CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DE FÍSICA DE PARTÍCULAS: UMA DISCUSSÃO COM A CÂMERA DE NUVENS

## CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DE FÍSICA DE PARTÍCULAS: UMA DISCUSSÃO COM A CÂMERA DE NUVENS

*Sérgio Santos , Caio Menezes , Jorge Rodrigues 1 2 3, Jancarlos Lapa 4

- 1 IFBA/Licenciatura em Física/Salvador, sergio08.luis@gmail.com
- 2 IFBA/Licenciatura em Física/Salvador, caio.falcao12@yahoo.com.br
- 3 Colégio Estadual Edvaldo Brandão Correia, jorgeluciorodrigues@hotmail.com
- 4 IFBA/Departamento de Física/Salvador, jancarloslapa@ifba.edu.br

## Resumo

Em 1911 Charles Wilson desenvolveu a câmara de nuvens na Universidade de Cambridge. O dispositivo experimental consistia em um recipiente fechado onde um vapor resfriado se condensa em gotículas com a passagem de um feixe de partículas carregadas. Este trabalho rendeu a Wilson o Prêmio Nobel de Física em 1927. A câmara de nuvens representa um avanço importante na investigação da radiação e das partículas elementares, pois foi o primeiro detector com capacidade de mostrar traços produzidos por partículas subatômicas. Este trabalho se propôs a investigar as concepções alternativas de estudantes do ensino médio a respeito da física de partículas, a partir de uma oficina realizada com o dispositivo idealizado por Wilson. Foram aplicados questionários com os participantes na perspectiva de mapear as ideias dos estudantes a respeito dos chamados raios cósmicos. De um lado o artefato experimental apresentou resultados satisfatórios, tendo em vista seu caráter experimental. Em outro ponto, entendemos que as concepções dos estudantes a respeito dos raios cósmicos são tímidas, dados os discursos produzidos pelos participantes.

Palavras-chave : Concepções alternativas, Física de Partículas, Câmera de Nuvens

## Introdução

A Física, enquanto ciência da natureza, possibilita que se tenha um contato diário e frequente com seus fenômenos, fazendo com que as pessoas construam conceitos intuitivos e espontâneos acerca dos fenômenos que as cercam. Muitos destes conceitos possuem coerência do ponto de vista particular de quem o constrói, mas não do ponto de vista científico, sendo construções pessoais, tornam-se estáveis e resistentes a mudanças. Tais concepções espontâneas representam percepções sensoriais, culturais e escolares. No que se refere à Física Moderna e Contemporânea (FMC), os conceitos abstratos dificultam seu ensino e aprendizagem, mas há algum tempo professores e pesquisadores buscam sua inserção gradativa no ensino médio.

Físicos, pesquisadores em ensino de Física e professores de Física de nível médio estão participando deste movimento. Tal tendência justifica-se, entre outras razões, pela necessidade de atrair jovens para as carreiras científicas. São eles os futuros pesquisadores e professores de Física. É fundamental também despertar a curiosidade dos estudantes e ajudá-los a reconhecer a Física como um empreendimento humano e, portanto, mais próxima a eles. Além disso, uma boa formação científica faz parte de um pleno exercício da cidadania. (OSTERMANN e CAVALCANTI, 1999, p.267)

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Gil et al. (1987) trazem que o ensino de FMC a alunos do ensino médio possui grande importância, pois conceitos atuais de Física podem contribuir para dar uma imagem mais correta desta ciência e da própria natureza do trabalho científico. É dentro deste contexto que este trabalho tem por objetivo perceber as concepções alternativas a respeito da física de partículas de estudantes do ensino médio do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia (IFBA), através de uma oficina que reproduziu um modelo de Câmara de Wilson, no qual foi possível perceber o rastro deixado por raios cósmicos ao atravessarem uma nuvem formada pela condensação do álcool isopropílico.

## As concepções alternativas no ensino de Física

A ótica que permite ao indivíduo analisar o seu redor e desenvolver-se não é imparcial. Ela está intimamente relacionada com as experiências empíricas cotidianas, influenciada também por aspectos culturais e, de uma forma geral, por aspectos sociais. Essas influências acabam por gerar ferramentas de leitura universais, que diante do desconhecido são utilizadas visando possibilitar a interpretação do obscuro.

Ao reconhecer o papel ativo do estudante no cenário educacional, revela-se a necessidade de considerar o estudante e suas interpretações dos saberes a serem ensinados (CHEVALLARD, 1991), pois as concepções por serem espontâneas, se dão de forma natural e sutil, mesmo diante de um fato não tão bem conhecido.

## Segundo Matavel (2010):

O papel que o aluno desempenha no Processo de Ensino e Aprendizagem modificou-se muito ao longo dos últimos anos. De mero receptor passivo de conhecimentos verdadeiros e acabados, passou a ser, segundo as correntes construtivistas, um elemento ativo, possuidor de concepções próprias e construtor do seu conhecimento.

Nachtigall (1982, apud MAVANGA 2007) explica as pré concepções em Física, também chamadas de concepções alternativas ou concepções comuns, como sendo as ideias sobre o mundo em seu redor, que as pessoas têm, ganhas antes da aprendizagem destes na escola.

Ou seja, é de se esperar que um aluno quando entrar na classe para a aula de Física, não é só ele que irá entrar mas sim o seu social, sua cultura, sua vivência acerca do mundo que lhe rodeia. Os estudantes tem uma visão dos fenômenos da natureza de forma egocêntrica, utilizando-se do seus meios sociais e culturais para explicá-la. Para Mavanga (2007), a origem das pré concepções é apontado ao intercâmbio que as crianças experimentam no dia a dia com o mundo que lhes rodeia, através da observação direta, da comunicação com outras pessoas, da língua, da tentativa da explicação empírica do mundo por parte dos mais adultos por vezes não escolarizados, da leitura de literaturas populares, etc. Muitas vezes essas explicações, baseadas na intuição, observação e, na maioria dos casos, no senso comum, não se alinha com os conhecimentos científicos construído ao longo da história das ciências, que são alicerces empíricos para a explanação desses determinados fenômenos.

Nesse sentido existe um conflito na cabeça dos estudantes sobre o conhecimento trazido pelos meios sociais e os conhecimentos científicos produzidos para a explicação dos problemas da natureza. Daí que entra o papel do professor de

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Física, mas não como transmissor do conhecimento, como depositador de conteúdos na cabeça dos estudantes, mas sim como intermediador do conhecimento para com os alunos, o mediador que dar os meios para os alunos aprenderem. Com isso, o professor de física tem o papel de trazer uma situaçãoproblema para inserir o aluno no campo cientifico, problematizando as concepções espontânea do estudante, tratando-a, desafiando cognitivamente. Matavel (2010) defende um ensino que se ajuste aos pré-requisitos cognitivos e motivacionais dos alunos e que recorre às estratégias diversificadas de individualização.

Percebe-se então, que o uso das concepções alternativas no ensino da Física dar importância as questões e conceitos trazidos dos alunos em sala de aula, buscando os pontos de vistas dos estudantes em todos os aspectos conceituais, para poder dar significado aos conteúdos utilizados, relacionando com seus meios sociais e culturais, dando uma contribuição para a compreensão das teorias científicas, na formação social, pedagógica, profissional e pessoal do indivíduo.

Nesse caso, entendemos que o ato de ensinar ao partir de uma visão que valoriza o conhecimento trazido pelo aluno, deixa de ser somente um ato de divulgação de conhecimento, torna-se um ato de convencimento, de debate, um ato problematizador.

## O histórico da detecção da Física de Partículas

Raios cósmicos são partículas de alta energia que se deslocam pelo universo com velocidade próxima à velocidade da luz, muitas delas chegam ao nosso planeta e, ao atravessarem a atmosfera, colidem com as moléculas de ar e produzem mais partículas atômicas, que têm energia menor do que as partículas iniciais. As partículas emitidas pelos astros produzem os denominados chuveiros de partículas na atmosfera. Raios cósmicos constituem, portanto, uma fonte de partículas atômicas. Entretanto, há mais perguntas do que respostas a respeito de sua natureza, como por exemplo: De onde vem e como são criados, embora existam muitas teorias a esse respeito. Eles se tornaram importante laboratório natural para estudo da física de altas energias, crucial na expansão das fronteiras da Física no que diz respeito à Física de Partículas. Além disso, os raios cósmicos são importantes indicadores de objetos astrofísicos tais como buracos negros, quasares, estrelas de nêutrons, supernovas, dentre outros. Assim sendo, seu estudo nos fornece uma vasta informação - ainda que indireta - sobre o zoológico de partículas. A Câmara desenvolvida por Wilson foi um instrumento crucial na pesquisa de raios cósmicos até meados do século 20. A câmara de nuvens desenvolvida por Wilson consiste em uma câmara com interior saturado de vapor d'água. Ao se bombardear o interior da câmara com partículas provenientes de uma fonte radioativa, estas ionizam o gás presente na câmara. Os íons gasosos funcionam como núcleos de condensação do vapor, portanto ao se notar condensação, é verificada a existência das partículas.

Apesar de todos os aprimoramentos que a câmara passou desde sua primeira concepção, inclusive que valeu a Wilson o prêmio Nobel de física em 1927, é com o laboratório Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, conhecido pela sigla CERN, situado em Genebra, na Suíça, fundado em 1954, que o estudo da física de partículas atinge grandes sucessos científicos e tecnológicos, principalmente por se tratar de uma instituição de colaboração internacional em

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ciências, criando num mundo pós segunda guerra uma nova relação em pesquisa entre os países e entre cientistas de diferentes nações, uma nova sociologia na ciência, que resultou numa experiência humana pioneira na história da civilização.

## Explicando a Câmara de Nuvens.

Neste experimento foram sondadas cinco concepções, as quais podem ser descritas da seguinte forma:

## a) A origem dos raios cósmicos

Como o próprio nome sugere, os raios cósmicos são radiações naturais de altas energias advindas do espaço sideral. Chegam à atmosfera terrestre, com energia bilhões de vezes superiores à maior energia alcançada nos maiores aceleradores que existem, interagindo com ela a 10 mil metros da superfície. A partir daí é produzida uma 'chuva' de outras partículas (GREIDER, apud LAGANA, 2011), denominadas raios cósmicos secundários , aparentemente inofensivos à vida humana. Antes de interagir com a atmosfera, ainda na condição de raios cósmicos primários, esse tipo de radiação é altamente prejudicial a saúde. Sua real origem ainda continua um mistério, pois suas partículas são desviadas várias vezes pelos inúmeros campos magnéticos do meio interestelar. Muitas das partículas descobertas atualmente, foram a partir da observação dos raios cósmicos.

## b) Os efeitos relativísticos sobre as partículas velozes

Uma parte (15%) dos raios cósmicos que chegam a superfície da terra são os múons (FAUTH et al, 2007) e atingem a atmosfera com velocidade de 0,998 vezes a velocidade da luz ou v = 2,994 x 10 m/s 8 , com tempo de vida média de 2,2µs (tm = 2,2 x 10 - 6 segundos). A partir desses dados e utilizando as leis da mecânica clássica, obtemos um espaço percorrido para os múons igual a:

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A partir daí seria impossível detectá-los na superfície terrestre. É preciso fazer uso da equação da dilatação do tempo da Teoria da Relatividade Restrita (TIPLER, 1999). Utilizando a mecânica relativística a partir do fator de Lorentz, o intervalo de tempo medido para um observado no referencial do sistema de movimento do múon, o tempo de vida media da partícula é tm = 35 x 10 -6 segundos que corresponde a um percurso de 10.500 metros, sendo possível sua detecção da superfície terrestre.

## c) A parte vazia da matéria

Ao interagir com a matéria, os raios cósmicos possuem alto poder de penetração, dada a energia que possuem. Além disso, mesmo o vapor de álcool estando confinado na câmara de vidro, sabe que boa parte da matéria é espaço vazio. Nesse sentido a cuba representaria uma grande 'peneira' para partículas tão pequenas como os raios cósmicos.

## d) A interação dos raios cósmicos com o vapor de álcool

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Os raios cósmicos secundários que chegam à superfície da Terra são partículas carregadas. Ao atravessarem o vapor de álcool, arrancam elétrons deixando um rastro ionizado no vapor. Esse rastro é facilmente percebido pela interação da luz da lanterna com as moléculas de álcool ionizadas.

## e) Os tipos diferentes de rastros

Segundo Laganá (2011), após a interação com a atmosfera, dois tipos de rastros são detectados na câmara de nuvens: um deles é proveniente dos elétrons de ionização arrancados por núcleos carregados. Geralmente são mais finos, curtos e com vários desvios. Outro tipo de rastro é formado por prótons com altas energias, com trajetos mais fortes e espessos, quase sem desvio algum.

## Os caminhos da investigação

Para o cumprimento dos objetivos deste trabalho, foi aplicada uma sequência didática com um grupo de 11 estudantes do ensino médio de cursos técnicos de uma escola técnica da cidade de Salvador. Em linhas gerais, a atividade desdobrou-se com a apresentação geral da oficina. Em seguida foi montado o equipamento experimental. Na sequência foi proposto ao grupo que fizesse anotações e registros fotográficos do(s) fenômeno(s) visualizado(s). Logo após foi passado um questionário aberto com cinco perguntas, cada qual voltada a sondagem de um determinada concepção. Finalmente, os expositores debateram com os estudantes, cada uma das questões baseando-se em um teoria científica.

No arranjo experimental, foi adaptada uma câmera de nuvens de maneira simples, utilizando uma cuba de vidro pequena, vazada em um dos lados, do tipo aquário de peixe, assentada em uma bandeja de alumínio preta, contendo álcool isopropílico em seu interior embebido em pedaço de pano de feltro colado na parte superior da cuba. A montagem foi sobreposta em uma bandeja de isopor contendo gelo seco que visualizada na figura 1 abaixo:

Figura 01: Montagem experimental da câmara de nuvens

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Como dito, foi utilizado um questionário qualitativo para sondar os discursos produzidos pelos estudantes a respeito de cinco concepções, descritos no tabela 1 abaixo:

Tabela 01: Concepção x Questão

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Na análise das respostas foram observados o conteúdo dos discursos (BARDIN, 1994) produzidos pelos estudantes, no intuito de identificar traços das ideias apresentadas pelos a respeito das concepções sondadas.

## As concepções mapeadas

Antes de passar para as análises das concepções dos estudantes, vale a pena destacar as fotografias/filmagens , 1 montadas na figura 2, feitas pelos participantes das observações feitas na câmera de nuvens.

Figura 02: Montagem das fotografias dos rastros observados

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Para um equipamento montado com material de fácil aquisição, entendemos que os resultados observados foram satisfatórios.

Na concepção 1, observa-se que a maioria dos estudantes conseguem identificar que os raios cósmicos advém das estrelas, embora não consigam explicar a formação deles.

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Quanto a explicação da concepção 2, alguns dos estudantes conseguem fazer uso da teoria da Relatividade para evidenciar a detecção das partículas, nos trechos transcritos abaixo:

De acordo com a teoria da Relatividade geral quanto mais perto da velocidade da luz, mais devagar o tempo passa... (E2) 2 Quanto mais perto da velocidade da luz, mais lento tende a ficar o tempo. (E5) Devido a sua velocidade, quase perto da luz, o tempo é diferente a outra

velocidade. (E12)

Ainda com relação a concepção 2, alguns estudantes citam a ideia de que os raios cósmicos já existiam dentro da câmara de nuvens, como observado nos trechos abaixo:

Eles já existiam aqui, e ao criar as condições certas, fomos capazes de

detecta-los. (E8)

As nuvens já estavam aqui, ao estar num local fechado fica condensado e ao usarmos o gelo seco, o álcool e lacramos fica mais fácil de detecta-los. (E9)

No que se refere a concepção 3, os participantes não apresentam uma clareza sobre os espaços vazios da matéria. A maioria das explicações foram confusas e imprecisas, tais como:

A falta do oxigênio somado do gelo seco, o ambiente fechado (cuba), impedindo a passagem de ar (E3).

Ao tratarmos a concepção 4, observa-se nos trechos abaixo, que os estudantes atribuem a presença do álcool, o motivo pelo qual os rastros das partículas são vistos. Entretanto nenhum deles consegue citar a ideia da ionização do álcool pelas partículas carregadas.

- O álcool decanta e vaporiza, mostrando os rastros que esses raios percorrem (E2)
- O álcool nos mostra o caminho feito pelos raios através da decantação (E6)
- O álcool decanta e mostra o caminho do raio (E12)

Finalmente, na análise da concepção 5, os estudantes revelam desconhecimento sobre os tipos de partículas as quais são chamadas de raios cósmicos. Cinco dos 11 participantes deixaram essa resposta em branco. Os demais citaram ideias imprecisas e confusas.

## Conclusões

De modo geral os resultados da atividade apontam para duas constatações. Um delas diz respeito aos dados alcançados com o artefato experimental, uma vez que os rastros das partículas observados pelo equipamento são satisfatórios, tendo em vista seu caráter rudimentar. Portanto trata-se de um aparato, razoável, para aplicações na educação básica.

Outra constatação se refere as concepções apresentadas pelos estudantes. No âmbito das respostas dos participantes, observa-se concepções confusas e imprecisas a respeito da Física de partículas, em especial dos raios cósmicos. Isso

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revela a necessidade, cada vez mais evidente, a falta do debate sobre a Física Moderna e Contemporânea tanto no âmbito escolar, como na vertente da divulgação científica.

Entendemos que essa investigação mereça um estudo mais aprofundando cuja riqueza de pormenores não seriam possíveis em uma escrita curta como essa. Há que se levar adiante, um estudo mais longitudinal e qualitativo, que consiga capturar maiores nuances não observadas por essa breve investigação.

## Referências

BARDIN, L. Análise de Conteúdo . Lisboa: Edições 70, 1994.

CHEVALLARD, Y. La Transposition Didactique . Grenoble: La Pensée sauvage, 1991.

FAUTH, A. C; PENEREIRO. J. C; KEMP. E, GRIZOLLI, CONSALTER D. M GONZALEZ, L.F .G. Demonstração experimental da dilatação do tempo e da contração do espaço dos múons da radiação cósmica. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 29, n. 4, p. 585-591, Set. 2007.

FAUTH, A. C; GROVER, A. C; CONSALTER, D. M. Medida da vida média do múon. Rev. Bras. Ensino Fís., São Paulo , v. 32, n. 4, p. 4502-1-4502-7, Dec. 2010

GIL, D. P., SENENT, F., SOLBES, J La introducción a la física moderna: un ejemplo paradigmático de cambio conceptual . Enseñanza de las Ciencias , Barcelona, p. 209-210, set. 1987. n. extra.

LAGANÁ, C. Estudo de raios cósmicos utilizando uma câmara de nuvens de baixo custo. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 3, 3302 , 2011)

MATAVEL, A. A. A influência das concepções alternativas na Aprendizagem de Mecânica: O caso da Escola Secundária Joaquim Chissano . 2010. 60f. Monografia -Departamento de Física, Universidade Pedagógica, Xai-Xai, Moçambique, 2010.

MAVANGA, G. Fundamentos da Didática de Física . Universidade Pedagógica, Maputo, 2008.

OSTERMANN, F. e CAVALCANTI, C J. Física moderna e contemporânea no ensino Médio: elaboração de material didático, Em forma de pôster, sobre partículas Elementares e interações fundamentais. Cad. Cat. Ens. Fís., v. 16, n. 3: p. 267-286, dez. 1999.

TIPLER, P. A Física . Ed. Guanabara-Koogan S.A., Rio de Janeiro, 1995, v. 4;

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