ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO EM ENGENHARIA - UM PAPEL PARA AS SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS

## ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO EM ENGENHARIA - UM PAPEL PARA AS SIMULA˙ÕES COMPUTACIONAIS

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Celso Peixoto Garcia (pgcelso@yahoo.com.br

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Adriana Gomes Dickman (adickman@pucminas.br)

- a Engenharia de Controle e Automaçªo - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
- b Departamento de Física e Química - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

## RESUMO

Neste trabalho apresentamos um estudo sobre algumas contribuiçıes das atividades de simulaçªo grÆfica computacional no ensino de física moderna para alunos de um curso de engenharia. Analisamos as respostas de um questionÆrio aplicado a aproximadamente 40 alunos, antes e após a realizaçªo de um seminÆrio sobre o efeito fotoelØtrico, e após a participaçªo dos mesmos de uma simulaçªo grÆfica sobre o fenômeno. Concluímos que os alunos, após a participaçªo no seminÆrio mostraram um entendimento melhor do efeito fotoelØtrico em termos gerais, enquanto que após a interaçªo com a simulaçªo computacional o grau de entendimento dos alunos em relaçªo aos detalhes do fenômeno foi mais expressivo.

Palavras-chave: efeito fotoelØtrico, simulaçªo computacional.

## INTRODU˙ˆO

O efeito fotoelØtrico Ø um fenômeno historicamente importante no contexto da física moderna. A física clÆssica foi incapaz de explicar este efeito. Em 1905, Einstein publicou um artigo explicando o efeito fotoelØtrico a partir da quantizaçªo da energia introduzida por Planck, marcando assim o início da física quântica. O efeito fotoelØtrico Ø a base de vÆrias aplicaçıes tecnológicas. Como exemplo, podemos citar os sensores fotoelØtricos e sua gama de utilizaçªo, como no cinema falado e leitura laser nos discos compactos.

A inserçªo do microcomputador em salas de aula e laboratórios como um auxílio no ensino de ciŒncias, particularmente de física, vem sendo discutida em diversos trabalhos (REZENDE, 2003; STEINBERG, 2000). Os resultados indicam que a utilizaçªo de simulaçıes computacionais de fenômenos da física aumenta efetivamente o interesse e a participaçªo nas aulas de física, e em alguns casos, Ø possível identificar uma clara melhora na compreensªo do conceito geral do objeto de estudo e uma conseqüente melhora dos resultados obtidos em exames (GARRAO, 1992; CÓRDOVA, 1992). Talvez pela dificuldade de sua realizaçªo em laboratórios escolares e pela incapacidade mostrada por muitos estudantes em interpretar o efeito fotoelØtrico em termos do modelo do fóton para a luz (STEINBERG, 1996; VEIT, 1987) a simulaçªo computacional do efeito fotoelØtrico e os benefícios dessa atividade jÆ foram estudadas em alunos do curso de Licenciatura em Física e alunos do ensino mØdio.

Em nosso trabalho procuramos avaliar de uma maneira mais quantitativa os benefícios que a interatividade atravØs de simulaçıes computacionais podem trazer a estudantes de engenharia. Para tal, nós construímos um programa para simular o efeito fotoelØtrico em um microcomputador. Montamos um ambiente que permite a variaçªo das grandezas relevantes (freqüŒncia, intensidade e funçªo trabalho do metal) separadamente, para explicitar o papel de cada uma delas. Montamos

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tambØm um ambiente que permite a variaçªo de todas as grandezas em um mesmo 'experimento', dando liberdade ao estudante para explorar as diferentes possibilidades. Assim, nós analisamos a contribuiçªo desse programa de simulaçªo quando utilizado de forma articulada com um seminÆrio.

## DESENVOLVIMENTO E DISCUSSˆO DE RESULTADOS

O nosso objetivo Ø verificar se alunos de engenharia assimilam melhor o conceito do efeito fotoelØtrico interagindo com uma simulaçªo computacional do fenômeno em um microcomputador. Nós trabalhamos com alunos do quarto período de Engenharia de Controle e Automaçªo do Instituto PolitØcnico da PUCMINAS. Este Ø o œltimo período de física bÆsica que esses alunos estªo cursando, jÆ tendo visto, portanto, conceitos de mecânica, ondas, termodinâmica e eletromagnetismo.

O trabalho consiste em trŒs etapas: na primeira, os alunos, perfazendo um total de quarenta e dois, respondem a um questionÆrio (mostrado abaixo) sobre o efeito fotoelØtrico. A intençªo Ø medir o grau de conhecimento dos alunos sobre este assunto, se jÆ ouviram falar sobre o efeito fotoelØtrico e em caso afirmativo se conseguiram reter este conhecimento.

## Perguntas do primeiro questionÆrio:

- 1) VocŒ jÆ ouviu falar sobre o efeito fotoelØtrico?
- 2) Se sim, onde?
- 3) O que Ø o efeito fotoelØtrico?

Na segunda etapa, o mesmo grupo de alunos assiste a um seminÆrio sobre o efeito fotoelØtrico e logo após responde a um segundo questionÆrio (mostrado abaixo). Na œltima etapa, os alunos, agora em um total de trinta e seis, interagem com a simulaçªo computacional, na mØdia de dois alunos por microcomputador, e respondem novamente ao segundo questionÆrio.

## Perguntas do segundo questionÆrio:

- 1) O que Ø o efeito fotoelØtrico?
- 2) Descreva o mais detalhadamente possível as características do efeito fotoelØtrico. Explicitando a sua:
- a) dependŒncia com a freqüŒncia;
- b) dependŒncia com a intensidade;
- c) a influŒncia da energia de ligaçªo do elØtron.

A anÆlise das respostas dos alunos ao primeiro questionÆrio, mostrou que essas podem ser classificadas nos cinco grupos descritos a seguir: Dezoito alunos (43%) deram uma resposta incorreta. Dentre esses, oito alunos associam o efeito fotoelØtrico à mudança de nível de energia do elØtron no Ætomo, um exemplo que ilustra bem essa associaçªo, 'Nªo me lembro muito o que Ø, mas acho que Ø algo relacionado com a excitaçªo do Ætomo atravØs da luz (fóton) provocando a absorçªo de energia da luz pelos elØtrons fazendo com que eles passem de uma camada de menor energia para uma de maior energia.' E dez alunos associam o efeito fotoelØtrico com as mais diversas Æreas da física, 'reflexªo da luz em um ponto', 'emissªo de luz', 'Ø observado em pontos de referŒncia localizado em uma roda de bicicleta', 'efeito da luz sobre um objeto onde pode-se captar sinais'; Nªo sabem ou nªo se lembram; quatorze alunos (34%) disseram que jÆ ouviram falar do assunto, mas nªo responderam o que Ø o efeito fotoelØtrico; Quatro alunos (9%) deram uma resposta incompleta, dizendo que o efeito corresponde a 'transferŒncia de energia pela luz a certos materiais' ; Quatro alunos (9%) nunca ouviram falar do efeito fotoelØtrico; Dois alunos (5%) responderam corretamente, 'geraçªo de corrente elØtrica a partir de ondas eletromagnØticas incididas em metais', 'quando a luz incide sobre uma cØlula fotoelØtrica e arranca elØtrons da cØlula criando assim uma diferença de potencial'.

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Vale ressaltar que a maioria desses alunos, aproximadamente 90%, jÆ tinha ouvido falar sobre o efeito fotoelØtrico, a maioria no ensino mØdio, alguns em cursos preparatórios para o vestibular e outros em livros, revistas ou televisªo. Desse universo, apenas dois alunos foram capazes de definir corretamente o que Ø o efeito fotoelØtrico. Essa observaçªo reforça o objetivo desse trabalho, como uma tentativa de melhorar a assimilaçªo de conceitos atravØs de atividades alternativas.

Na segunda etapa, os alunos assistiram a um seminÆrio sobre o efeito fotoelØtrico e responderam ao segundo questionÆrio. Analisamos agora, essas respostas. Vamos considerar primeiramente as respostas à pergunta 'O que Ø o efeito fotoelØtrico?' buscando uma apresentaçªo clara do conceito geral. Essas respostas podem ser separadas em trŒs categorias: Respostas corretas (72%). Em respostas mais elaboradas, ou mais simples, os trinta alunos que compıem esse grupo mostram um entendimento claro do conceito apresentado. Como exemplo podemos citar: 'Isso Ø o que ocorre quando incide uma luz num material metÆlico onde elØtrons podem sair do material se a luz tiver a energia suficiente que Ø ligada à freqüŒncia dela.' Ou 'Ø quando a luz consegue arrancar elØtrons de uma placa.' Respostas parcialmente corretas (9%). Nas respostas desses quatro alunos aparece a essŒncia do conceito juntamente com uma certa confusªo de idØias. Respostas que ilustram esse caso: 'Consiste na transmissªo de elØtrons arrancados de uma placa por um feixe de luz para outra.' Ou 'Ø o surgimento de corrente em um metal, quando a luz, numa freqüŒncia adequada, incide no mesmo.' Respostas incorretas (19%). Nessas respostas, a maioria dos alunos menciona uma relaçªo entre luz e elØtrons, mas nªo sªo capazes de explicar o fenômeno. 'Um efeito que acontece com um elØtron quando ele recebe luz'. Ainda dois alunos relacionaram o efeito fotoelØtrico com a mudança de nível de energia do elØtron em um Ætomo.

A segunda pergunta do questionÆrio 'Descreva o mais detalhadamente possível as características do efeito fotoelØtrico. Explicitando a sua: a) dependŒncia com a freqüŒncia; b) dependŒncia com a intensidade; c) a influŒncia da energia de ligaçªo do elØtron' pede uma caracterizaçªo mais detalhada do efeito com as grandezas relacionadas, freqüŒncia e intensidade da luz, e energia de ligaçªo do elØtron. A anÆlise das respostas dada após o seminÆrio nos mostra que a maioria dos alunos (43%) apresentou respostas vagas para o papel da freqüŒncia da luz no efeito fotoelØtrico, como exemplo, 'quanto maior a freqüŒncia maior a energia' , nªo explicitando se ele se refere à energia do fóton, do elØtron arrancado, ou a ambas. Ainda nessa categoria, das dezoito respostas, onze alunos acertaram os itens (b) e (c), enquanto que o restante alternou entre as combinaçıes possíveis. Quatorze alunos, 33%, mostraram que nªo conseguem entender que a energia da luz estÆ relacionada com a sua freqüŒncia e nªo com a intensidade da mesma. A resposta seguinte ilustra essa tendŒncia 'a) Quanto maior a freqüŒncia da luz, maior a energia absorvida; b) O efeito fotoelØtrico depende de uma certa intensidade, mas a energia nªo aumenta se a intensidade for aumentada; c) A energia de ligaçªo Ø o que prende o elØtron, ou seja, se a energia Ø grande, a intensidade da luz tem que ser grande.' E finalmente, 24% dos alunos caracterizaram o efeito corretamente: 'a) Quanto maior a freqüŒncia, maior a energia cinØtica do elØtron ao deixar a placa; b) Quanto maior a intensidade, maior o nœmero de elØtrons arrancados; c) E=hf-W, quanto maior a energia de ligaçªo, maior a dificuldade de se arrancar elØtrons da placa.'

Na œltima etapa desse trabalho, participaram trinta e seis alunos que foram conduzidos a um laboratório e interagiram com a simulaçªo computacional do efeito fotoelØtrico. O nosso programa permite que o aluno explore o que ocorre quando hÆ variaçªo apenas da freqüŒncia da luz incidente; quando hÆ variaçªo apenas da intensidade da luz incidente; quando hÆ a variaçªo tanto da freqüŒncia, quanto da luz incidente, bem como uma escolha entre trŒs tipos de superfícies metÆlicas, com diferentes energias de ligaçªo do elØtron à placa. Depois de terminada a atividade, os alunos responderam ao segundo questionÆrio novamente.

As respostas à pergunta sobre o conceito geral do efeito fotoelØtrico puderam ser classificadas nas mesmas categorias que as respostas dadas após o seminÆrio. Vemos, entretanto, que houve um aumento no percentual de alunos que responderam corretamente de 72% para 75%. É possível identificar tambØm um maior cuidado ao elaborar a resposta se comparado aos exemplos da etapa anterior, 'No efeito fotoelØtrico, a luz que incide sobre uma placa metÆlica, dependendo de sua freqüŒncia, pode retirar elØtrons ou nªo dessa placa' . 14% responderam parcialmente a questªo afirmando que o efeito fotoelØtrico 'Ø a utilizaçªo da energia da luz e suas propriedades para conseguir interaçıes com uma placa condutora e produzir corrente elØtrica'. E 11% dos alunos deram uma resposta incorreta, dizendo, por exemplo, que o efeito fotoelØtrico consiste na 'emissªo de elØtrons à uma chapa metÆlica aonde estes absorvem energia e sªo excitados' .

Em relaçªo à caracterizaçªo do comportamento das grandezas relevantes no efeito fotoelØtrico, vemos atravØs da anÆlise das respostas dos alunos após a interaçªo com a simulaçªo computacional que o nœmero de alunos que caracterizaram o efeito fotoelØtrico corretamente aumentou para 61%, e apenas um aluno (3%) respondeu incorretamente a essa questªo. O restante se dividiu em subgrupos onde 14% responderam os itens (b) e (c) corretamente, 11% acertaram os itens (a) e (b) e 11% acertaram apenas o item (b), dando respostas vagas aos outros itens.

Resumo dos resultados obtidos atravØs da anÆlise dos questionÆrios. N Ø o nœmero de alunos que responderam aos questionÆrios.

## CONCLUSˆO

Concluímos que após o contato com a simulaçªo grÆfica, os alunos demonstraram, atravØs do questionÆrio, um maior domínio do assunto. Podemos inferir, com base em nossos dados, que o grau de entendimento dos alunos em relaçªo aos detalhes do fenômeno foi mais expressivo após a simulaçªo grÆfica, em comparaçªo com as respostas relacionadas com o conceito geral do fenômeno, que nªo apresentaram uma mudança brusca após a simulaçªo. TambØm fica claro com base em nossos resultados que a tØcnica nªo Ø completamente eficiente, sempre hÆ alunos que nªo querem participar das atividades. Gostaríamos de ressaltar, entretanto, que a simulaçªo grÆfica provocou a curiosidade de muitos alunos que nªo participaram do teste em questªo, mas que descobriram o programa por acaso e gostaram bastante.

Assim, podemos afirmar que a utilizaçªo de aulas mais interativas, permitindo um contato maior do aluno com o assunto a ser abordado, faria uma grande diferença no ensino de física trazendo uma melhora significativa na assimilaçªo de novos conhecimentos. Reconhecemos a importância dos laboratórios, mas hÆ casos em que a realizaçªo prÆtica de um fenômeno Ø de difícil execuçªo ou simplesmente impossível, e a nossa sugestªo seria a substituiçªo destes por simulaçıes grÆficas.

Os autores agradecem ao Probic (Programa de bolsas de Iniciaçªo científica da PUCMINAS) pelo apoio financeiro.

## REFER˚NCIAS BIBLIOGR'FICAS

CÓRDOVA, R.S., MAGDALENO, J.C.M., DONOSO, E.L. e ALLENDE, R.G. Simulación computacional de experiŒncias de física moderna. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.9, n.2, p.147-151, ago. 1992.

GARRAO, R.B. Aproximación a la física a travØs de mØtodos numØricos y simulación computacional. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.9, n.2, p.143-146, ago. 1992.

REZENDE, F. E DE SOUZA, S.B. Diseæo instruccional de un sistema hypermedia para el aprendizaje de la física fundamentado en las perspectivas teóricas del cambio y del desarrollo conceptual. Enseæanza de las Ciencias, nœmero extra, p.103-109, 2003.

STEINBERG, R.N., OBEREM, G.E. e MCDERMOTT, L.C. Development of a computer-based tutorial on the photoelectric effect. American Journal of Physics, v.64, n.11, p.1370-1379, nov. 1996.

STEINBERG, R.N. Computers in teaching science: To simulate or not to simulate? Physics Education Research, American Journal of Physics Suppl., vol.68, n.7, p.S37-S41, jul. 2000.

VEIT, E. A.; THOMAS, G.; FRIES, S.G.; AXT, R.; SELISTRE, L.F. O efeito fotoelØtrico no segundo grau via microcomputador. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v.4, n.2, p.68-88, ago. 1987.