Temas de Física Moderna e Contemporânea no 9o ano do Ensino Fundamental

## TÓPICOS DE FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA EA NO ENSINO FUNDAMENTAL

Roberto Soares da Cruza za [profbeto@hotmail.com] Andréia Guerra b [amoraes@cefet-rj.br]

a Centro Federal de Educação Tecnológica de Química de Nilópolis, Unidade Maracanã, CEFETEQ-RJ b Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, Unidade Maracanã, CEFET-RJ

## RESUMO

A Física no ensino médio não tem acompanhado os avanços tecnológicos dos séculos XX e XXI. O currículo se mostra em parte desatatualizado e descontextualizado. Neste sentido, pesquisas vêm sendo desenvolvidas na tentativa de aproximar essas duas realidades, promovendo assim um maior significado para as aulas de ciências. Uma das alternativas utilizadas é a inserção de tópicos de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Ensino MéMédio. O presente trabalho apresenta subsídios para se discutir essa questão, discutindo uma proposta pedagógica para a inclusão da teoria da Relatividade Restrita para o 9º ano do ensino fundamental. O trabalho se concretizou com a construção e aplicação de um texto sobre movimento, onde a História da Ciência foi o eixo condutor capaz de possibilitar a abordagem da a referida teoria . A construção do material se deu a partir da análise dos resultados de dois questionários que visavam perceber o olhar do aluno em relação à Física. O questionário foi aplicado em duas turmas do ensino fundamental (1º e 9º anos). As respostas do primeiro pré-teste, aplicado no início das atividades, apontaram certo desinteresse no estudo de Física. No segundo questionário, destacamos a curiosidade dos alunos a respeito de temas associados à Teoria da Relatividade Restrita, como: viagem no tempo. Nesse trabalho, apresentamos como foi construído o texto de apoio utilizado nas aulas ao longo do ano. Além da curiosidade e interesse despertados, a escolha da abordagem histórica, como condutora das discussões sobre Física Moderna e Contemporânea, proporcionou aos alunos a oportunidade de refletir sobre a ciência como parte do desenvolvimento humano.

Palavras -chave: Física Moderna e Contemporânea; estratégia de ensinoaprendizagem; História da Ciência;

## · Por que optar pela abordagemhistórica no ensino de Física?

Por vezes, como professores de Física, nos vimos fazendo a seguinte pergunta: Por que os alunos não gostam de Física? Talvez já tenhamos encontrado algumas justificativas que podem nos confortar, ou até mesmo nos deixar conformados. Na verdade, deveríamos nos perguntar: O que podemos fazer para que os alunos se interessem mais pelo estudo das ciências?

Segundo Guerra (GUERRA, 2004), o estudo de ciências é algo que deveria atrair a atenção dos alunos, fato que não temos percebido em nossa prática nas salas de aula.

As discussões científicas fascinam o público, visto o grande número de publicações de divulgações da área. Alglguns livros como A Breve História do Tempo de Stephen Hawking tornaram-se best sellers no Brasil. Apesar desse destaque, o tema ao ser tratado nos bancos escolares apresenta uma situação totalmente diferente. Os alunos não demonstram entusiasmo pela ciência ia e seus desempenhos são quase sempre medíocres. Essa dicotomia mostra o quanto o debate a respeito da educação científica formal deve ser priorizado em nosso país, apesar do tema ter sido bem discutido e problematizado nas últimas décadas. (GUERRA,2004,p.225)

Um caminho para trazer significado ao estudo das ciências é a contextualização daquilo que está sendo estudado.

- " O ensino de Física tem -se realizado freqüentemente mediante a apresentação de conceitos, leis e fórmulas, de maneira desarticulada e distanciada do mundo vivido pelos alunos e professores e não só, mas também por isso, vazio de significado" " (BRASIL, 1999, p.229).

Ao ensinar não podemos transmitir a idéia da Física como uma ciência acabada e realizada por homens do passado, com mentes brilhantes e privilegiadas, sendo seus respectivos trabalhos inquestionáveis. Ponczeck (PONCZECK,2002) ao justificar a necessidade da história da Física, critica os livros didáticos e, utilizando a Mecânica como contexto, demonstra que é possível fazer com que a ciência surja naturalmente:

"como que em passes de mágica, induzindo-nos a crer que Newton tirou de sua cartola o conjunto de leis que sintetizaram toda a ciência de milênios. Este abracadabra faz surgir diante dos alunos, pronta e reluzente, a relação F=ma, antes mesmo que a maçã de Newton toque o chão. [...] o objetivo é mostrar, assim, a ciência como algo neutro, prático, linear, objetivo, desprovido de historicidade, mas sim, como aplicá-l-las de sorte a produzirem efeitos práticos e imediatos." (p.22)

Os Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCNEM) ao se referirem a este assunto, também, mencionam que, geralmente, "o conhecimento é apresentado como produto acabado, fruto da genialidade de mentes como a de Galileu, Newton ou Einstein, contribuindo para que os alunos concluam que não resta mais nenhum problema mais significativo a resolver" (BRASIL, 1999, p.229230).

A opção pela linha histórica para trabalhar o conceito de movimento se deu no intuito de mostrar, r, através de episódios históricos , o processo de construrução do conhecimento, possibilitando uma discussão do papel da ciência na sociedade contemporânea , de seus métodos e de suas limitações. Isso pode possibilitar r a formação de um espírito crítico, o, fazendo com que o conhecimento científico seja desmistificado sem que se destrua seu valor. AtAtravés de episódios históricos podese discutir o processo de desenvolvimento dos conceitos s científicos até se chegar as concepções aceitas atualmente, o que poderá facilitar r o aprendizado do educando .

Partindo dessas reflexões, é possível perceber que a discussão dos conhecimentos científicos quando contextualizados de maneira lógica, auxiliam os alunos na percepção da ciência enquanto construção humana.

## · Porque Física Moderna e Contemporânea no ensino básico?

Podemos perguntar: "- - Qual é o papel da ciência na formação básica?" , apontamos algumas dimensões importantes para o cidadão contemporâneo:

- · vivemos numa época fortemente influenciada e/ou determinada pelas ciências da natureza, com papel de destaque para a física;
- · muitos fenômenos da natureza são basicamente explicados pela ciência;
- · a tecnologia contemporânea é fortemente baseada na ciência;
- · a ciência pode favorecer o uso do discurso racional;
- · a ciência enriquece e promove a imaginação;
- · a ciência influencia outras áreas do conhecimento, inclusive as artes;
- · o processo histórico dos últimos séculos é incompreensível sem a presença da ciência.

Certamente vários outros papéis e competências poderiam ser aí acrescentados. Mas o que gostaríamos de destacar é o papel do estudo de ciências na formação básica do cidadão contemporâneo. Procurando conciliar tal formação com a possibilidade de criar um canal para despertar interesse pelo estudo de ciência, produzimos dois questionários com intuito de verificar qual o interesse de dois grupos de alunos pelo estudo de ciências. O primeiro, respondido por alunos da primeira série do Ensino Médio, envolveu questões que buscavam verificar o que o aluno percebia a respeito dos objetivos do estudo de Física, seu campo de atuação, sua relação com a história, assim como a relevância, aceitação e o gosto pelo estudo da disciplina. Já o segundo, aplicado a alunos do 9º ano, buscou analisar além do conhecimento a respeito do que se ensina na disciplina, se os alunos possuíam algum interesse em temas específicos da física

Ao aplicarmos o questionário aos alunos da 1ª série, verificamos que grande parte destes não trazem consigo uma boa impressão da matéria abordada ao logo de todo ensino fundamental, principalmente no 9º ano. Na verdade, alguns sequer acham importante o estudo de física em sua formação. Os que demonstraram interesse, e defenderam a relevância do estudo de de física, foram os alunos que detinham um bom desempenho escolar em matemática e um gosto especial em resolver problemas.

A partir da análise desses questionários, desenvolvemos um texto para ser trabalhado com alunos do 9 ano do ensino fundamental abordando, de forma introdutória, um tema considerado fascinante pelos alunos: a Teoria da Relatividade.

## · Uma sugestão para introdução da Relatividade Restrita no 9º ano do EF

A elaboração de um texto de apoio com objetivo de apresentar a Teoria da Relatividade Restrita a partir de uma abordagem histórica, permitiu um melhor diálogo no ensino de física com outras disciplinas. Tal abordagem proporcionou maior e melhor discussão e reflexão a respeito do movimento, tempo e espaço, iniciada desde Aristóteles, perpassando por Ptolomeu, Copérnico, Galileu, Kepler, Newton, Faraday, Maxwell e Einstein.

Já na primeira parte do material discutimos as diversas concepções de Universo e de espaço. O aluno era então convidado a fazer uma "viagem no tempo" e perceber que nem sempre o mundo foi explicado da maneira como hoje pensamos . A partir dessa colocação, apresentamos o modelo geocêntrico de Aristóteles, e de maneira interativa, alguns dos argumentos usados para sua validação:

Você acha que ao lançarmos um objeto para cimima e ele retornar à nossa mão é um bom argumento para concluirmos que a Terra não está em movimento?Como você acha que deveria ser o movimento desse objeto? (Retirado do texto elaborado para a aplicação em sala de aula)

Quando apresentamos Cláudio Ptolomeu, é permitido ao aluno conhecer sua colaboração ao modelo de Aristóteles e sobre a teoria dos epiciclos. Ainda nesta parte do material, permitimos um trabalho de interação com outras disciplinas discutindo a influência da Igreja na manutenção de alguns conceitos, assim como a apresentação de instrumentos utilizados por Copérnico como: quadrantes, paralácticos e astrolábios, que mantém interface com a disciplina de Geometria.

No periodo do renascimento, apresentamos Galileu Galilei e sua defesa do modelo héliocentrico Discutimos também algumas de suas invenções, como uma bomba d'água em 1593, um compasso geométrico e militar em 1597, além do projeto de um telescópio que fora um aperfeiçoamento da luneta patenteada em 1608 pelo holandês Hans Lipperhey. Des tacamos a grande produção artística e técnica do período, apontando um diálogo com a História, Artes, Filosofia e Literatura.

Durante a abordagem histórica, o material discute os conceitos de velocidade e de aceleração. È feita a classificação e diferenciação entre grandezas escalares e grandezas vetoriais,apresentando o vetor geométrico. Tudo isso de forma compatível à compreensão de alunos do 9º ano do ensino fundamental. Isto nos possibilita apresentar o Teorema de Roberval e a teoria da relatividade de Galileu, onde o tempo é absoluto, ou seja , independe do referencial.

Isaac Newton é apresentado como o pai do cálculo infinitesimal e das leis da mecânica. Na verdade, ainda numa análise contextual, mostramos uma das grandes contribuições de Newton para o estudo dos movimentos, baseada na extensão de suas explicações dos movimentos terrestres para os celestes. Nesse contexto, é dado destaque à obra Princípios Matemáticos da Filosofia Natural(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), também conhecida como Principia, na qual nos baseamos para apresentar as Leis de Newton e a Lei da Gravitação Universal.

Ainda no capitulo destinado à Newton, é proposta a apresentação da natureza corpuscular da luz em contrapartida com a teoria ondulatória defendida na época por Christiaan Huygens(1629-1695), um matemático , astrônomo o e f físico Holandês. Essa discussão permite a reapresentação do éter, visto que no capitulo destinado a Aristóteles, este conceito foi apresentado. Dessa vez o éter aparece como um meio sobre o qual a luz se propaga.

Ainda, no século XVII, havia uma célebre discussão a respeito da natureza da luz, de um lado Huygens e seu modelo ondulatório, de outro Isaac Newton e seu modelo corpuscular. O conceito de de corpúsculo, ou partícula, é completamente diferente do conceito de onda; uma partícula transporta matéria, uma onda não; o; uma partícula pode se locomover no vácuo, uma onda necessita de um meio para se propagar (nesse período era o que se pensava); uma onda atravessa obstáculos menores que seu comprimento, uma partícula não, enfim, para a Física Clássica ou a luz era uma coisa, a, ou outra, consequentemente, ou aceitava-a-s-se o modelo ondulatório de Huygens s ou aceitava-s-se o modelo corpuscular r de Newton, um descartava o outro e foi o que aconteceu por certo período.

Um dos fatores que fez com que o modelo de Newton prevalecesse sobre o de Huygens, foi a sua fama e reputação como cientista. Na verdade, questionar e contrariar um mito, sempre foi tarefa muito dififícil. Por isso aceitar o modelo contrário ao de Newton foi um trabalho bastante árduo enfrentado por alguns cientistas tendo à frente Thomas Young (1773-1829). Motivado pelo estudo da visão, Young questionou várias afirmações da teoria corpuscular de Newton. Young considerou que se a luz z fosse de natureza ondulatória , essas ondas poderiam, assim como as ondas do mar, anularem-se umas às outras ou intensificarem-s-se e foi nesse sentido que trabalhou para explicar o fenômeno da interferência, estudado, o, por elele , através do experimento da dupla fenda. Além da explicação sobre interferência luminosa, explicou, de forma bem simples, como eram formados os ''anéis de Newton'', , supondo que cada cor correspondia a um determinado comprimento de onda próprio. Interessante que Young utilizou dados do próprio Newton em seus trabalhos, como pode ser observado em seus o originais.

- O prêmio para a explicação matemática do fenômeno da difração foi para Augunstin Fresnel (1788-1827), defensor da teoria ondulatória da luz. Fresnel, l, utilizando raciocínios matemáticos, explicou a propagação retilínea da luz, as leis de Descartes (refração) e a difração.

Então chegamos à grande questão: se a luz não era um feixe de partículas, como propunha Newton, mas sim uma onda, como propunha Huygegens , , como podia ela atravessar o vácuo entre o Sol e a Terra? E a resposta, era: através de um meio chamado éter. r. (Retirado do texto elaborado para a aplicação em sala de aula)

- O texto faz menção à Michael Faraday no intuito de apresentar sua contribuição, principalmente, no estudo de eletricidade e do magnetismo. A partir da reprodução de dois experimentos de baixo custo, um simulando a experiência de Oersted, e outro que ilustra a lei da indução eletromagnética, discuti-se o problema de simetria do eletrtromagnetismo.

James Clerk Maxwell é apresentado ressaltando sua vida e obra, sem que se faça uma discussão matemática de suas equações, mas chamando a atenção para sua teoria moderna que une a eletricidade, o magnetismo e a óptica, mostrando que o seu trabalho em eletromagnetismo foi base para a teoria da relatividade restrita de Einstein.

- O experimento de Michelson-Morley é apresentado como um aparato criado com a finalidade única de comprovar a existência do éter, o meio a vibrar e a transmitir a luz ondulatória. É levantada então uma discussão a respeito dos resultados.

Ao chegarmos ao século XX, relatando a história de Albert Einstein, temos mais uma vez a oportunidade de fazer uma análise contextual e criar uma comunicação entre as demais disciplinas. As primeiras décadas do século XX são ricas em acontecimentos como a semana da Arte Moderna no Brasil, I Guerra Mundial, além de movimentos importantes como Modernismo na literatura e a discussão a respeito do Nazismo, que será decisivo para a ida de Einsteten para os EUA.

Ainda numa linguagem apropriada aos alunos do ensino fundamental, há uma proposta de análise da interpretação dos resultados do experimento de MichelsonMorley por Lorentz e Poincaré, a tentativa de salvar a existência do éter, e a contrapartida, apresentada por Einstein que o dispensou.

Nessa parte do texto, que aborda a vida e a obra de Albert Einstein, os postulados da Teoria da Relatividade Restrita são apresentados, assim como os conceitos de simultaneidade, a nova concepção de espaço-t-tempo, a dilatação temporal, a adição de velocidades, a contração do comprimento e a relação massa, energia dada pela equação E=m.c 2 .

Motivado pelo problema de simetria apresentado na explicação dada para a geração de uma fem induzida numa espira quando um um imã se move e a espira se encontra em repouso, diferente da explicação dada para a situação em que o imã se encontra em repouso e a espira se move, tudo em relação ao éter, Einstein propôs a solução para esse problema reformulando a idéia de espaço e tempo e desconsiderando a necessidade da existência do éter.

Segundo Einstein, não existe nenhum sistema de referência absoluto. Só faz sentido definir movimento ou repouso a partir de um referencial. Não podemos definir o movimento de um corpo em relação ao espaço vazio.

Caso estivéssemos dentro de um trem, só só poderíamos definir o seu estado de movimento em relação ao solo ou a outro trem ou a qualquer objeto. Se o trem não tivesse janela, não saberíamos se o trem estava em repouso ou se em movimento uniforme (velocidade constante), ou seja, não existe um sequer experimento que nos permita diferenciar um caso do outro. Podemos enunciar esse principio como o primeiro postulado da relatividade restrita de Einstein:

## Todas as leis da natureza são as mesmas em todos os sistemas de referência que se movam com velocidade uniforme.

- O segundo postulado da relatividade restrita de Einsten provém do fato, que discutimos anteriormente, de que a velocidade da luz será medida sempre com o mesmo valor independente de quem a meça, ou seja , o valor da velocidade da luz independe do sistema de referência.

A velocidade de propagação da luz no espaço livre tem o mesmo valor para todos os observadores, não importando o movimento da fonte ou do observador; ou seja , a velocidade de propagação da luz é uma constante.

Outro conceito que podemos pensar sob essa nova óptica é o de simultaneidade. Dizemos que dois eventos são simultâneos quando eles ocorrem no mesmo tempo. Porém, como o tempo deve ser algo medido a partir de um referencial, dois eventos podem ser observados como simultâneos por um observador e não simultâneos por outro observador.

- O texto é concluído propondo algumas aplicações dessa teoria, com destaque a uma aplicação direta e fundamental das equações da relatividade em algo que nos circunda, o sistema de posicionamento geográfico ou GPS.

Ao final da abordagem da Relatividade Restrita, há a proposta da aplicação de um novo questionário que visa saber se os objetivos inicias foram de alguma forma alcançados.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este tipo de abordagem histórica, com inserção de tópicos de física moderna já no 9º ano do ensino fundamental, pode ser um caminho para atender a necessidade de formação mais completa do cidadão contemporâneo, como também gerar interesse pelo estudo de ciências, em particular a física. Assim, o aluno, ao chegar no ensino médio, ao contrário do que a resposta ao nosso questionário apontou, poderá apresentar uma nova postura diante do estudo de Física.

De acordo com Guerra (GUERRA, 2004), a utilização da história e da filosofia da ciência, se usados corretamente, pode ser um instrumento importante no reconhecimento da ciência como construção humana.

No caso específico da educação científica, é importante o estudo da história e da filosofia ia da ciência e da tecnologia, pois, assim, mergulharemos no passado, e encontraremos os produtores daqueles conhecimentos, bem como suas angústias, preocupações, dificuldades e certezas. Através da história, podemos conhecer o processo pelo qual a ciência e a tecnologia foram construídas, percebendo-o-as como uma produção cultural, inseridas em um tempo e em um espaço específicos(GUERRA,2004,p.225-226).

Sendo assim, e baseado nas impressões positivas demonstradas pelos alunos, já na fase inicial de implementação da proposta, trazer temas de física moderna e contemporânea para a discussão no 9º ano do ensino fundamental junto a uma análise da evolução dos conceitos através do estudo da história e da filosofia da ciência, pode ser um caminho que diminua o índice de rejeição ao estudo de física, caso seja detectada, como foi confirmado, particularmente na escola em que aplicamos a proposta, através do questionário aplicado na turma de 1º ano do ensino médio.

Não se defende o uso deste tipo de material como solução para todos os problemas do ensino de física, mas sim como mais um instrumento disponível ao professor no sentido de garantir maior qualidade e aproveitamento em suas aulas. Porém é importante ressaltar, que para a utilização de materiais como este, é necessário pensar também na formação continuada do professor. Apesar de a abordagem ser r adequada aos alunos do 9º ano do ensino fundamental, o professor deve ter o domínio dos conteúdos que serão apresentados.

## REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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- [11] GUERRA,Andréia;BRAGA,Marco;REIS,José Cláudio. Uma Abordagem Histótórico -Filosófica para o Eletromagnetismo no Ensino Médio. Separata: Caderno Brasileiro de Ensino de Física,São Paulo:Sociedade Brasileira de Física, v. 21: p. 224 -2 -248, ago. 2004