Oficina para compreensão das cores do Céu

## OFICINA PARA COMPREENSÃO DAS CORES DO CÉU

## Heloisa Carmen Zanlorensi , Pamela Sofia Krzsynski , Jeremias Borges da 1 2 Silva , Danilo Flügel Lucas , Rubio Sebastião Fogaça 3 4 5

- 1 Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG), heloisazanlorensi@gmail.com

2 Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG), krzsynski.psk@gmail.com

3 Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) / Departamento de Física (DEFIS), silvajb@uepg.br 4 Faculdade São Braz, daniloflucas@gmail.com

5 Colégio Estadual Polivalente EFM-PROF, rubiofogaca@gmail.com

## Resumo

A oficina, intitulada 'Compreensão das Cores do Céu', foi realizada no Colégio Estadual Polivalente EFM-PROF, localizado em Ponta Grossa (PR), com o intuito de ensinar conceitos básicos e importantes da óptica para estudantes do ensino médio, contando com uma abordagem didática vinculada diretamente com o cotidiano dos alunos. A atividade desencadeou-se com o seguinte questionamento: 'por que o céu é azul durante o dia e fica avermelhado no pôr do sol?', a partir da análise prévia das respostas mencionadas pelos alunos, foram efetuadas explicações sobre o comportamento da luz enquanto onda eletromagnética, no contexto histórico e científico e, logo em seguida, foi explicado o conceito do Espalhamento de Rayleigh, nesse momento os estudantes contribuíram com ressalvas e questionamentos acerca da formação das cores no céu. Na sequência, houve uma prática experimental que simulou o azul do céu diurno e o vermelho do céu poente, usando materiais consideravelmente simples e acessíveis. Após a execução e observação da experiência e o desenvolvimento da discussão sobre o tema, os alunos compreenderam visualmente os conceitos explicados e finalizaram verificando o cálculo proporcional da intensidade luminosa com o comprimento de onda para confirmar a validade de suas observações. Ao analisar a participação dos estudantes durante a oficina, bem como o resultado dos seus cálculos, foi evidente o alcance satisfatório do objetivo de aprendizagem sobre o tema abordado, destacando a importância da realização desta Oficina para uma melhor compreensão e assimilação da Física com a realidade dos alunos e, sobretudo, proporcionar aos estudantes o entendimento dos conceitos da óptica que se manifestam na formação das cores do céu.

Palavras-chave : Óptica. Céu. Espalhamento. Ensino. Física.

## Introdução

As cores que vemos no céu suscitaram a curiosidade de cientistas no passado e ainda estimulam indagações às pessoas na contemporaneidade, devido a necessidade intrínseca de se explicar e compreender a natureza. Atualmente, é vantajoso que haja recursos e desenvolvimento científico capaz de explicar as cores visíveis no céu dos planetas como, por exemplo, a Terra. Contudo, vale ressaltar que as cores manifestadas no céu não é um assunto simples, pois requer o domínio de alguns conhecimentos específicos (óptica do olho humano e do processo físico de espalhamento da luz).

Em 2011, o Observatório Nacional - ON, localizado no Rio de Janeiro (RJ), publicou a 2ª edição da revista de sua Coleção voltada à divulgação científica, a qual

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foi intitulada 'As Cores do Céu'. Esse material serviu de inspiração e subsídio para a criação de uma Oficina de aprendizagem teórica-experimental sobre o tema, destinada a estudantes do Ensino Médio.

A elaboração didática da Oficina contou com conteúdos devidamente propostos ao Ensino de Física para o ensino médio nacional e com procedimento experimental baseado no artigo 'O azul do céu e o vermelho do pôr-do-sol' (ROCHA et al., 2010), publicado pela Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 32, n. 3.

As explicações teóricas e o procedimento experimental foram realizados no laboratório do colégio com, aproximadamente, 28 (vinte e oito) estudantes do 2º ano do ensino médio regular. A oficina teve duração de 50min, sendo 30min teórica e 20min experimental. O conteúdo abordado, de modo elucidativo, engrandeceu o aprendizado dos alunos no estudo da Óptica em Física.

## Desenvolvimento da oficina

A busca pela compreensão das cores do céu inspirou cientistas, como o físico inglês John Tyndall em meados do século XIX. Ele descobriu que quando um feixe de luz atravessava um recipiente contendo água, contendo pequenas partículas suspensas, os comprimentos de onda da cor azul espalhavam-se mais do que os comprimentos de onda da cor vermelha.

Décadas depois, Rayleigh, outro físico inglês, estudou essa dispersão (ou espalhamento) da luz mais detalhadamente. Os resultados de seu estudo mostraram que, se as partículas suspensas no líquido ou gás são suficientemente pequenas, a quantidade de luz dispersa (I) é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda ( λ ). Isto é:

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A importância desse estudo é evidente para esclarecer que, na verdade, a luz irradiada pelo Sol seria espalhada, através de pequenas partículas que se encontram suspensas na atmosfera da Terra, devido cada uma contemplar várias cores do espectro visível, as quais possuem comprimentos de onda diferentes e não se espalham com a mesma intensidade. Todavia, como o comprimento de onda da cor azul é mais curto do que a cor vermelha, é necessário explicar por que o céu possui cor azulada durante a maior parte do dia e ao pôr-do-sol fica num tom avermelhado em grande parte da atmosfera.

Por esse viés foi elaborada e realizada a 'Oficina: Compreensão das Cores do Céu' para estudantes do ensino médio, de modo teórico e experimental explorando os estudos da óptica (espectro eletromagnético e Espalhamento de Rayleigh) para explicar um fenômeno da natureza (cores do céu). Inicialmente, os alunos foram familiarizados com o laboratório do colégio e organizaram-se em grupos de no máximo 05 (cinco) estudantes em cada um. Em seguida, o conteúdo a ser abordado foi problematizado por meio da indagação: 'por que o céu é azul durante o dia e fica avermelhado no pôr do sol?', os alunos participaram comentando suas respostas para toda turma a partir de suas próprias concepções e formou-se uma discussão inicial bastante construtiva sobre o tema.

A discussão inicial foi uma ferramenta fundamental para introdução da explicação sobre o tema, como os conceitos básicos da mecânica ondulatória, tais como comprimento (distância entre os máximos de uma onda) e frequência (número

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de máximos da onda que passam por segundo por um determinado ponto) de uma onda e, sobretudo, para introduzir a explicação do comportamento da luz enquanto onda eletromagnética (pois a natureza da luz é dual, isto é, ela pode ser ondulatória - como onda eletromagnética - ou corpuscular - como partícula denominada Fóton) e como as aplicações desses conceitos estão presentes em nosso cotidiano. Durante essa explicação, foi enfatizado o conceito de energia de uma onda eletromagnética e os comprimentos de onda das cores vermelha e azul.

Com o domínio dessa explicação, os alunos foram possibilitados de entenderem mais facilmente a nova informação de que o Espalhamento de Rayleigh depende do ângulo entre o observador e o céu, pois 'quando o Sol está perto da linha do horizonte, os raios ficam tangentes à superfície da Terra e a luz vem diretamente para nós (os observadores)' (ROCHA et al., 2010, p. 2). Em seguida, os materiais convenientes ao procedimento experimental foram disponibilizados e organizados nos grupos. Os materiais utilizados, em cada grupo, foram: um aquário retangular médio, leite desnatado, água, luminária portátil, papel e caneta para anotações. Os grupos de estudantes foram devidamente orientados sobre o procedimento experimental.

O experimento procedeu-se com a disponibilidade de um aquário retangular médio na mesa de cada grupo, contendo água misturada com três colheres de chá de leite desnatado até pouco mais de sua metade. Esse recipiente simulou a composição da atmosfera terrestre ao associar as partículas muito pequenas dispersas na atmosfera com a solução do leite desnatado misturado com água.

Figura 01: Montagem do experimento conforme Rocha et al., 2010.

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Os alunos manusearam, então, a luminária portátil de feixe de luz fluorescente e estreito e a colocaram por cima do anteparo que simula a atmosfera (água e leite desnatado), essa luminária representa o sol e sua luminosidade atravessando a solução do recipiente representa sua luz ao percorrer a atmosfera da Terra durante o dia e durante o poente, conforme o ângulo de incidência luminosa. Quando a luminária (sol) estava disposta por cima da água e leite desnatado (atmosfera), com uma incidência luminosa vertical, os alunos observaram que a solução no recipiente ficava com um tom azulado, em seguida, mudaram o ângulo de incidência de luz da luminária para a lateral do recipiente, para uma incidência luminosa horizontal. Os estudantes observaram de modo atento novamente e foi facilmente perceptível a mudança da cor azulada para uma cor avermelhada.

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Figura 02: Demonstração do efeito do Espalhamento de Rayleigh, conforme Observatório Nacional (2011).

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A partir dessas observações os alunos conseguiram assimilar as explicações e discussões realizadas no início da Oficina, e puderam verificar que o feixe de luz de maior comprimento de onda, como o vermelho, passou sem ser mais afetado de modo a não se espalhar tanto, enquanto que os de menor comprimento de onda, como o azul, colidem e espalham-se por todo o céu, ou seja, ocorreu o efeito do Espalhamento de Rayleigh. Sucintamente, a determinação das cores que vemos no céu durante o dia e ao fim da tarde, depende do ângulo segundo o qual estamos observando a luz proveniente do sol.

Ao término da experiência, os estudantes calcularam o fator de proporcionalidade da intensidade com o comprimento de onda das cores azul e vermelho, a fim de confirmar os que eles haviam observado. No cálculo, os alunos não apresentaram dificuldade em identificar os dados correspondentes a cada termo da Equação (1), pois os valores de comprimento de onda das cores azul e vermelho foram lhes informados respectivamente, em conformidade com o espectro eletromagnético, como sendo de 400 nm e 700 nm, apesar de que alguns estudantes apresentaram dificuldades nas operações básicas de matemática. Ao corrigir o cálculo em conjunto com toda turma, a maioria dos alunos encontrou o resultado aproximado de 9,4, que é o valor correto do fator almejado, portanto foi bastante satisfatório.

Por fim, os estudantes foram indagados novamente com o mesmo questionamento feito no início da Oficina: 'por que o céu é azul durante o dia, ficando avermelhado no pôr do sol?', e as respostas foram descritas em uma tabela no quadro para que todos (as) visualizassem e pudessem fazer um comparativo das conclusões iniciais e finais. As respostas finais apresentadas pelos estudantes foram distintas das que haviam feito inicialmente, sendo mais completas e melhor elaboradas, demonstrando um resultado satisfatório no aprendizado dos estudantes sobre esse tema.

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## Resultados obtidos

A conclusão construída pelos alunos revelou que durante o dia, o céu fica azulado devido a luz irradiada pelo sol ser espalhada pelas partículas e moléculas da atmosfera, sob um ângulo de observação vertical, independente do comprimento de onda da cor azul ser mais curto do que o da cor vermelha. E ao fim da tarde, no pôr-do-sol, o céu fica avermelhado porque a luz sofre mais dificuldade de espalhamento devido as partículas e moléculas que compõem a atmosfera serem, por diversas vezes, maiores e mais densas devido a poluição concentrada, e o ângulo de observação torna-se horizontal.

Os estudantes apresentaram dúvida sobre por que às vezes o céu fica branco, então foi explicado que quando o céu está nublado não há incidência de luz solar direta ao observador na superfície da Terra, pois as gotas que formam as nuvens são muito maiores do que o comprimento de onda da luz incidente, fazendo com que todas as cores sejam espalhadas de uma única maneira. De acordo com informações do Observatório Nacional, a intensidade da luz que passa na atmosfera varia de, aproximadamente, 1/6 da luz solar direta no caso de nuvens relativamente finas e diminui gradativamente quando atravessa nuvens de tempestade extremamente espessas, até chegar a 1/1000 da luz solar direta.

Em teoria, os estudantes puderam conhecer satisfatoriamente sobre o conceito de luz enquanto onda eletromagnética, frequência, comprimento de onda, contexto histórico e composição do espectro eletromagnético. Apresentaram um pouco de dificuldade de entendimento somente sobre as unidades de medida e sobre as partes estudadas do espectro. Na prática, com o experimento que simulou o céu diurno e poente, os alunos demonstraram empolgação e interesse pelo assunto. Apreciaram observar o comportamento dos feixes de luz e os grupos formados souberam argumentar sobre o acontecimento experimental relacionado com a teoria discutida. Evidenciando que toda explicação pode ter um aprendizado ainda mais efetivo se for acompanhada de um experimento simples e elucidativo.

## Considerações finais

No dia a dia dos estudantes, é comum observar o céu enquanto estão indo ou voltando das aulas e, geralmente, essa observação não é detalhista ou aprofundada em âmbito científico, mas é feita apenas a efeito de mero vislumbre. Essa Oficina para compreensão das cores do céu proporcionou a esses alunos enxergar o céu por outro viés sem perder o encanto, e sim, enaltecendo ainda mais os fenômenos naturais que envolvem as cores dispostas no céu durante o dia e ao fim da tarde.

Durante a execução das atividades, foi perceptível o interesse pelo tema e pelo experimento aumentando entre os alunos conforme conclusões eram ressaltas e observações experimentais dessas conclusões eram feitas. A participação dos alunos foi considerável durante toda execução de atividades da Oficina.

Inicialmente, com a indagação para levantamento prévio do conhecimento dos estudantes, notou-se que estes tinham grande dificuldade de enxergar conceitos da Física (óptica) relacionados ao fenômeno natural discutido (cores do céu) e isso era consequência de uma imersão de informação sem interpretação moldada pelo senso comum. Conforme os conhecimentos dos alunos foram sendo explorados por

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meio de um diálogo bastante construtivo em sala de aula, esse cenário foi mudando e os estudantes evidenciaram seu senso crítico na construção das respostas.

Vale ressaltar que tanto o desenvolvimento das atividades quanto o método de avaliação do aprendizado dos alunos foi consideravelmente eficiente, e serve de modelo e inspiração para futuras Oficinas de Aprendizagem com temas afins e relacionados ao contexto social e a realidade dos estudantes, uma vez que estes solicitam por mais aulas diferenciadas como essa e aprovaram com bastante satisfação a presente conduta de ensino-aprendizagem.

Enfim, essa atividade proporcionou uma oportunidade de um ensinoaprendizado muito mais ampla e eficiente sobre óptica, em Física, acerca de um assunto que está presente no cotidiano dos estudantes. Ou seja, através de: questionamentos interessantes que fazem parte da realidade dos alunos, um experimento simples manuseado pelos próprios estudantes desde a organização até a utilização e observação dos materiais envolvidos, e um cálculo importante expresso por meio de todo estudo feito em sala de aula capaz de demonstrar a teoria na prática, permitiu a esses alunos continuarem observando o céu, mas desta vez entendendo aquilo que observam.

## Referências

AS CORES DO CÉU. Rio de Janeiro: Observatório Nacional. 2011.

ROCHA, M. N.; FUJIMOTO, T. G.; AZEVEDO, R. S.; MURAMATSU, M. O azul do céu e o vermelho do pôr-do-sol. Revista Brasileira de Ensino de Física, Rio de Janeiro, v.32, n.3, p. 3501, 2010.

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