CÂMARA DE WILSON ELETRÔNICA PARA AUXÍLIO NA APRENDIZAGEM DE FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO

## CÂMARA DE WILSON ELETRÔNICA PARA AUXÍLIO NA APRENDIZAGEM DE FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO

## Alexandre Dimas 1 , Marcelo Alves Barros 2

1 Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Exatas, Universidade Federal de São Carlos, adimasq@hotmail.com

2 Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo, mbarros@ifsc.usp.br

## Resumo

O objetivo deste trabalho é a proposta e construção de um instrumento didático que venha colaborar para a superação do obstáculo epistemológico relacionado à fenomenologia quando do estudo de física moderna e contemporânea, notadamente no que se refere à estrutura da matéria, radioatividade e raios cósmicos, uma vez que estes se referem a estruturas e fenômenos físicos que não são facilmente observáveis diretamente no cotidiano do aluno. Nesse sentido, o presente trabalho refere-se à construção de uma Câmara de Wilson Eletrônica, inspirada na câmara de nuvens de Wilson e na câmara de difusão de Langsdorf, mas utilizando materiais de fácil aquisição e que pode ser construída sem grandes dificuldades pelo professor. Existem vários tutoriais para a construção das mesmas, mas a característica principal de tais câmaras é a formação de gradiente de temperatura utilizando dióxido de carbono sólido (gelo seco). Entretanto, este produto não é encontrado com facilidade, além de ser altamente sublimável, dificultando seu armazenamento e ocorrendo grande perda de um dia para outro. A Câmara Eletrônica aqui proposta contorna este problema, introduzindo o conceito de resfriamento por estado sólido eletrônico com módulos termoelétricos (efeito Peltier), facilitando seu transporte e uso em sala de aula. O instrumento foi efetivamente construído e testado, utilizando-se algumas amostras radioativas e sua viabilidade foi comprovada. Propomos a sua construção e sugerimos que seja apresentado aos alunos num contexto de ensino por investigação ou metodologia investigativa, dado que vários autores defendem a atividade prática, laboratorial, o exercício de observação e o raciocínio investigativo como sendo instrumentos valiosos do ponto de vista didático.

Palavras-chave : Física Moderna, Radioatividade, Raios Cósmicos, Partículas Elementares, Estrutura da Matéria.

## Introdução e Objetivos

A prática de ensino de física no ensino médio inserido em um panorama social em que o desenvolvimento tecnológico tem crescido de maneira exponencial tem conduzido seus docentes a frequentes introspecções para reavaliar o posicionamento didático-pedagógico adotado até então.

Neste contexto, destacamos a frequência de informações, divulgadas pelas diversas mídias, relacionadas a acontecimentos catastróficos como acidentes nucleares (como em Fukushima) ou inovações tecnológicas (computador quântico) e que o aluno traz frequentemente à sala de aula com o intuito de compreendê-los melhor.

Várias pesquisas sobre a necessidade da inserção da FMC no ensino médio, apontam para um consenso de que para a compreensão desta realidade, atualmente vivenciada pelos alunos, seja necessário que o estudo da física moderna e contemporânea contemplado no currículo do Ensino Médio seja adaptado a esta realidade. Como decorrência natural desta adaptação e adequação, Pietrocola (2008) nos indica os obstáculos epistemológicos e didático-pedagógicos na transposição da física moderna e contemporânea. Os obstáculos epistemológicos referidos na pesquisa seriam: i) Fenomenologia, ii) Linguagem/formalização, iii) Estruturação conceitual, iv) Ontologia de base.

- O objetivo deste trabalho é, fundamentalmente, a proposta e construção de um instrumento didático que venha colaborar para a superação do obstáculo epistemológico relacionado à fenomenologia.

Ainda com relação à fenomenologia, o autor argumenta que os fenômenos físicos que alicerçam os conteúdos ensinados na física clássica encontram-se no cotidiano do aluno e em laboratórios didáticos na forma de atividade experimentais simples, enquanto que os fenômenos estudados na FMC referem-se a um universo do muito pequeno, do muito rápido e que não podem ser demonstrados por experimentos simples.

Acreditamos que a experimentação ou as observações realizadas pelos alunos de fenômenos físicos contribui significativamente como método didáticopedagógico e de fixação.

Araújo e Adib (2003a), em análise dos trabalhos publicados entre 1992 e 2001 sobre a utilização de experimentação como estratégia de ensino de física na Revista Brasileira de Ensino de Física (SBF), em seu encarte Física na Escola e também no Caderno Catarinense de Ensino de Física (UFSC), considera, em sua 'Análise do grau de direcionamento das atividades' (p.181), no subtítulo 'Atividades de Demonstração/Observação' (grifo nosso):

Uma das modalidades da experimentação mais utilizadas pelos autores investigados refere-se ao emprego de atividades de demonstração. Provavelmente, a característica mais marcante dessas atividades é a possibilidade de ilustrar alguns aspectos dos fenômenos físicos abordados, tornando-os de alguma forma perceptíveis e com possibilidade de propiciar aos estudantes a elaboração de representações concretas referenciadas . (...) Assim, na linha de proposta de atividades de demonstração encontram-se autores que salientam justamente a importância dessas atividades para ilustrar e tornar menos abstratos os conceitos físicos abordados, ao mesmo tempo que torna mais interessante, fácil e agradável o seu aprendizado, motivando a participação dos alunos . (ARAÚJO e ABIB, 2003, p. 181)

Dentre várias tendências destacou-se o chamado ensino por investigação (ou tratado também como: ensino por descoberta; aprendizagem por projetos; questionamentos; resolução de problemas, dentre outras) originado das ideias do filósofo John Dewey como descrito também por Laburú e Zômpero (2011). É importante caracterizar a Metodologia Investigativa, dado que, à primeira vista, esta não tem limites claramente definidos quanto à sua aplicação em sala de aula,

variando amplamente dependendo do enfoque dos pesquisadores que tratam do assunto.

O Instrumento didático aqui proposto vem ao encontro das ideias do ensino por investigação e pretende colaborar na superação de obstáculos epistemológicos referentes à transposição didática no Ensino de Física Moderna e Contemporânea, como nos ensina Pietrocola (2008):

A grande maioria dos fenômenos sobre os quais estão alicerçados os conteúdos da Física Clássica são acessíveis no cotidiano e em laboratórios didáticos na forma de atividade experimentais simples. Os fenômenos sobre os quais se fundamentam as Teorias Clássicas e Contemporâneas pertence a um mundo para além dos limites do cotidiano: do muito pequeno, do muito rápido, do muito antigo etc. Tais fenômenos não são acessíveis no cotidiano, nem passíveis de serem apresentados em laboratórios didáticos por meio de experimentos simples. (PIETROCOLA, 2008, p.25)

## Construção do Instrumento didático

A Câmara de Wilson ou Câmara de Nuvens inventada pelo escocês Charles Thomson Rees Wilson na Universidade de Cambridge em 1897 e consiste de um recipiente (a câmara propriamente dita) preenchido por vapor de agua e um pistão que quando movido produz a expansão do gás e consequentemente a condensação do vapor em torno de partículas de poeira suspensas criando uma neblina artificial.

Posteriormente, em 1910, Wilson expôs sua câmara à radiações alfa e beta podendo registrar e distinguir os traços de cada partícula individualmente devido ao rastro de condenação de vapor originado pela ionização produzidas pelas mesmas. Wilson, juntamente com A. Compton, ganharam o prêmio Nobel em 1927.

Figura 01: Câmara de Wilson original.

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Posteriormente, várias versões da Câmara de Wilson foram implementadas. Dentre elas, destacamos a câmara de nuvens por difusão desenvolvida pelos cientistas Langsdorf, Cowan, Needels e Nielson em 1950. Nesta versão, obtém-se a supersaturação de vapor de um álcool difundido por um feltro, fortemente embebido, colocado na parte superior da mesma e, concomitantemente, a parte inferior desta é mantida à temperatura na ordem de - 40 C de forma que o vapor supersaturado se o

forme possibilitando a formação de íons pela passagem de radiações ionizantes, deixando um rastro de condensação.

A câmara de Wilson construída segue o princípio básico da câmara por difusão, mas com modificações de forma a permitir a sua mobilidade, isto é, que se possa levá-la à sala de aula e que também não necessite materiais de difícil disponibilidade e aquisição como o dióxido de carbono sólido (popularmente 'gelo seco').

Os materiais utilizados para sua construção são:

- · 02 Módulos Termoelétricos
- · 01 radiador de calor para computador pessoal.
- · 02 ventiladores de 12 volts
- · Fonte de alimentação para computador pessoal
- · Recipiente de vidro ou acrílico
- · Álcool Isopropílico (Isopropanol)
- · Feltro

## Módulos Termoelétricos:

Os módulos termoelétricos são formados por placas de cerâmica e que possuem em seu interior elementos semicondutores tipo P e tipo N onde se faz circular por estes uma corrente elétrica contínua. A passagem desta corrente produz o chamado efeito Peltier que é o surgimento de um gradiente de temperatura na junção de dois semicondutores. Portanto, teremos nas faces cerâmicas o surgimento de uma face 'fria', devido à absorção de calor e uma face 'quente', onde o calor é rejeitado e deve ser dissipado no ambiente por um dissipador (radiador) de calor.

Figura 02 : Módulos Termoelétricos.

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## Radiador de calor:

O calor absorvido pela face 'fria' e transferido para a face 'quente' deve ser rejeitado ao ambiente. Para tal, utilizamos um radiador de calor usado comumente para refrigeração de microprocessadores nos computadores pessoais (figura 3).

Figura 03 : Radiador de calor

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## Ventiladores (ventoinhas):

Para auxiliar na dissipação do calor gerado na face quente dos módulos termoelétricos, utilizamos duas ventoinhas, montadas junto ao dissipador de calor, de forma a estabelecer um fluxo de ar unidirecional (figura 4).

Figura 04 : Radiador de calor com as ventoinhas nas laterais.

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Recipiente de vidro ou acrílico:

A Câmara, em última análise, consiste de um recipiente em que ocorrerá a difusão e resfriamento do vapor do álcool. Para tal, utilizamos um recipiente de acrílico (porta escova) (figura 5), onde entre a base e a tampa fixamos um pedaço de feltro que será embebido com álcool isopropilico.

Figura 05 : Recipiente de acrílico

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## Fonte de alimentação:

Os módulos termoelétricos funcionam com tensões diferentes, sendo um módulo funcionando com +5 V e outro com +12 V e demandam correntes na ordem da 10 A. Para suprir estes valores, utilizamos uma fonte de alimentação chaveada retirada de um computador pessoal (figura 6). Esta fonte irá fornecer a tensão de + 12 V para o funcionamento das ventoinhas.

Figura 06 : Fonte de alimentação

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## Montagem final:

Os módulos termoelétricos devem ficar entre a base do recipiente e o dissipador de calor, sendo fixados por parafusos e molas para melhor ajuste de pressão. Desta maneira conseguimos retirar calor da base da câmara e difundi-lo no ambiente pelo dissipador e ventoinhas.Com esta montagem final (figura 7) conseguimos alcançar temperaturas na ordem de - 30 o C na base da câmara de maneira que o vapor de álcool se torne supersaturado e que as emissões radioativas possam ser detectadas pelos rastros deixados pela ionização.

Figura 07 : Montagem final.

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## Resultados obtidos

O objeto educacional aqui proposto e realizado mostrou-se condizente com a nossa expectativa, isto é, que é possível visualizar traçados de partículas subatômicas em sala de aula. Pudemos observar as emissões radioativas alfa (traços mais grossos) e beta (traços mais finos) de alguns materiais colocados em seu interior tais como: fonte de Amerício 241 utilizado em detectores de fumaça, cerâmica com óxido de urânio em seu esmalte e um ponteiro de relógio antigo, conforme as figuras a seguir.

## Amerício 241:

Figura 08: Amerício 241 de um detector de fumaça e traçados observados na câmara

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Cerâmica com esmalte contendo Óxido de Urânio:

Figura 09: Cerâmica com oxido de urânio no esmalte e visualização

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Ponteiro de relógio:

Figura 10: Ponteiro de relógio com rádio.

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## Conclusões

Frente aos resultados obtidos, esperamos despertar o interesse na elaboração de materiais instrucionais sobre tópicos de física moderna e contemporânea no ensino médio.

Esperamos também que o presente instrumento didático venha colaborar para a superação de obstáculos epistemológicos relativos à fenomenologia quando da transposição didática no ensino de física moderna e contemporânea, pois estamos convencidos de que quando o fenômeno físico pode ser interiorizado, através dos sentidos dos alunos, isto irá substanciar as considerações teóricas envolvidas no assunto.

## Referências

ARAÚJO, M. S. T.; ABIB, M. L. V. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 25, no. 2, p. 176-193, Junho 2003.

PIETROCOLA, M. Inovação Curricular em Física: Transposição Didática de Teorias Modernas e a Sobrevivência dos Saberes . Fapesp-Projeto Temático. Faculdade de Educação - USP. São Paulo. 2008.

ZÔMPERO, A. F.; LABURÚ, C. E. Atividades Investigativa no Ensino de Ciências:Aspectos Históricos e Diferentes Abordagens. Revista Ensaio , Belo Horizonte, v. 13, no. 3, p. 67-80, Dezembro 2011.