O ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO PARA ALUNOS DO ENSINO MÉDIO POR MEIO DE SUAS APLICABILIDADES COTIDIANAS

## O ENSINO DO EFEITO FOTOELÉTRICO PARA ALUNOS DO ENSINO MÉDIO POR MEIO DE SUAS APLICABILIDADES COTIDIANAS 1

Silvia Candido, Leandro Londero, Helena Battazza, Ezequiel Vilela, Jaqueline Pereira

## Resumo

Há cerca de três décadas observa-se um movimento de inserção de conteúdos de Física Moderna e Contemporânea nos currículos escolares. Entre os assuntos que deveriam ser abordados encontra-se o efeito fotoelétrico. Se pensarmos no ensino desse fenômeno para alunos do ensino médio torna-se fundamental uma abordagem diferente daquela que é utilizada nos cursos de física. Assim, desenvolvemos uma atividade que leva em consideração as aplicações cotidianas do efeito fotoelétrico. Iniciamos a implementação por meio de perguntas realizadas aos alunos, visando conhecer as concepções deles sobre o assunto. Após, explicamos o efeito por meio de suas aplicações, em especial para o funcionamento do sistema de iluminação. Ampliamos a sua aplicabilidade para o controle automático de portas e o de esteiras de supermercado. A proposta foi implementada em 2 turmas de 3 ano de uma escola pública de Alfenas/MG. Ao final, aplicamos um questionário o para analisarmos a opinião dos alunos sobre a abordagem do tema e os significados por eles construídos. Obtivemos como respostas: 'Muito bom, pois aborda assuntos que temos dúvidas e que na escola não temos a oportunidade de aprender.' (I.F.S.), 'Foi muito bom pois algumas coisas não são abordadas como matéria do 3 ano.' (E.S.S.). Em relação aos o conhecimentos construídos, os alunos argumentaram: 'Que quando a luz bate em uma placa de anôdo retira elétrons que vão até a placa de catodo fazendo que ocorra corrente elétrica.' (J.R.); ' É a emissão de elétrons por placas metálicas quando atingida por luz de frequência suficiente.' (C.S.R.). Por se tratar de um tema da física moderna, os alunos demonstraram interesse e curiosidade. Com o trabalho foi possível perceber que os alunos compreenderam o efeito fotoelétrico mediante suas aplicações cotidianas. Arriscamos afirmar que essa atividade mostrou-se como uma possibilidade para o ensino do efeito fotoelétrico, transcendendo à concepção de ensino que se revela somente mediante habilidades lógico-matemáticas.

Palavras-chave : Efeito Fotoelétrico, Física Moderna, Aplicações cotidianas, Simulações computacionais, Ensino Médio

## Considerações Iniciais

Há cerca de três décadas observa-se em muitos países a tentativa de inserir nos currículos escolares da educação básica conteúdos que comumente chamamos de Física Moderna e Contemporânea (FMC). Cabe, então, neste momento, a pergunta: Por que, nós professores de Física do Ensino Médio, devemos inserir tópicos e ideias de física moderna e contemporânea na sala de aula?

Esta questão faz parte da carta escrita por Pena em 2006 e enviada ao editor da Revista Brasileira de Ensino de Física, naquele momento Prof. Nelson Studart. Pena procurou sistematizar justificativas presentes na literatura da área para a inserção de tópicos de FMC nos currículos escolares.

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20 a 25 de janeiro de 2013

Entre as justificativas pensadas por pesquisadores da área de ensino de física, para a inserção, encontram-se: a) influência crescente dos conteúdos de FMC para o entendimento do mundo criado pelo homem (TERRAZZAN, 1992); b) impossibilidade de se vivenciar e participar plenamente do mundo tecnológico atual sem um mínimo de conhecimentos básicos dos desenvolvimentos mais recentes da Física (TERRAZZAN, 1992); c) despertar a curiosidade dos estudantes e ajudá-los a reconhecer a Física como um empreendimento humano e, portanto, mais próxima dos estudantes (OSTERMANN et al ., 1998); d) estabelecer o contato dos alunos com as idéias revolucionárias que mudaram totalmente a Ciência do século XX, pois para os alunos a Física é um conjunto de conhecimentos que se acabou antes do início do século XX (OSTERMANN et al., 1998); e) atrair jovens para a carreira científica, futuros pesquisadores e/ou professores (OSTERMANN et al., 1998); f) transformar o ensino de Física tradicionalmente oferecido por nossas escolas, pois conceitos de FMC explicam fenômenos que a física clássica não explica, isto é, uma nova visão de mundo, física que hoje é responsável pelo atendimento de novas necessidades que surgem a cada dia, tornando-se cada vez mais básicas para o homem contemporâneo, um conjunto de conhecimentos que extrapola os limites da ciência e da tecnologia, influenciando outras formas do saber humano (PINTO e ZANETIC, 1999).

No âmbito do Ensino de Física no Brasil a produção de trabalhos sobre a inserção da FMC começou a ter expressão há cerca de três décadas. Efetivamente, na década de 90 assiste-se a uma intensificação do número de pesquisas que envolvem esta temática. Como exemplo, dos primeiros trabalhos produzidos, podese citar o estudo, em nível de doutoramento, realizado por Eduardo Terrazzan e intitulado ' Perspectivas para a inserção da física moderna na escola média ', defendido em 1994, na Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo, sob orientação do Prof. Luiz Carlos de Menezes.

Ainda, esta tendência traduz-se inclusive no fato de uma revista especializada como a Investigações em Ensino de Ciências (IENCI), editada no Brasil, publicar no número 1, do volume 5, de janeiro de 2000, um artigo de revisão sobre esse tema (OSTERMANN e MOREIRA, 2000).

Nesse artigo, os autores se propõem a revisar os estudos sobre a linha de pesquisa ' Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio ' mediante consulta a artigos de revistas, livros didáticos, dissertações, teses, projetos e navegações pela internet, que abordam essa questão.

Os autores concluem que há muitas justificativas em favor da atualização curricular e até uma bibliografia que apresenta temas modernos. Além disso, afirmam que um desafio é a escolha de que temas de FMC deveriam ser objeto de especial atenção na formação de professores de Física com vistas a um trabalho adequado no Ensino Médio (OSTERMANN e MOREIRA, 2000).

Ostermann e Moreira (1998) com o intuito de obterem uma lista consensual, entre físicos, pesquisadores em Ensino de Física e professores de Física do Ensino Médio, sobre quais tópicos de FMC deveriam ser abordados na escola média, com vistas a atualizar o currículo de Física neste nível, chegam aos seguintes itens: leis de conservação, radioatividade, forças fundamentais, fissão e fusão nuclear, origem do universo, raios X, partículas elementares, Big Bang, relatividade restrita, estrutura molecular, átomo de Bohr, metais e isolantes, semicondutores, laser, supercondutores, fibras ópticas, dualidade onda-partícula e efeito fotoelétrico .

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Levando-se em consideração os argumentos a favor da inserção de assuntos de física moderna e contemporânea em aulas de física do ensino médio, investigamos os conhecimentos construídos pelos alunos quando do ensino do efeito fotoelétrico a partir de aplicações cotidianas desse fenômeno . Com a investigação procuramos responder o seguinte problema: Quais são os sentidos construídos pelos alunos em relação ao efeito fotoelétrico quando do ensino deste fenômeno por meio de aplicações cotidianas?

## O Efeito Fotoelétrico: uma breve explicação

Em 1887, enquanto trabalhava em seus aparelhos de radiotransmissão de descarga elétrica, Hertz descobriu que uma descarga elétrica entre dois eletrodos é facilitada quando radiação ultravioleta incide em um deles, fazendo com que elétrons sejam emitidos de sua superfície. Esse fenômeno foi chamado Efeito Fotoelétrico. No entanto, não era possível explicar como ondas poderiam arrancar elétrons de uma superfície metálica. Os resultados encontrados contrariavam as previsões da teoria ondulatória para a luz. Pela física clássica, a luz era considerada uma radiação eletromagnética, portanto ela se comportava como uma onda. Problemas com a Física Clássica:

Intensidade : A energia máxima dos elétrons emitidos deveria depender da intensidade da onda eletromagnética;

Frequência : o efeito deveria ocorrer para qualquer frequência;

Tempo de atraso : Para luz suficientemente fraca, o elétron só poderia ser emitido quando acumulasse energia suficiente da onda, que deveria ser absorvida de forma contínua. Nenhum tempo de atraso jamais foi detectado.

Figura 01: Radiação incidindo sobre uma placa metálica emitindo fotoelétrons

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Diante dos resultados experimentais, concluiu que:

- · O efeito fotoelétrico só ocorre a partir de uma determinada frequência ν mín ;
- · A partir do momento que o fenômeno tem início, a quantidade de cargas emitidas (fotoelétrons) da placa é diretamente proporcional à intensidade da luz;
- · Para frequências menores que ν mín, o fenômeno não existe.

Não se compreendia porque é que as ondas de luz de pequena frequência não provocam a emissão de elétrons, mesmo nos casos em que a amplitude da onda, e, portanto, a força com que ela atua nos elétrons, são grandes.

Era impossível compreender porque a energia dos elétrons fotoelétricos era determinada apenas pela frequência da luz, nem perceber a causa pela qual só quando o comprimento de onda era pequeno a luz se tornava capaz de arrancar elétrons. O esclarecimento do efeito fotoelétrico foi dado em 1905 por Albert Einstein que, a partir de todo um contexto, vislumbrou a possibilidade de que a luz tem uma

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estrutura intermitente e é absorvida em porções independentes. Para ele, a energia luminosa percorre o espaço concentrada em pacotes, ou seja, energia da luz é quantizada em 'pacotes' (fótons) de valor E = h ν , onde h = 6,63×10-34 J.s é a constante de Planck e ν a frequência da luz. Cada fóton libera um elétron quando incide na placa metálica, explicando assim como a descarga elétrica é produzida com a incidência de luz. O fóton carrega também momento linear.

Figura 02: Radiação incidindo sobre uma placa metálica emitindo fotoelétrons

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Energia é transferida de forma discreta, por meio de processos individuais de colisões entre 1 fóton e 1 elétron.

Assim, é possível concluir que: a) a emissão de fotoelétrons pela placa não depende da intensidade de radiação incidente, mas sim da frequência da radiação; b) a intensidade de radiação incidente tem haver com o número de elétrons arrancados, maior intensidade corresponde a um maior número de elétrons arrancados.

Se pensarmos no ensino desse fenômeno para alunos do ensino médio, encontramos na literatura da área de ensino de física algumas abordagens para o tratamento deste tópico curricular.

## Algumas abordagens para o ensino do Efeito Fotoelétrico

Uma primeira possibilidade de discutir o efeito fotoelétrico é sugerida por Veit et al . (1987) por meio de uma atividade experimental, que consiste de uma placa polida de Zinco montada sobre um eletroscópio. Quando a luz com radiação ultravioleta incide sobre a placa de Zinco, o eletroscópio, previamente carregado com carga negativa, se descarrega, indicando que elétrons são arrancados da superfície metálica.

Cavalcante et al . (2002), com o intuito de prestarem uma contribuição aos professores de física, especificamente aqueles do Ensino Médio, publicam um artigo intitulado ' Uma aula sobre o Efeito fotoelétrico no desenvolvimento de competências e habilidades '. Nele, os autores fazem indicações de enfoques que podem ser utilizados para o ensino do efeito fotoelétrico.

No estudo, os autores, primeiramente, argumentam a favor do enfoque histórico-filosófico. Segundo eles, em se tratando de História e Filosofia da Ciência, a discussão sobre a descoberta do efeito fotoelétrico apresenta muitas possibilidades de reflexão. Entre os temas mais importantes nesse sentido é a discussão sobre quebra de paradigmas, os quais sofreram sérios questionamentos no momento em que novas teorias foram estruturadas no início do século XX e que provocaram uma crise que se traduziu no surgimento de um novo paradigma teórico.

Além disso, nesse enfoque ganha destaque a evolução da descoberta do efeito fotoelétrico com as contribuições, por exemplo, de Hertz e de Einstein e a discussão da dualidade onda-partícula, sendo realizada por meio de debate em sala

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de aula, no qual parte dos alunos deveria defender o comportamento ondulatório da luz e a outra parte o comportamento corpuscular.

Para os autores, o trabalho envolvendo História e Filosofia da Ciência sem dúvida encontrará uma questão crucial: a dualidade onda-partícula. Esse tema parece mais do que apropriado e pode ser muito rico para nossos alunos, motivando uma discussão interdisciplinar (CAVALCANTE et al ., 2002).

Num segundo momento, as simulações computacionais são enfatizadas por Cavalcante et al . (2002) como possibilidade para o ensino de efeito fotoelétrico. O enfoque computacional para o ensino desse fenômeno não é algo novo. Em 1987, Eliane Angela Veit e colaboradores já argumentavam a favor do uso de simulações computacionais em artigo intitulado ' O efeito fotoelétrico no segundo grau via microcomputador ', publicado no Caderno Brasileiro de Ensino de Física.

Em se tratando de simulações computacionais para o ensino do efeito fotoelétrico, o professor poderá fazer uso de diferentes simulações disponíveis na internet. Percebe-se, após a realização das simulações, que a energia cinética do elétron emitido independe da intensidade da luz incidente, mas existe uma dependência desta energia com relação à frequência da radiação incidente. Para um mesmo material, quanto maior a frequência da luz, maior a energia dos fotoelétrons. Luz mais intensa apenas arranca mais elétrons, gerando maior corrente fotoelétrica. Podemos citar como exemplo de simulação para o efeito fotoelétrico a apresentada pelo PHET da Universidade do Colorado, como ilustrada na figura 3.

Figuras 03: Efeito fotoelétrico por meio de simulação computacional

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Segundo Cavalcante et al . (2002), experimentos virtuais, quando bem orientados, podem ser instrumentos muito úteis para o desenvolvimento de conceitos físicos, principalmente em áreas em que a Física Experimental encontra sérios limites para atuação.

Outra possibilidade de ensino do efeito fotoelétrico e apresentada por Valadares e Moreira (1998), em um artigo publicado no Caderno Brasileiro de Ensino de Física e intitulado 'Ensinando Física Moderna no Ensino Médio: efeito fotoelétrico, laser e emissão de corpo negro'. Os autores enfatizam a aplicação desse efeito por meio de experiências simples de baixo custo financeiro. Eles partem da aplicação do efeito fotoelétrico no funcionamento do sistema de iluminação pública e mostram a sensibilidade da resistência elétrica de um dispositivo LDR (resistência dependente da luz).

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Figuras 04 e 05: Efeito fotoelétrico no funcionamento do sistema de iluminação pública

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Os autores ampliam a aplicabilidade do efeito para o controle automático de portas e o de esteiras de supermercado, como na figura 06.

Figuras 06: Efeito fotoelétrico no funcionamento automático de portas

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No entanto, os autores não apresentam resultados da implementação dessa proposta. Tendo em vista esse aspecto, relatamos na próxima seção o objetivo, problema e questões de nosso estudo.

## 2 - Propósito, Problema e Desenvolvimento

Como explicitado anteriormente, investigamos os conhecimentos construídos pelos alunos quando do ensino do efeito fotoelétrico a partir de aplicações cotidianas desse fenômeno.

Para atingirmos nosso objetivo e respondermos o problema de pesquisa realizamos algumas ações investigativas. As ações de desenvolvimento deste estudo foram realizadas em duas turmas de ensino médio de uma escola pública do município de Alfenas/MG, como parte das atividades do PIBID Física da UNIFAL/MG. Os alunos bolsistas desenvolveram conjuntamente com o professor supervisor da escola parceira uma atividade que consistiu em levar aos alunos o ensino do efeito fotoelétrico por meio de aplicações cotidianas deste fenômeno.

A implementação da atividade iniciou-se mediante perguntas realizadas aos estudantes, visando conhecer as concepções deles sobre o assunto abordado. As questões solicitadas foram: a) Como um sistema de iluminação pode acender e apagar sozinho?; b) Como sistemas de alarme ligam e desligam automaticamente?; c) Como ocorre o funcionamento das portas de shoppings que se abrem sozinhas?; d) Como ocorre a contagem do número de pessoas que passam por um determinado local?

De posse das respostas, que foram sistematizadas no quadro pelos bolsistas, explicou-se o efeito por meio de suas aplicações, em especial para o funcionamento do sistema de iluminação pública, mostrando a sensibilidade da resistência elétrica de um dispositivo LDR (resistência dependente da luz), como mostrado anterirormente na figura 04 e 05. Utilizou-se também uma réplica de um poste de luz, construído para essa aula.

Ampliou-se a aplicabilidade do efeito para o controle automático de portas e o de esteiras de supermercado como mostrado anterirormente na figura 06. Ao final, aplicamos um questionário para analisarmos a opinião dos alunos sobre a abordagem do tema e os significados por eles construídos. Em especial, perguntamos: a) Explique resumidamente o que você entende por efeito fotoelétrico; b) Qual sua opinião sobre a abordagem de temas da física atual (como o efeito fotoelétrico por exemplo) nas aulas de física?

Após a implementação, as respostas foram analisadas e sistematizadas pelos bolsistas. Apresentamos neste trabalho o resultado desta implementação e a

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análise das respostas obtidas, afim de obtermos uma compreensão sobre os sentidos produzidos pelos alunos no que diz respeito ao conhecimento por eles construídos sobre o efeito fotoelétrico. Iremos apresentar alguns casos que nos parecem mais significativos.

## 4 - Respondendo o problema de pesquisa

## Quanto ao entendimento do efeito fotoelétrico

No que se refere ao entendimento construído sobre o efeito fotoelétrico, os alunos expressaram em suas produções algumas falas como as reproduzidas a seguir:

'Que quando a luz bate em uma placa do anôdo retira elétrons que vão até a placa de catodo fazendo que ocorre corrente elétrica.' (J.R.)

- ' É emissão de elétrons por placas metálicas quando atingida por luz de frequência suficiente.' (C.S.R.)

'Quando a luz bate em um objeto, a luz arranca elétrons desse objeto.'(B.S.Q.)

Na fala do aluno J.R (primeira) é possível identificar que o aluno associou o efeito fotoelétrico com a retirada de elétrons e, consequentemente, para ele, a criação de uma corrente elétrica.

No segundo caso, ou seja, na fala do aluno C.S.R., percebemos novamente que ele associou o fenômeno com ' emissão de elétrons por placas metálicas '. Por outro lado, destaca-se na produção desse aluno a argumentação ' quando atingida por luz de frequência suficiente '.

Na terceira fala, pronunciada pelo aluno B.S.Q., é possível observar o uso do termo 'objeto'. No entanto, esse aluno não explicita o fato de ser um objeto metálico, dando a entender que em qualquer objeto o efeito pode ser observado.

## Quanto as opiniões sobre a abordagem de temas da física moderna (como o efeito fotoelétrico) nas aulas de física

Estávamos interessados também em saber as opiniões dos alunos quanto a abordagem utilizada e quanto ao ensino de temas de física moderna. Com relação a estes aspectos, obtivemos as seguintes respostas:

'Interessante, pois assuntos de nosso dia-a-dia não recebemos o devido conhecimento'. (J.A.S.)

'Muito bom, pois aborda assunto que temos dúvida e que na escola não temos a oportunidade de aprender.' (I.F.S.)

'Foi uma experiência boa, pois são coisas dos dias atuais e complementa nosso aprendizado.' (D.P.G.)

'Foi muito bom pois algumas coisas, não são abordados como matéria do 3º ano.'(E.S.S.)

Nas falas acima reproduzidas fica evidente que assuntos de física moderna não são trabalhados pelo professor supervisor da escola parceira. Segundo este, os assuntos não são trabalhados em suas aulas em virtude de seu desconhecimento, uma fez que ele não é formado em física. No entanto, o professor destaca a importância do PIBID nesse processo de atualização de conteúdos na escola.

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Para superar a dificuldade que alguns alunos apresentaram, em especial, a de que é a luz que leva os elétrons do anôdo para o catodo, e não a ddp, sugerimos que o professor discuta tal aspecto com seus alunos alertando para o conceito de ddp.

Por se tratar de um tema atual da física moderna, os alunos demonstraram interesse e curiosidade pelo assunto apresentado. Uma das contribuições deste trabalho diz respeito à inserção de conteúdos de física moderna e contemporânea na escola média. Com ele foi possível os alunos compreenderem o efeito fotoelétrico por meio de suas aplicações cotidianas. No presente momento, arriscaríamos afirmar que a atividade mostrou-se como uma das possibilidades para o ensino do respectivo fenômeno por professores da escola média, transcendendo à concepção de ensino que se revela somente mediante habilidades lógico-matemáticas.

## Referências

CAVALCANTE, M. A. et al .: (2002). 'Uma aula sobre o Efeito Fotoelétrico no desenvolvimento de competências e habilidades'. In: Física na Escola , v.3, n.1, p.24-29.

OSTERMANN, F.; MOREIRA, M. A. Tópicos de física contemporânea na escola média brasileira: um estudo com a técnica Delphi. In: ENCONTRO DE PESQUISA EM ENSINO DE FÍSICA, 6., 1998, Florianópolis. Atas do VI Encontro de Pesquisa em Ensino de Física . Florianópolis: Imprensa UFSC, 1998. 19p. [Seção de Comunicações Orais] 1 CD-Rom.

OSTERMANN, F.; MOREIRA, M. A.: (2000). 'Uma revisão bibliográfica sobre a área de pesquisa 'Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio'. In: Investigações em Ensino de Ciências , v.5, n.1, p.23-48.

PINTO, A. C.; ZANETIC, J.: (1999). 'É possível levar a Física Quântica para o ensino médio?'. In: Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v.16, n.1, p.7-34.

TERRAZZAN, E. A.: (1992). 'A inserção da física moderna e contemporânea no ensino de física na escola de 2º grau'. In: Caderno Catarinense de Ensino de Física , v.9, n.3, p.209-214.

TERRAZZAN, E. A. Perspectivas para a inserção de Física Moderna na Escola Média . Tese (Doutorado em Educação) - Faculdade de Educação, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1994, 241 f.

VALADARES, E. DE C.; MOREIRA, A. M.: (1998). 'Ensinando física moderna no ensino médio: efeito fotoelétrico, laser e emissão de corpo negro'. In: Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v.15, n.2, p.359-372.

VEIT, E. Â. et al.: (1987). 'O Efeito Fotoelétrico no segundo grau via microcomputador'. In: Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v.4, n.2, p.114-134.

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