UMA ANÁLISE DE APPLETS DE FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA PARA O ENSINO MÉDIO.

Uma Análise de A Applets de Física Moderna e Contemporânea para o Ensino Médio Davidson Rezende Viana (davidsonviana@yahoo.com.br)

João Antônio Corrêa Filho (jcorrea@ufsj.edu.br)

Departamento de Ciências Naturais

Universidade Federal de São João del Rei

Praça Dom Helvécio, 74 – – – Fábricas

36301 - 160 - São João del Rei – – – MG

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## Resumo

O ensino de Física Moderna e Contemporânea na Escola Básica vem sendo há tempo objeto de estudo por especialistas na área de ensino. Diversos são os fatores que têm dificultado a inserção desse tema no Ensino Médio como formação de professores; carga horária reduzida e conteúdo grande da Física Clássica. Ao mesmo tempo, soluções têm sido apontadas como o uso de applets no auxílio da aprendizagem de física. Dentro deste contexto, nosso trabalho consistiu numa análise de applets na área de ensino de Física Moderna e Contemporânea, visando identificar r as potencialidades de uso desses que contribuam significativamente para o processo de ensino-aprendizagem. A escolha dos applets para o presente estudo partiu de alguns critérios como applets disponíveis na Internet, em sites de universidades federais no Brasil que oferecem curso de Licenciatura em Física. Procurou-se tatambém applets em sites estrangeiros que tivessem mesmo conteúdo para permitir comparações entre eles. As análises foram realizadas procurando identificar as potencialidades dos applets como o grau de interatividade deles com o usuário, entre outras. Os resultados mostram que os applets ininvestigados apresentam poucas informações sobre o uso e sobre o fenômeno simulado e, principalmente, não vêm acompanhados de propostas pedagógicas. Nesse sentido, apontamos algumas propostas.

Palavras -chave:Applets; Física a Moderna; Ensino Médio.

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## 1. Introdução

Nos últimos anos, muitos trabalhos têm sido realizados por pesquisadores da área de educação sobre o ensino de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Ensino Médio. Muitos desses abordam o tema de maneira diversificada e abrangente como no trabalho de Ostermann & Moreira (2000, p.23), que consideram um desafio colocarem muitas das reflexões feitas acerca de uma proposta de mudança do currículo (atualização curricular), na prática da sala de aula. Dentro dessa mesma linha, Máximo & Alvarenga (1997, p.16) propõem que temas de Física Moderna devem ser abordados simultaneamente aos conceitos clássicos. Outros trabalhos fazem uma abordagem mais singular r ao discutir e propor que os temas sejam desenvolvidos com uso de recursos computacionais (Rosa, 1995; Silva, 1997), de auxílio de textos de divulgação científica, de encenação teatral etc. Este trabalho foca -se no uso de recursos computacionais para o ensino de FMC.

Carlos Fiolhais e Jorge Trindade (2003, p.2) destacaram a importância do uso do computador no processo de ensino-aprendizagem:

"Aos computadores cada vez mais velozes e cada vez com maior capacidade de tratamento e de representação de dados, juntaram-se modernamente novas interfaces entre homem e

máquina (...) surgiram, assim novas oportunidades de usar tecnologias da informação na educação e de concretizar com elalas novas formas de aprendizagem " .

Diante disso, algumas vantagens em se utilizar computadores para o ensino de Física são:

- · A investigação de modelos da Física, sobretudo da FMC, torna-se possível para o aluno do Ensino Médio, em casos onde não existem laboratórios ou condições para realizar experimentos que exijam materiais que muitas vezes são de alto custo, ou de difícil acesso;
- · Computadores permitem realizações de cálculos automaticamente que podem facilitar o entendimento de modelos de sistemas estudados em Física, sem recorrer a ferramentas matemáticas mais sofisticadas, que basicamente não constam da ementa das disciplinas do Ensino Médio;
- · É possível simular experimentos envolvendo um grande número de variáveis , eventualmente presentes no ambiente real de um laboratório;
- · Desenvolvimento de técnicas de solução de problemas observando modelos virtuais e analisando aspectos não perceptíveis em problemas escritos, nos processos dinâmicos de sistemas físicos;
- · Podem servir para aproximar alunos que muitas vezes não apresentam interesse pela Física e talvez o tenham em áreas relacionadas à ininformática. (O professor pode explorar também a interdisciplinaridade para atrair a atenção dos alunos para a Física).

Ainda, segundo Carlos Fiolhais e Jorge Trindade (2003, p. 1),

- "O potencial pedagógico dos computadores só poderá ser plenamente realizado se estiverem disponíveis programas educativos de qualidade e se existir uma boa articulação deles com a prática". .

Como programas educativos, podemos citar os applets, programas de computador escritos na linguagem de programação Java, baseada na linguagem C, que permite desenvolver programas independentes do sistema operacional. Tal linguagem Java é padrão para construção de sites, que podem ser anexados em documentos HTML (sigla inglesa para Hypertext Markup Language, ou Linguagem de Marcação de Hipertexto), sendo, portanto, um recurso de fácil aquisição e de baixo custo, uma vez tendo um microcomputador e um acesso à Internet.

Assim, muitas simulações ou experimentos virtuais, em especial, os sobre fenômenos físicos, são applets . Neste contexto, este trabalho apresenta uma crítica de potencialidades didáticas de alguns applets disponíveis na Internet, que possa auxiliar o professor de física no ensino médio.

As simulações de experimentos são baseadas nos modelos ou nas teorias da Física, ou seja, são aproximações da realidade que mostram acontecimentos capazes de melhorar nosso entendimento sobre um fenômeno, sem representá-lo perfeitamente. O professor deve atentarrse para os efeitos mostrados nos experimentos, porque as relações entre causa e efeito muitas vezes não são explicadas ou mostradas, cabendo ao professor fazer a devida inserção de informações necessárias, que possibilitará uma melhor assimilação e interesse dos alunos pelo assunto.

Por fim, este trabalho faz parte de um conjunto de ações previstatas no Programa de Melhoria de Ensino de Ciências na Escola Básica da Região do Campo das Vertentes, da UFSJ, que vem trazendo as idéias discutidas nessa linha de pesquisa e, a partir disto, propondo e criando meios de articular a pesquisa com a extensão universitária na Região.

## 3. Objetivo

Analisar applets disponíveis na Internet de experimentos de Física Moderna e Contemporânea, visando uma crítica de potencialidades didáticas dos mesmos.

## 4. Metodologia

A partir dos sites de universidades federais citados pela Associação Nacional de Dirigentes de Instituições Federais de Ensino Superior (ANDIFES), procuramos selecionar aquelas que oferecem curso de Licenciatura em Física, para verificar em quais sites continham applets de experimentos de FMC, ou que esestes indicavam outros que pudessem conter os applets . Analisamos as páginas de graduação em Física dessas universidades para identificar acessos diretos a tais applets ou então recorremos aos buscadores dos próprios sites , através das seguintes palavras de busca: "física moderna", " applet"t", "simulações de experimentos de física" e " softwares de experimentos de física". Com as respostas, investigamos aquelas que continham conteúdos pertinentes à pesquisa, sendo descartadas aquelas que continham arquivos em PDPDF ou mesmo arquivos de Word for Windows (com extensão ".doc"). Os endereços que se encontravam indisponíveis momentaneamente tiveram três tentativas de acessos em dias diferentes entre agosto e novembro de 2005 , sendo que, se não foi possível o acesso nessas três tentativas, o endereço foi descartado da pesquisa.

No primeiro momento, consideramos somente os applets com visual gráfico em português (do Brasil) ou que viessem acompanhados de informações em português (do Brasil). Analisamos também, somente os sites que tratam de FMC de maneira mais adequada para aluno do Ensino Médio. Ou seja, o nível de complexidade dos experimentos virtuais também foi levado em conta, uma vez que conteúdos de FMC podem se apresentar numa linguagem matemática complexa, que os alunos do ensino médio podem não estar familiarizados como o Cálculo Diferencial e Integral.

Outros critérios que levamos em consideração para a análise dos applets foram interatividade e atratividade dos mesmos, atributos por nós considerados importantes para que o usuário seja instigado e estimulado a sair de uma posição passiva de observador, para a de ativa de experimentador, isto é, possa explorar diversas situações e analisar os resultados com objetivos que poderão ser moldados a partir dos dados de entrada.

## 5. Resultados

Das cinqüenta e cinco universidades federais pesquisadas, do banco de dados da ANDIFES, trinta e nove delas oferecem o curso de Licenciatura em Física. Nos s sites destas, verificamos que em nenhum há applets de FMC, por um lado; por outro lado, em onze desses sites há links s para outros que apresentam algum tipo de applet. Destes, três sites apresentam experimentos em páginas de acesso direto através dos links, sem sair do site da própria universidade (mas tais applets não são produtos dessas universidades). Os cincos applets, que apresentamos a seguir para nossos propósitos, são destes s sites, ou de outros que são indicados pelos s sites das universidades.

Applet t 1: "Teoria da Relatividade: um exemplo de dilatação do tempo". Disponível em: < http://www.walter-fendt.de/ph11br/timedilation\_br.htm> e indicado no site <http://w/www.df.ufpe.br/grad/coletanea.htm>. Este applet t pode também ser encontrado em links s de outras universidades federais como nas do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Paraíba (UFPB). Trata-se de um applet que simula, ainda que de maneira muito simples, o deslocamento de uma espaçonave por uma distância de 5 horas-luz, como a distância da Terra até o planeta Plutão. A intensidade dos efeitos relativísticos dessa viagem pode ser observada, variando velocidade da nave através de botões disponíveis acima da imagem do

experimento. É mostrado que o ponteiro do relógio da espaçonave se movimenta mais devagar do que os relógios postos na Terra e em Plutão.

Applet t 2: "Física Atômica: teoria de Bohr do átomo de hidrogênio". Disponível em: <http://www.walter-fendt.de/ph11br/bohrh\_br.htm> e indicado no site <http://w/www.df.ufpe.br/grad/coletanea.htm>. Este applet t pode facilitar o entendimento do modelo atômico de Niels Bohr e trata de conceitos da natureza dual da matéria (muito discutidos nos primórdios da Teoria Quântica). Pode-se optar pelo modelo ondulatório, ou o de partícula para o elétron em seus níveis em torno do núcleo atômico. Há a opção de escolha do número quântico principal para os dez primeiros níveis de energia e um diagrama desses níveis que acompanha a órbita escolhida para o elétron. Ao clicar sobre o elétron (onda ou partícula), pode-se arrastá-lo de uma órbita para outra e observar os valores de raio e energia das órbitas correspondentes.

Applet t 3: " Efeito Fotoelétrico " . Disponível em: <http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica3/laboratorio/fotoeletrico/fotoeletrico.htm> e indicado pelo site <http://www.ufpa.br/ccen/fisica/interativa.htm>. Este applet t é apresentado primeiramente na página e, a seguir , traz uma introdução histórica do efeito fotoelétrico e de uma descrição do mesmo. Há possibilidade de trabalhar com a questão da freqüência mínima necessária para o efeito ocorrer, a qual depende da substância que pode ser escolhida na parte superior do software. Pode visualizar a luz incidindo em vários metais e os elétrons sendo emitidos. Isto depende do comprimento de onda (que pode ser controlado por uma barra de rolagem), e não a intensidade da luz.

Applet t 4: " Efeito Fotoelétrico". Disponível em: <http://www.walterfendt.de/ph11br/photoeffect\_br.htm> e indicado no site <http://w/www.df.ufpe.br/grad/coletanea.htm>. Trata-se de uma simulação de uma montagem experimental para o arrancamento de elétrons de um material com um feixe de luz vindo de uma lâmpada de mercúrio. O tipo de material pode ser escolhido pelo usuário. O comprimento de onda da luz, que passa por um colimador, pode também ser escolhido (há cinco opções diferentes). Através de uma barra de rolagem , controla -se a voltagem do circuito acoplado ao cátodo, dificultando ou facilitando a emissão de elétrons. Tal efeito é detectado por um amperímetro que está ligado a um amplificador. Uma vez escolhidos uma linha espectral e um material do catodo, procura-se então variar a voltagem até um valor tal que um ponto será colocado no gráfico da voltagem contra a freqüência. À medida que outras linhas são escolhidas e a voltagem trocada, outros pontos surgirão no gráfico, que irão determinar uma reta, cujo coeficiente angular pode ser utilizado para calcular h, a constante de Planck.

De acordo com as opções tomadas, a energia do fóton, a função trabalho a ser vencida pelo elétron e a energia cinética máxima de um elétron que sai do material são apresentadas.

Applet t 5: "Irradiação Térmica". Disponível em: <http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica3/laboratorio/irradiacao/irradiacao.htm> e indicado no site <http://www.ufpa.br/ccen/fisica/interativa.htm>. Este applet possibilita melhorar o entendimento de um dos conceitos chave da Física Quântica: a irradiação ou radiação térmica. Nele, pode-se escolher a temperatura de um corpo e observar num gráfico a distribuição da intensidade da radiação como uma função do comprimento de onda da radiação eletromagnética emitida por esse corpo.

Aparecem quatro círculos cheios, um vermelho, um verde, um azul e um que varia sua cor. Os três primeiros representando, respectivamente, as porcentagens de intensidade das mesmas cores emitidas pelo corpo numa dada temperatura em kelvin; e o quarto círculo representa a cor aparente visível do corpo para a referida temperatura. O valor da temperatura pode ser controlado de zero até dez mil kelvin através da barra de rolagem, ou inserindo o valor exato da mesma na caixa própria para isso.

A seguir apresentamos pontos importantes a serem destacados de cada applet t e comparamos estes com outros de sites estrangeiros, visando apontar potencialidades de tais applets para o auxilio no ensino de FMC.

## 6. Discussões

O applet t 1, "Teoria da Relatividade: um exemplo de dilatação do tempo", é simples e fácil de ser apresentado aos alunos do Ensino Médio. Pode também ser trabalhado levando em conta os aspectos informais relacionados ao assunto como a questão das viagens espaciais a altas velocidades, tão freqüentes em filmes de ficção científica, que podem ser chave para uma discussão, e para os alunos refletirem sobre a possibilidade e conseqüência dessas viagens, levando em conta os efeitos relativísticos.

Para efeitos de comparação, encontramos um applet, do California Institute of Technology's Information Technology Services (site americano todo em inglês) no endereço < http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/Einstein/Einstein.html> a partir do site de busca <http://w/www.google.com.br> , para comparar as vantagens e desvantagens deste, com o applet 1. Acessando o referido endereço e escolhendo o applet t "Exp 2 Flying Clocks" , este simula um relógio viajando pelo espaço a a certa fração da velocidade da luz, que pode ser diminuída ou aumentada até um limite , em relação a outro relógio em repouso, tomado como referência. Na medida em que se aumenta o valor da velocidade do primeiro relógio, observa -se claramente o efeito relativístico da dilatação do tempo, pois há uma diferença no movimento dos ponteiros. Este applet, certamente traz elementos diferentes do applet t 1 que, para fins didáticos, podem ser muito úteis como o gráfico das posições dos dois relógios para ser explorado pelo professor. Há um histórico da relatividade especial que também é interessante, mas escrito em inglês.

O applet t 1 tem menos instruções para utilizá-lo, contudo, traz um visual gráfico mais colorido e chamativo em relação ao applet "Exp 2Flying Clocksks". Os dois applets exploram a interação com o usuário a partir do controle da velocidade da viagem, que é o fator determinante do efeito simulado (dilatação do tempo). Também ambos são simples e tratam bem o fenômeno de modo que podem ser utilizados, por exemplo, para ilustrar aulas em que o tema dilatação do tempo for tratado, sem exigir muitas aulas.

Com relação ao applet t 2, este não traz nenhuma explicação ou dica para a utilização, o que pode fazer com que o usuário deixe de aproveitar todas as opções por falta de informação. Não há um histórico do modelo atômico, que seria interessante para ser trabalhado em sala de aula. Um applet t escolhido para efeitos de comparação, que denominaremos de applet t 2' foi encontrado em um site indicado por professores da UFSJ no endereço eletrônico: < http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/pozo/caja.htm> (em espanhol). Este traz em si opções de controle similares ao applet t 2 como a escolha do número quântico principal e a opção de onda ou partícula para o elétron. Todavia, no applet t 2' há uma descrição teórica do modelo, diagramas, equações com explicações e dicas para utilização , que não se encontram no applet t 2, e que certamente são importantes para se trabalhar, pois, o modelo atômico tem toda uma fundamentação teórica que, se trabalhada em sala de aula, traria informações mais completas acerca do assunto.

No applet t 3, através da barra de rolagem, pode-se obter o comprimento de onda (aproximado) que excita os elétrons de cada metal. Este applet t não apresenta a mesma limitação do applet t 4, em que há cinco opções pré-definidas para o comprimento de onda. No entanto, este último envolve componentes elétricos como resistores, voltímetros e fontes de corrente alternada para tratar do efeito fotoelétrico, trazendo maior possibilidade de discussão acerca destes componentes envolvidos na montagem experimental e a observações sobre o efeito a partir das mudanças quando se manipula a voltagem. E como tal, a possibilidade de explorar todas as opções que este applet t oferece seria mais vantajosa com alunos da terceira série do ensino médio, na qual tradicionalmente eles estudam os conteúdos de eletromagnetismo presentes no applet.

Percebemos que o applet t 3 traz uma maior simplicidade na sua montagem com um visual gráfico mais atrativo, e ao mesmo tempo mais interativo, no sentido em que podemos " observar " os elétrons sendo arrancados do material, quando são feitas as opções que possibilitam a ocorrência do efeito. Já o applet t 4 não é possível observar tal efeito, pois, traz apenas informações sobre quando o efeito ocorre, quais os valores da energia do elétron, entre outras, não mostrando o elétron saindo do material. Este applet t também não traz nenhuma instrução de utilização, ou explicação do efeito simulado, diferentemente do applet 3, em que há um pequeno histórico e instruções para o usuário.

Escolhemos outro applet t que chamamos de applet t 4' para comparação com os applets 3 e 4, pois tratam da simulação do mesesmo efeito, disponível no site < http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm> (em espanhol). Este traz uma descrição detalhada a respeito do efeito, as equações que o descreve, informações históricas, entre outras. Há maior liberdade de escolha dos valores do comprimento de onda, mas a voltagem não pode ser alterada. A quantidade de materiais do catodo (6 materiais), é o dobro da quantidade do applet t 4, mas menor que a do applet 3 (14 materiais). São mostradas a incidência do fóton no catodo e a emissão de elétrons, podendo observar de um a cinco destes com função do número de fótons. Há toda uma montagem detalhada incluindo uma descrição de de como se calcular a constante de Planck a partir dos dados obtidos na simulação, sendo possível enviar esses dados para uma tabela abaixo da janela do applet t e calcular tal constante pela inclinação da reta do gráfico, que é construído com os dados enviados. Este applet t certamente traz mais possibilidades de trabalho em relação aos applets 3 e 4, devido à maior interatividade com o usuário e também pela atratividade que ele oferece.

Finalmente, quanto ao applet t 5, este não traz um histórico do estudo do fenômeno e nenhuma ininformação sobre, por exemplo, no que consiste um corpo negro , ou sobre o postulado de Planck, que estão ligados ao tema, e são muito importantes no estudo da FMC .

Encontramos um applet, que denominaremos de applet t 5', disponível no site < http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm> (em espanhol), o qual contém similaridades com o applets 5. Aquele possibilita ao usuário a opção de variar a temperatura do corpo, assim como este, porém, há opções extras naquele, como o controle do comprimento de onda e dos limites do espectro eletromagnético, que se deseja analisar. Todavia, o visual gráfico do applet 5' é menos colorido, o que poderia desestimular o interesse de algum aluno, o qual deveria ser no âmbito do conceito físico estudado, e não traz a opção de ver o corpo e sua distribuição de cores. Encontram-se instruções e muitas explicações detalhadas a respeito do fenômeno e numa a linguagem matemática que tradicionalmente não faz parte do currículo do Ensino Médio. O applet t 5 também traz explicações e instruções de uso, mas não traz nenhum conteúdo quantitativo.

Dessa forma, a maioria dos applets analisados é simples de se trabalhar. Certamente podem auxiliar o professor a desenvolver temas de FMC de maneira fácil, divertida e proveitosa, sem se ater a cálculos mais avançados.

Apesar de haver opções de diferentes sites de consulta, o professor que for mais exigente poderá ter dificuldades em encontrar experimentos muito atrativos com pouca pesquisa dentro dos critérios por nós escolhidos, a qual não só se restringe no âmbito nacional, há, como bem parafraseado por Fiolhais e Trindade (2003, p. 13) , "d "dificuldade na obtenção ão de softwaware de boa qualidade.", podendo resultar numa aula monótona para os alunos.

A complexidade do problema em trabalhar FMC no ensino médio envolve vários fatores que vão além dos propósitos deste trabalho. Nosso trabalho aponta um problema particular: a carência de applets elaborados para fins didáticos, atrativos e interativos em língua portuguesa em muitos dos s sites das universidades federais do Brasil.

## 7. Conclusões

Nos sites pesquisados por nós, tanto quanto pudemos investigar dentro de nossos critérios , não se encontrou nenhum applet t desenvolvido pelas próprias universidades federais do país. Há um grande déficit de applets brasileiros de FMC. São poucos os que tratam o tema de maneira que o aluno do Ensino Médio se sinta realmente instigado, considerando que, para isso, o applet t deve ser atrativo, interativo e adequado para esse aluno. No entanto, o que definiu em última análise qual applet deveria ser colocado no trabalho foi a interatividade, pois, alguns deles poderiam ser considerados monótonos para alalunos que gostam de manipular, alterar, controlar ou mesmo "brincar" com a situação em que o experimento ocorre. Ainda assim, os escolhidos deixam de trazer opções que poderiam aumentar a atratividade e a interatividade, como em alguns daqueles disponíveis em outros sites que visitamos .

Nenhum applet aqui mencionado traz propostas pedagógicas para o professor. Todavia, os applets escolhidos podem dar grande auxílio à sua atuação profissional visando despertar o interesse de muitos alunos para a Física Moderna e Contemporânea, se fossem agregadas propostas pedagógicas ao material de tais a applets .

Há apenas links s e indicações que contém applets de FMC nos sites das universidades federais indicados pela ANDIFES. São poucos os applets em língua portuguesa (do Brasil) que apresentam conteúdo que o aluno possa ser instigado. A maioria dos sites dessas universidades não traz nenhum applet t de FMC, quando muito applets de Física Clássica, e os poucos que contém applets de FMC, eles estão em sua maioria em língua inglesa, espanhola ou outras.

## 8. Agradecimentos

Os autores agradecem a Pró-Reitoria de Extensão da UFSJ, pelo apoio financeiro para este trabalho, e a Alisson Daniel Vitor, pela contribuição na análise crítica este .

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