A utilização de E-Labs na introdução da Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio

## A UTILIZAÇÃO DE EE-L -LABS NA INTRODUÇÃO DA FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA NO ENSINO MÉDIO

Amanda Correia 1 , Wagner Carvalho 2

1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro, correia.amanda@gmail.com

2 Universidade do Estado do Rio de Janeiro, wpc@uerj.br

## Resumo

Neste trabalho, que é fruto de uma monografia da Universidade do Estado do Rio de janeiro (UERJ), é apresentado um estudo de metodologia alternativa para a abordagem da Física Moderna e Contemporânea, especialmente a Física de Partículas, no Ensino Médioio [1] ]. Propõe-s-se a utilização de laboratórios "virtuais" (E-E-labs) para o alcance deste fim. Baseamo-n-nos num projeto norte americano coordenado pelo FERMILAB, denominado Cosmic Ray e-L-Lab, cuja filosofia principal é aproximar os professores e alunos das ativividades experimentais vinculadas à Física dos Raios Cósmicos. Neste projeto, dados coletados por detectores em diversas instituições são compartilhados e analisados pelos estudantes destas e de outras instituições ao redor de todo o mundo, não sendo necessária a aquisição do conjunto de detecção para participar do projeto. Ferramentas como gráficos, tabelas e o desenvolvimento de pôsteres e artigos, são utilizadas na análise e divulgação dos resultados obtidos pelos alunos, mesmo aqueles que somente fizeram a análise dos dados sem realmente os adquirir. A estrutura do sítio que apresenta este laboratório virtual é descrita e as suas possibilidades de utilização são discutidas, assim como as principais vantagens e limitações encontradas. Dentre os aspectos positivos, destacamos o fato de o usuário ser introduzido à Física Moderna e Contemporânea através de uma abordagem diferente, utilizando uma ferramenta muito comum ao seu dia -a-dia: a internet. t. Dentre os aspectos negativos, pode ser destacada a necessidade do conhecimento do idioma inglês, o que pode dificultar a aprendizagem e a realização das atividades propostas para estudantes brasileiros. Outra limitação importante pode ser a falta de conhecimento prévio com relação ao tema Física dos Raios Cósmicos.

Palavras -c -chave: Física Moderna e Contemporânea, E-labs, Física de Partículas

## Os E EELabs

E -labs são laboratórios virtuais que permitem aos estudantes a realização de experimentos virtuais que não poderiam, normalmente, ser realizados em laboratórios escolares devido às limitações relacionadas ao custo e à infra-estrutura laboratorial. Os alunos podem realizar as atividades e repeti-las tantas vezes quanto necessário tendo um primeiro contato, ainda que virtualmente, com experimentos de Física moderna e contemporânea. O laboratório virtual aqui descrito, denominado Cosmic Ray e-Lab [2] , tem como foco os raios cósmicos.

## Raios cósmicos

Raios cósmicos são radiações naturais extremamente energéticas compostas por prótons e outros núcleos atômicos que vêm do espapaço exterior e constantemente bombardeiam a Terra em todas as direções. Quando esses raios colidem com núcleos de moléculas na alta atmosfera, dão origem, através de interações nucleares, a diversos tipos de partículas subatômicas como, por exemplo, o píon.

A cada segundo, centenas de múons provenientes dos chuveiros atmosféricos (figura 1) que são originados dos raios cósmicos atingem cada metro quadrado do planeta. Para observá-los e medi-los são necessários detectores. Os detectores mais comuns para esta ta finalidade utilizam o fenômeno da cintilação (liberação de fótons em decorrência da interação da radiação com a matéria) como princípio de funcionamento.

Figura 01: Chuveiro Atmosférico

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## Aparato para Detecção de Múons e o Cosmsmic Ray e-Lab

Nas figuras 2 e 3 são apresentados, respectivamente, o arranjo experimental para a medida do tempo de decaimento do múon utilizado no laboratório do Departamento de Física de Altas Energias da UERJ e o esquema do detector similar usado no projeto Cosmic Ray e-Lab.

Figura 02: A Arranjo experimental utilizado na UERJ

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Figura 03: E Esquema do detector utilizado pelo site

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- O sistema padrão [3] instalado na UERJ é composto por tubos fotomultiplicadores (P(PMT's ), cintiladores, módulos de eletrônica nuclear nos padrões NIM e CAMAC, cabeamento coaxial e microcomputador, dentre outros itens.
- O arranjo utilizado pelo Cosmic Ray e-Lab é uma versão reduzida de detector de múons, com eletrônica simplificada (adaptada em uma única placa eletrônica) e um sistetema GPS (G(Global Positioning System) para caracterização da posição e do tempo de ocorrência de um evento. Embora menos flexível que o arranjo padrão, este sistema apresenta as vantagens de menor custo, operação simplificada e a funcionalidade de localização ão espacial e temporal do evento e sua transmissão para um portal (virtual data grid) onde os dados coletados por todos os detectores são armazenados. Estas características facilitam a aquisição e instalação destes arranjos em diversas instituições de ensino/pesquisa, maximizando seu potencial para produção de dados e estímulo ao aprendizado dos estudantes.

No portal, os eventos tornam-se acessíveis a qualquer usuário do Cosmic Ray e-e-Lab. Desta forma, a utilização de E-labs torna-se uma possibilidade mais simples e acessível para o contato dos alunos com a Física dos Raios Cósmicos.

## Conhecendo o sítio

- O sítio do Cosmic Ray e-Lab apresenta duas categorias de operação, podendo ser acessado na modalidade professor ou aluno. Neste trabalho, a utilização será totalmente feita através da página do estudante

Figura 04: Página inicial do Cosmic Ray e-Lab para alunos

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A figura 4 ilustra a página inicial do laboratório virtual, onde se encontra uma apresentação geral do sítio. Para um trabalho contínuo com acesso irrestrito a todo o E -lab, é necessário um registro. O aluno deve solicitar uma senha e um login ao professor que, por sua vez, deve enviar um e-e-mail aos administradores com tal solicitação.

Uma vez que se está cadastrado, tem-se acesso a um breve tutorial, explicando ao aluno o que ele vai encontrar no sítio e como poderá utilizá-á-lo da melhor maneira possível. A barra de navegação, apresentada na figura 5, é um item que está presente em todas as seções do E E-lab .

Figura 05: Barra de Navegação

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Cada item d desta barra de navegação indica uma parte do E-lab que pode ser diretamente visitada pelo usuário. Por exemplo, com um clique em Home, o site retorna à página inicial. Em Resources o aluno pode esclarecer suas dúvidas sobre algum tema vinculado ao E-E-lab. Em Data, o estudante faz o controle (incluindo inserção e edição) e a análise dos dados. Com um clique em Posters, é possível criar um painel para compartilhar com todos os participantes do site as informações e os resultados obtidos na pesquisa. Os dois últimos itens da barra de navegação servem como utilitários. O Site Index x funciona como um índice do sítio. E finalmente, a avaliação (Assessment)t), apresenta os objetivos a serem alcançados pelo participante durante o estudo dos raios cósmicos.

O laboratório virtual sugere um guia de estudos que pode, ou não, ser seguido pelo professor. As atividades sugeridas incluem abordagens iniciais sobre medidas, cálculos, gráficos, perguntas e planejamentos sobre a pesquisa. Os participantes do E-lab b têm a oportunidade de fazer as suas anotações em seu próprio diário, denominado logbook , ou até mesmo consultar as anotações de outros participantes do grupo de pesquisa.

Depois de conhecer as ferramentas básicas do laboratório virtual, o estudante é encaminhado ao estudo dos aspectos particulares do experimento como a descrição e estudo dos raios cósmicos e o funcionamento e composição dos detectores. Conhecidos os aparatos experimentais e entendido como eles funcionam, o próximo passo é selecionar dados já coletados pelos aparatos da grid de dados. O aluno aprende como selecioná-los e analisá-los de maneira adequada ou visualizar os dados dos colegas.

A fim de entender o funcionamento do site, uma tomada de dados realizada em 17 de março de 2008 pelo laboratório FERMILAB, serviu como exemplo para a criação de dois gráficos, mostrados nas figuras 6a e 6b. O primeiro tem por objetivo avaliar o desempenho do sistema e o segundo mostra a distribuição dos tempos de decaimento dos múons. Deste último, o estudante pode obter o tempo de vida-média desta partícula.

Figura 06a: Gráfico dos dados do FERMILAB

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Figura 06b: Tempo de vida média do Múon - - Dados FERMILAB

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Por fim, o estudante pode publicar o trabalho no site, expondo seus resultados, suas dificuldades e suas opiniões através da elaboração de painéis e escrevendo artigos com a ajuda de um tutorial.

## Estratégias de utilização do laboratório virtual

A utilização dos laboratórios virtuais requer considerável quantidade de tempo para implementação e aprendizagem significativa dos estudantes. Desta maneira, sugere-s-se a utilização de tal ferramenta em projetos de vocação científica de alunos de Ensino Médio ou em primeiras atividades de iniciação científica na graduação. Nessas condições, o projeto pode ser realizado em horário diferenciado das aulas da grade curricular padrão.

Uma grande limitação do E-lab descrito é a estrutura em língua inglesa do projeto. Entretanto com auxílio do orientador tal dificuldade pode ser facilmente superada.

É fundamental que o professor conheça totoda a estrutura do sítio para que possa realizar o planejamento das atividades de forma que estas convirjam para as características dos alunos envolvidos e de acordo com o objetivo que deseje alcançar; não seguindo à risca o fluxograma de atividades sugerida pelo laboratório virtual.

Também é possível que o trabalho proposto não seja totalmente virtual. O Cosmic Ray e-e-Lab b engloba instituições científicas e educacionais de todo o mundo e, algumas possuem detectores que podem ser adquiridos junto ao FERMILAB cuja configuração é bem simples e geralmente é montada nos laboratórios destas instituições. As medidas realizadas com esses detectores são enviadas para uma Grid (rede de computadores), que as disponibiliza para os demais participantes do E -l -lab .

Como programa piloto, foi feita uma abordagem deste tema, em junho deste ano, no Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET) no Rio de Janeiro para uma turma contendo alunos dos 1° e 2° anos do Ensino Médio. O objetivo desta exposição foi apresentar a idéia dos E-labs aos estudantes e colher suas impressões (através de um questionário) à respeito da área de Física de Partículas e do laboratório virtual. Entretanto, o universo reduzido desta pesquisa não nos permite ainda traçar um perfil dodos estudantes de Ensino Médio[4] .

Futuramente, pretendemos reproduzir esta mesma apresentação em outras escolas de diversas modalidades, públicas e particulares, e ter dados suficientes para extrair resultados quantitativos, e não apenas qualitativos, e assim determinar o perfil destes alunos com relação à Física Moderna e Contemporânea, especialmente a Física de Partículas. O que será essencial para o aprimoramento de uma proposta metodológica baseado no uso dos E E-labs .

## Referências

[1] OSTERMANN, F. ; MOREIRA, M. A. Uma revisão bibliográfica sobre a área de pesquisa Física Moderna e Contemporânea no ensino médio . Investigações em Ensino de Ciências . Porto Alegre, v. 5, n. 1, p. 02, 2000.

[2] NATIONAL SCIENCE FOUNDATION. Cosmic Ray e-Lab. Disponível em: &lt;http://www18.i2u2.org/elab/cosmic/home/project.jsp&gt;. Acessado em: 29 set. 2008.

- [3] HALL, R.E. ; LIND, D.A. ; RISTIEN, R.A. A simplified muon lifetime experiment for the instructional laboratory , A Am. J. Phys. 38 1196, 1970.
- [4] CORREIA, Amanda. Investigação de técnicas para a introdução da Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. Rio de Janeiro: UERJ, 2008. (Monografia), Instituto de Física Armando Dias Tavares, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008.