REDES CONCEITUAIS TECIDAS PELA FÍSICA QUÂNTICA: O CASO DA EVOLUÇÃO DA ATMOSFERA TERRESTRE COMO CONDICIONANTE PARA O DESENVOLVIMENTO DA VIDA.

## REDES CONCEITUAIS TECIDAS PELA FÍSICA QUÂNTICA: O CASO DA EVOLUÇÃO DA ATMOSFERA TERRESTRE COMO CONDICIONANTE PARA O DESENVOLVIMENTO DA VIDA 1 2

Glaucia de Souza Silva , Osvaldo Canato Junior

- 1 Instituto Federal de São Paulo/Física/Campus São Paulo,glauciasos@gmail.com

2 Instituto Federal de São Paulo/Física/Campus São Paulo, canatojr@ifsp.edu.br

## Resumo

O ensino fragmentado em disciplinas centradas no encadeamento de prérequisitos, comum nos dias atuais, tem muitas vezes afastado os alunos da visão de uma ciência integradora e ativa no seu cotidiano. Para que haja a quebra desta barreira é preciso ensinar construindo o conhecimento de forma que se consiga interligar as áreas do conhecimento, como aqui expresso com a física, geografia, biologia e química. Tal interligação se concretizou a partir da problemática da origem e evolução da vida sob influência das atmosferas primitiva e atual. Tratando-se de uma pesquisa sobre o ensino de ciências, expõem-se aqui as primeiras conclusões de um projeto de iniciação cientificaque segue em aplicação no Câmpus São Paulo do IFSP.

Palavras-chave : Física, Ensino de Física, Física quântica, Atmosfera, Desenvolvimento da vida.

## Introdução

Usando a problemática da atmosfera se consegue tecer uma ampla rede conceitual, envolvendo diversas áreas de conhecimento comumente abordadas separadamente na escola média e mesmo no ensino superior. O mesmo oxigênio estudado na biologia como agente no processo de respiração celular, é um dos protagonistas do estudo da composição e dinâmica da atmosfera feito em geografia, do estudo de ligações covalentes feito em química e das interações quânticas existentes entre a atmosfera e os raios solares. Assim, ainda que estes assuntos sejam normalmente tratados em suas especificidades internos a cada disciplina escolar, na mente do educando a palavra oxigênio está necessariamente vinculada a todos eles, perfazendo uma rede conceitual independentemente de que ele ou os seus professores tenham consciência disso.É nesse contexto que, baseando-se na concepção do conhecimento como rede de significados, o trabalho aqui exposto problematiza uma possível integração entre conteúdos de diferentes áreas, tendo a física quântica como principal veículo de conexão.

## Ensino e aprendizagem em rede

Qualquer que seja a metodologia de ensino empregada, mais relacionada à ideia dos conceitos encadeados como pré-requisitos uns dos outros, ou mais relacionada a uma visão mais integradora entre os conceitos a serem ensinados e aprendidos, fato é que aprende-se em rede, com o conhecimento podendo ser concebido enquanto feixe de relações entre os nós de uma rede de significados:

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- · compreender é aprender o significado;
- · aprender o significado de um objeto ou de um acontecimento é vê-lo em suas relações com outros objetos ou acontecimentos;
- · os significados constituem, pois, feixes de relações;
- · as relações entretecem-se, articulam-se em teias, em redes, construídas social e individualmente, e em permanente estado de atualização;
- · em ambos os níveis - individual e social - a ideia de conhecer assemelha-se à de enredar.
- (MACHADO, 1995, p.138).

Assim, por mais que um professor entenda que uma sólida apreensão do conceito de velocidade seja pré-requisito para a introdução do conceito de aceleração, a palavra velocidade se apresentará na rede neuronal do educando como um feixe de relações com outros significados, eventualmente até mesmo com o de aceleração. Da mesma forma, por mais que um professor não dê qualquer importância a isso, ao se discutir energia em física, existirá na mente do educando pontes para diversos outros contextos em que esse termo é empregado em seu cotidiano ou em aulas de outras disciplinas.

Claro que esse enredamento potencialmente pré-estabelecido pela vivência do discente, é frágil e repleto de falsas concepções, não diminuindo em nada a importância do papel do professor no processo de ensino-aprendizagem. No entanto, tal processo pode ser em muito fortalecido se o professor reconhecer que o aluno não chega à sala de aula como uma tábula rasa e, sim, com uma carga de conhecimentos acumulados durante anos, conhecimentos estes que podem lhe atribuir interesses não necessariamente alinhados ao que o professor planejou para sua sequência didática. Cabe, assim, ao professor uma postura mediadora:

Na construção dos significados, portanto, é perfeitamente natural que algumas das relações constitutivas dos nós/feixes sejam apresentadas aos alunos pelo professor. É fundamental, no entanto, que o professor, como um mediador, negocie com os alunos, convencendo-os da relevância delas. Não se pode pretender impor a percepção: é preciso negociar a abertura dos sentidos por parte dos alunos. Na escola a preocupação dominante tem sido a de ensinar a ler, escrever e contar: na verdade, é preciso ensinar a observar, a ver, a experimentar, a projetar, como há tanto tempo já registrou Leonardo da Vinci. (MACHADO, 2004, p. 91).

Distante dessa percepção, o ensino de Física tem se mostrado nas escolas de forma fragmentada, gerando um distanciamento da realidade que, reforçado ao longo da vida acadêmica do educando, acaba por em muito dificultar sua apropriação dos conteúdos lhe apresentado. Assim também, Machado (2012) caracteriza a escola como um universo multidisciplinar, termoque resumiria o que o ambiente escolar de fato é: um ambiente de multi disciplinas, ou muitas disciplinas que raramente se conversam.

Tendo esta problemática em vista, Fazenda (2008) diz que um professor precisa ter uma prática pedagógica interdisciplinar para que consiga levar aos seus

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alunos uma aula também interdisciplinar. Por isso,sendo parte fundamental da estrutura escolar, é necessário que o professor tenha uma pluralidade de conhecimentos, haja vista que uma escola não possui fim em si mesmo (Thiesen, 2008). Ela é, isto sim, um ambiente em que o aluno se torna um ser autônomo e desenvolve sua cidadania.

'Por isso, sua organização curricular, pedagógica e didática deve considerar a pluralidade de vozes, de concepções, de experiências, de ritmos, de culturas, de interesses'. A escola deve conter, em si, a expressão da convivialidade humana, considerando toda a sua complexidade. A escola deve ser, por sua natureza e função, uma instituição interdisciplinar.' (THIESEN, 2008)

Com todos os pontos apresentados acima o docente tem um desafio em mente: Como ensinar os conteúdos de minha disciplina de uma forma que meu aluno se aproprie deste conhecimento e se interesse pelo mesmo?

Uma afirmação motivadora deste trabalho é também uma possível resposta a esta indagação que muitos professores se fazem:

'qualquer assunto pode ser ensinado com eficiência, de alguma forma intelectualmente honesta, a qualquer criança, em qualquer estágio de desenvolvimento'. (BRUNER, 1973 apud CANATO 2014 )

De acordo com esta ideia, o professor pode, assim, ensinar qualquer assunto complexo ou simples em suas aulas, ele apenas precisa encontrar a linguagem mais adequada ao seu público.

É com essa concepção em mente que na sequência do texto se apresenta uma abordagem que procura romper com a tradicional linearidade com que o ensino de física é desenvolvido, geralmente sem 'dar tempo' de abordar temas de física moderna, haja vista que uma sólida aprendizagem dos conceitos especificamente vinculados à física clássica seria um pré-requisito para o ensino de física moderna. De fato, presos a esta tradição, muitos professores alegam não ter tempo de abordar o eletromagnetismo, quanto mais a física moderna. Porém, entendendo que a aprendizagem pode se dar por diversos caminhos, a física moderna pode não apenas ser abordada, mas desempenhar importante papel na interligação entre os conteúdos da física e destes para com conteúdos de outras ciências e área, haja vista a impregnação no cotidiano da vida moderna de uma infinidade de aparelhos que tem seu funcionamento parcial ou totalmente nela baseado. Além disso, o estudo da estrutura da matéria tem sido cada vez mais elucidador de diversos fenômenos físicos, químicos e biológicos:

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'[ ] seja pela promoção de vínculos históricos e conceituais internos à física, pelos estreitos laços que se estabelecem com conteúdos das demais ciências da natureza, bem como pela sua intima relação com a tecnologia hoje impregnada na vivência contemporânea e na estrutural social, a física quântica cumpre destacado papel na interligação entre os mais diversos campos de conhecimento.' ( CANATO JR, 2014. )

## Ensino em redes com a problemática da evolução da atmosfera terrestre

Os raios solares conformam um espectro que se estende desde a faixa do Ultravioleta (UV) até a faixa do Infravermelho (IV). Cada radiação componente dos raios solares contém um comprimento de onda específico e, portanto, uma frequência específica, conceitos relacionados pela equação GLYPH<31> = vT e f = 1/T, onde v é a velocidade da onda, T é o período e fa frequência da onda eletromagnética. Desta forma, é diferente o efeito correspondente a cada radiação em sua propagação pela atmosfera.

Algumas radiações passam pelos átomos livres e moléculas da atmosfera sem que ocorra nenhuma interação e, por isso, os chamamos de transparentes a tais radiações. Porém, outras radiações interagem com a atmosfera de forma a excitar os elementos dentro do átomo/molécula.

De acordo com a física quântica, ao ser excitado cada átomo absorve uma energia específica, um quantum de energia. Esta energia tem valor dado pela multiplicação da frequência correspondente a cada comprimento de onda pela constante de Planck (E=h.f), onde E é o quantum de energia e f a frequência desta onda.

Este quantum de energia ao ser absorvido pelo átomo faz com que o elétron, que está dentro dos níveis quânticos ou orbitais, salte de um nível de menor energia para um nível de maior energia, absorvendo, então, um fóton. Mas este elétron não está em seu estado natural (de menor energia) e, por isso, retorna, perdendo energia e emitindo um fóton. O fóton emitido tem uma frequência proporcional à diferença de energia entre as órbitas ( Δ E = E2 - E1 = h.f). É por causa deste quantum de energia que a molécula de O2 absorve o UV-A e o O3 absorve o UV-B. Cada um destes raios ultravioleta possuem uma frequência (E=hf) específica para que cada molécula sofra uma interação. O mesmo ocorre com a molécula de CO2 (dióxido de carbono/ gás carbônico).

O fenômeno quântico pode ser mostrado através do espectro óptico de cada átomo ,este espectro óptico se dá pela intensidade da luz em diferentes comprimentos de ondas (Kepler, 2015). De forma similar, as moléculas também têm seu espectro óptico, determinado por seus próprios níveis quânticos de energia.

Estes processos de interação dos raios solares e os gases presentes e durante a formação da atmosfera terrestre ocorreu ao acaso e durante milhõesde anos, porém foi de extrema importância para que a vida se formasse e também se desenvolvesse na água e fora dela.

A atmosfera terrestre passou por diferentes etapas até a sua formação e sua composição atual. Em uma primeira etapa os gases que a compunham eram muito leves e se desprenderam da Terra. Com a evolução do planeta e as erupções

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vulcânicas, a atmosfera foi se enchendo de outros gases como o metano, a amônia e vapor d água.

Nesta composição primitiva da atmosfera, os raios solares passavam diretamente, atingindo a superfície terrestre sem nenhum tipo de filtro, provocando, assim, uma reação de quebra das moléculas presentes na atmosfera, reação chamada de fotólise, tendo como resultado os gases N2, CO2 e H2.

Componentes dos raios solares, os Ultravioletas A e B (UVA, UVB) atingiam a superfície terrestre, impossibilitando o desenvolvimento de qualquer forma de vida. Com as precipitações, houve a formação de grandes mares, com suas águas filtrando os raios ultravioletas e deixando passar apenas a luz visível e os raios infravermelhos. A luz visível ao atingir estromatólitos, primeira forma de vida protegida do UVA e UVB, provoca neles uma reação de fotossíntese que, por sua vez, liberava oxigênio para a atmosfera.

Assim, além de continuarem a interagir com as moléculas anteriormente já presentes, os raios solares atingiam também o oxigênio que, ao ser quebrado, ficava instável e se ligava com outros oxigênios livres formando o ozônio, originando, assim, a camada de ozônio.

Com a camada de ozônio (O3) na atmosfera, os raios ultravioletas começaram a ser filtrados. Tais raios têm um quantum de energia necessário para que o elétron presente na molécula de O3 realize um salto quântico e emita um fóton com a frequência do gap (salto quântico) de energia de absorção. Assim, a radiação ultravioleta é absorvido pelo O3 e reemitido para fora da Terra.

Com o problema do ultravioleta resolvido, a vida poderia, enfim, sair das águas.

Paralelamente com a produção do oxigênio e da camada de ozônio, o gás Carbônico (CO2) foi sendo produzido em grandes quantidades, formando também mais uma camada protetora na atmosfera. Esta camada é responsável por manter uma temperatura estável na Terra.

Para que isso ocorresse, o CO2 realizava processo de filtragem luminosa similar ao realizado nos raios ultravioletas pelo ozônio, mas filtrando os raios infravermelhos que, ao atingirem a camada CO2, eram absorvidos e reemitidos para cima. Assim, apenas a luz visível conseguia ultrapassar esta camada, haja vista que seus fótons não correspondem ao quantum de energia necessário para realizar os saltos eletrônicos nas moléculas de O3 e CO2.

Quando a luz visível atinge a superfície terrestre, ela aquece o planeta e o mesmo emite para a atmosfera a frequência referente aos raios infravermelhos, frequência que corresponde ao calor. Quando este infravermelho chega à camada de CO2 ele é bloqueado (absorvido e emitido novamente) e retorna para a superfície, mantendo, assim, a temperatura estável. Este é o chamado efeito estufa,. ilustrado na figura abaixo.

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Figura 1 - Ilustração representativa da absorção de radiação infravermelha.Fonte: Daniel Schulz - UFRGS

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Nestas condições, com a camada de ozônio filtrando os raios ultravioletas e com o CO2 realizando o efeito estufa, deram-se, enfim, as condições para aevolução da vida em nosso planeta.

Nos tempos atuais, há fortes suspeitas de que o desenvolvimento da espécie humana, esteja destruindo o que a natureza levou milhões de anos para construir, haja vista o surgimento de buracos na camada de ozônio, provavelmente causados pelo lançamento de gases poluentes como o CFC (clorofluorcarbono), e o aumento do efeito estufa, que tem sido comumente associado ao intenso lançamento de CO2 por parte de nossa era industrial, bem como pelo aumento do uso de superfícies refletoras de infravermelho.

Curiosamente, a composição da atmosfera é de 78% de Nitrogênio (N2), porém os seres vivos não podem inalar esse gás, sendo venoso para eles. Para que ocorra a respiração celular é fundamental molécula de O2. Desta forma, se o Nitrogênio tomar o lugar do oxigênio não ocorrerá à respiração das células e assim este indivíduo certamente irá morrer por asfixia.

## Uma possível sequência didática

A perspectiva é levar este projeto para a sala de aula como parte integrante de uma sequência didática que tem como objetivo ensinar os conceitos interligados, além de gerar uma consciência de preservação ambiental. Os recursos didáticos utilizados para a aplicação da sequência didática serão projetores multimídias para a apresentação dos slides teóricos e simuladores computacionais. A estratégia de ensino que será aplicada consiste em uma aula dialogada, buscando lapidar o conhecimento empírico que cada aluno tem da sua vivência com os fenômenos da natureza aqui expostos. Será aplicada também uma avaliação diagnóstica com a intenção de observar o conteúdoadquirido durante as aulas e, complementando a sequência, será usado um simulador do efeito estufa que mostra a interação dos raios solares com as diferentes moléculas de gases presentes na atmosfera, o funcionamento do albedo, e o aumento da temperatura terrestre com relação aos materiais comumente usados na construção civil.Não há retorno ainda do maior ou menor aprendizado que um estudante de nível médio teria com a participação em aulas do conteúdo aqui exposto, mas essa é justamente a intenção em uma próxima etapa do projeto que levaria para a sala de aula um conhecimento do nosso sistema solar e de outros planetas com possibilidade de serem habitáveis.

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Para uma melhor compreensão das discussões realizadas em sala, das ferramentas utilizadas e também da abordagem proposta foi confeccionado um quadro que é exposto abaixo.

Quadro 1 Exposição das aulas propostas

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## Conclusão

Dado o exposto acima, através desta pesquisa, percebe-se que é possível trabalhar conceitos de física, geografia, biologia e química de forma interligada, a partir da concepção do conhecimento como rede de significados. Desta forma, espera-se que o discente consiga compreender em maior profundidade e extensão fenômenos, como o efeito estufa e a formação de buracos na camada de ozônio,que naturalmente se constituem como redes, independentemente de como sejam fragmentados no contexto escolar e que, embora quase corriqueiros, comuns a todos e amplamente abordados pela mídia, costumam revelar importantes confusões conceituais.

Vale por fim observar que o destacado papel apresentado pela física quântica na tecedura da rede descrita neste trabalho não é mero acaso e, sim, reflexo de sua potencialidade em promover redes de conhecimento em uma época marcada pela decisiva presença da microeletrônica e demais tecnologias da informação e comunicação, bem como tecnologias mais recentes como a nanotecnologia e a biotecnologia, como fatores chave de diversas transformações sociais, econômicas e culturais.

## Referências

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