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SIMULAÇÃO DE RADIOGRAFIA UTILIZANDO POLARIZAÇÃO POR REFLEXÃO: ESTUDANTES DA ÁREA DE SAÚDE MOTIVADOS PARA O ESTUDO DE ÓPTICA

Mário Sérgio Teixeira De Freitas, Ariadne Maria Krzyuy, Carla Kozuki, Lidiane Ribeiro Giugni, Maria Manuela De Andrade E Silva Ramos, Mariana Carolina Cunha Machoski

Evento
Simpósio Nacional de Ensino de Física ↗ (SNEF)
Edição
XVIII
Ano
2009
Data
27/01/2009
Linha de pesquisa
O Ensino De Física Para A Graduação: Física, Química, Biologia, Oceanografia, Engenharias, Arquitetura, Arte E Áreas A Fins
Tipo
Comunicação

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Texto completo

## SIMULAÇÃO DE RADIOGRAFIA UTILIZANDO POLARIZAÇÃO POR REFLEXÃO: ESTUDANTES DA ÁREA DE SAÚDE MOTIVADOS PARA O ESTUDO DE ÓPTICACA

a

Mariana Carolina Cunha Machoski [marianamachoski@msn.com ]

Mário Sérgio Teixeira de Freitas b [msergio58@yahoo.com.br] Ariadne Maria Krzyuy b b [ariadnekrzyuy@hotmail.com] Carla Kozuki y b [carlakozuki@hotmail.com] Lidiane Ribeiro Giugnib ib [ligiugni@hotmail.com] Maria Manuela de Andrade e Silva Ramos b [mmanuelaasr@yahoo.com.br] b

a Grupo de Estudos e Pesquisas em Ensino de Física (GEPEF), Depepartamento de Física (DAFIS), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)

b Curso Superior de Tecnologia em Radiologia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)

## RESESUMO

Uma montagem experimental referente ao conteúdo de polarização da luz fofoi desenvolvida por estudantes do 4 o período do Curso Superior de Tecnologia em Radiologia da UTFPR, em um evento de divulgação desta Instituição. O público-o-alvo incluiu professores de ensino secundário e fundamental, assim como turmas de alunos e outros vivisitantes da região de Curitiba. Sob orientação de um dos professores de física da UTFPR, uma equipe de estudantes do Curso concebeu o experimento e o realizou; deu também atendimento aos visitantes e, inclusive, redigiu a seção de metodologia que consta no no presente artigo. Na montagem, que articulou fundamentos de física com uma técnica familiar na área de Radiologia, a imagem virtual de um modelo anatômico para estudo de órgãos do tronco foi superposta a um esqueleto, com o uso de uma placa a de vidro. o. Com filtros polarizadores , disponibilizados para os visitantes, a imagem do esqueleto perdia metade da sua intensidade, ao passo que a dos órgãos era absorvida por completo, simulando assim, de forma lúdica, um processo de radiografia por transmissão. Além dos resultados positivos verificados pelo interesse do público visitante , e o conseqüente despertar da sua curiosidade sobre conceitos científicos, após o evento os membros da equipe se mostraram mais integrados ao ambiente das aulas de física, demonstrando, inclusive, um melhor desempenho nos instrumentos de avaliação aplicados. A presente descrição da atividade visa contribuir para o trabalho de docentes que se deparam com a problemática da motivação para a aprendizagem da Física em cursos de graduação em outras áreas.

## ININTRODUÇÃO

Num trabalho anterior, foi descrita uma metodologia inovadora para o ensino de Física Moderna, destinada à aplicação no Curso Superior de Tecnologia em Radiologia (CSRT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) [1]. No GrGrupo de Estudos e Pesquisas em Ensino de Física (GEPEF) do Departamento Acadêmico de Física (DAFIS) desta Instituição, têm sido investigadas estratégias para solucionar problemas instrucionais verificados no ensino de física para cursos de graduação e pós-graduação que não sejam de Bacharelado, Licenciatura, ou Mestrado em Física (como Engenharia Mecânica, Tecnologia em Radiologia, ou Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial). Recursos de motivação são utilizados para a exposição de um tratamento formal dos conteúdos, compatível com as necessidades do acadêmico, adotando metodologias construtivistas [2]. Os resultados de tais esforços vêm sendo levados a eventos envolvendo a área de ensino [1,3,4,5,6]. Fundamentos científicos são contextualizados no universo profissional do estudante ou mesmo em seu cotidiano, no conceito de prática social de

referência [7]. Também é incentivada a participação dos estudantes no ambiente de aula, na forma de atividades autênticas, incorporadas à metodologia construtivista [8]. A conceituação aprofundada e o o formalismo matemático rigoroso inerente aos modelos físicos são articulados com três recursos distintos: experimentos qualitativos e quantitativos realizados em laboratório; história das descobertas cientntíficas relacionadas; e apelo à criatividade e à imaginação do estudante [7]. Também vem sendo promovida a divulgação dessas atividades em páginas de internet, mantidas pelo primeiro autor deste trabalho, por exemplo, [9].

Nesse contexto, foi apresentada uma montagem experimental idealizada por estudantes do CSTR da UTFPR na EXPO -UT 2007, evento que tem como objetivos as contribuições para o aperfeiçoamento curricular e desenvolvimento sócio-econômico da região de cada Campus [10]. Conceitos de física deve riam ser transmitidos ao público, articulando a apresentação dos conteúdos com uma montagem de forte apelo visual, explorando seu poder de transmitir informação em caráter global [11]. Os estudantes foram orientados pelo professor da unidade curricular de Óptica Física que, com um mês de antecedência, formulou a proposta de trabalho, na qual estaria envolvido o fenômeno de polarização por reflexão. A escolha da da polarização, em contraposição à dispersão, à interferência ou à difração, deveu-u-se à não-necessidade de escurecimento do ambiente para visualização de padrões projetados. Foi procurado um efeito que despertasse a curiosidade do público para conceitos científicos, remetendo também, m, de forma lúdica, a uma técnica a de imagem adotada em Radiologia. Os estududantes organizaram m a distribuição de tarefas e e uma escala de revezamento para atendimento aos visitantes no evento.

Esta foi a idéia concebida pela equipe: uma placa vertical de vidro, fornecendo ao observador, por reflexão especular, a imagem virtual de um modelo para estudo de órgãos humanos; atrás do vidro, um esqueleto a uma dada distância, de forma que a imagem transmitida apareça superposta à do modelo de órgãos, quando vista da direção apropriada. A inclinação da placa respeita a condição de Brewster para polarização por reflexão, de forma que o reflexo do modelo desapareça completamente por meio da rotação de um filtro polarizador que o observador segura diante do olho. Ao desaparecer a imagem polarizada, permanece a transmitida pelo vidro: a do esqueleto, atenuada em apenas metade da sua intensidade, por não estar previamente polarizada. O efeito final simula o de uma radiografia por transmissão, onde raios X incidem no organismo humano, impressionando mais o filme nas regiões em que atravessa tecididos de menor densidade as partes claras do filme revelado são as sombras projetadas pelos ossos [12]. Para o planejamento da geometria da montagem, bem como do uso dos filtros polarizadores, foram trabalhados conceitos e equacionamentos do modelo ondulatório da radiação eletromagnética, direcionado para a polarização. Tendo em vista os objetivos do experimento, o livro de texto regularmente adotado na unidade curricular mostrou -se satisfatório [13].

O objetivo deste artigo é documentar uma atividade que contribuiu tanto para a divulgação de ciência para o público leigo como para a formação interdisciplinar dos estudantes. Entendemos que a presente descrição possa contribuir para o trabalho de docentes envolvidos com a problemática da aprendizagem da Físicica em cursos de graduação em outras áreas.

## FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O fenômeno da polarização da luz em particular, e das ondas eletromagnéticas em geral, pode ser apresentado ao estudante de graduação em diferentes níveis de transposição didática, de acordo o com as habilidades e competências previstas para o profissional formado na área do curso. Para os conteúdos da chamada Física Básica, é usual nas universidades brasileiras a adoção de traduções de livros que evitam uma abordagem matemática formal, preferinindo aspectos conceituais

dos fenômenos, de acordo com seus próprios prefácios [13]. No caso do experimento aqui descrito, o equacionamento dado por tais autores se mostra satisfatório. Os fenômenos luminosos são abordados no contexto do espectro eletromagnénético, sendo as ondas eletromagnéticas modeladas pela solução de onda plana, não deduzida explicitamente, porém justificada em termos das equações de Maxwell na forma integral [13]. Para demais conceitos teóricos, foi consultado outro autor [14].

Além de nonoções sobre reflexão difusa da luz ambiente na superfície dos objetos (modelo de órgãos e esqueleto), refração da luz através de lâmina de faces paralelas, e reflexão em interface de um meio nãoometálico, o foco de estudo foram os processos de polarização por reflexão (modelo anatômico refletido no vidro) e por absorção (filtragem da imagem pelo observador). Na seqüência, estes dois itens são apresentados em termos da fundamentação estudada.

## Polarização por reflexão

Um feixe luminoso não -polarizado que se propaga no ar, e incide na superfície de um meio nãoometálico, mostra polarização pelo menos parcial no feixe refletido, ou seja, este apresenta uma distribuição de todas as orientações possíveis para o campo elétrico, mas em diferentes intensidades. A orientação na qual a intensidade da onda componente do feixe é máxima é perpendicular ao plano de incidência (plano que contém os feixes incidente, refletido e refratado). Tratandoose de uma superfície plana, a direção de polarização correspondente à máxima ma intensidade do feixe refletido é paralela à superfície refletora. Para o valor do ângulo de incidência correspondente à chamada condição de Brewster, o feixe refletido é linearmente polarizado, isto é, 100% de sua intensidade se concentra na direção de polarização paralela à superfície [13]. É possível verificar que, respeitada essa condição, o feixe refratado é perpendicular ao refletido (sendndo, portanto, dispensado o uso de filtros para testar se o feixe está polarizado ou não). O fundamento microscópic o, cuja descrição foge aos objetivos deste trabalho, pode ser abordado em termos da interação da onda eletromagnética com elétrons individuais ligados a átomos do meio material, modelados como osciladores mecânicos, que re-emitem as ondas na forma de um fe ixe refratado e outro refletido [14]. A Figura 1 esquematiza a situação, numa disposição espacial já preparada para a aplicação no contexto da montagem realizada.

Figura 1: Um feixe de luz não-p-polarizada que se propaga no ar e e incide na superfície plana do vidro, sofrendo reflexão e refração. No caso, a situação corresponde à condição de Brewster (portanto, o feixe refratado fica perpendicular ao refletido). O plano de incidência é o do papel; o feixe refletido fica linearmente polarizado na direção perpendicular a este plano, ou seja, paralelo à superfície do vidro.

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Supondo que o feixe incidente se propaga no vácuo ou no ar (com índice de refração aproximadamente igual à unidade), o valor do ângulo de Brewster qB B fica determinado a partir do índice de refração do meio não-o-metálico (n2n2) 2) pepela expressão [13]:

<!-- formula-not-decoded -->

de forma que para o vidro de vidraça, por exemplo, para o qua l n n2 » 1,5, tem-se qB » 56 o .

## Polarização por absorção

Se um feixe de radiação se propaga num meio isotrópico, a porcentagem de energia transmitida independe do seu estado de polarização. Em um filme impregnado por moléculas ou microocristais que seguem uma direção preferencial, no qual se propaga uma onda luminosa linearmente polarizada, a transmissão de energia é máxima (mínima absorção) se o campo elétrico da onda estiver perpendicular a esta direção (propriedade de dicroísmo), correspondendo então a um valor de intensidade I0 I0 [14, p. 335]. Considerando o feixe polarizado genérico cujo campo elétrico forma o ângulo b com a direção de máximo, a intensidade transmitida respeita a relação de Malus:

<!-- formula-not-decoded -->

na qual a segunda potência pode ser justificada, considerando que a projeção do campo elétrico na direção de máxima intensidade se dá por um co-o-seno, e que a intensidade da onda plana, calculada em termos do valor médio do vetor de Poynting, mostra uma relação de dependência com o quadrado da amplitude do campo elétrico [13].

Se o feixe incidente no filtro for nãoopolarizado, cada onda componente sofrerá uma diferente atenuação, e o efeito total será uma intensidade próxima da metade da do feixe incidente:

<!-- formula-not-decoded -->

A Figura 2 esquematiza esse fenômeno para o feixe não-o-polarizado incidente:

Figura 2: Um fefeixe luminoso não-polarizado que se propaga no ar e atravessa um filtro polarizador de material anisotrópico, tornando -se linearmente polarizado. A absorção de luz pelo material do filtro depende da direção do campo elétrico da onda.

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Como um exemplo de aplicação destes princípios no cotidiano, os reflexos da luz visível em superfícies planas horizontais (piscinas, poças d'água, pistas molhadas, etc.) têm polarização preferencial na direção horizontal. Isso possibilita a filtragem seletiva por óculos polarizizadores, que estando orientados verticalmente, atenuam estes reflexos em mais de 50% de sua intensidade (ou mesmo em 100%, se a incidência ocorrer na condição de Brewster), sendo que o restante do campo visual, consistindo em luz não -polarizada, é atenuado o em apenas 50% [14].

## METODOLOGIA

## Confecção dos filtros polarizadores

Uma folha de filtro polarizador , tamanho A4, foi cedida pelo DAFIS. Para a interação com o público da EXPO-UT foram montados filtros menores, inseridos entre lâminas de vidro para microscopia óptica, para protegê -los de possíveis danos c causados por manuseio inadequado. o.

A direção de polarização do filtro acompanhava o menor comprimento da folha A4. 4. Esta foi cortada em retângulos de 35 mm x x 25 mm, F Figura 3(a). As películas cortadas foram colocadas entre as lâminas s de vidro, fixadas com fita isolante e identificadas com etiquetas, Figura 3(3(b). Foram elaborados 25 filtros polarizadores s e armazenados em uma caixa; na EXPO-UT foram temporariamente disponibilizados aos visitantes para a a visualizaçação do experimento. o.

Figura 3: (a) Película de filtro polarizador, a seta indica a direção de polarização do filtro; (b) Esquema da montagem do conjunto lâmina-a-polarizador; (c) e (d) Filtro polararizador finalizado .

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## Montagem do e estande

Os materiais utilizados na montagem foram: modelo anatômico, esqueleto de resina, mesa, placa de vidro o de 103 cm x 85 cm, duas lâmpadas de 100 W, e suportes para o o vidro e o esqueleto.

Há modelos anatômicos disponíveis no mercado para estudo dos órgãos humanos. Como a UTFPR R não dispunha desse material, utilizou-u-se um modelo confeccionado anteriormente por um acadêmico do CSTR. Este modelo era composto por estruturas que simulavam órgãos humanos, sendo que cada estrutura era de uma cor diferente , e possuía um circuito de lâmpapadas internas que as iluminava alternadamente, o que contribuiu para chamar a atenção do público. O esqueleto de resina, normalmente usado nas aulas do CSTR, foi disponibilizado pelo DAFIS.

A placa de vidro, já fixada no suporte, foi disposta sobre a mesa. Para que os raios vindos do modelo anatômico incidissem na placa segundo o ângulo de Brewster, e refletissem numa direção que coincidisse com uma perpendicular à parede de fundo do estande, foi traçado o um triângulo retângulo no chão. o. Considerando que tan 56 o ˜ 1,48, foram escolhidos os valores 74 cm e 50 cm para as medidas dos catetos. A Figura 4(a) mostra um esquema da montagem, e a Figura 4(b) o raciocínio utilizado para acertar a inclinação do vidro. o.

Figura 4: (a) E Esquema da montagem. (b) Impondo que o raio refletido seja perpendicular à parede de fundo do estande, o ângulo com normal é o mesmo formado pela parede e a linha da placa de vidro.

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Considerando que o espaço do esta nde ficava dividido pelo plalano da placa de vidro, o próximo passo foi ajustar a a posição do modelo anatômico o no mesmo semi-espaço que o observador. Por se tratar de um cálculo aproximado, foforam necessários ajustes finos tanto na direção como no afastamento do modelo, testando o efeito com um filtro polarizador - na inclinação otimizada, o reflexo desapareceu completamente . O esqueleto foi instalado no outro semi-i-espaço, ficando sua imagem sobreposta ao reflexo do modelo anatômico. A distância do esqueleto ao vidro foi de aproximadamente 100 cm, e a do modelo foi cerca de 120 cm. O afastamento do observador não é relevante, desde que este se posicione na direção estabelecida. Os Os objetos de interesse foram iluminados lateralmente com as lâmpadas, e um pano escuro o foi colocado atrás do o esqueleto , realçando o contraste entre as imagens .

O público que visitava o experimento o ouvia a explicação dos estudantes s sobre polarização por reflexão, , e depois o observava. Havia também cartazes ilustrativos (Figuras 5 e 6) com o esquema do experimento , conceitos básicos de polarização, e e aplicações cotidianas de filtros polarizadores, como a presença destes em câmeras fotográficas e e lentes de óculos, bem como o a capacidade que alguns animais possuem de perceber a a polarização da luz .

Figura 5: "Na Onda da Polarização" -cartaz z com om o slogan criado para a a montagem na EXPO-UT .

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Figura 6: Cartaz sobre óculos polarizadores, e o desenho à mão livre de um estudante, que esclarece como as imagens aparecem superpostas .

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## RESESULTADOS

A EXPO -UT teve lugar no Campus Curitiba da UTFPR, de 03 a 05 de outubro de 2007, das 9:00 às 22:00h. O evento envolveu todos os departamentos acadêmicos, mobilizando estudantes e professores. No espaço destinado às atividades do DAFIS, foram realizadas demonstrações de experimentos de mecânica da rotação e de eletromagnetismo; equipes do CSTR expuseram tubos de raios X desmontados mostrando seu princípio de funcionamento, apresentaram um material didático multimídia sobre terapia de câncer de pele com feixe de elétrons energéticos, conduziram entre os visitantes um um procedimento de pes quisa associando hábitos de vida com a pressão arterial medida, e deram atendimento permanente na montagem sobre polarização por reflexão.

O funcionamento da montagem se mostrou 100% eficiente, podendo ser observada por grupos de pessoas para as quais eram am disponibilizados os filtros polarizadores. A visitação foi intensa, com perguntas dirigidas aos estudantes, algumas das quais foram documentadas pelo professor. As Figuras de 7 a 9 mostram fotos da montagem, dos visitantes visualizando a simulação da radidiografia com os filtros polarizadores, e da equipe dando explicações ao público.

Figura 7: Foto da a montagem completa. À esquerda, o modelo anatômico; à direita, na frente, o vidro vertical disposto para refletir o modelo segundo o ângulo de Brewster; à esquerda, atrás do vidro, o esqueleto. Uma filmagem com o filtro polarizador em movimento está disponível em [15].

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Figura 8: Ao Ao girar os filtros polarizadores, alunos e visitantes do público conseguem fazer desaparecer totalmente o reflexo do modelo de órgãos, permanecendo apenas a imagem do esqueleto. O efeito visual previsto no projeto foi atingido perfeitamente.

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Após o encerramento da EXPO-UT, ao ser aplicado um instrumento de avaliação à turma de Óptica Física, uma das questões abordou diretamemente o tópico de polarização por reflexão, contextualizado na situação envolvida no evento. Foram reproduzidas no enunciado três perguntas referentes ao conteúdo de física, levantadas por visitantes do público na EXPO-UT, às quais o estudante deveria respononder por escrito. O índice de acertos foi superior a 50%, mesmo entre os nãoointegrantes da equipe, que apenas visitaram a montagem. Cinco estudantes, selecionados pelo professor, redigiram a seção de Metodologia que foi incluída neste artigo.

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Figura a 9: Estudantes do CSTR da UTFPR, que idealizaram e realizaram o experimento sobre polarização na EXPO-U-UT, revezam o atendimento ao público visitante, explicando os conceitos científicos e respondendo a dúvidas.

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## CONCLUSÃO

Seguindo uma das linhas de pesquisa a do GEPEF da UTFPR, referente ao ensino de física para cursos de graduação em outras áreas, foi proposta uma atividade na qual estudantes de Tecnologia em Radiologia levaram conceitos científicos ao público de um evento de divulgação, por meio de uma montagem experimental que, num apelo lúdico, simulava um processo de radiografia usando os fenômenos da polarização da luz por reflexão e por absorção. A curiosidade do público foi despertada pelo sucesso da montagem em termos visuais, abrindo espaço para discusussões sobre idéias fundamentais da óptica. O engajamento da equipe na atividade motivou para a aprendizagem de ciências exatas em um curso que é procurado por estudantes cujo interesse costuma estar focado na área de saúde. O desempenho didático na unidade curricular demonstrou um ganho considerável. A iniciativa pode ser reproduzida em outros cursos da área de saúde, seja nos moldes aqui apresentados, seja numa associação análoga entre um conceito de física e um procedimento específico da área profissional l dos estudantes.

Já foram desenvolvidos alguns trabalhos na área de ensino envolvendo a polarização da luz, por exemplo, nos contextos de medidas de intensidade em laboratório [16] e como recurso para proporcionar visão tridimensional [17]. Pretendemos, em em trabalhos futuros, explorar outros aspectos deste importante fenômeno referente à radiação, envolvendo inclusive seu caráter interdisciplinar, que remete à fisiologia da visão humana e de animais [18,19,20].

Agradecemos a todos os colegas que se empenhnharam para o bom êxito da montagem, especialmente Ivete Schitz, Kelly C. L. Maia, Michael A. Santos, Rita C. Lima, Tacianna B. R. Speck, Tania L. W. Tam e Taynná V. R. Almeida, e ainda ao colega de curso Alan C. Kullack, pela confecção do modelo anatômico. Agradecemos também aos professores do DAFIS Nilson M. D. Garcia, pelos fundamentos trabalhados na unidade curricular de Iniciação à Pesquisa Científica, e Arandi G. Bezerra Jr., pelo suporte teórico sobre Óptica e material disponibilizado.

[1] F FREITAS, M. S. T.; BEZERRA-JR, A. G.; MIQUELIN, C. A. Um capítulo introdutório à física moderna para um curso superior de tecnologia em radiologia . XVII SNEF, São Luis, 2007.

- [2] CARVALHO, A. M. P. Critérios Estruturantes para o Ensino de Ciências. In: Carvalho, A. M. P. (org.). Ensino de Ciências. São Paulo: Thomson, 2004. p. 1-1-17.
- [3] FREITAS, M. S. T. Metodologia Para Uma Disciplina Introdutória De Dinâmica Não-L-Linear Para Pós -Graduação. Anais do XVI SNEF, Rio de Janeiro, 2005. 5.
- [4] FREITAS, M. S. T. Observação da passagem de um satélite artificial como motivação para um exercício de física. Sessão oral apresentada no VIII ENAST - Encontro Nacional de Astronomia, Curitiba, 2005 .
- [5] BEZERRA-J-JR, A. G.; PAUL-JR, E. Z.; FREITAS, M. S. T. Uma abordagem construtivista ao ensino de Eletromagnetismo em cursos de Engenharia. XI EPEF: Curitiba, 2008.
- [6] FREITAS, M. S. T. Metodologia inovadora para ensino de sistemas não-lineares e caos. IV Bienal da SBM - Sociedade Brasileira de Matemática: Maringá, PR, 2008.
- [7] ALVES FILHO, J. P.; PINHEIRO, T. F.; PIETROCOLA, M. A Eletrostática como exemplo de Transposição Didática. In: PIETROCOLA, M. (org.). Ensino de Física. Florianópolis: Editora da UFSC, 2005. p. 76-99.
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- [10] UTFPR. Projeto em conformidade com a Portaria no no 0384, de 13 de abril de 2007.
- [11] SCHREIBER, P. How to get Information by Viewing? Prague Studies on the History of Science and Technology, New Series, Vol. 9, 2007, p. 51-57.
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