ENSINANDO A LEI DE WIEN NO ENSINO MÉDIO

## ENSINANDO A LEI DE WIEN NO ENSINO MÉDIO

## Jefferson Adriano Neves , Sylvestre Aureliano de Carvalho , Iraziet da 1 2 Cunha Charret 3

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro/ Campus Volta Redonda/ jefferson.neves@ifrj.edu.br

## Resumo

As tendências atuais para o Ensino de Física ressaltam a importância da compreensão dos problemas vivenciados pela sociedade em geral e, entre eles, aqueles que abordam os temas de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Ensino Médio (EM). Para obtenção de melhorias no processo de ensino e aprendizagem, a utilização de metodologias alternativas e materiais didáticos é de grande importância para que o aluno esteja ativo no processo. Dentro desta perspectiva, os recursos computacionais aliados a simulações em Física pode auxiliar nesta relação, desde que essa utilização seja orientada. Um tema de extrema relevância dentro do tópico FMC é o estudo da Radiação do Corpo Negro. O estudo deste tema, além de importante é muito rico e pode ser explorado sobre diferentes perspectivas com enfoque no planeta Terra, do Sol e demais estrelas presentes no universo, que possuem comportamento similar ao de um Corpo Negro. Devido à pouca utilização destes conteúdos no EM, o objetivo do presente trabalho consiste em apresentar uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS) que aborde o tema Radiação do Corpo Negro, direcionando os alunos a construírem, pesquisarem e concluírem o conhecimento a partir de seu uso.

Palavras-Chave: Unidade de Ensino Potencialmente Significativa; Ensino de Física Moderna e Contemporânea; Ensino por Investigação; Ensino Médio

## INTRODUÇÃO

A utilização de metodologias de ensino de física que favoreça o processo de memorização e reprodução de situações artificiais na resolução de problemas não pode ser incentivada, sobretudo, na Educação Básica (EB). É necessário que seja concebida a partir de um processo de busca por significados e compreensão dos fenômenos presentes no dia a dia, para que os alunos sejam capazes de modificar a sociedade em que estão inseridos (BRASIL, 2002). Essa preocupação com a formação de um cidadão crítico e cientificamente letrado é corroborada nas Diretrizes Curriculares Nacionais da Educação Básica (BRASIL, 2013).

Ao longo dos anos, a forma mais tradicional de ensino é aquela em que a aula é centrada no professor, nas quais a ênfase está na aprendizagem do conhecimento fatual e formal com a utilização quase que exclusiva do livro didático (NEVES; VALADARES, 2004). Grande parte destes livros didáticos, utilizados no Ensino Médio (EM), são inadequados no que diz respeito a assuntos relacionados a Física Moderna e Contemporânea (FMC), por serem demasiados sucintos ou por apresentarem falhas conceituais.

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23 a 27 de janeiro de 2017

Na metodologia de ensino tradicional, os alunos muitas vezes apresentam-se passivos e têm poucas oportunidades para apresentar e discutir suas concepções durante o processo de ensino e aprendizagem (BRANSFORD; BROWN; COCKING, 2000). Para os alunos, que são naturalmente curiosos, esse ensino é desestimulante e eles acabam perdendo o interesse pela física no decorrer de sua vida escolar. Em muitos casos, essa falta de motivação é irreversível, levando-os a acreditarem que a Física é uma disciplina difícil, para 'malucos', composta por um amontoado de fórmulas e sem utilidade no dia a dia. Essa falta de interesse, entre outros fatores, pode estar relacionada com a metodologia de ensino utilizada em sala de aula (BONADIMAN; NONENMACHER, 2007).

Em contrapartida, o ensino por investigação, quando devidamente orientado pode resultar em estímulo, melhor compreensão conceitual, motivação para buscar respostas e desenvolvimento lógico de raciocínio para explicar problemas e fenômenos da natureza. Isso faz com que os alunos estejam ativos no processo BEICHNER & SAUL (2003). Portanto, o uso de metodologias que incentivam a investigação e descoberta por parte dos alunos contrapõe ao ensino que usa a metodologia tradicional (SASSERON, 2015), neste caso, centrada única e exclusivamente no professor. Com isso, diferentes características das práticas pedagógicas devem ser implementadas (KOLLOFFEL et al., 2009).

Além da metodologia, o ensino de física na EB deve passar por uma atualização curricular que tenha impacto direto na sala de aula. Uma das formas de alterar o currículo passa pela inserção de temas de FMC (MACHADO; NARDI, 2006; SILVA; DE ALMEIDA, 2011; VALENTE, 2009).

- O presente trabalho foi desenvolvido com objetivo de apresentar uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), denominada de 'DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO AO DESLOCAMENTO DE WIEN ', visando investigar o uso de algumas situações-problemas presentes no dia a dia para estudar a radiação do Corpo Negro e investigar a Lei de Wien. Além disto, este trabalho é um tópico de uma pesquisa mais abrangente que visa desenvolver e analisar o impacto da utilização de atividades investigativas no Ensino de Física Moderna e Contemporânea na Educação Básica.

## ENSINO POR INVESTIGAÇÃO E A ALFABETIZAÇÃO CIENTÍFICA

Do ensino de física na educação básica espera-se a inserção da cultura científica na vida dos alunos, além de proporcionar a compreensão da natureza da ciência, promovendo uma Alfabetização Científica (AC) (SASSERON; CARVALHO, 2011). Na literatura encontra-se dificuldade em definir o conceito de 'Alfabetização Científica' (SASSERON, 2015). SASSERON & CARVALHO (2008) apresentam que alfabetizar (cientificamente) deve possibilitar ao aluno a 'capacidade de organizar seu pensamento de maneira lógica, além de auxiliar na construção de uma consciência mais crítica em relação ao mundo que o cerca' (SASSERON; CARVALHO, 2008, p. 334).

- É possível promover a AC em sala de aula por meio de um ensino por investigação. No ensino por investigação o aluno é encarado como indivíduo ativo e atuante. Nesse novo ambiente, o papel do professor não se centra em dar respostas prontas e acabadas, mas consiste em atuar como mediador entre as dúvidas do aluno e as competências e habilidades que se espera que ele alcance (DE AZEVEDO, 2004).

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A essência por trás do ensino por investigação é o problema que será investigado. A concepção do problema abordado no ensino por investigação pressupõe a aplicação da metodologia científica. Assim, os problemas de investigação devem estar dentro da cultura e interesse dos alunos privilegiando a busca por soluções, proporcionado o teste de hipótese, a passagem da manipulação/imaginação para a ação intelectual, a estruturação do pensamento e a apresentação das argumentações. (BELLUCCO; CARVALHO, 2014). De acordo com Carvalho (2011), ' ao ensinarmos ciências por investigação estamos proporcionando aos alunos oportunidades para olharem os problemas do mundo elaborando estratégias e plano de ação '.

O ensino por investigação, se bem trabalhado em sala de aula, permite criar uma visão não deformada do trabalho científico (GIL-PÉREZ et al., 2001) e, com ela, espera-se levar os alunos a pensar, debater e justificar suas ideias e aplicar o seu conhecimento em novas situações, saindo do conhecimento de reprodução matemática e memorização. Assim, o processo não ocorre a partir da separação entre resoluções de problemas e teoria, mas é mediado pelo conhecimento teóricoprático, onde a resolução de problema e a teoria estão interligados.

## IMPORTÂNCIA DO FMC NA EDUCAÇÃO BÁSICA

Proporcionar a formação de um cidadão contemporâneo com o ensino focado apenas na física clássica é quase impossível. Não se pode deixar fora da sala de aula os conceitos e transformações promovidos pela Física Moderna e Contemporânea, sendo que essas transformações moldaram o mundo em que vivemos (MACHADO; NARDI, 2006). Moreira (2007, apud SILVA; DE ALMEIDA, 2011) critica a falta de contemporaneidade dos conhecimentos ensinados e apresenta que '(...) não tem sentido que, em pleno século XXI, a Física que se ensina nas escolas se restrinja à Física (Clássica) que vai apenas até o século XIX '.

Pereira e Ostermann (2009) apresentam uma revisão da literatura sobre o ensino de Física Moderna e Contemporânea. Nesse levantamento, os autores classificaram os artigos em quatro grandes categorias, sendo eles: (i) propostas didáticas testadas em sala de aula, que se refere à implementação de novas estratégias didáticas visando promover nos estudantes um melhor entendimento de temas contemporâneos; (ii) levantamento de concepções, que avaliam o conhecimento de professores e alunos sobre temas de FMC; (iii) bibliografia de consulta para professores, no qual trata-se de bibliografias de consulta direcionadas a professores de física; e (iv) análise curricular, que se refere aos trabalhos dedicados à análise curricular ou outros tipos de análise relevantes para o ensino de FMC.

Nessa pesquisa, Pereira e Ostermann (2009) constataram um aumento relativo de publicações sobre o ensino de FMC, porém a maioria dos artigos ainda se enquadra na categoria (iii). Em relação a categoria (i), verificou-se um número considerável de estudos envolvendo propostas didáticas inovadoras, porém existem poucos trabalhos que investigam os mecanismos envolvidos no processo de construção dos conhecimentos relativo ao desenvolvimento de temas de FMC em sala de aula.

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## A UNIDADE DE ENSINO DESENVOLVIDA

Para elaboração de nossa Unidade de Ensino, adotamos como metodologia a proposta da Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS) apresentada por Moreira (2011). A UEPS consiste em sequências de ensino tendo como fundamentação teórica a aprendizagem significativa. As UEPS estão diretamente ligadas a pesquisa aplicada em ensino, aquelas voltadas diretamente para a sala de aula (MOREIRA, 2011). No estudo realizado por Moreira (2011) apresentam-se detalhadamente as etapas para a construção da UEPS.

A UEPS 'Da Radiação do Corpo Negro ao Deslocamento de Wien ' foi desenvolvida com o objetivo de proporcionar aos alunos uma percepção inicial sobre conceitos acerca da emissão de ondas eletromagnéticas, visto que uma das formas de transmissão de calor é a radiação, partido, posteriormente, para a investigação da Lei de Wien . Ela pode ser acessada a partir do link : https://goo.gl/kmxkPD. De uma forma geral, nossa proposta visa inserir tópicos de Física Moderna e Contemporânea com sustentação na Física Clássica. A seguir é apresentada a estrutura da UEPS.

## UEPS: DA RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO AO DESLOCAMENTO DE WIEN

Contexto: A unidade de ensino foi planejada para ser desenvolvida no segundo ano do ensino médio, buscando inserir a Física Moderna e Contemporânea (FMC) em consonância com diversos conceitos da Física Clássica. A UEPS possui como prérequisitos os conceitos de Ondas Eletromagnéticas, Escalas Termométricas e Processos de Transferência de Calor.

Objetivo: Investigar a relação do comprimento de onda máximo da radiação eletromagnética emitida por um corpo negro com a temperatura e resolver problemas que abordem o deslocamento de Wien presente no dia a dia e que são importantes para o desenvolvimento da Física.

Atividades Iniciais: Investigar situações presentes no dia a dia nas quais se pode observar a presença da radiação emitida pelos corpos, tais como: sensores de calor, a sensibilidade de alguns animais, a cor dos objetos ao serem aquecidos, entre outras.

Situação-Problema Inicial: Existe alguma relação entre o comprimento de onda máximo emitido por um corpo negro e a sua temperatura?

Revisão: Revisar os conceitos relacionados com as formas de propagação de calor, ondas eletromagnéticas, espectro da radiação e a relação fundamental da física ondulatória.

Sequência de ensino: Para realização da sequência de ensino são planejadas duas aulas. A primeira, que foi denominado Da Radiação do Corpo Negro ao Deslocamento de Wien: Investigando a Lei de Wien, foi dividida em dois momentos, sendo eles: (i) investigação de situações presentes no dia a dia na qual podemos observar a aplicação da radiação emitida pelos corpos, tais como: sensor de calor, a sensibilidade de alguns animais, a cor dos objetos ao ser aquecido; e (ii) busca por respostas às seguintes questões: Existe alguma relação entre o comprimento de onda da máxima emissão de radiação eletromagnética do corpo negro e sua temperatura? É possível prever a temperatura do corpo sabendo sua cor (comprimento de onda máxima emitida)? O processo inverso é possível? Para realização dessa aula os alunos deverão utilizar um roteiro estruturado e uma

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simulação do projeto PhET , denominada Blackbody Spectrum 1 . Nessa atividade os alunos investigaram as questões anteriores explorando o simulador e respondendo as seguintes perguntas: (1) identifique as variáveis físicas presente no simulador? Para o gráfico que representa a curva de um ' corpo negro ', qual é a variável independente? Como estão subdivididas as suas escalas; (2) Explorando a simulação, baixe a temperatura da fonte, descreva a mudança de cor da fonte, a modificação da forma do gráfico e como muda o comprimento de onda referente ao pico máximo de intensidade; (3) Explorando a simulação, aumente a temperatura da fonte, descreva como a mudança da cor da fonte modifica a forma do gráfico; e como muda o comprimento de onda referente ao pico máximo de intensidade; (4) Tendo como base os resultados obtidos nos itens 2 e 3, podemos observar que todos os corpos que possuem uma certa temperatura irradiada, porém muitas vezes essa irradiação não é visível ao olho humana. Existe alguma relação entre o comprimento de onda da máxima emissão de radiação eletromagnética do corpo negro e sua Temperatura? É possível prever a Temperatura do corpo sabendo sua cor (comprimento de onda máxima emitida)? O processo inverso será possível? (5). Com o objetivo de investigar o item (4), construa um gráfico de λ máx por 1/T. E Identifique a equação que melhor descreve o gráfico construído. Realize todos os registros e apresente junto com as demais respostas. Dica: (1) utilize 10 valores diferente de temperatura e λ máx ; e (2) é permitido o uso do Excel ; e, (6). Responda novamente o item 4. Existe alguma relação entre o comprimento de onda da máxima emissão de radiação eletromagnética do corpo negro e sua Temperatura? É possível prever a Temperatura do corpo sabendo sua cor (comprimento de onda máxima emitida)? O processo inverso será possível?

No segundo encontro os alunos utilizarão uma atividade para analisar a Lei de Wien, verificando o erro experimental obtido com o resultado, além de extrapolar a Lei de Wien para outras situações importantes para a compreensão da Física, como por exemplo a radiação cósmica de fundo. Nessa atividade os alunos respondem as seguintes perguntas: (1) Como base no valor da constante de dispersão de Wien estime o erro relativo do valor real (obtido por Wien) e o valor hipotético (obtido por você)? Como podem explicar a fonte desse erro? Proponha uma forma de minimizar tais erros experimentais; (2). Um exemplo importante de aplicação do deslocamento de Wien foi o seu uso para explicar a radiação cósmica de fundo proveniente do espaço sideral. As teorias atuais sugerem que o universo começou com ' Big-Bang '. Como efeito, o universo ficou preenchido por uma radiação cuja distribuição espectral se comporta como à de um corpo negro. Tendo como base a distribuição espectral responda as seguintes questões. (a). Qual a frequência associada? (b). Qual a temperatura do universo fora do sistema solar? (c). Qual seria o comprimento de onda necessário para que a temperatura do universo fosse da ordem de 20 ºC? (3). Apresente solução para os seguintes problemas. (a) A principal função de uma lâmpada incandescente é comportar-se como uma fonte de luz ou como uma fonte de calor? b). As novas luzes de crípton incandescentes utilizadas em academias têm um tom azul. Qual a diferença relativamente às lâmpadas incandescentes que usa em sua casa? c). Determine a temperatura de um corpo negro se seu espectro apresenta um máximo em lambda 700nm, 3 cm e 3 m?

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Nova situação-problema, em nível mais alto de complexidade: Podemos observar que todos os corpos possuem uma certa temperatura irradia, porém muitas vezes essa irradiação não é visível ao olho humano. Existe alguma relação entre o comprimento de onda da máxima emissão de radiação eletromagnética do corpo negro e sua temperatura? É possível prever a temperatura do corpo sabendo sua cor (comprimento de onda máxima emitida)? O processo inverso será possível?

Avaliação somativa individual: Investigar como os alunos justificam as situações que envolvem a aplicação dos conceitos investigados na primeira parte da atividade.

Aula expositiva dialogada integradora final: No início da segunda aula será analisado os resultados dos alunos e formalizado os conceitos estudados na aula anterior.

Avaliação da aprendizagem na UEPS: Investigar a compreensão dos conceitos ao analisar todo processo de construção do conhecimento e a análise dos discursos empregados pelos estudantes durante a realização da atividade em sala de aula.

Avaliação da própria UEPS: Verificar se a UEPS possibilitou o desenvolvimento de uma atividade que possa ser considerada como significativa.

Total de Horas-Aula: 2 aulas.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste trabalho, procuramos apresentar uma UEPS, denominada de 'Da Radiação do Corpo Negro ao Deslocamento de Wien' desenvolvida para o ensino da Radiação do Corpo Negro e da Lei de Wien no EM. Acredita-se que a sugestão da UEPS valoriza o desenvolvimento de um raciocínio científico, essencial para disciplinas que, como a Física, estudam fenômenos naturais e procuram explicá-los. Além disso, tais atividades valorizam o desenvolvimento de habilidades necessárias para a formação de cidadãos críticos e conscientes sobre os problemas e questões da natureza que estão em destaque.

Ao planejar esta atividade educacional procuramos estrutura-la de forma com que os estudantes façam parte como agentes ativos no processo de construção do conhecimento. Com isso, eles podem ser capazes de buscar respostas para diversas situações-problemas e portando um conjunto de conceitos construídos ao longo da atividade.

Não podemos e não pretendemos, contudo, indicar categoricamente caminhos conclusivos, uma vez que os resultados da aplicação das atividades não estão no escopo deste trabalho. Entende-se que cada situação de ensino é singular e, nesse sentido, pode necessitar de adaptações e sugestões novas. É importante destacar que todo modelo didático pode e deve ser adaptado a cada realidade educacional. Dessa forma, buscamos, com esse trabalho, oferecer um material educacional destinado a professores e estudantes, que possa servir de base à produção de outros materiais instrucionais, bem como resultados de aplicações destas estratégias. Os produtos deste trabalho, a UEPS, foi baseado em atividades investigativas, centrada na ação do aluno. É importante para o aluno perceber que os passos em busca das soluções contêm as características de um trabalho científico, como discussão, reflexão e explicação dos fatos e fenômenos estudados. Tal prática busca despertar mudança na postura do aprendiz.

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Dessa forma, seu papel nas aulas vai além de ser apenas um observador. Ele passa a ter grande influência sobre ela, precisando interferir, argumentar, questionar, para construir o seu conhecimento. Convém ressaltar que, para que essa mudança ocorra, o professor deve auxiliar a construção do conhecimento dos alunos, com a elaboração de boas perguntas e na proposição de atividades que estimulem a curiosidade dos estudantes. O professor deixa de ser um expositor dos conteúdos e passa a ser uma espécie de tutor para os alunos. Entendemos que, dessa forma, o processo de ensino e aprendizagem se torna mais produtivo.

Acredita-se que a utilização da 'UEPS: Da Radiação do Corpo Negro ao Deslocamento de Wien' em sala de aula seja promissora e será testada futuramente. A proposta da UEPS está em consonância como o estudo de Silva e Almeida (2011), que aponta para a necessidade de realização de mais trabalhos que, entre outras coisas, apoie o professor de Física, pois é ele, que de fato, pode mediar a inserção de FMC na escola. Entendemos que podemos, ainda, contribuir com o cenário apresentado por Pereira e Ostermann (2009) ao propor a unidade de ensino que será analisada posteriormente em sala de aula.

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