O ESTUDO DA NATUREZA DA LUZ: UMA INTRODUÇÃO À FÍSICA QUÂNTICA NA 2ª SÉRIE DO ENSINO MÉDIO A PARTIR DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## O ESTUDO DA NATUREZA DA LUZ: UMA INTRODUÇÃO À FÍSICA QUÂNTICA NA 2ª SÉRIE DO ENSINO MÉDIO A PARTIR DO EFEITO FOTOELÉTRICO

## Leonardo Pereira Gama 1 , João Paulo Casaro Erthal , Aline Costalonga Gama 2 3

- 1 Mestrando do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física - SBF/POLO 12/UFES/ professorleonardogama@gmail.com
- 2 Universidade Federal do Espírito Santo (Ufes) /CCENS - Alegre/ Professor do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física - SBF/POLO 12/UFES/ jperthal@gmail.com

## Resumo

Apresentamos neste trabalho uma proposta de atividade experimental de baixo custo que busca introduzir de forma concreta, no Ensino Médio, a Física Moderna e Contemporânea, através da discussão do Efeito Fotoelétrico. É urgente a implementação de um currículo viável de ensino de Física, que inclua o avanço da ciência a partir do século XX, e para que isso aconteça de maneira efetiva e consistente, reformas pedagógicas no método de ensino e nas sequências didáticas se fazem necessárias. A proposta deste está pautada em uma pedagogia inspirada na teoria de Vigotski (2004,2007,2009), onde o professor é peça chave do processo de ensino e aprendizagem, fazendo na maior parte do tempo o papel de parceiro mais capaz. A atividade experimental foi elaborada e aplicada a 31 estudantes da 2ª série do Ensino Médio de uma instituição particular de ensino. Como instrumento de coleta de dados utilizamos registros, em áudio e vídeo, da realização da atividade e o relatório entregue pelos alunos ao término do experimento. Percebemos que as discussões fluíram e que os estudantes conseguiram entender o comportamento dual da Luz, responder aos questionamentos propostos e generalizar os conceitos para aplicá-los em outras situações cotidianas. Concluímos ser viável o estudo da Natureza da Luz através do ensino do Efeito Fotoelétrico na 2ª série do Ensino Médio.

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Palavras-chave : Ensino de Física, Efeito Fotoelétrico, Atividades Experimentais, Vigotski

## Introdução

Em 1672, Isaac Newton publicou as suas concepções sobre a natureza corpuscular da luz. Menos de 20 anos depois, Christiaan Huygens, opondo-se as ideias de Newton, apresentou seus estudos defendendo a luz como onda. Comprovações experimentais, dentre elas o experimento da fenda dupla realizado em 1800 por Thomas Young, forçaram gradualmente a aceitação da teoria ondulatória para a luz, e a teoria corpuscular foi finalmente abandonada por volta de 1830 (BRENNAN, 1998).

No entanto, no início do século XX, Albert Einstein, através da Teoria do Efeito Fotoelétrico, demonstrou que a luz tinha uma natureza dual: ora agia como pequenas partículas, ora se comportava como uma onda. Baseado na Teoria dos Quanta de Max Planck, que defendia que a energia contida nas radiações eletromagnéticas emanadas de um átomo, não é emitida de modo contínuo, mas em forma de minúsculos 'pacotes' discretos, Einstein propôs que esses pacotes,

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denominados de fótons, ao interagirem com uma superfície metálica poderiam arrancar elétrons e assim produzir uma corrente elétrica (BRENNAN, 1998).

Passados mais de 100 anos dos conceitos e postulados iniciais de Einstein, a aprendizagem desse conteúdo ainda se torna um grande desafio no Ensino Médio. Os 14 livros aprovados no Plano Nacional do Livro Didático (PNLD) para o triênio 2015 - 2017 (ARTUSO; WRUBLEWSKI, 2013; BARRETO FILHO; SILVA, 2013; BONJORNO et al ., 2013; DOCA; BISCUOLA; VILLAS BÔAS, 2013; FUKE; YAMAMOTO, 2013; GASPAR, 2013; GONÇALVES FILHO; TOSCANO, 2013; MARTINI et al. , 2013; MÁXIMO; ALVARENGA, 2013; MENEZES et al. , 2013; PIETROCOLA et al. , 2013; PIQUEIRA; CARRON; GUIMARÃES, 2014; STEFANOVITS, 2013; TORRES et al. , 2013) abordam o tema em apêndices complementares ou ao final das coleções, não havendo tempo hábil para o professor ministrar aulas que possam aprofundar no debate que a matéria exige.

Nas diversas abordagens realizadas pelos autores dos livros didáticos pesquisados, percebemos a falta de uma contraposição entre a teoria corpuscular e a ondulatória da luz já no início do estudo de Óptica, que é o ramo da Física responsável por introduzir o estudo da luz. Nesse caso, a ausência dessa contraposição pode se tornar um verdadeiro obstáculo pedagógico no futuro, pois o professor, ao explicar apenas um, ou até mesmo nenhum modelo para o comportamento da luz, poderá reforçar uma concepção prévia do estudante, dificultando-se uma posterior abordagem que o leve à ruptura dessas estruturas mentais já estabelecidas (VIGOTSKI, 2004).

Para introduzir o ensino da teoria corpuscular da luz, apresentamos neste trabalho uma atividade experimental de baixo custo que busca discutir o Efeito Fotoelétrico e analisamos os resultados de sua aplicação. O experimento faz parte de uma pesquisa de mestrado envolvendo a elaboração e aplicação de uma Sequência Didática sobre a Natureza da Luz para estudantes da 2ª Série do Ensino Médio.

## Procedimentos metodológicos

Os sujeitos dessa pesquisa foram 31 alunos de uma turma da 2ª série do Ensino Médio regular, com idades entre 15 e 17 anos, de uma instituição de ensino privado, localizada em Vitória - Espírito Santo.

Estabelecemos como objetivos investigar a interação do grupo de alunos com atividades experimentais e analisar a apropriação dos conceitos relativos ao Efeito Fotoelétrico, avaliando os resultados obtidos com a aplicação da atividade em termos de processos de ensino e aprendizagem.

A realização da atividade experimental compõe a última etapa de uma Sequência Didática organizada para o estudo da Natureza da Luz. Nessa etapa se objetiva a generalização dos conceitos propostos ao longo de toda a Sequência Didática. De acordo com Vigotski (2009):

Quando uma palavra nova, ligada a um determinado significado, é aprendida pela criança, o seu desenvolvimento está apenas começando; no início ela é uma generalização do tipo mais elementar que, à medida que a criança se desenvolve, é substituída por generalizações de um tipo cada vez mais elevado, culminando o processo na formação de verdadeiros conceitos. (VIGOTSKI, 2009, p.246)

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Após discussão inicial sobre a Natureza da Luz, foi estruturada a realização de um experimento que relaciona o LED com o Efeito Fotoelétrico. Para confecção de cada kit experimental (Figura 1) foram utilizados materiais de baixo custo e fácil aquisição. O circuito elétrico foi montado em uma saboneteira transparente com a finalidade de se utilizar um material barato e que pudesse mostrar os componentes utilizados e as suas ligações.

(a) (b)

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Figura 1: (a) Esquema de ligação dos componentes dentro da saboneteira. (b) Parte frontal da ligação.

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Para confecção do experimento foram utilizados: um potenciômetro de 1,0 K Ω , uma chave liga-desliga, um LED de 5mm azul de alto brilho, um LED de 5mm verde de alto brilho, dois suportes para os LEDs, dois bornes de 2mm, duas pilhas de 1,5 V com suporte,1,5 m de fio flexível de 0,20 mm, uma saboneteira transparente. A Figura 2 mostra o esquema de ligação dos componentes.

Figura 1: Esquema de ligação dos componentes.

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Os alunos foram dispostos em grupos de quatro componentes, formando 8 grupos. Inicialmente, com os grupos já montados, o professor explicou como o trabalho seria realizado.

Cada estudante recebeu um roteiro experimental semiestruturado. O roteiro foi composto de sete perguntas e uma questão final onde buscamos investigar a apropriação dos conceitos estudados ao longo da Sequência Didática. O experimento também serviu para observar a interação entre os pares a fim de

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perceber como se daria a cooperação mútua. Os objetivos de ensino foram calcular a energia emitida por um fóton de um LED através da medida do potencial de corte e determinar o comprimento de onda do fóton emitido.

Durante a execução desse experimento, os alunos foram girando o potenciômetro e realizando as medidas das tensões elétricas através de um voltímetro. Após a observação dos fenômenos e discussão entre os participantes do grupo, os alunos foram respondendo o que era pedido no roteiro (Figura 3). Ao final do roteiro o estudante deveria explicar o funcionamento do LED utilizando os procedimentos do experimento.

Figura 3: Alunos realizando a atividade experimental.

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Como instrumentos de coleta de dados, foram utilizados o relatório do experimento de baixo custo entregue pelos estudantes ao término da atividade e os registros em áudio e vídeo da realização do experimento.

## Análise de dados

A primeira parte da atividade foi executada por todos os grupos, simultaneamente, de acordo com a orientação do educador, que leu o roteiro em voz alta. Foi destacado para os alunos que as conclusões dos questionamentos deveriam ser feitas pelo grupo, não pelo professor. Esse critério foi utilizado porque para a maioria dos alunos era a primeira vez que estariam manipulando elementos de um circuito elétrico, visto que o conteúdo de Eletricidade só seria ministrado na 3ª série do Ensino Médio. Apesar disso, vários alunos resgataram os conhecimentos básicos adquiridos nas aulas de Ciências do Ensino Fundamental ou ainda em outro contexto social. Isso pode ser percebido através do diálogo inicial entre educador e educando, cujos alguns trechos são descritos abaixo:

Professor: ' Vocês podem perceber que ao lado dos LEDs existe um cursor que os senhores já devem ter visto, por exemplo, em um botão para regular o volume de um amplificador de som. Esse cursor se chama potenciômetro. '

Aluno A12: ' Eu já vi esse negócio... é o troço que você gira para aumentar a velocidade do ventilador? '

Professor: 'Isso mesmo. Ele também pode ser utilizado, por exemplo, para regular o brilho de uma lâmpada ou a velocidade de um ventilador. O potenciômetro é um resistor de resistência variável. Para entendê-lo, temos que entender o conceito de resistência elétrica. Para que serve um resistor elétrico? '

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Aluno A21:

'Para resistir...'

Professor:

'Sim. Para criar uma resistência... Resistência à quê? '

Aluno A25:

'À corrente elétrica...'

Professor: 'Isso! À corrente elétrica. Isso significa que se eu aumento à resistência o que ocorre com corrente elétrica? '

Aluno A12:

'Aumenta? '

Vários alunos discordam e falaram: 'Diminui! '

Professor: 'Muito bem! Diminui. Então o que esse potenciômetro irá fazer no meu circuito elétrico? '

Aluno A25:

'Diminuir o fluxo de elétrons! '

Professor:

'Ou...'

Aluno A21:

'Aumentar...'

Professor:

'Sim... causando uma variação na corrente elétrica do circuito. '

Os trechos destacados mostram que alguns alunos possuíam conceitos primitivos sobre o funcionamento de um circuito elétrico, enquanto para outros era uma total novidade. Como o conteúdo de Eletricidade ainda não tinha sido apresentado formalmente aos estudantes no Ensino Médio, o professor trabalhou com esses conceitos dentro de uma Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP) (VIGOTSKI, 2007). Segundo Vigotski (2007, p. 102),

- (...) em crianças normais, o aprendizado orientado para níveis de desenvolvimento que já foram atingidos é ineficaz do ponto de vista do desenvolvimento global da criança. Ele não se dirige para um novo estágio do processo de desenvolvimento, mas, em vez disso, vai a reboque desse processo. Assim, a noção de zona de desenvolvimento proximal capacitanos a propor uma nova fórmula, a de que o 'bom aprendizado' é somente aquele que se adianta ao desenvolvimento.

Cabe destacar que a pretensão da pesquisa não foi a de saber de cada um dos alunos qual o nível real de seu desenvolvimento e a sua ZDP em relação ao conteúdo de circuitos elétricos e sim mostrar que, com a cooperação de um parceiro mais capaz, os estudantes teriam capacidade de aprender conteúdos que estão acima de um nível cognitivo atual.

- O experimento foi iniciado com a orientação do professor para mover a chave e ligar o equipamento. Após certificar que todos já haviam feito, o professor pediu então para que o potenciômetro fosse girado vagarosamente. Foi percebida uma comoção geral ao constatarem o acendimento do primeiro LED, seguido, quase imediatamente, de uma ânsia em continuar manipulando o dispositivo. Nesse momento coube ao professor frear a ansiedade, garantindo que todos os participantes da interação pudessem ver o que deveria ser visto e saber quais questões deveriam ser respondidas.

Ao pedir que fosse respondida a segunda pergunta, onde o aluno colocaria quais as razões que levaram um LED acender primeiro que o outro, houve um debate entre os membros dos grupos. Nos diálogos percebemos que os conceitos aprendidos durante a Sequência Didática estavam sendo empregados. Mesmo assim, notamos que vários estudantes quiseram confirmar a resposta com o professor que, percebendo isso, fez uma intervenção.

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Professor: 'O que a frequência da luz influencia? Porque o verde acendeu primeiro do que o azul? Foi uma coincidência? Porque o azul acendeu depois? '

Aluno A19: 'Porque precisava de um negócio maior...'

Professor:

'Que negócio maior? '

Aluno A12: 'Precisava de mais energia! '

Em alguns grupos, houve uma demora para se chegar a um consenso. Isso foi percebido, principalmente, onde os membros do grupo se equivaliam cognitivamente e cada um dos estudantes tinha uma opinião sobre o fenômeno. Houve nesse caso uma maior interação entre os participantes, possibilitando uma resposta mais correta do ponto de vista científico.

Em uma segunda etapa do experimento foi proposto a medição, utilizando um multímetro, da tensão elétrica mínima para acender os LEDs com o menor brilho possível. A maioria dos alunos demonstrou uma insegurança inicial, visto que era a primeira vez que manipulavam um medidor de tensão elétrica. Nesse momento, o professor interveio, auxiliando-os nas conclusões.

A última parte do experimento se deu com a repetição do procedimento da medida da tensão elétrica por dez vezes a fim de se obter um valor médio. Após relacionar esse valor ao potencial de corte do LED, foi pedido para que os grupos, utilizando a equação da energia do fóton, calculassem a frequência emitida pelos LEDs verde e azul. De acordo com Halliday, Resnick e Walker (2012), os comprimentos de onda para a luz verde variam entre 495 e 570 nm, enquanto para a luz azul, entre 450 e 495 nm. Esses valores correspondem às faixas de frequências de 5,26 x 10 14 a 6,06 x 10 14 Hz para a luz verde e 6,06 x 10 14 a 6,67 x 10 14 Hz para a luz azul. Avaliamos como razoável as medidas realizadas, e a divergência entre o valor teórico e os valores encontrados pelos grupos, principalmente para a luz verde, pode ser explicada, pelos erros envolvidos principalmente na constatação do momento em que o LED acendia. Essa observação foi influenciada, entre outros, pela luminosidade da sala e pelo nível de atenção do aluno que estava realizando a medida.

Ressaltamos que durante a realização do experimento o educador constituise em presença essencial, realizando o papel do parceiro mais capaz. Segundo Gaspar (2014, p. 246):

(...) o resgate do papel do professor, explícito na teoria vigotiskiana, considerado presença indispensável nas interações sociais que se desenvolvem em sala de aula, implica também um notável aumento da sua responsabilidade pedagógica. Isso porque ser o parceiro mais capaz de uma interação não é resultado de sua competência, mas do reconhecimento do grupo social, que assim o considera ou elege. Assim, para os alunos, o professor sempre será o parceiro mais capaz em sala de aula, principalmente em relação ao conteúdo de sua disciplina, pela simples razão de ser o professor.

Coube ao professor guiar os estudantes durante a realização da atividade, tomando o cuidado de não dar as respostas e sim incentivá-los a obtê-las através da interação social. Com isso, percebeu-se um maior envolvimento do aluno com o experimento, motivando-o a criar hipóteses sobre a os resultados, baseados ora nos conhecimentos adquiridos durante a realização da Sequência Didática, ora nos conhecimentos prévios devido a outros intercâmbios sociais.

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Através do experimento, constatamos que os estudantes demonstraram que os conceitos básicos para a compreensão do Efeito Fotoelétrico tinham sido adquiridos. Naquele momento observamos que o entendimento da teoria corpuscular da Luz havia acontecido e os alunos percebiam que existe uma relação de proporcionalidade entre a frequência da Luz e a energia que ela transporta, colocada na equação da energia do fóton. Além disso, o professor trabalhou conceitos dentro de uma suposta ZDP dos alunos, intervindo como parceiro mais capaz e proporcionando, segundo as nossas conclusões, a oportunidade de compreensão de significados que, sem ajuda, os educandos não alcançariam naquele momento.

## Considerações finais

No início do experimento percebemos uma tentativa, por parte de alguns grupos, de obterem uma resposta direta do professor sobre as perguntas do roteiro. Avaliamos que essa ação é fruto de uma metodologia muito praticada nas salas de aula: o aluno pergunta e o professor responde, agindo como aquele que detém o saber. Em uma prática pedagógica inspirada em Vigotski, o professor conduz a ação para que os alunos comecem a aprender. Porém, o domínio do conteúdo só se dará quando eles adquirirem ou construírem uma estrutura mental que possibilite esse domínio, o que demanda tempo e esforço dos próprios alunos. Sendo assim, coube ao professor, naquele momento, orientar os alunos no sentido de discutirem em grupo e encontrarem uma solução para o problema proposto.

Após entenderem a proposta da atividade, percebemos que as discussões fluíram e os objetivos de ensino foram alcançados, uma vez que observamos a apropriação dos conceitos relativos ao Efeito Fotoelétrico. Notamos que naquele momento, os estudantes já conseguiam entender o comportamento dual da luz, responder aos questionamentos propostos e generalizar os conceitos para aplicá-los em outras situações cotidianas.

Por fim, acreditamos ser viável o estudo da Natureza da Luz através do ensino do Efeito Fotoelétrico na 2ª série do Ensino Médio. É viável criar uma Sequência Didática que proporcione esse aprendizado, de forma dialógica, respeitando a Zona de Desenvolvimento Proximal do aluno e com estratégias que busquem a ruptura das concepções prévias e a promoção de uma continuidade na construção do conhecimento através do pensamento científico. Tentamos produzir algo que viesse ao encontro desses preceitos e avaliamos que o resultado foi satisfatório. A partir daí, entendemos que devemos ampliar essa prática para todos os assuntos de Física no Ensino Médio, com o propósito de uma implementação de um currículo que viabilize de fato a introdução de temas relacionados às descobertas do início do século XX, sem a necessidade que os tópicos sejam colocados apenas ao final do curso.

## Referências

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