A FÍSICA MODERNA EM SALA DE AULA: UMA SEQUÊNCIA DE ENSINO INVESTIGATIVO SOBRE A DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA DO ELÉTRON

## A FÍSICA MODERNA EM SALA DE AULA: UMA SEQUÊNCIA DE ENSINO INVESTIGATIVO SOBRE A DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA DO ELÉTRON

Elcio de Souza Lopes 1 Leandro Saca 2 Lucia Helena Sasseron 3

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IFUSP/ elcioslopes@gmail.com

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FEUSP / leandro.saca@gmail.com

3

FEUSP/ EDM/ sasseron@usp.br

## Resumo

O novo programa de ensino integral para escolas públicas da Secretaria de Estado da Educação de São Paulo favorece a elaboração de cursos livres, chamados de 'disciplinas eletivas' pelos professores. Os alunos desse projeto escolhem entre vários desses cursos os que estão relacionados com seus projetos de vida ou que sejam de seu interesse em conhecer e ampliar o seu projeto de vida. Assim em cada curso é possível estarem presentes alunos de diversas séries/anos do ensino fundamental ou do ensino médio. E foi nesse ambiente livre que se aplicou em 2014 a Sequência de Ensino Investigativo 'E o elétron? É onda ou é partícula?' com a presença de alunos dos três anos do ensino médio, em que foi trazido aos alunos conteúdos sobre Física Moderna e Contemporânea, mais especificamente a dualidade onda-partícula do elétron em três momentos históricos, relacionados com experimentos de JJ Thomson (THOMSON, 1897), de GP Thomson (THOMSON, 1923) e de A Tonomura et al. (TONOMURA et al., 1989 Apesar de ter sido desenvolvida (mas não aplicada) para turmas do terceiro ano do ensino médio (LOPES, 2013), turmas nas quais o assunto é tratado, segundo o currículo oficial, a sequência pôde ser aplicada em sua forma integral para todos os alunos, com boa participação dos alunos do primeiro ano. Em uma avaliação com alunos de primeiro ano remanescentes da 'disciplina eletiva' no ano de 2016, em já estavam no terceiro ano do ensino médio, estes apresentaram bom retorno dos conteúdos e dos assuntos tratados no curso. Trazemos aqui tanto algumas partes dos trabalhos do curso aplicado em 2014, quanto os resultados que favorecem a validade do uso da História da Física Moderna e Contemporânea em aulas do Ensino Médio.

Palavras-chave: Sequência de Ensino Investigativo; Física Moderna e Contemporânea; Dualidade onda-partícula;

## Introdução

Com o novo projeto de ensino integral a Secretaria de Estado do Governo de São Paulo (SEESP), surgiu um espaço para o professor criar e desenvolver cursos livres chamados de 'disciplinas eletivas'. Em 2014, em uma escola estadual foi possível aplicar a Sequência de Ensino Investigativo (SEI) 'E o elétron? É onda ou é partícula?' descrita em LOPES (2013) para alunos do ensino médio. As atividades foram aplicadas em sua totalidade, mesmo que tivessem presentes alunos dos três anos, ou seja, um grupo heterogêneo. Mesmo assim, a recepção do curso foi boa e os alunos, mesmo agora em 2016, em entrevistas, apresentam resultados positivos quanto à recordação de conteúdos e de assuntos tratados na época.

A SEI foi elaborada para turmas do terceiro ano do ensino médio, como uma possível sequência a ser colocada no terceiro e no quarto bimestres, entretanto, não

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23 a 27 de janeiro de 2017

foi aplicada nessas turmas (LOPES, 2013). Ao aplicarmos essas sequências para em disciplina eletiva do Programa Ensino Integral da Secretaria de Estado de Educação de São Paulo, trabalhamos com uma turma heterogênea composta por alunos dos primeiros, segundos e terceiros anos do Ensino Médio desta Escola de Itatiba. Porém, alunos do primeiro ano tiveram melhor resposta durante as atividades, respondendo as questões propostas e participando ativamente dos debates. A SEI foi montada com três partes, três Sequências de Ensino Investigativo que são interconectadas pela história do estudo do elétron e de seu comportamento. Cada uma das três partes foi dividida em outras três partes que eram compostas por atividades experimentais com participação dos alunos em grupos ou vídeos e de leitura crítica de textos que foram elaborados em torno de fontes históricas primárias. No caso dos textos históricos foram utilizados os artigos originais de cada cientista ou grupo de cientistas, traduzidos e montados como entrevistas de uma editoria científica de jornal brasileiro.

Vamos descrever agora sobre pontos fundamentais e aspectos importantes para se elaborar uma SEI e, depois, como a sequência descrita neste artigo foi aplicada aos alunos do ensino médio. Finalmente apresentaremos alguns dos resultados obtidos nesta aplicação, tanto os obtidos durante a aplicação da SEI em 2014 quanto alguns relatos de alunos remanescentes em 2016.

## Elementos de uma Sequência de Ensino Investigativo

Para se elaborar uma Sequência de Ensino Investigativo (SEI) é necessário considerar vários fatores relacionados com a composição e com o desenvolvimento da SEI. Existem quatro pontos fundamentais que devem ser elencados ao se elaborar uma SEI, segundo CARVALHO (2011):

- · O ponto que parte da importância de um problema para o início da construção do conhecimento;
- · O ponto que parte da ação manipulativa para a ação intelectual;
- · O ponto sobre a importância da tomada de consciência de seus atos para a construção do conhecimento, e;
- · O ponto sobre as diferentes etapas das explicações científicas.

Além disso, existem aspectos importantes para a elaboração e aplicação de uma Sequência de Ensino Investigativo que em conjunto aos quatro pontos fundamentais, podemos almejar o sucesso da sequência.

Segundo CARVALHO (2013), os oito aspectos importantes para a elaboração de uma SEI são:

- · A participação ativa do estudante;
- · A importância da interação aluno-aluno;
- · O papel do professor como elaborador de questões;
- · A criação de um ambiente encorajador;
- · de aula;
- O ensino a partir do conhecimento que o aluno traz para a sala
- · O conteúdo (o problema) tem que ser significativo para o aluno;

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- · A relação ciência, tecnologia e sociedade;
- · A passagem da linguagem cotidiana para a linguagem cientifica;

E foi à luz destes aspectos que elaborou-se uma SEI tratando o caso histórico do elétron, que já foi tratado como partícula por JJ Thomson e por onda pelo seu filho, GP Thomson. Sendo curioso, como apontado por Emilio Segrè, que Thomson pai recebeu o Prêmio Nobel por mostrar o comportamento corpuscular do elétron e Thomson filho recebeu o mesmo prêmio, anos depois, por demonstrar o comportamento ondulatório do elétron (SEGRÈ, 1987).

## A SEI 'E o elétron? É onda ou é partícula?'

Na elaboração da SEI 'E o elétron? É onda ou é partícula?' houve o cuidado com cada um desses aspectos elencados acima. A SEI foi então estruturada em três partes, que foram chamados de blocos: a primeira relacionada com comportamentos corpusculares de objetos e com as experiências de JJ Thomson (THOMSON, 1897) que demonstram que o elétron é uma partícula; a segunda relacionada com comportamentos ondulatórios de objetos e com as experiências de GP Thomson (THOMSON, 1923), filho de JJ Thomson, que demonstram ser o elétron um objeto com comportamento ondulatório; a terceira parte relacionada com as experiências de Akira Tonomura outros cientistas (TONOMURA et al.,1989) que, em equipe, puderam observar a formação paulatina, filmada, de uma figura de difração de elétrons, demonstrando tanto o comportamento corpuscular quanto o ondulatório do elétron.

Na sequência 'E o elétron? É onda ou é partícula?' são apresentadas em cada início de atividade problemas que precisam ser discutidos entre os alunos e feitos desafios do tipo 'quantos lances são necessários para se fazer um gol no jogo 'futebol de dedos'?' ou 'como é possível defender seu gol no futebol de ondas?' (LOPES, 2013). O 'futebol de dedos' foi um jogo muito popular na década de 1980, pois era simples e mais dinâmico e barato que o futebol de botão. O 'futebol de ondas' foi criado para a SEI, com o propósito de fazer frente ao 'futebol de dedos' e proporcionar em uma atividade lúdica, a observação e debate sobre os comportamentos ondulatórios, mais especificamente a difração e a interferência de ondas.

Figura 01: campo de futebol de dedos original da SEI Fonte: os autores

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Figura 02: campo de futebol de ondas original da SEI

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Fonte: os autores

## A SEI aplicada teve, então, a seguinte estrutura:

## Bloco 1: Estudando Partículas

Primeiro Encontro Atividade experimental: futebol de dedos Discussão: Generalizando partículas!

Segundo encontro: Atividade experimental: O Tubo de Raios catódicos Discussão: Raios Catódicos são Partículas?

Terceiro Encontro: Texto: Entrevista com JJ Thomson Discussão: Aspectos Históricos

## Bloco 2: Estudando Ondas

Quarto Encontro Atividade experimental: Futebol de réguas Discussão: Generalizando Ondas!

Quinto Encontro: Atividade experimental: Os anéis de GP Thomson Discussão: Os Raios Catódicos são Ondas?

Sexto Encontro: Texto: Entrevista com GP Thomson. Discussão: Aspectos Históricos

## Bloco 3: Física Quântica

Sétimo Encontro Vídeo: A experiência de A Tonomura e equipe Endereço: http://www.youtube.com/watch?v=\_oWRI-LwyC4 (acesso em 11/04/2013); Discussão: E o elétron?

Oitavo Encontro Texto: Entrevista com A Tonomura

Discussão: O que vemos o que imaginamos?

Nono Encontro Texto: Interpretações da Física Quântica Discussão: Complementaridade, Dualidade, Partícula ou Onda? (LOPES, 2013)

Apesar de seguirmos a sequência de ensino investigativo proposta, duas adaptações foram necessárias. Uma no futebol de dedos, em que foi utilizado um 'campo' feito com placa de isopor recoberto por papel camurça verde, ladeado por papel cartão verde, vazado nos extremos como se fossem as metas de um campo de futebol, e os 'jogadores' foram feitos com lápis de cor diversos. A vantagem desse campo é a possibilidade de se mover os jogadores durante as partidas,

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podendo ser colocados em diversas formas e arranjos. Assim os alunos arranjaram seus 'jogadores' de tal forma que cercaram suas metas e evitaram que as bolinhas de gude passassem.

As estratégias criadas para evitar a passagem das bolinhas de gude pelos 'jogadores' no futebol de dedos foram aplicadas, sem sucesso, no 'futebol de ondas'. E a segunda adaptação feita foi nos jogadores do 'futebol de ondas', em que ao invés de parafusos presos com ímãs, utilizou-se peças de jogo de dominó, pois apresentaram maiores possibilidades de montagens e arranjos diferentes dentro do campo, inclusive montagens semelhantes às utilizadas como estratégias no 'futebol de dedos'.

Depois foi possível verificar nas respostas dos estudantes que os conceitos sobre os comportamentos corpusculares e ondulatórios puderam ser aplicados para a análise dos dados obtidos no aparelho de difração de elétrons.

Figura 3: aparelho de difração de elétrons

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Fonte: os autores

E como material final, no último bloco de atividades, quando foram confrontados com os dados obtidos pela equipe de Tonomura (TONOMURA et al., 1989) produziram textos cartazes e desenhos, para responder, com suas próprias palavras, ao questionamento da SEI: E o elétron? É onda ou é partícula?

## Comentários finais

Essas atividades evidenciam o ponto fundamental da SEI que é aquele em que se parte da importância de um problema para o início da construção do conhecimento, pois trazem para o aluno elementos que são utilizados para conhecer os comportamentos de partículas e de ondas. Também são atividades que, com a ajuda do professor como mediador, partem de ações manipulativas e seguem para ações intelectuais. As regras dos jogos propiciam aos estudantes uma tomada de consciência de que seus atos durante as atividades são importantes para a construção do seu próprio conhecimento. Quando essas atividades são relacionadas com outras relativas ao comportamento do elétron em aparelhos de difração e com os debates sobre as entrevistas com os cientistas, é possível evidenciar algumas das etapas das explicações científicas.

Também evidencia os aspectos importantes de uma SEI, pois proporciona em seus blocos de atividades, a participação ativa do estudante, quando o convida ao debate acerca dos questionamentos acerca dos elementos corpusculares e ondulatórios dos objetos. Proporciona a interação aluno-aluno nas atividades lúdicas

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em grupo (campeonatos de 'futebol de dedos' e de 'futebol de ondas') e nos debates sobre os textos históricos e as observações feitas com o aparelho de difração de elétrons e com os vídeos. Favorece ações do professor como elaborador de questões, indicando possíveis questões e respostas dos alunos. Proporciona um ambiente encorajador para a interação professor-aluno e aluno-aluno, quando traz para a sala de aula as atividades e seus questionamentos. Valoriza o conhecimento que o aluno traz para a sala de aula. Com os questionamentos mostra partes das relações entre ciência, tecnologia e sociedade. E finalmente, proporcionou a passagem da linguagem cotidiana para a linguagem científica utilizada para descrever comportamentos corpusculares e ondulatórios.

Dessa forma, e de posse desses resultados, as evidências favorecem uma possível validação das Sequências de Ensino Investigativo de LOPES (2013), relacionados com a aplicação de conceitos da Física Moderna e Contemporânea em sala de aula do Ensino Médio.

## Referências

CARVALHO, A.M.P. Ensino e aprendizagem de ciências: referenciais teóricos e dados empíricos das sequências de ensino investigativas (SEI) ; In: LONGHINI, Marcos Daniel (org.) O Uno e o Diverso na Educação . Uberlândia/MG: EDUFU, 2011.

CARVALHO, A.M.P. O ensino de Ciências e a proposição de sequências de ensino investigativas . - In: Carvalho, A.M.P. (organizadora), Oliveira, C.M.A., Scarpa, D.L., Sasseron, L.H., Sedano, L., Silva, M.B., Capecchi, M.C.V.M, Abib, M.L.V.S., Briccia, V. Ensino de Ciências por investigação: condições para implementação em sala de aula.- São Paulo: Cengage Learning, 2013.

LOPES, E. S. E o elétron? É onda ou é partícula? - uma proposta para promover a ocorrência da alfabetização científica de física moderna e contemporânea em estudantes do ensino médio . Dissertação de Mestrado. (IFUSP). São Paulo, 2013.

SEGRÈ, E. Dos Raios X aos Quarks . Trad. De Wamberto H. Ferreira. Brasília: Editora Universidade de Brasília, 1987.

THOMSON, G.P. Experiments on the Diffraction of Cathode Rays , Physical Review, V. 22, p. 243, 1923.

THOMSON, J.J. Cathode Rays , Philosophical Magazine, V. 44, Series 5, p. 293, 1897.

TONOMURA, A., ENDO, J. MATSUDA, T. KAWASAKI, T., EZAWA, H. Demonstration of single-electron buildup of na interference pattern. American Journal of Physics, 57 (2), February, 1989.

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