professional master's dissertations related to physics teaching, seeking to build

tools for product validation. The proposal is to use OER to: 1- explain what the Charge/Mass experience is and 2- carry out this experience in the context of synchronous classes, in the pandemic context. Thus, the free software Tracker was used to collect experimental data from a video previously recorded in the laboratory. As a result, we found that students were able to reproduce the experiments, collect data and reflect on the experimental results, which reveals the potential for using these technologies and educational products in physics teaching.

Keywords : Video Analysis; Tracker ; Virtual Experiment; Physics Teaching.

## Introdução

Abordar Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Ensino Médio (EM) vem sendo tema relevante e pungente, desde o século passado. Interessa citar, por exemplo, o trabalho pioneiro de Terrazzan (1992, 1994), que alerta para a importância do ensino de FMC. Desde então, vem crescendo a necessidade da inserção destes conteúdos nos programas do EM. Houve um movimento no sentido de implementar os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) e os PCN+ (Orientações Educacionais Complementares ao PCN), que propunham programas de abrangência nacionais incluindo temas de FMC no EM. Posteriormente, vieram as Bases Nacionais Comum Curricular (BNCC). Muitos autores se enveredaram na pesquisa deste tema, a FMC no EM (MOREIRA, 2007), apresentando revisões bibliográficas da área (OSTERMANN e MOREIRA, 2000; GRECA e MOREIRA, 2001), abordagens experimentais (CAVALCANTE e TAVOLARO, 2001), reflexões sobre o livro didático (REZENDE Jr e RICARDO, 2003), bem como a importância da incorporação de Tecnologias Digitais da Informação e Comunicação (TDIC) (MACHADO e NARDI, 2006, 2007). Neste contexto, o presente trabalho busca apresentar a possibilidade de utilização de uma atividade experimental com o uso de TDIC, de forma síncrona (BORDIN et al ., 2020), tendo em vista um tema relevante da FMC.

Algumas confusões têm sido feitas a respeito da famosa experiência de 1897 envolvendo a carga e a massa do elétron, originalmente realizada por Sir Joseph John Thomson (THOMSON, 1906). Primeira: os textos ora usam e m / , ora usam me / , o que não é necessariamente um problema, mas que pode causar confusão para alguns estudantes. Na verdade, na palestra ( Lecture ) do Prêmio Nobel de 1906, Thomson calcula e m / . Segunda: neste trabalho (o que pode significar que: 'até então'), o autor não afirma em momento algum que os Raios Catódicos estudados são compostos por elétrons, sempre usando a expressão ' corpuscle s ( )', isto é, 'corpúsculo(s)'. Terceira: no trabalho, em nenhum momento o autor relaciona o elétron à carga elementar ( e ), mas ele chama a carga elétrica negativa do raio catódico de e . Somente com o desenvolvimento posterior da física, por exemplo, quando Millikan realiza o experimento da gota de óleo, é que o conceito de elétron passa a ser consolidado (BEZERRA JR, 2015). Por se tratar de um conceito fundamental da física, resta evidente a importância do desenvolvimento de recursos modernos para seu ensino.

Do ponto de vista do desenvolvimento histórico da noção de elétron, cabe destacar três aspectos: o primeiro é que Thomson considerava os raios catódicos como sendo formados por corpúsculos negativos (ideia apropriada por Thomson a partir dos resultados de Jean Perrin, de 1895), pois estes se desviavam em campos

magnéticos e elétricos como uma carga negativa o faria. O segundo é que estes corpúsculos seriam provenientes do cátodo (daí o nome de Raios Catódicos), carregado positivamente; de fato isto era caracterizado usando como exemplo o Experimento da Cruz de Malta (esta feita por Sir Willian Crookes), no qual a luz fosforescente proveniente do cátodo (raios catódicos) era bloqueada pela Cruz de Malta no interior do Tubo de Crookes, projetando na parte da frente do tubo de vidro uma sombra, na forma desta cruz. A partir daí, Thomson apresenta um 'retrato falado do elétron', com as seguintes características: 1) o corpúsculo é proveniente do cátodo (podemos entender aqui, como fazendo parte da matéria, uma vez que o cátodo é um material constituído de matéria e apresenta massa); 2) descreve este corpúsculo sem lhe atribuir a carga elementar ou a carga do elétron, mas que deve ser negativa. A seguir, a tradução livre de um extrato da Lecture de 1906:

Exaurindo o tubo de vácuo até que sobre uma pequena quantidade excedente de ar que o torne um condutor, eu fui capaz [...] de obter a deflexão dos raios catódicos. Esta deflexão possui uma direção a qual indica uma carga negativa nos raios.

Logo, os raios catódicos são defletidos por ambas as forças magnéticas e elétricas, exatamente como partículas carregadas negativamente deveriam ser. (THOMSON, 1906)

- 3) Thomson ainda afirma, textualmente, que o corpúsculo deve possuir uma massa 1.700 vezes menor que a do átomo de hidrogênio, claramente com dados da época (com os dados de hoje sabemos que esta razão é aproximadamente 1.800, o que não desabona o trabalho original).

Esta digressão inicial busca situar o problema a partir de uma perspectiva histórica, que é sempre importante no Ensino de Física, enquanto elemento mobilizador de atenção e de discussões. Inclusive, trata-se de material utilizado em aulas síncronas realizadas durante a pandemia da Covid-19, quando a necessidade de manter as atividades escolares alimentadas por meio de tecnologias se impôs (BORDIN, 2020). Neste contexto, um dos desafios foi, justamente, mobilizar recursos para ensinar física. O presente trabalho, portanto, consiste na descrição de um processo em que materiais desenvolvidos em um programa de mestrado profissional da área de Ensino foram articulados em sequências didáticas que objetivaram ao ensino de FMC durante a pandemia. Essas atividades tinham como foco manter a mobilização e engajamento dos estudantes e proporcionar recursos didáticos com o potencial de serem manipulados pelos estudantes, a partir de suas casas.

- O projeto foi desenvolvido em turmas de Ensino Médio ligadas a uma universidade pública. O tema 'Carga/Massa' foi escolhido por se tratar de conteúdo curricular obrigatório. Do ponto de vista metodológico, a ideia foi organizar sequências didáticas tendo como base a utilização de produtos educacionais previamente desenvolvidos em projetos de mestrado profissional. Sendo assim, buscou-se não apenas empregar e aplicar estes produtos, mas também avaliar os efeitos de sua aplicação, em função dos relatórios apresentados pelos alunos e, além disso, da verificação do estado de mobilização das turmas que foi proporcionado pelo uso dos mencionados produtos educacionais.

## Aplicação da Experiência Carga/Massa em sala virtual em tempos de covid

A abordagem da experiência em sala virtual síncrona foi feita em cinco etapas, seguindo um plano de aula elaborado a partir da leitura das dissertações que deram origem ao produto educacional associado ao ensino do tema escolhido.

- O mesmo corpo central do plano de aula foi utilizado com dois grupos principais de alunos, tanto com os alunos do Curso de Técnico Integrado (CTI), equivalente ao Ensino Médio (EM), quanto com os alunos do quinto período de um Curso de Licenciatura em Física (CLF) da mesma instituição. Na turma do CTI, havia 31 alunos matriculados, enquanto na turma do CLF eram 7 alunos.

Segue abaixo as cinco etapas centrais abordadas com os dois grupos principais de alunos:

- 1 a ETAPA -Foi apresentado o vídeo do site Ciência Curiosa (https://youtu.be/42iSu7M\_ghA). Este site fez parte do REA associado à Dissertação de Mestrado de S. A. H. Conceição (CONCEIÇÃO, 2014), que está no Repositório Institucional da UTFPR (RIUT). A intenção era de mostrar o equipamento e a experiência funcionando. Ou seja, passar uma visão geral do experimento de Thomson.
- 2 a ETAPA - Foi mostrado o filme da experiência, que fez parte dos REA associados à Dissertação de Mestrado de M. V. Peres (PERES, 2016), que também está no site do grupo Tracker Brasil (https:// Tracker brasil.ct.utfpr.edu.br/). O produto deste mestrado consiste em várias experiências filmadas, inclusive a Experiência Carga/Massa, para as quais é possível realizar videoanálise diretamente, com os arquivos disponíveis, usando o programa livre Tracker . Ou seja, foi mostrada a experiência que seria trabalhada em aula, com a potencial de apropriação por parte dos alunos.
- 3 a ETAPA -Foi apresentado o software Tracker , onde encontrá-lo (http://physlets.org/ Tracker /) e como instalá-lo nos vários ambientes (Windows, Mac OS, Linux etc.). Ou seja, buscou-se familiarizar os estudantes com o software de videoanálise que seria utilizado.
- 4 a ETAPA - Seguindo o roteiro para a Experiência Carga/Massa, proposto por Peres (2016), buscou-se 'trackear' um vídeo específico e, assim, construir uma planilha com os dados, para realização de cálculos e média. Ou seja, foi realizada a experiência virtual on line -. Com isso, foi possível aos alunos visualizar o experimento e sua obtenção de dados.
- 5 a ETAPA - O professor propôs que os alunos deveriam se reunir em grupos para repetir o experimento, explorando os materiais disponíveis e, depois, apresentar os resultados num relatório, como atividade normal do curso, na forma síncrona. Ou seja, os alunos desenvolveram uma atividade experimental valendo um conceito no resultado ou nota final, isto é, foi feita atividade em home office -.

## Resultados apresentados pelos dois grupos principais de alunos

Para esta etapa, duas ações foram adotadas: a primeira ação foi fornecer três textos (na sala do Google Classroom da respectiva turma) em formato PDF, contendo informações tais como: 1) o elétron como partícula; 2) o elétron como onda (estes dois textos foram retirados de um Livro que está sendo escrito, tendo como objeto a Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio, que consiste no Produto Educacional associado a um doutorado profissional em andamento); e 3) o roteiro da experiência, conforme proposto por Peres (2016). A segunda ação foi, com o intuito de orientar os alunos na organização do trabalho, propor a formação de três grupos e perguntas

norteadoras para o relatório, que deveria incluir introdução, desenvolvimento e conclusão.

## Os resultados experimentais

Para demonstrar a experiência, o professor fez uma apresentação mostrando a forma de usar o Tracker para coletar os dados necessários, em aula síncrona ( on -line ). Apesar de ter sido pedido para os alunos para pesquisarem e apresentarem um resultado teórico para a razão carga/massa, foi tomada a liberdade de fornecer o resultado teórico, entendido como aquele usualmente presente nos textos canônicos, para facilitar o trabalho. Estes resultados prévios são apresentados abaixo na Tabela 1, que contempla o resultado teórico usualmente aceito e um resultado calculado a partir da videoanálise do experimento feita pelo próprio professor (que analisou alguns dos dados disponíveis, em função do tempo disponível na aula síncrona/ live ).

Tabela 1 - Resultado apresentado na ' live ' (o professor demonstrou como fazer o experimento, a partir das instruções disponíveis no produto educacional)

Fonte: autoria própria (2022).

Na sequência, foi solicitado aos alunos para que reproduzissem o experimento em suas casas e, preferencialmente, em grupos que se reuniriam em salas síncronas organizadas pelos próprios alunos. As atividades que se seguiram foram, então, realizadas pelos próprios alunos, durante um período de duas semanas.

Segue, na Tabela 2, um resumo com os resultados do primeiro grupo de alunos do Curso de Técnico Integrado, equivalente ao Ensino Médio, no qual os estudantes foram divididos em sete equipes:

Tabela 2 -Experiência Carga/Massa - resultados experimentais obtidos pelos estudantes do Curso Técnico Integrado (CTI)

A mesma atividade foi realizada com os alunos do quinto período do Curso de Licenciatura em Física, estes foram divididos em três equipes. Seguem, na Tabela 3, os resultados experimentais das três equipes:

Tabela 3 -Experiência Carga/Massa - resultados experimentais obtidos pelos estudantes do Curso de Licenciatura em Física (CLF)

Fonte: própria (2022).

A partir dos resultados apresentados nas Tabelas 2 e 3, observa-se que, salvo um grupo, os estudantes foram capazes de utilizar os REA disponibilizados nas aulas para realizarem eles mesmos os experimentos, obtendo resultados interessantes e compatíveis com os valores usualmente aceitos para as grandezas medidas.

## Quanto aos resultados experimentais

## Analisando o resultado do primeiro grupo de alunos

Usando apenas os valores numéricos como critério, vemos que quase todos os alunos do CTI foram capazes de reproduzir tanto a experiência quanto os resultados (todos optaram por planilha do Excel, para fornecer os resultados). O resultado da Equipe 4 ficou muito fora do esperado, mas como a equipe apresentou a planilha com os dados, fica razoável concluir que entenderam e reproduziram a experiência, apenas na hora de fornecer os resultados se esqueceram de converter o raio da trajetória do feixe de elétrons de centímetros para metro (o resultado está no Sistema Internacional de Unidades - SI), mas esta é apenas uma correção na potência de dez.

## Analisando o resultado do segundo grupo de alunos

O resultado dos alunos do CLF está um tanto disperso. A primeira equipe apresentou um resultado dentro do aceitável, a segunda equipe, nem tanto, mas a terceira equipe teve o problema de apresentar massa/carga e não carga/massa, que convertido para carga/massa produziria e m / e  7,7  10 10 C/kg, que ainda apresentaria problemas. Mas, ainda assim, foram capazes de reproduzir a experiência - e o professor pode retomar o assunto de modo a que os estudantes refizessem os procedimentos, portanto, com esta retomada, todos os estudantes tiveram a oportunidade de compreender e obter resultados mais coerentes.

## Quanto aos materiais em PDF fornecidos

## Analisando o resultado do primeiro grupo de alunos

Seis das sete equipes opinaram. Seguem alguns comentários, registrados em diário de campo: 'foi de grande auxílio' (Equipe 1), 'foi de grande utilidade' (Equipe

- 2), 'foram indispensáveis para a conclusão' (Equipe 3), 'foi de grande ajuda' (Equipe
- 4), 'ajudou, em sua grande parte' (Equipe 5), 'os materiais fornecidos foram de extrema importância' (Equipe 6).

## Analisando o resultado do segundo grupo de alunos

As três equipes assim entenderam: 'Os documentos fornecidos foram de grande auxílio' (Equipe 1), 'o pdf com o relatório foi muito útil' (Equipe 2) e 'parece de fácil entendimento tanto para o professor quanto para o estudante' (Equipe 3).

Para este segundo grupo, foi proposta mais uma pergunta, tendo em vista que se tratava de uma turma de professores em fase inicial de formação: 'este experimento pode ser aplicado no Ensino Médio?'. Nas respostas, foram registradas falas tais como as seguintes: 'A experiência pode ser proposta em sala de aula' (Equipe 1); 'Essa proposta ficaria muito bem no ensino médio EAD' (Equipe 2); 'Para a utilização no ensino de física nos anos finais do ensino médio, acho uma experiência um pouco complicada' (Equipe 3). Ou seja, também foi possível utilizar as atividades para problematizar, com os professores em formação, o uso de TDIC em sala de aula.

## Considerações finais e conclusão

Dos resultados experimentais e da forma como foram colocados no relatório final, fica claro que tanto os alunos do Curso de Técnico Integrado (Ensino Médio) quanto do Curso de Licenciatura em Física entenderam a Experiência Carga/Massa, apesar das dificuldades de conexão com a Internet e de que muitos tenham acompanhado a experiência por celular. Ou seja, devido aos resultados apresentados pelos alunos, em seus relatórios e a forma que chegaram nos resultados, fica claro que a experiência foi compreendida, o que é conformado pelas falas dos próprios alunos que foram registradas em diário de campo do pesquisador. Neste sentido, nota-se que o produto do mestrado profissional que serviu de inspiração e de material para as aulas pode efetivamente ser aplicado em sala de aula, mesmo num contexto em que os encontros ocorram à distância. Trata-se, portanto, de uma validação inicial da aplicação do referido material. Neste contexto, o presente trabalho dialoga com aquele, servindo de complemento e de exemplo para que outros docentes possam utilizá-lo em sala de aula. Assim, a utilização crítica de produtos educacionais previamente desenvolvidos pode ser um instrumento de validação a posteriori dos produtos e, além disso, também pode servir como uma maneira de ressignificar os produtos originais, tendo em vista os novos contextos em que estes passam a ser utilizados. Por isso, é importante observar critérios de validação, inclusive, estar em sintonia com discussões contemporâneas da área de Ensino como, por exemplo, as que sugerem dar maior visibilidade aos Produtos Educacionais produzidos nos Programas de Pós-graduação profissionais, 'da mesma forma que damos publicização aos artigos em periódicos da Área' (RIZZATTI et al ., 2020).

Vale ainda destacar que, de acordo com os próprios alunos do quinto período da Licenciatura em Física, esta experiência pode ser aplicada em sala de aula, ainda que alguns acreditem que ela apresente um certo grau de dificuldade. Tendo em vista esta impressão que os licenciandos manifestaram, o professor decidiu por apresentar alguns resultados que haviam sido obtidos pelos estudantes do CTI (Ensino Médio), o que causou estranhamento nos estudantes de licenciatura, tendo em vista que todas estas equipes do CTI de fato fizeram a experiência e apresentaram resultados razoáveis. Portanto, evidencia-se aqui que os docentes em formação puderam ter

acesso a uma TDIC (no caso a videoanálise com o programa Tracker ), por meio da mediação realizada por um produto educacional estruturado e, além de realizarem eles mesmos os experimentos, ainda puderam perceber que os estudantes de Ensino Médio também foram capazes de utilizar as ferramentas, realizar atividades relativamente complexas de coleta de dados, produção de gráficos, obtenção de resultados experimentais e apresentação de relatórios; sendo assim, todo o processo serviu de exemplo de como o professor pode proceder em sala de aula - o que assumiu um caráter mobilizador, particularmente no contexto das aulas síncronas durante a pandemia. Além disso, de acordo com os resultados desta pesquisa, demonstrou-se que os estudantes compreenderam a dinâmica de usar o programa Tracker e de fazer videoanálise, tendo sido capazes de realizar o experimento de Carga-Massa, que era a proposta inicial do trabalho.

Concluímos, então, que a famosa e histórica Experiência da Carga/Massa de Sir J. J. Thomson pode, sim, ser utilizada no Ensino Médio, no formato de videoanálise, usando o programa Tracker . Inclusive, fica demonstrada a possibilidade de fazê-lo em aulas síncronas, no contexto do necessário isolamento por conta da pandemia. Este resultado aponta para a importância do desenvolvimento de produtos educacionais de qualidade, em programas de pós-graduação pautados e orientados pelo compromisso com a Inovação, Aplicação e Impacto (RIZZATTI et al ., 2020) daqueles produtos. Tal possibilidade, portanto, se deve à disponibilidade de produtos educacionais elaborados no âmbito de um programa de pós-graduação stricto sensu na categoria profissional. Os resultados aqui apresentados podem contribuir para algumas discussões atuais que mobilizam a comunidade de Ensino, particularmente as que se referem aos critérios e validação de produtos educacionais, com atenção especial para os recentes programas de doutorado profissional aprovados pela CAPES.

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