A FÍSICA CONTEMPORÂNEA NO ENSINO MÉDIO: UMA PROPOSTA UTILIZANDO O CONCEITO DE REFRAÇÃO NEGATIVA

## A FÍSICA CONTEMPORÂNEA NO ENSINO MÉDIO: UMA PROPOSTA UTILIZANDO O CONCEITO DE REFRAÇÃO NEGATIVA

## Fernando Grillo Araújo , Gustavo Isaac Killner 1 2

1 Instituto Federal de São Paulo, fernandogrillo.1979@gmail.com 2 Instituto Federal de São Paulo, gustavoIK@terra.com.br

## Resumo

A Física Moderna e Contemporânea está inserida no currículo desde os Parâmetros Curriculares Nacionais, que visam a formação de um cidadão mais crítico e atuante na sociedade tecnológica atual. No entanto, sabe-se da dificuldade dos professores em inserir novos conteúdos em suas aulas de física, que ainda se baseiam bastante na Física Clássica. Tendo isso em vista, elaboramos uma sequência didática que mescla um conteúdo da Física Clássica - a refração - com um conteúdo da Física Contemporânea - a refração negativa. Analisamos o desempenho de duas turmas do segundo ano do ensino médio, sendo que em uma aplicamos o conceito de refração negativa e em outra não. A análise quantitativa nos mostrou um melhor desempenho no aprendizado da turma em que foi inserido o novo conceito. Por outro lado, a análise qualitativa nos indicou que o principal fator que fez a diferença para os estudantes foi a capacidade de despertar o interesse, relacionada a inserção de um novo tema, mais atual.

Palavras-chave : Física Moderna e Contemporânea; Refração Negativa; Aprendizagem de Conceitos; Sequência Didática.

## Introdução

Atualmente, a Física Contemporânea é a física que dá suporte aos avanços tecnológicos, pois trata-se da ciência que se estuda e se desenvolve atualmente, nas universidades, empresas e institutos de pesquisa, públicos e privados. Com isso, acreditamos que a Física Contemporânea, por estar em desenvolvimento, pode proporcionar aos alunos um entusiasmo ainda maior, devido ao fato de não ser algo pronto, já concluído, mas algo que poderia fazê-lo pensar, projetar e refletir - indo além da imaginação - sobre diversos caminhos, aplicações e possibilidades que esta ciência pode nos proporcionar.

Seguindo os PCN+, e levando em consideração a realidade dos alunos, bem como a revolução tecnológica que vivemos nos dias de hoje, observa-se que a Física Clássica, mesmo tendo importância no ensino, não dá conta de explicar algumas tecnologias, principalmente as futuras tecnologias, o que tornaria fundamental a inserção da Física Moderna e Contemporânea no ensino médio. Como podemos ler nos PCN+:

A Física deve apresentar-se, portanto, como um conjunto de competências específicas que permitam perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo distante, a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos (BRASIL, 2002, p. 59).

Dessa forma, o ensino de física deve proporcionar ao aluno, uma apropriação do conhecimento, para uso não apenas em seu cotidiano, fazendo uma compreensão do mundo no qual está inserido, mas que também lhe permita

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23 a 27 de janeiro de 2017

compreender as novas tecnologias que o permeiam, bem como refletir sobre as futuras tecnologias, que mesmo não estando em seu cotidiano, já faz parte da realidade atual, podendo assim construir um pensamento crítico e autônomo, capaz de interferir e contribuir na sociedade a qual faz parte.

Entre os diversos assuntos relacionados à Física Contemporânea, o conceito de luz é um dos mais presentes (comunicação por fibras óticas, televisores, telas de LCD e plasma, sensores de presença, cirurgias a laser entre outros), o que evidencia a importância de aprimorar este conceito, tanto na perspectiva da Física Clássica, como também na perspectiva da FMC. No entanto, o conceito de luz, como grande parte dos conceitos de física, é tratado nas escolas de forma abstrata e descritiva - medida de ângulos, memorização de conceitos e fórmulas e princípios de trigonometria (GIRCOREANO, 2001), voltado bem mais para física clássica, e não abordando os conceitos pelo viés da FMC.

Pensando no ensino de óptica através da Física Contemporânea, Santos (2011) menciona que a óptica geométrica deveria ter posição de destaque nos cursos introdutórios de física no ensino médio, pois segundo ele, os princípios da óptica geométrica possibilitam compreender diversos fenômenos naturais, além de outras inúmeras aplicações, o que proporcionaria aos estudantes perceber, de maneira fácil, como os modelos abstratos da matemática são aplicados a descrições de sistemas reais. Porém, o autor também traz um dos motivos pelo qual ele acredita contribuir para a desvalorização do conceito na escola: a falsa ideia de que os princípios da óptica seriam uma área científica esgotada.

Para se contrapor a isso, Santos (2011) destaca os avanços nessa área no século XX, citando como exemplo os raios laser e a óptica quântica, os quais não chegam à sala de aula devido a sua difícil compreensão conceitual. Além desses, também são citados avanços mais recentes e importantes, como os metamateriais com índice de refração negativa. O autor propõe a inserção desse e outros temas, de maneira acessível para o professor de física no ensino médio.

Pensando na importância da tecnologia na sociedade e na necessidade de discuti-la no ensino através da FMC, bem como nas condições de ensino das escolas nos dias atuais, propomos trazer neste trabalho uma sequência com a inserção de elementos de Física Contemporânea.

Neste trabalho, optou-se pelo campo conceitual de óptica, no qual será destacado o conceito de refração negativa através da óptica geométrica, pois acreditamos que sobre este conceito o professor poderá, através da Física Clássica, trabalhar com ideias da Física Contemporânea, com uma metodologia acessível às condições de ensino presentes nas escolas, além de trazer para sala de aula discussões sobre novas e futuras tecnologias.

## Refração negativa

Entende-se sobre refração, um fenômeno ligado ao comportamento da luz quando passa de um meio para outro, onde a luz sofre um desvio em sua trajetória, devido a variação de sua velocidade ao passar de um meio para outro. Essa mudança de velocidade é explicada em razão das diferenças entre as estruturas atômicas de cada meio, oferecendo maior ou menor resistência na passagem da luz, podendo então, provocar na luz uma redução ou um aumento sua velocidade.

A velocidade da luz no meio dependerá da densidade do material, ou seja,

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quanto mais denso for o material, menor será a velocidade de propagação da luz em seu interior, da mesma forma quanto menor for a densidade do material, maior será a velocidade de propagação da luz no seu interior. Logo, dizemos que cada material possui um índice ( n ) de refração da luz, que é determinado pela razão entre a velocidade da luz ( c ) no vácuo e a velocidade da luz ( v ) no novo meio:

A refração negativa é um fenômeno que, ao contrário da refração convencional, não é observado na natureza, e sim criado em laboratório, através dos metamateriais, materiais compostos por estruturas artificiais, formadas pelo arranjo regular de minúsculos circuitos elétricos, que podem ser projetados para terem uma propriedade eletromagnética desejada, desempenhando assim, o papel das 'moléculas' do material de refração negativa.

A diferença no comportamento da luz, entre a refração convencional e a refração negativado pode ser observada na figura abaixo:

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Figura 1 : (a) Refração convencional. (b) Refração negativa

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Fonte: Santos, W. (2011)

Conforme observado na figura (b), a luz sofre um desvio como se fosse refletido de volta, porém mesmo para este comportamento da luz a lei de Snell - que explica o índice de refração dos meios - também é válida para este comportamento, com a diferença de que o índice de refração, bem como o ângulo refratado terão valores negativos. Veja na figura abaixo uma imagem fictícia de uma caneta mergulhada em um copo, cujo o líquido dentro do copo proporcionaria o fenômeno de refração negativa (à direita) frente ao fenômeno de refração convencional (à esquerda).

Sobre refração negativa, encontramos no trabalho de Santos (2011) alguns avanços com a criação desse fenômeno através dos metamateriais, como a possibilidade já existente de manipular a refração negativa de forma a controlar os desvios sofridos pela luz. Com uma combinação de metamateriais, com índices de refração positivos e negativos, pode-se criar um sistema de camuflagem, podendo fazer com que um determinado objeto fique invisível aos olhos de um observador, seria uma espécie de 'manto da invisibilidade'. Nesse sistema de camuflagem a luz contornaria um determinado objeto ao invés de refletir, e com isso a luz não sofreria reflexão deste objeto ficando assim invisível ou transparente.

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Modelo do comportamento da luz no fenômeno de refração negativa

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Figura 2: Fonte: Santos, W. (2011)

Na figura acima, os metamateriais da esfera atuam de diversas formas, fazendo com que as ondas eletromagnéticas contornem a esfera, ao invés de refletir ou refratar. Logo, para um observador a esfera se torna invisível, pois não há o fenômeno da reflexão das ondas eletromagnéticas sobre a esfera chegando em seus olhos para que este possa vê-la. A imagem abaixo nos dá uma ideia da aplicabilidade através do fenômeno de refração negativa.

Figura 3: Manto da invisibilidade - Uma das possíveis aplicações do fenômeno de refração negativa.

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Fonte: http://www2.joinville.udesc.br/~i9/2014/07/02/o-que-e-um-metamaterial/

## Metodologia

Mediante a carência em conteúdos de FMC, em especial a Física Contemporânea, foco de nosso trabalho, foi proposto uma pesquisa a fim de observar se a inserção de elementos da Física Contemporânea contribui para o aprendizado dos alunos. Nessa perspectiva, optou-se por uma fusão entre a Física Clássica e a Física Contemporânea trazendo assim, elementos da Física Contemporânea - refração negativa - dentro do ensino de óptica geométrica Física Clássica.

Através das aulas de física ministradas com as duas turmas do segundo ano do ensino médio, e apoiando-se nas ideias de Mayring (2002) sobre pesquisa-ação, foi possível realizar essa pesquisa, que se baseou na aplicação de uma sequência didática. Com a turma A, a sequência de 9 aulas inseriu o assunto de refração negativa, conforme a tabela abaixo. Com a turma B, falou-se apenas de refração convencional, contemplada na sequência abaixo até a aula 4.

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Tabela 01: Detalhamento da sequência didática

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A análise dos dados foi feita de maneira quantitativa e qualitativa. Os exercícios aplicados em aula - quantitativo - utilizamos o método de hipótese tStudent (MARCONI E LAKATOS 2011), em que permite fazer comparação de duas amostras independentes (no caso comparamos do desempenho entre as duas turmas do segundo ano). Para analisar os questionários - qualitativo - utilizamos o método de análise textual discursiva de Moraes (2007). Apresentamos a seguir o questionário aplicado apenas na turma A:

- 1) A aula sobre refração negativa lhe proporcionou algum interesse pela ciência, ou em saber mais sobre este fenômeno? Por quê?
- 2) Ter estudado refração negativa lhe ajudou a entender melhor o conceito de refração de um modo geral? Justifique.
- 3) Após a aula sobre refração negativa, se você visse em uma revista, jornal, TV ou internet, uma matéria que falasse sobre refração negativa ou outro tema da física contemporânea, você se interessaria pela notícia? E antes dessa aula?
- 4) Sabendo que o conceito de refração negativa não é tão explorado nos vestibulares, você seria a favor de descartá-lo das aulas de física, para dar mais ênfase naqueles conceitos que são exigidos nos vestibulares? Por quê?
- 5) Sendo a refração negativa um conceito ligado às novas tecnologias (física contemporânea), você é a favor que as aulas de física tenham mais enfoque na física contemporânea? Justifique a sua resposta.

## Resultados

Com base nos resultados obtidos através do método Student, concluímos que a média da turma A foi significativamente melhor que a média de turma B, ou seja, trabalhar o conceito de refração negativa pode contribuir para o aprendizado do aluno. Porém, com base no questionário aplicado na turma A - turma a qual foi discutido o conceito de refração negativa - observamos um número pequeno de alunos que acreditam terem aprendido melhor o conceito de refração, após a inserção do conceito de refração negativa.

Com base nas respostas dos alunos, sobre o questionário que foi aplicado, somente na turma A, fizemos uma categorização agrupando-as em três dimensões: interesse -se foi despertado algum interesse e qual o tipo de interesse; aprendizagem -se houve algum aprendizado; pragmática/utilitária -se foi observado, pelos alunos, uma aplicabilidade no conhecimento aprendido.

Na dimensão interesse criamos as seguintes categorias: pela ciência, pela novidade do tema, pela utilidade, a partir da aula e não houve interesse. Apresentamos um exemplo de cada categoria na ordem já mencionada:

'A aula de refração negativa me ajudou a gostar de ciência'

'(...) nós temos que estudar novas tecnologias, o que já foi descoberto já nos pertence'

- '(...) podemos usar esses ensinamentos para mudar/inventar novas utilidades para essas novas tecnologias'
- 'Eu só tive interesse por refração negativa após ter uma aula sobre a mesma. Antes disso eu jamais me interessaria a assistir ou ler algo sobre o assunto'

'(...) a física em relação aos outros conteúdos é muito interessante, mais

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especificamente esse conteúdo eu não gostei'

Na dimensão aprendizagem obtivemos as seguintes categorias: relações com o conhecimento prévio, compreensão do fenômeno, dificuldade em entender o conceito, falta de atenção/capacidade e falta de interesse. Na sequência apresentamos os exemplos na respectiva ordem das categorias:

'(...) desvendou até dúvidas que eu tinha anteriores'

- '(...) refração não é só em coisas de física, mas sim no mundo inteiro, como acontece no Sol isso é refração'

'Refração é um assunto muito complexo e a partir do momento que eu comecei a não entender parei de prestar atenção, por isso não entendi refração negativa'

- '(...) apesar do professor ter explicado muito bem e várias vezes algumas coisas não entraram na minha cabeça'
- '(...) não tenho curiosidade sobre o assunto, apesar de ser algo bom e interessante de todos saber, não é algo que quero levar mais adiante'.

Por fim, na dimensão pragmática/utilitária, elaboramos as seguintes categorias: vestibular, tecnologia do dia-a-dia, importância do tema para a aprendizagem e não tem utilidade. Seguem os exemplos.

'(...) é o assunto que mais iria ajudar os alunos a passar nas provas importantes'

'(...) nós precisamos estudar a tecnologia de agora, a tecnologia que vai ser estudada no futuro' .

'(...) é um conteúdo que deve ser estudado, pela importância que ele pode ter na sociedade'

'(...) especificamente esse conteúdo eu não vou levar para minha vida'

## Conclusões

Por fim, com base na pesquisa realizada, através da sequência didática, aplicada com as duas turmas do segundo ano do ensino médio, entendemos que a inserção de elementos da Física Contemporânea no ensino médio não influencia o aprendizado do aluno, sobre um determinado conceito. Porém, entendemos que a dificuldade no aprendizado deve ser observada não apenas na complexidade do conteúdo a ser ensinado, mas também sob outras dimensões, como defasagem no aprendizado, dificuldade em fazer relação de um conceito aprendido com o conceito ensinado - principalmente no que se refere a disciplinas diferentes -, baixa autoestima dos alunos, entre outros.

Logo, o que podemos afirmar com segurança é que os alunos têm interesse por temas atuais e ligados às novas tecnologias, o que nos leva a acreditar que o aprendizado dos alunos, sobre determinado conteúdo, depende dos seguintes fatores: clareza quanto a abordagem do conteúdo do conteúdo a ser ensinado, através de uma linguagem mais acessível; condições de aprendizagem; conhecimento adquirido antes de chegar no ensino médio; relação construída com a ciência durante sua vida escolar - muitos alunos se julgam incapazes de aprender ciência.

## Referências

BRASIL. Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+ - Ensino Médio). Ciências da Natureza,

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Matemática e suas Tecnologias. Ministério da Educação e dos Desportos - MEC; SEMTEC, Brasília - DF, 2002.

GIRCOREANO, José Paulo; PACCA, Jesuína Lopes de Almeida. O ensino da óptica na perspectiva de compreender a luz e a visão. Caderno Catarinense de Ensino de Física . v. 18, n.1: p. 26-40, abr. 2001.

MARCONI, Marina de Andrade; LAKATOS, Eva Maria. Técnicas de Pesquisa : Planejamento e execução de pesquisa, amostragens e técnicas de pesquisa, elaboração, análise e interpretação de dados. 7ª Edição - São Paulo: Atlas, 2011.

MAYRING, P. Introdução a Pesquisa Social Qualitativa. Uma introdução para pensar qualitativamente. 5ª ed. Weinheim: Beltz, 2002.

MORAES, R. Mergulhos Discursivos - Análise Textual Qualitativa Entendida como Processo Integrado de Aprender, Comunicar e Interferir em Discursos. In: Metodologias Emergentes de Pesquisa em Educação Ambiental. Maria do Carmo Galiazzy e José Vicente de Freitas (organizadores). 2ª Edição, 2007. Pp.85114.

SANTOS, Walter da Silva. REFRAÇÃO, AS VELOCIDADES DA LUZ E METAMATERIAIS. Dissertação (Mestrado Profissional em Ensino de Física) Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2011.

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