Um projeto para o ensino da Óptica para jovens e adolescentes

## Um projeto para o ensino da Óptica para jovens e adolescentes

Paschoal Messere e Castro (pasch0@aol.com) a

A Dias Tavares, Jr. b (tavares@uerj.br)

a DEQ - IF/UERJ, R. S. Francisco Xavier 524; Rio de Janeiro/RJ, 20559 900 Brasil

b DEQ - IF/UERJ, R. S. Francisco Xavier 524; Rio de Janeiro/RJ, 20559 900 Brasil

## Resumo

É um projeto para elaboração de conjunto de experimentos que emprega materiais como espelhos, prismas, lentes, câmara escura, tinta, etc., para a facilitar o ensino e a aprendizagem dos três fenômenos básicos da Óptica geométrica: propagação em linha reta, reflexão e refração. Este conjunto de experiências se consolida em um estojo com os componentes para montagem dos dispositivos usados nas diversas experiências. É concebido, para com um mínimo de componentes, permitir o máximo de possibilidades de experimentos e demonstrações. O estojo visa a ocupação mínima de espaço facilitando organização e transporte. As peças, ainda que não de início, serão construídas de materiais acessíveis, entenda-se: baratos e disponíveis, para facilitar a construção de estojos iguais ou semelhantes de acordo com as instruções incluídas. Isto tornará as experiências acessíveis à maioria dos alunos do ensino médio e fundamental. A didática empregada tem por base as teorias de Vigotsky, Tieberghien e Leontiev, cujos principais pressupostos teóricos metodológicos são: O conhecimento da estrutura cognitiva do aluno como ponto de partida para a construção do conhecimento, a metodologia científica, o trabalho coletivo e dirigido, a motivação e ação e o conceito de zona de desenvolvimento proximal. Baseado nestes pressupostos, cada experimento é formado por uma introdução histórica sobre o assunto, uma introdução sobre a teoria envolvida, a experiência em si, uma aplicação prática e uma aplicação lúdica. A organização do estojo é horizontal com relação ao conjunto de experimentos e vertical no tocante a cada deles. O trabalho coletivo e dirigido p ode ser feito por estudos de casos, mesas redondas etc. Na finalização de cada experimento é feita uma prova operatória nos moldes propostos por Ronca e Terzi.

## 1. Introdução

O núcleo do trabalho do projeto consiste no desenvolvimento de um conjunto de experiências, atividades lúdicas e aplicações práticas associadas a cada conceito a ser ensinado por meio de estudos dirigidos. Os temas abordados são pertinentes à Óptica do núcleo pedagógico do ensino médio e fundamental, ou seja, Óptica geométrica. A Óptica é um dos ramos da Física que desperta grande interesse nos estudantes. Infelizmente, a ausência de laboratórios equipados para demonstrações e trabalhos práticos faz com que muitos professores se sintam tolhidos ao ministrar aulas dessa disciplina ao passo que os alunos se desinteressam da mesma. Portanto, a elaboração de um conjunto de experimentos aliado a um método de trabalho com embasamento pedagógico consistente facilitará muito a transmissão dessa importante disciplina.

Inicialmente este conjunto de atividades será desenvolvido, em caráter experimental, no Instituto de Aplicação Fernando Rodrigues da Silveira /UERJ, com apreciação dos alunos e observações para futuras melhorias de procedimentos e materiais. Depois de testadas as experiências, as atividades lúdicas e as aplicações práticas, será desenvolvido um estudo para determinação exata dos materiais e componentes a serem empregados em função de custos e facilidade de obtenção dos mesmos. Será fornecida também uma listagem de materiais alternativos para as experiências, otimizada para a feitura do estojo. O objetivo prático essencial é a realização de um projeto viável e adequado à realidade econômica da maioria da população de estudantes do

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ensino médio e fundamental, mas ao mesmo tempo abrangente, atraente e efetivo no ensino da Óptica.

## 2. Descrição e metodologia

## 2.1 Tópicos abordados

Os temas a serem abordados estão esquematizados abaixo com as respectivas atividades lúdicas e aplicações práticas associadas.

## · Propagação da luz em linha reta:

- · Histórico[1] [2] [5] [6]: Primeiras teorias, "Óptica" de Euclides (280 A.C ), "Catóptica" de Heron de Alexandria ( 100 A.C. ), Abu Ali Mohamed Ibn Al Hasan Ign Al Haythan, chamado "Alhazen" (965-1039 D.C. ).
- · Introdução teórica: Propagação da luz, fontes pontuais e extensas, formação de sombra e penumbra [3] [6] [7].
- · Experimento: Formação de imagens e proporcionalidade das mesmas utilizando câmara escura.
- · Aplicação prática: Câmara fotográfica utilizando a técnica artística de "Marrom de VanDick".
- · Atividade lúdica: Projetor de imagens.
- · Questões pertinentes para o estudo dirigido.
- · Prova operatória (segundo Ronca e Terzi).
- · Orientação sobre como construir os dispositivos.

## · Reflexão:

- · Histórico [5]: Primeiras teorias, "Óptica" de Euclides (280 a.C.), "Catóptica" de Heron de Alexandria (100 a.C.), Abu Ali Mohamed Ibn Al Hasan Ign Al Haythan, chamado "Alhazen" (965-1039 d.C.), Aristóteles.
- · Introdução teórica [3] [6] [7]: Mecanismo de formação de imagens em espelhos planos, asféricos e esféricos.
- · Experimento: Formação de imagens e proporcionalidade das mesmas utilizando a câmara escura. Prismas reflexivos.
- · Aplicação prática: Retrovisor, fibra óptica, espelho clínico, periscópio e forno solar.
- · Atividades lúdicas: Telescópio Newtoniano, caleidoscópio e pantógrafo.
- · Questões pertinentes para o estudo dirigido.
- · Prova operatória (segundo Ronca e Terzi).
- · Orientação sobre como construir os dispositivos.

## · Refração:

- · Histórico [1] [2] [3] [5]: Primeiras teorias, "Livro V de Óptica" de Claudius Ptolomeu (100170 a.C.), "Dióptrica" de Johannes Kepler (1571-1630 d.C.), Willebrod Snell (1591-1626 d.C.), René du Perron Descartes (1596-1650 d.C.).
- · Introdução teórica: Lei de Snell-Descartes, princípio de Fermat, enunciado original do princípio de Fermat.
- · Experimento: Desvio do feixe d e luz em lâminas de faces planas paralelas, decomposição da luz, demonstração da transmissão de energia pelo infravermelho e pelo ultravioleta, síntese aditiva e subtrativa, mecanismo de formação de imagens com lentes. Determinação do índice de refração de substâncias líquidas transparentes (água, óleo, álcool, éter, etc.).
- · Aplicação prática: Lupas e periscópios.

- · Atividades lúdicas: Pantógrafo e lupa.
- · Questões pertinentes para o estudo dirigido.
- · Prova operatória (segundo Ronca e Terzi).
- · Orientação para a construção dos dispositivos.

## 2.2 As etapas para o desenvolvimento do método e seus instrumentos

## Haverá quatro etapas:

- · Construção das experiências com a determinação dos materiais, estudos dirigidos, teorias, orientação -serão determinados os experimentos, atividades lúdicas e aplicações práticas pertinentes a cada experiência, bem como a escolha dos materiais e procedimentos mais adequados obedecendo sempre ao princípio do acesso ao material e facilidade de construção como uma prioridade.
- · Teste do projeto com alunos jovens e adolescentes do ensino médio e fundamental - os experimentos serão testados, serão feitos questionários e pedidos de sugestões visando aperfeiçoar as práticas e modificá-las em função da conveniência da maioria dos alunos.
- · Correção das falhas com análise estatística de resultados -serão feitas as modificações pertinentes convenientes.
- · Formação final do projeto - será feito o 'layout' final segundo orientação e conveniência do professor responsável pelo projeto

## 2.3. Cronograma

A primeira e segunda etapas demandam mais tempo em função da pesquisa de materiais, que deve ser feita em um primeiro momento, mas talvez tenha que ser aperfeiçoada. A construção do estojo na forma inicial demanda 15 dias, o teste do projeto deverá ser feito durante um mês e os aperfeiçoamentos deverão demandar 60 dias.

## 2.4 Atividades desenvolvidas no projeto

Inicialmente foram determinados os temas principais que norteariam a construção das experiências. Para estudantes de níveis médio e fundamental os conceitos fundamentais a serem abordados são:

- · Propagação da luz em linha reta.
- · Comportamento da luz na reflexão.
- · Comportamento da luz na refração.

Estes são os princípios básicos que presidem a construção dos conceitos em Óptica geométrica. A partir destes conceitos chave, serão feitas experiências sobre formação de imagem em uma câmara escura, formação de sombra e penumbra, proporcionalidade das sombras e imagens formadas, igualdade entre o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão, teoria de Heron de Alexandria, Alhazen, Snell-Descartes, formação de imagens por lentes, formação de imagens por espelhos esféricos, formação do espectro visível e transferência de energia no infravermelho.

Os aspectos históricos e a evolução histórica relacionadas às experiências também foram pesquisadas e encontradas em quantidade satisfatória para os fins almejados. Todas as experiências virão acompanhadas de um fato histórico a nível mundial.

Durante o elaboração do projeto alguns procedimentos para fabricação de prismas, lentes, espelhos, caleidoscópios, prismas tipo 'hollow prism', canhões de luz branca e colorida (azul,

vermelho e verde), laser de semicondutor, células fotoelétricas, polarizadores, câmaras escuras, material fotográfico tipo marrom de VanDick, tintas, foram obtidos com êxito.

É muito importante frisar que um dos objetivos do projeto é permitir o acesso fácil de jovens e adolescentes a materiais básicos para o ensino dos conceitos fundamentais da Óptica. Foram elaboradas listagens de fornecedores dos materiais ou de onde consegui-los nos materiais do dia a dia. Também Tem sido pesquisados os procedimentos para fabricação de lentes, prismas e espelhos planos e esféricos. Assim, quem desejar ter o seu próprio material específico para uma determinada experiência, t erá as indicações de como fazê-lo sem necessidade de recorrer ao estojo. Foi pensada também a otimização do uso dos componentes; assim, por exemplo, o material usado na câmara escura é usado como projetor e usado também como câmara fotográfica. Em sua essência, o princípio é o mesmo.

## 3. Conclusões

- O projeto exposto acima e que está em sua fase final de implementação permitirá que, com um custo muito baixo, possa ser feito todo um trabalho pedagógico com forte base experimental e aplicada, visando o fortalecimento do ensino de Óptica na escola média.
- O projeto permite também que professores e estudantes interessados possam prosseguir de modo independente no estudo de fenômenos ópticos e suas aplicações. Acreditamos que será possível preencher uma grande lacuna existente no ensino de Óptica e atrair um numero maior de estudantes para a Física.
- O sistema elaborado permite ainda boa dose de aprendizado transversal bem como a transferência de conhecimentos. O estudante aprenderá a fazer experimentos com materiais encontráveis no dia a dia. Isso contribui certamente para a desmistificação da ciência, tão presente na informações que chegam aos estudantes.

Finalmente, acreditamos que este projeto contribuirá grandemente para a ampliação das bases para o crescimento de uma economia de cunho tecnológico que é a formação em escala de profissionais interessados em ciência e tecnologia.

## 4. Referências

- [1] Klein, Miles V.; Furtak, Thomas E., Optics , Second Edition, John Wiley & Sons, Singapore, 1986, ISBN 0-471-84311-3.
- [2] Hecht, E.; Zajac, A., Optics , Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Massachussets, 1979.
- [3] Alonso, M.; Finn, E. J., Física, um curso universitário, 9 reimpressão, Editora Edgard Blücher a Ltda., São Paulo, 2001, ISBN 85-212-0038-2.
- [4] Arruda, José Ricardo Campelo. Um modelo didáctico para enseñanza y aprendizaje de la física . Ver. Bras. Ens. Fís., vol. 25, no 1, p 86-104. ISSN 0102-4744.
- [5] Ronan, Colin A., Histoire Mondiale des sciences , Éditions du Seuil, Paris IV , 1988. ISBN 2e 02-010045-2.
- [6] Einstein, A.; Infeld, L., L'évolution des idées em physique , Flammarion, Paris, 1983. ISBN 208-081119-3.
- [7] Pelegrini, Márcio, Minimanual compacto de física , Reedel, São Paulo, 1999. ISBN 85-3390292-1.