INSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA: UM KIT DE BAIXO CUSTO PARA ESPECTROSCOPIA

## INSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA: UM KIT DE BAIXO CUSTO PARA ESPECTROSCOPIA

Cristiane R. C. Tavolaro , Marisa A. Cavalcante , Anderson de Castro Teixeira , 1 2 3 Renata Peçanha 4

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PUC-SP/Departamento de Física/cris@pucsp.br 2 PUC-SP/Departamento de Física/marisac@pucsp.br Graduando em Licenciatura em Física/ andersont\_5@hotmail.com 4 Graduanda em Licenciatura em Física/renatap\_s@hotmail.com

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## Resumo

Levar ao ensino médio experimentos de espectroscopia, certamente permite abordar a física moderna desde suas origens históricas até as aplicações tecnológicas que permeiam nossas vidas hoje em dia. Esse tema tem sido um tema recorrente em simpósios, conferências e artigos veiculados em revistas de ensino de física e química desde a década de 1990 e a Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional de dezembro de 1996, na seção IV do Ensino Médio enfatiza a necessidade do conhecimento das formas contemporâneas de linguagem e do domínio dos princípios científicos e tecnológicos como pilares para o exercício responsável da cidadania. Este trabalho propõe a otimização de espectroscopia de baixo custo para mais uma vez incentivar sua utilização nas disciplinas de física e química do ensino médio, visando atender as necessidades de abordagem tanto do modelo dual da luz quanto do modelo atômico de Bohr, e assim, fornecer subsídios para que os estudantes possam compreender de forma mais abrangente os conhecimentos físicos necessários para o entendimento das tecnologias mais recentes. O kit de espectroscopia que apresentamos aqui é resultado de um projeto desenvolvido durante o curso de licenciatura em física da PUC/SP, na disciplina de Instrumentação para o Ensino de Física Moderna.

Palavras-chave : Ensino de Física Moderna, Espectroscopia, Física moderna no Ensino Médio.

## Introdução

- O desenvolvimento da espectroscopia teve um impacto extraordinário no estudo da estrutura da matéria (FILGUEIRAS, 1996), juntamente com a descoberta do elétron no final do século XIX e com a explicação para o efeito fotoelétrico fornecida por A. Einstein no início do século XX, dando origem ao período que conhecemos como física moderna. Com a descrição correta da relação entre as linhas espectrais, foi possível elaborar o modelo de átomo de Bohr, este por sua vez precursor do modelo atual, totalmente fundamentado na Mecânica Quântica. Além disso, tudo que se sabe sobre a composição química dos astros se deve aos avanços da espectroscopia, cujas contribuições à Ciência são inúmeras, principalmente na indústria e em análises clínicas (CAVALCANTE, 2005).

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Sendo assim, levar ao ensino médio experimentos de espectroscopia, certamente permite abordar a física moderna desde suas origens históricas até as aplicações tecnológicas que permeiam nossas vidas hoje em dia (CARVALHO NETO, 1999). Esse tema tem sido um tema recorrente em simpósios, conferências e artigos veiculados em revistas de ensino de física e química desde a década de 1990 e teve um grande impulso quando da publicação da Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional de dezembro de 1996: na seção IV do Ensino Médio enfatiza a necessidade do conhecimento das formas contemporâneas de linguagem e do domínio dos princípios científicos e tecnológicos como pilares para o exercício responsável da cidadania (OLIVEIRA et all, 2007).

Desde então, além de atualizações no currículo, muitas foram as sugestões de experimentos de baixo custo para não só demonstrar mas também fundamentar com resultados quantitativos os conceitos de física moderna considerados fundamentais para o ensino médio. E dentre estes experimentos está a espectroscopia (KALINOWSKI, 1990; CATELLI, 2004; PARANHOS, 2008; CAVALCANTE et all, 1999, 2003, 2005, 2007, 2011). Portanto o que este trabalho pretende propor não é original em essência, e sim propõe aperfeiçoar a espectroscopia de baixo custo para mais uma vez incentivar sua utilização nas disciplinas de física e química do ensino médio, visando atender as necessidades de abordagem tanto do modelo dual da luz quanto do modelo atômico de Bohr, e assim, fornecer subsídios para que os estudantes possam compreender de forma mais abrangente os conhecimentos físicos necessários para o entendimento das tecnologias mais recentes.

- O kit de espectroscopia que apresentamos aqui é resultado de um projeto desenvolvido durante o curso de licenciatura em física da PUC/SP, na disciplina de Instrumentação para o Ensino de Física Moderna, no qual foi abordado o método de determinação do comprimento de onda de uma ponteira laser, com o uso de CDs como rede de difração.
- O novo aparato foi projetado de modo que as medidas para o experimento proposto pudessem ser aferidas de maneira mais segura e rápida do que as obtidas nos métodos até então propostos, priorizando agilidade experimental. Outra consideração importante no desenvolvimento deste kit é o fato de que todos os materiais utilizados são de baixo custo e confeccionados de maneira simples e de fácil reprodução. Utilizaram-se materiais como sobras de madeira, CDs inutilizados, um suporte metálico, pilhas, lâmpada fria, trena quebrada e uma ponteira laser.

Vale ressaltar também que, apesar de tratar-se de uma medida de comprimento de onda através do fenômeno da difração, o experimento permite abordar diversos conceitos relacionados ao comportamento da luz tais como princípio de propagação retilínea da luz, refração, reflexão e outros.

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## Desenvolvimento

A montagem experimental para medir os comprimentos de onda tanto do feixe de laser quanto de lâmpadas incandescentes e luminescentes está ilustrada na foto da figura 01. Além da montagem de cada peça do Kit (A, B e C na figura 01), ressaltamos a construção de trilho articulado (D), que permite maior versatilidade na disposição dos componentes, possibilitando o posicionamento rápido de cada um e também medições simples e mais eficientes das distâncias envolvidas.

Figura 01: Kit de Espectroscopia de baixo custo: o trilho articulado fornece grande versatilidade e eficiência para a determinação da posição das linhas espectrais quando utilizamos o CD com a camada refletora.

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O suporte para o CD difrator (A, na figura 1) é constituído por um apoio de madeira, com um pino centralizado. É nele que o CD é encaixado. Para que o CD possa ser rotacionado, devemos utilizar um parafuso na parte inferior do suporte (figura 02).

Figura 02: Montagem do suporte do CD.

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Para posicionar a ponteira laser adequadamente, seu suporte é constituído por um tubo cilíndrico vertical onde encaixamos a peça de madeira conforme mostra a figura 03. Um parafuso borboleta fixa essa peça. Assim a ponteira pode se mover tanto na vertical quanto girar.

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Figura 03: Suporte para a ponteira laser.

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A ponteira laser é utilizada num primeiro momento, para determinar o número de ranhuras do CD, por transmissão (sem película refletora) ou por reflexão (com a película). Essa informação é necessária para que se conheça a distância entre as ranhuras dos CDs, e deve ser guardada como característica do kit. O kit com a ponteira laser também pode ser utilizado para determinar a espessura de um fio de cabelo e de uma fenda, conforme o roteiro disponível no blog do curso (TAVOLARO, 2011), e assim abordar o fenômeno da difração da luz, importantíssimo para a discussão da natureza da luz do ponto de vista da física moderna.

O anteparo é constituído por uma placa de madeira na qual podem ser anexadas folhas de papel milimetrado para que sejam anotadas as medidas (figura 04).

Figura 04: Montagem do anteparo.

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O trilho articulado é constituído por duas tiras de madeira de 50 cm x 5 cm e um parafuso de articulação que permite a escolha do ângulo entre o CD refletor e o anteparo, ou o simples alinhamento entre feixe de luz, CD transparente e anteparo. A madeira superior possui um apoio, para que ambas fiquem no mesmo nível (figura 05). No vídeo disponível no blog do curso (TAVOLARO, 2011), é possível ver esse alinhamento e articulação do trilho.

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Figura 05: Montagem do trilho articulado.

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Por reflexão (figura 06), é importante posicionar o CD de modo que ele fique paralelo ao anteparo e é por este motivo que fizemos um suporte que o rotacione. Em seguida, basta direcionar a luz do laser ou lâmpada para o CD.

Figura 06: Montagem com o CD paralelo ao anteparo.

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Todas as informações relativas aos espectros projetados por lâmpadas incandescentes (espectro contínuo) e luminescentes (espectro discreto superposto ao contínuo) podem ser obtidas quando substituímos a ponteira laser pela lâmpada.

Para melhorar o foco da imagem do espectro usamos uma lupa e variamos a distância entre o CD, e entre o anteparo e a lupa até obter uma imagem nítida (figura 07).

Figura 07: Espectro de uma lâmpada comercial luminescente branca, obtido por transmissão e projetado no anteparo.

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Para obter os comprimentos de onda λ associados às linhas do espectro, usamos a Lei de Interferência de Young (CAVALCANTE, 2011),

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onde n é a ordem do espectro (usamos n=1) e d é a informação correspondente à distância entre as ranhuras do CD. Para obter o valor de sen θ , precisamos das distâncias D e x, conforme mostra a figura 08.

Figura 08: Difração da luz em fendas e a Lei de Interferência de Young.

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- O valor de sen θ é calculado a partir da seguinte relação:

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Na foto da figura 9 podemos ver como as distâncias D e x são obtidas.

Figura 9: Distância D entre o CD e o anteparo e distância x entre o eixo óptico do sistema e a linha espectral cujo comprimento de onda se deseja determinar.

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Importante enfatizar que, assim que o espectro é focalizado sobre o anteparo (procedimento que é rapidamente realizado devido à articulação dos componentes do kit) a distância D é facilmente obtida por leitura na trena disposta ao longo do trilho e a distância x, é obtida por leitura no papel milimetrado existente sobre o anteparo.

Dentre os resultados obtidos com a nova montagem podemos ressaltar as medidas de comprimento de onda de luz emitida por LEDs. Um LED emite uma faixa de comprimentos de onda de modo que medimos as posições das extremidades dessa faixa e calculamos seu valor médio (CAVALCANTE, 2011). Para um LED

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vermelho obtivemos resultados da ordem de (655 ± 35) nm, sendo que um LED vermelho comercial apresenta um espectro de emissão correspondente a uma faixa de 630 nm a 670 nm.

## Considerações finais

Este Kit é uma alternativa para espectroscopia e abrange diversos conteúdos relacionados à óptica física e geométrica.

A princípio, apenas pelo uso do laser, podem-se introduzir os princípios da ótica geométrica, como propagação retilínea, independência e reversibilidade dos raios luminosos.

Quando executado o experimento com o CD refletor, além da difração o professor pode abordar as leis da reflexão já que o anteparo, CD e fonte não estão alinhados, mas sim fechando um triângulo.

No experimento também pode ser utilizada uma lente para focalizar o feixe de luz, ou seja, pode-se abordar o conceito de refração e mostrar ao estudante a aplicação de um instrumento ótico como uma lente convergente.

Por ser um equipamento simples e de baixo custo, pode ser reproduzido facilmente nas escolas de ensino médio e pode ser utilizado em sala de aula, dispensando a necessidade de um laboratório específico para experimentos de física.

Os resultados obtidos em termos de medidas de comprimentos de onda estão de acordo com aqueles obtidos por métodos similares encontrados na literatura relacionada ao ensino de física.

Assim, acreditamos que o kit de espectroscopia de baixo custo pode contribuir para incentivar os professores a abordarem os conceitos de física moderna relacionados à espectroscopia bem como contextualizá-los dando exemplos de aplicações de medidas espectroscópicas na ciência e na indústria.

## Referências

FILGUEIRAS, Carlos, A espectroscopia e a química: da descoberta de novos elementos ao limiar da teoria quântica. Revista Química Nova na Escola , São Paulo, n. 3, maio. 1996. Disponível em:

&lt;http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc03/historia.pdf&gt;. Acesso em: 18 out. 2012.

CAVALCANTE, Marisa A., TAVOLARO, Cristiane R.C. e HAAG, Rafael Experiências em Física moderna. Revista Física na Escola , São Paulo, v.6, n. 1, maio. 2005. Disponível em: &lt;http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/exper-fis-mod.pdf&gt;. Acesso em: 18 out. 2012.

CARVALHO NETO, Rodolfo A., Freire Jr., Olival e ROCHA, José Fernando Moura. Revelando o caráter determinístico da Mecânica Newtoniana - uma ponte para o

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ensino da Física Moderna no ensino médio. Ideação , Feira de Santana, n.3, jan./jun. 1999. Disponível em: &lt;http://www.uefs.br/nef/olival3.pdf&gt;. Acesso em: 18 out. 2012.

OLIVEIRA, Fabio F., VIANNA, Deise .M. e GERBASSI, Reuber.S. Física Moderna no ensino médio: o que dizem os professores. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 29, no. 3, Set. 2007. Disponível em:&lt;

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KALINOWSKI, H.J., GARCIA, N.M.D., Uma alternativa econômica para rede de difração no laboratório de ensino', Caderno Catarinense de Ensino de Física , n.7,vol.1, 64, 1990.

CAVALCANTE, Marisa A.; JARDIM, V., BARROS, J.A.A., Inserção de Física Moderna no Ensino Médio: Difração de um feixe de Laser', Caderno Catarinense de Ensino de Física , v.16, n.2 (pg. 154-169), 1999.

CAVALCANTE, Marisa .A. e BENEDETTO, Alessandra. Instrumentação em Física Moderna para o Ensino Médio: uma Nova Técnica para a Análise Quantitativa de Espectros. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 21, no. 3, Set. 1999. Disponível em &lt;http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/v21\_437.pdf &gt; Acesso em: 18 out. 2012.

CATELLI, Francisco e PEZZINI, Simone, Observando espectros luminosos espectroscópio portátil, Caderno Brasileiro de Ensino de Física v. 21, n. Especial,2004.

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CAVALCANTE, M.A.; TAVOLARO, C.R.C., Física Moderna Experimental . Editora Manole,São Paulo, 2011.

TAVOLARO, Cristiane R. C., Difração da Luz, Disponível em: &lt;http://espacodafisicamoderna.blogspot.com.br/2012/05/nesse-novo-postdeixaremos-disponivel.html&gt;. Acesso em: 15 out. 2012.

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