Uma proposta para associar a luz com ondas eletromagnética no ensino médio em uma abordagem dos Três Momentos Pedagógicos

## Uma proposta para associar a luz com ondas eletromagnética no ensino médio em uma abordagem dos Três Momentos Pedagógicos

## Robson César Cardoso 1 , Marcelo Oliveira da Costa Pires 2

1 Escola Estadual Rituco Mitani/ Universidade Federal do ABC, e-mail: robson.cardoso@ufabc.edu.br 2 Universidade Federal do ABC, e-mail: marcelo.pires@ufabc.edu.br

## Resumo

Os estudantes de Ensino Médio tem como discurso relacionar as ondas eletromagnéticas como sendo a luz nas aulas de Física e nas diversas situações do cotidiano. Porém não é claro para o interlocutor se essa associação é de fato um fruto de um pensamento racional ou de um pensamento incorporado pela repetição. Para qualificar e quantificar essa diferença, propomos uma sequência didática assistida por três experimentos que mostram a associação da onda eletromagnética com a luz. Essa intervenção didática é baseada nos três momentos pedagógicos sugerido por Delizoicov, Angotti e Pernambuco por ser uma ferramenta importante e uma excelente estratégia para sistematização do aprendizado, além de ser um instrumento para a dialogicidade entre o professor e os alunos. Sugerimos a aplicação dessa proposta aos alunos do segundo ano do ensino médio. Esperamos que após a aplicação desse produto, o conceito de onda eletromagnética e sua relação com a luz visível e não visível seja quantificado e qualificado.

Palavras-chave : Ondas eletromagnéticas, Três momentos pedagógicos, Estratégias de Ensino de Física

## Introdução

Para os alunos do ensino médio é natural e, até certo ponto, banal associar o fenômeno ondulatório com os fenômenos eletromagnéticos. Termos como: 'ondas de rádio', 'interferência de sinal' e 'dispositivos eletrônicos pegar bem ou mal o sinal' dão indícios de que, para os alunos, há uma relação entre ondas e eletromagnetismo. Devido a essa popularização, a apresentação da luz como ondas eletromagnéticas causa pouca surpresa aos alunos (KAPRAS, 2011, 566-567). Porém esse saber não traz sinais de ser algo fruto de um raciocínio mental pois percebemos, em sala de aula, que há uma complexidade em abstrair a existência de campos elétricos e magnéticos, bem como está muito além do cotidiano do aluno a identificação das campos com suas fontes, e. g. uma carga ou um ímã. Os alunos encontram dificuldades nesses conceitos que são aumentados quando associa-se a radiação como sendo a propagação no espaço de campos magnéticos e elétricos perpendiculares e dependentes do tempo. Se essa relação causou espanto na comunidade científica no final do século XIX quando Maxwell fez tais conexões (SENGUPTAR e SARKAR, 2003), não podemos esperar algo diferente em sala de aula ainda hoje.

Apesar de não ser evidente e intuitivo, o entendimento de que a luz é uma onda eletromagnética leva o aluno à percepção de que há radiações com as mesmas características da luz, porém com uma frequência além ou aquém da capacidade de percepção visual. O conhecer esse tema em sua plena completude e

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23 a 27 de janeiro de 2017

clareza explica de maneira racional alguns fenômenos físicos presentes no cotidiano do aluno do ensino médio. Tomemos como exemplos, direcionar o controle remoto para ligar a TV, perder o sinal do celular por entrar no elevador, sintonizar uma estação de rádio, ficar queimado pelo sol apesar de estar sob um guarda-sol, orientar uma antena para melhor captação de sinal, e ter receptores do sinal no foco de antenas parabólicas. Em todas essas situações, as ondas eletromagnéticas estão presentes sendo geradas e/ou recebidas. Apesar desse tema ser importante ao ponto de estar anunciado na grade curricular do ensino médio (BRASIL, 2008) e presente em alguns livros didáticos (KAPRAS,2011), há poucos materiais instrucionais para que o professor possa conduzir o assunto em sala de aula.

Com a meta de agregar esse conhecimento aos alunos de ensino médio e desenvolver um produto educacional sobre a relação entre a radiação como uma onda eletromagnética, propomos uma sequência didática baseada nos três momentos pedagógicos (DELIZOICOV; ANGOTTI; PERNAMBUCO, 2011; FREIRE, 1978). Para dar suporte a esses momentos de aprendizagem, propomos três experimentos, um pra cada momento de aprendizagem, nas quais possam concluir que a luz, mesmo a invisível, é uma onda eletromagnética.

Esperamos com essa proposta levar o aluno ao conhecimento racional sobre a luz infravermelha e ultravioleta presente no cotidiano. Dessa forma, almejamos realçar que o invisível é mais comum do que se imagina e dessa maneira inferir uma física mais abrangente no conceito de luz. Esse aporte propicia o trato da física contemporânea em sala de aula, usando como ferramenta o conceito de luz.

## Uma Metodologia Construída em Três Momentos

Para essa intervenção didática, escolhemos a metodologia dos Três Momentos de Pedagógicos (3MP) (DELIZOICOV; ANGOTTI; PERNAMBUCO, 2011; FREIRE, 1978). Baseamos essa escolha na necessidade de tirar o aluno de uma posição confortável e acrítica sobre o assunto tratado. A abordagem problematizadora dos 3MP mostra-se apropriada para esse papel de provocar e instigar o aluno a ter um pensamento crítico em relação a um assunto cujo saber foi incorporado pela repetição (MUENCHEN, 2010).

De acordo com Freire (1987), na educação problematizadora, educador e educando fazem parte de um mesmo processo onde se estabelece uma relação dialógica e ambos interagem através de saberes e juntos constroem o conhecimento. Dentro desse cenário, Freire propõe uma organização curricular baseada em temas geradores. Partindo dessas ideias, Delizoicov, Angotti e Pernambuco (2011, p.275) sistematizam os temas geradores em cinco etapas denominadas de investigação temática, à saber: levantamento preliminar, codificação, círculo de investigação temática, redução temática e trabalho em sala de aula.

Dentre as cinco etapas, Delizoicov e Angotti propõe, em um curso de física para formação de professores em Guiné-Bissau, uma metodologia para a última etapa do programa proposto por Freire. Assim, a metodologia proposta consiste de uma dinâmica composta por ter três momentos, ficou conhecida como Três Momentos Pedagógicos (DELIZOICOV; ANGOTTI; PERNAMBUCO, 2011;MUENCHEN;DELIZOICOV, 2012; MUENCHEN, 2010). Esses três passos consiste de:

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Problematização Inicial: apresentam-se questões ou situac GLYPH<31> ões reais que os alunos conhecem e presenciam e que estão envolvidas nos temas. Nesse momento pedagógico, os alunos são desafiados a expor o que pensam sobre as situac GLYPH<31> ões, a fim de que o professor possa conhecer o que eles pensam. Para os proponentes, a finalidade desse momento é propiciar um distanciamento crítico do aluno ao se defrontar com as interpretac GLYPH<31> ões das situac GLYPH<31> ões propostas para discussão, e fazer com que ele sinta a necessidade da aquisic GLYPH<31> ão de outros conhecimentos que ainda não detém.

Organizac GLYPH<31> ão do Conhecimento (Sistematização): momento em que, sob a orientac GLYPH<31> ão do professor, os conhecimentos de física necessários para a compreensão dos temas e da problematizac GLYPH<31> ão inicial são estudados. Os estudantes, neste momento irão resolver atividades propostas que terão importante função formativa na apropriação do conhecimento.

Aplicação do Conhecimento: momento que se destina a abordar sistematicamente o conhecimento incorporado pelo aluno, para analisar e interpretar tanto as situac GLYPH<31> ões iniciais que determinaram seu estudo quanto outras que, embora não estejam diretamente ligadas ao momento inicial, possam ser compreendidas pelo mesmo conhecimento. Neste momento os alunos são capacitados para empregar seus conhecimentos e articular a conceituação científica com situações reais.

Esperamos de uma sequência de aulas, baseada nos 3MP, cujo tema seja a teoria eletromagnética para a radiações, a possibilidade de remeter o jovem estudante do ensino médio ao tema de forma crítica e, por conclusões racionais, despertá-lo para uma concepção científica sobre as radiações eletromagnéticas.

## O Desenvolvimento em Sala de Aula

A sequência de aulas proposta destina-se à alunos da 3ª série do ensino médio que já tenha passado pelas aulas de campos elétricos e campos magnéticos e tenham concepções, mesmo que superficiais, sobre óptica.

Para realização do primeiro momento, os alunos serão divididos em grupos com quatro integrantes cada. Os grupos receberão nomes que devem ser estabelecidos pelos próprios integrantes, caso isso não ocorra, o próprio professor sugere. A ideia é criar uma atmosfera competitiva e envolvente. A formação dos grupos é mantida ao longo de todo o curso.

As pessoas lidam com fenômenos eletromagnéticos a todo momento e reconhecem a importância do sinal de celular para fazer uma ligação ou do sinal de uma rádio ou da internet em suas tarefas diárias. Com isso, propomos para o primeiro momento, conhecido como problematização, o contato com um experimento composto de duas gaiolas de Faraday e uma gaiola de Faraday falsa na qual seja colocada dentro um celular ou um rádio. A interpretação do fenômeno fará com que o aluno problematize a sua concepção sobre as radiações em que o celular ou um aparelho de rádio recebem. Espera-se que, ao se perguntar sobre o fenômeno observado, ele associe a radiação recebida com as características de mobilidade de carga em materiais condutores.

Para executar essa etapa, começaremos com a apresentação do experimento das três gaiolas de Faraday na qual o professor fará uma ligação com o celular dentro da gaiola. De forma honesta, o professor apresentará aos alunos o

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equipamento e provocará nos estudantes a interpretação sobre o que ocorrerá caso o telefone receba uma ligação.

Os grupos apresentam suas observações aos demais e, após verificarem o ocorrido, devem tentar explicar o fenômeno a partir de suas concepções. O papel do professor durante essa atividade é mediar a discussão colocando os estudantes dentro de situações que o façam entrar em conflito a fim de trazer indícios de que há evidência do sinal ser uma onda e que esteja de algum modo relacionado aos estudos de eletricidade.

Na sistematização do conhecimento, faremos a organização do conhecimento mostrando o caráter ondulatório das radiações eletromagnéticas através do experimento da difração da luz visível e do infravermelho. Os grupos assistirão um vídeo (HISTORIA, 2013) sobre o histórico das descobertas das ondas eletromagnéticas e sobre os experimentos de Hertz. Antes da atividade, o professor solicitará aos alunos que anotem os pontos e as dificuldades de compreender o vídeo. O professor responde eventuais dúvidas dos alunos e atua na sistematização do conceito de onda eletromagnética tendo em vista que essa hipótese não foi facilmente aceita nem mesmo para os cientista da época. É importante que os alunos também reconheçam as dificuldades e evidências sobre a existência de ondas eletromagnéticas na época em que foram propostas.

Após remeter os alunos à história da proposta de Maxwell sobre ondas eletromagnéticas e ao experimento de Hertz. O segundo momento é integralizado com a utilização de um experimento sobre a difração da luz visível e das ondas de rádio emitidas por um controle remoto. Para obter o fenômeno da difração, incidimos os feixes em um CD transparente funcionando como uma rede de difração. Estimula-se, com o experimento, que os alunos calculem o comprimento de onda da luz laser e comparem com a informação contida na própria ponteira laser (CAVALCANTE, 2005, 77). Ao usar duas canetas laser diferentes, uma vermelha e outra verde, compara-se os comprimentos de onda obtidos pela difração e, com isso, proporemos aos alunos uma tentativa de classificar as ondas a partir de seus comprimentos de onda. Terminaremos essa atividade lançando aos grupos o desafio de tentar explicar o porquê de não enxergarmos a olho nu as ondas emitidas pelo controle remoto entretanto vemos um ponto piscante através da câmera de vídeo.

- O professor anotará as respostas dos estudantes sobre suas conclusões e deduções do que vem a ser radiações além e aquém do visível. Após essas respostas, o professor direciona por uma aula expositiva sobre a identificação de todas as radiações possíveis no espectro eletromagnético e sua relação com os campos eletromagnéticos. Ao final dessa atividade é importante que todos tenham em mãos o espectro eletromagnético com exemplos de utilização das diferentes faixas do espectro.

Para o último momento do método, aplicamos o conhecimento sistematizado em um experimento sobre a identificação das radiações e suas propriedades ondulatórias. Por consistir de uma caixa na qual os alunos observam o ocorrido dentro dela, chamamos de experimento da caixa óptica.

De forma preparatória ao experimento, apresentaremos aos alunos que todos os corpos emitem radiação e que, das emitidas pelo Sol, a faixa do visível é a mais intensa, o que muito provavelmente fez com que fôssemos adaptados a enxergar essa faixa do espectro.

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O objetivo do experimento da caixa óptica é demonstrar a sensibilidade de nossos olhos a diferentes comprimentos de onda relacionando ao que vemos dos objetos com a luz por eles emitida.

Pelo orifício da caixa totalmente escura, os alunos colocarão os receptores de luz (o olho ou uma câmera, dependendo da atividade). Numa primeira observação, os alunos observarão o orifício com as luzes apagadas. Na sequência é acionada as luzes vermelha, verde e azul.

Após o experimento faremos as seguintes questões aos alunos:

- 1. O que você consegue ver dentro da caixa? Por quê?
- 2. E agora, com a luz acesa, o que você vê?

Na segunda observação, vamos utilizar a câmera para enxergar a parte interna da caixa, repetindo as etapas da primeira observação; primeiro com as lâmpadas apagadas e depois com as lâmpadas acesas. E as perguntas levantadas serão:

- 1. O que você viu dentro da caixa, com a luz apagada, utilizando a câmera? Por que não enxergamos sem a câmera?
- 2. O que é emitido pelo controle remoto, é luz?

Os estudantes devem responder os motivos que fizeram eles não enxergarem nada com a luz apagada e o porquê de conseguirem ver o controle remoto utilizando a câmera. Acenderemos as lâmpadas coloridas uma a uma e os alunos devem dizer o que mudou e formular respostas para o observado.

Pretendemos, dessa forma, demonstrar que existe algo emitido pelo controle remoto que nossos olhos não conseguem perceber e temos a expectativa que os alunos consigam relacionar o fenômeno com as diferentes faixas do espectro eletromagnético de acordo com a sistematização feita anteriormente.

Para finalizar essa sequência de aulas, faremos aos estudantes uma pergunta que poderá intrigar a todos. Será que no céu noturno existem emissões de radiações eletromagnéticas que não podem ser captadas pelos nossos olhos? Para completar essa pergunta, o professor exporá imagens de aglomerados de estrelas, de eventos astronômicos e do Sol obtidas por detectores infravermelhos, visível, ultravioleta e raio-X. Encerraremos a aplicação do conhecimento sistematizado com a exibição do filme Contato (ZEMECKIS, 1997) baseado no livro de Carl Sagan na qual faz referência de comunicação e contato extraterrestre por radiações eletromagnéticas.

## Descrição dos experimentos auxiliares

Para auxiliar e dar suporte ao desenvolvimento da aula utilizaremos experimentos que possam ser construídos com materiais relativamente acessíveis.

Gaiolas de Faraday: O experimento será feito em três etapas. Na primeira etapa colocaremos uma fonte de radiação (e. g. um celular ou um rádio FM) dentro de uma caixa de papelão. Na segunda parte, colocaremos a mesma fonte dentro de uma caixa de papelão cujas paredes são revestidas com papel alumínio. Na última etapa, cobriremos a fonte com uma peneira de tela metálica. Ao colocarmos um celular dentro da caixa de papelão verificaremos que o aparelho recebe o sinal de uma ligação, pois essa gaiola não é de Faraday. Porém, na segunda e na terceira etapa, notaremos a interrupção do sinal pois a caixa revestida e a peneira metálica são gaiolas de Faraday. Esse fenômeno ocorre pois, na superfície metálica, há

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elétrons livres que se movem na presença dos campos da onda eletromagnética. Por ser acelerado, esse movimento gera uma radiação fazendo com que exista a reflexão da onda eletromagnética incidida como se fosse uma onda mecânica encontrando um ponto livre.

Utilizamos a peneira metálica como gaiola de Faraday para instigar nos alunos a percepção dos limites do fenômeno. Devido a efeitos de interferências das ondas, quando a radiação possui um comprimento de onda próximo ao tamanho da tela a gaiola passa a ser eficaz. Dessa observação, os aparelhos dentro da gaiola são vistos pois a radiação tem comprimento de onda muitíssimo inferior ao tamanho da malha podendo passar pela grade. Porém a radiação das fontes usadas sofrem a reflexão de modo a não serem capazes de passar pela grade devido a ter um comprimento de onda considerável. Para considerar a peneira como uma gaiola de Faraday adotamos uma taxa limite de 10% entre o comprimento de onda e o espaçamento entre os fios metálicos da grade da peneira. Essa condição é considerada uma regra de ouro para a prevenção da transmissão e recepção de ondas eletromagnética (CASEY,1988).

Os comprimentos de onda que trabalharemos foram calculados baseados nas frequências dos equipamentos:

Para o telefone celular: λ 658 = 0,337m = 33,7 cm GLYPH<31> λ 658corte = 3,37 cm

Para a rádio na faixa de FM: λ 88FM = 3,41m GLYPH<31> λ 88FMcorte

Para a rádio na faixa de FM: λ GLYPH<31> λ

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= 34,1 cm 108FM = 2,77m 108FMcorte = 27,7 cm
```

A partir dessas medidas verificamos que telas com malhas menores do que 1cm² funcionam bem para bloquear telefones ou rádios.

Difração de ondas: Utilizaremos três fontes de radiação monocromática para produzir o fenômeno de difração. As três fontes são: uma ponteira laser de cor vermelha e outra verde, e um controle remoto. O fenômeno é observado a olho nu incidindo o feixe dos laseres sobre o CD. O mesmo fenômeno é observado por uma câmera CCD ao incidir o sinal do controle remoto sobre o CD. Usaremos como rede de difração um CD cujo separação de trilhas é de 1/625 mm. Dessa forma é possível observar a difração cuja distância entre duas franjas seja da ordem de centímetros para uma distância entre a rede e o anteparo de metros (CAVALCANTE, 2005).

Caixa Óptica: Para o experimento, usamos uma caixa de sapato fechada com um orifício na lateral e revestida por dentro com cartolina preta. Dentro da caixa é colocado os seguintes objetos: recortes de diferentes cores, espelho, vidros transparentes, objetos pretos, um controle remoto com alguma tecla acionada e alguns brinquedos para criar um cenário. Além de instalarmos em seu interior três lâmpadas (de cor verde, vermelha e azul) cujo acionamento é feito por interruptores localizados na parte externa da caixa.

## Considerações finais

Propomos uma abordagem baseada nos três momentos pedagógicos para o tema de ondas eletromagnéticas. Essa proposta é distinta da que vemos em livros didáticos usuais pois partimos de concepções prévias que os alunos trazem sobre o tema e, por atividades experimentais, levamos a um pensamento crítico da classificação das radiações eletromagnéticas.

Essa sequência de aulas será aplicada na turma de 3ª série do ensino médio da Escola Rituco Mitani nesse terceiro bimestre de 2016. Os estudantes são em sua

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grande maioria na faixa de 17 a 18 anos, não trabalham e são filhos de classe média baixa de Franco da Rocha. Para qualificar e verificar a abrangência da proposta, faremos um questionário aos alunos de cinco perguntas a ser aplicado antes da sequência e após a sequência. A análise dos significados apreendidos pelos alunos permitirá conclusões sobre esse produto.

Esperamos que a utilização desse produto traga, ao estudante, o entendimento de algo tão complexo e abstrato mas de tremenda importância em seu cotidiano. Acreditamos que, partindo de elementos simples, haja a possibilidade de uma evolução gradativa no nível do conhecimento. Ao aplicar esse produto educacional, espera-se que o professor forme um indivíduo mais disposto a distinguir as ondas que compõem o espectro eletromagnético. Partindo dessa capacidade esperamos que o aluno tenha uma estrutura sólida sobre a natureza onde o tratamento e a utilização dessas ondas no dia a dia estará mais próxima de um raciocínio científico.

## Agradecimento

R. C. Cardoso agradece a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Ensino Superior) pelo suporte financeiro na realização desse produto educacional que faz parte da obtenção de título de Mestre em Ensino de Física do programa de Mestrado Profissional Nacional de Ensino de Física - polo UFABC.

## Referências

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em:<http://www.planalto.gov.br/ccivil\_03/leis/L9394.htm>. Acesso em: 12 jul. 2016.

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KAPRAS, S. Livros didáticos: Maxwell e a transposição didática da luz como onda eletromagnética. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 28, n. 3: p. 564-600, dez. 2011.

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ZEMECKIS, R. Contato. Warner Bros. Arecibo, Porto Rico, 1997. 1 DVD, 2h30min. Color. Son.

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