INTRODUÇÃO DE FÍSICA QUÂNTICA NO ENSINO MÉDIO: UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA FUNDAMENTADA NA EXPERIMENTAÇÃO

## FÍSICA QUÂNTICA NO ENSINO MÉDIO: UMA PROPOSTA DE SEQUÊNCIA DIDÁTICA FUNDAMENTADA NA EXPERIMENTAÇÃO

Flávia Santana de Freitas¹, Cíntia Torres Lemes Galvão 2 , Juliana Fernandes Costa 3 , Marcos Paulo Cyrillo da Silva 4 , Mariana dos Santos Silva⁵

1 Universidade Federal de Itajubá, flaviafreitas.unifei@gmail.com

2 Universidade Federal de Itajubá, cintiatorres1995@hotmail.com

3 Universidade Federal de Itajubá, juliana.fernandes.costa@hotmail.com

4 Universidade Federal de Itajubá, marcospaulocyr@hotmail.com

⁵Universidade Federal de Itajubá, mariana\_santos1996@outlook.com

## Resumo

As atividades experimentais devem fazer parte do processo de ensino aprendizagem dos estudantes de Física, no qual ele deverá desenvolver habilidades de interação, investigação e questionamento. É importante ressaltar que ao tratarmos sobre Física na escola, devemos apresenta-la ao aluno como um todo, de forma a trazer para o mesmo não só a teoria e as equações que descrevem determinado conceito, tão presente nos livros didáticos, mas também o contexto histórico de seu desenvolvimento, e mais especificamente, o modo como foi produzido, principalmente os experimentos da época da descoberta, para que assim, o aluno compreenda o surgimento da ciência e da experimentação de fato. Com base nisso, este trabalho propõe introduzir a Física Quântica no ensino médio, por meio de uma sequência didática com o auxílio de 2 experimentos explorados por licenciandos da UNIFEI durante a disciplina de Laboratório Avançado I. Espera-se que com a realização da prática experimental, apresentar aos alunos conceitos de Física Quântica, pouco presente no ensino médio e fazer com que eles percebam a relação entre as variáveis estudadas experimentalmente, compreendam os fenômenos em questão e entendam os erros encontrados, de forma a contribuir significativamente para uma aprendizagem, além de trazê-los mais próximos dos fenômenos estudados hoje.

Palavras-chave : Ensino Médio, Prática experimental, Física Quântica

## Introdução

Uma das dificuldades recorrentes nas escolas de ensino médio é a implementação de atividades que envolvem experimentação e investigação. Tais atividades mostram-se complicadas ao serem trabalhadas nessas escolas, uma vez que o despreparo dos professores (MOREIRA, 2013, p.2) e a falta de incentivo se contrapõe à necessidade de aplicação de atividades experimentais e investigativas.

Segundo Pereira (2014, p. 2), as atividades experimentais devem fazer parte do processo de aprendizagem do aluno, no qual ele deverá desenvolver habilidades de interação, investigação e questionamento, assim como estão previstas nos Parâmetros Curriculares Nacionais. Com isso, pode-se assumir que atividades experimentais são de extrema importância para o desenvolvimento no processo de aprendizagem do aluno.

As atividades experimentais devem ser orientadas pelo professor, em que ele fará o papel de mediador do conhecimento e não apenas um detentor dele. Tal

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proposta será feita de forma que o aluno pesquise, critique, interaja e aprenda sobre os conceitos envolvidos no experimento estudado. Com isso, tem-se que a atividade experimental será feita de forma investigativa, já que '[...] há um envolvimento emocional por parte do aluno, pois ele passa a usar estruturas mentais de forma crítica, suas habilidades e também suas emoções' (DE AZEVEDO, 2004, p. 23). Segundo este mesmo autor, '[...] o processo de aprendizagem mostra-se importante, pois se o objetivo é o ensino de procedimentos científicos, o método é conteúdo'.

Mediante a essa perspectiva, o presente trabalho traz a relevância do ensino de física moderna, na qual os experimentos propostos envolvem conceitos relacionados à física quântica, conceitos estes que não são vistos pelos alunos, em sua grande maioria, porém são de total importância para suas formações. Segundo Jardim (1999, p. 154), não se deve julgar os jovens incapazes de aprender física quântica; é necessário o estudo de tais conceitos, mesmo diante da dificuldade em entender o aparato clássico.

Para que os experimentos sejam estudados pelos alunos, é necessário que ocorra uma parceria entre universidade e escola; afinal não se encontra experimentos de física quântica no ensino médio com tanta facilidade. Tais experimentos são de difícil acesso, devido principalmente aos seus custos elevados. Com isso, tal parceria é

Destacada como uma ação fundamental, tanto pelas políticas públicas quanto pelos setores da sociedade, pois vincula-se aos processos de democratização, acesso, permanência e qualidade do ensino (TAUCHEN, 2014, p. 371).

Em suma, este trabalho possui como objetivo apresentar uma proposta de introdução de Física Quântica em turmas do ensino médio, por meio de uma sequência didática com atividade experimentais e investigativas. Busca-se desenvolver com a proposta a criticidade, o questionamento e diversos outros fatores que influenciam o pensamento crítico dos estudantes.

## Contexto histórico

No ensino de física moderna, tratamos assuntos cada vez mais abstratos em relação a nossa física newtoniana, ou famosa, mecânica clássica. Antes de introduzir qualquer assunto novo com os alunos é preciso trazê-lo o mais próximo possível deste aluno, para que então, a construção desse novo conhecimento seja efetiva e identificável em seu cotidiano (SILVA et. al., 2009).

Ao tratarmos então sobre a dualidade da luz, precisamos primeiro fazer com que o aluno compreenda o que é a luz, e mais especificamente como ela aparece nos experimentos da época de sua descoberta.

No que diz respeito a natureza da luz, trataremos os feixes luminosos de uma maneira simples, palpável a compreensão, sendo mais claro, como a energia reemita após o choque do elétron com um gás qualquer, dentro do que chamamos tubo de raios catódicos. Ora, se é o resultado da energia reemita do elétron devido a um choque , então a luz é uma partícula? Eis a questão, que durante todo o século XVIII e XIX foi aprimorada e conclusiva para toda a gama de conhecimento e aparatos experimentais que temos hoje para estudar e verificar o que chamamos de dualidade da luz.

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O físico J. C. Maxwell, no final do século 19, conseguiu mostrar em seus estudos que a luz era resultado da interação de campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço, com características ondulatórias muito consistentes, que chamou de ondas eletromagnética e descreveu em suas famosas equações (OLIVEIRA, 2013). Um pouco mais adiante, Hertz estudando as equações propostas por Maxwell observou um novo fenômeno, que chamou de efeito fotoelétrico, resultado da incidência de um feixe de luz sobre uma lâmina de metal.

Segundo Silva et al, 2009, esse novo fenômeno que chamou muita atenção na época, descrevia que ao variar a frequência do feixe de luz incidente na superfície do metal, poderia aparecer uma corrente elétrica cuja intensidade também variava conforme a frequência (cor do feixe) podendo não aparecer no caso de certas cores, mesmo que a intensidade fosse alta. Mas não apenas isso, Hertz também conseguiu observar experimentalmente que raios catódicos não eram defletidos, ou seja, não mudavam sua trajetória original, quando entravam em uma região com placas metálicas eletrizadas. Hertz então descartou essa informação, sem saber que logo em seguida J. J. Thomson iria explorar essa situação mais a fundo e chegar a primeira conclusão para que a dualidade da luz fosse instituída.

Joseph John Thomson, em 1897, determinou, pela primeira vez, a razão carga/massa do elétron por meio de seu experimento denominado 'Tubo de raios catódicos'. Sua experiência tornou-se pioneira no que diz respeito à estrutura atómica, condecorando-o, em 1906, com o Prêmio Nobel da Física.

Em seu experimento, Thomson buscou suporte na segunda lei de Newton para descrever matematicamente um modelo que lhe permitisse interpretar as medidas de deflexão obtidas a partir dos raios catódicos, devido a ação dos campos elétrico e magnético existem no aparato (SILVA et. al. 2009).

Para tanto, observou o comportamento das partículas dos raios, que ao mudarem de região onde estavam sob a ação das forças elétrica e magnéticas para uma nova região livre de forças, até alcançarem o fim do tubo.

Essa mudança de movimento tornou-se perceptível a partir de uma mancha luminosa, que surgiram do choque entre as partículas de raios e a parede de vidro no final do tubo, que permitiu a Thomson medir o deslocamento do raio produzido pelas forças, medindo a distância entre as localizações da mancha, quando as forças estavam presentes e quando elas não estavam presentes (OLIVEIRA, 2013).

Seu aparato experimental e seu princípio de funcionamento deram origem ao que hoje conhecemos por espectrômetro de massa, além de apresentar a devida importância à relação definida, hoje considerada uma quantidade física muito utilizada em eletrodinâmica de partículas carregadas. Mais tarde, em 1991, estabeleceu-se a unidade da razão carga/massa thomson (Th), em homenagem a seus estudos.

Não sendo pouco, George P. Thomson, filho de J. J. Thomson continuou parte dos estudos do pai, e chegou a uma conclusão ainda mais primorosa para esse nosso estudo, com contribuições de grandes nomes da época (OLIVEIRA, 2013).

Em meados do século XX, um físico chamado Louis Victor De Broglie apresentou uma teoria estrondosa, uma tese na qual descreia que o dualismo presente na radiação também valia para partículas, havendo uma simetria no comportamento de elétrons e fótons, chegando então ao termo onda-partícula, conclui logo a frente.

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Pouco tempo depois, um intervalo de 3 anos, dois experimentos surgiram com o objetivo de comprovar sua teria através do que conhecemos por difração de elétrons. Para tanto, os estudiosos Clinton Joseph Davisson e Lester Halbert Germer conduziram um feixe de elétrons sobre uma estrutura cristalina observando este fenômeno de difração. George Thomson, realizando o mesmo experimento, porém incidindo o feixe agora sobre uma lâmina de metal não só observou este fenômeno como também conseguiu precisar o comprimento de onda do mesmo, concluindo então a natureza ondulatória comprovada do elétron.

Tendo seguido os passos dos pais, G. Thomson compartilhou o prêmio Nobel de 1937 com Davisson e Germer, pela observação deste fenômeno (CASTILHO et. Al, 2005).

## Procedimentos Metodológicos

Para este trabalho será proposta uma sequência didática, que para Mantovani (2015) é constituída por várias atividades como leituras, uso de simulações computacionais, experimentos, jogos entre outras, interligadas por aulas dialogadas que valorizam questionamentos, atitudes, procedimentos e ações por parte dos alunos, sendo todas mediadas pelo professor. De forma mais clara, Zabala (1998, p.18) define uma sequência didática como um 'conjunto de atividades ordenadas, estruturadas e articuladas para a realização de certos objetivos educacionais que têm um princípio e um fim conhecidos tanto pelo professor como pelos alunos', cabendo dentro dela então, as atividades propostas por Mantovani.

Esta sequência é uma proposta para o terceiro ano do ensino médio, visto que a intenção é relembrar conceitos vistos durante os últimos anos e relaciona-los a Física moderna por meio de duas atividades experimentais, o da relação carga massa e o de difração de elétrons. O intuito da proposta é apresentar a dualidade ondapartícula da luz. Para isto vamos separa-las em seis etapas com aproximadamente duas aulas cada, a saber:

## Apresentar e relembrar conceitos

Nesta etapa, o professor fará uma aula dialogada para relembrar os conceitos básicos envolvidos nos experimentos como por exemplo, o que são ondas, seus tipos e suas propriedades; Difração e interferência; Partículas, carga elétrica, campo magnético, força magnética e Lei de Lenz; Tensão e corrente. Para auxiliar na explicação dos conceitos envolvidos com onda o professor poderá trabalhar com algumas simulações do Phet Interactive Simulations 1 como 'Ondas em corda', 'Ondas sonoras' e 'Interferência de onda'.

Após essas aulas de revisão, os alunos serão levados a Universidade por meio de uma colaboração Universidade/escola para realizar os experimentos.

## Experimentos

No laboratório da universidade, em um horário planejado, os equipamentos dos experimentos, como pode ser observado na Figura 1, serão apresentados para os alunos, mas sem definir o nome deles. Os alunos, em equipes, terão que procurar

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relações entre os parâmetros que irão alterar, lembrando dos conceitos básicos trabalhados no primeiro momento. A atividade experimental será de caráter investigativo, ou seja, os alunos não terão um roteiro para seguir, mas o professor estará mediando a interação entre estes e o equipamento a fim de orientar as relações. Os alunos terão que retirar alguns dados dos dois experimentos para serem trabalhados posteriormente em sala de aula. O principal foco deste momento é os alunos procurarem relações entre o fenômeno observado e o equipamento para formular hipóteses e justificativas para a sua constituição.

Figura 1: Experimento razão carga/massa à esquerda e difração de elétrons à direita.

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## Discussão do experimento

A ideia deste momento é os grupos de alunos exporem suas observações e o professor orientar a discussão para as justificativas científicas, expondo os fenômenos com uma linguagem mais técnica. Para o experimento de difração de elétrons o professor irá expor que pelo fato do grafite difratar os elétrons é possível encontrar algumas características do próprio e que isso é algo utilizado em pesquisas atuais na área de materiais na qual são utilizados para o desenvolvimento de novas tecnologias. No experimento da razão carga massa a ideia é que os alunos vejam o comportamento de elétrons (cargas) submetidos a um campo magnético. Aqui o professor poderá falar sobre a luz também se comportar como partícula e apresentar aos alunos o efeito fotoelétrico. Para ilustrar esse fenômeno o professor poderá utilizar outra simulação 'O efeito fotoelétrico' do Phet Interactive Simulations.

## Abordagem Histórica

Em seguida, o professor irá fazer um levantamento histórico sobre os experimentos, os cientistas envolvidos, ressaltando o método científico e a construção da ciência.

## Análise dos dados e cálculos

Nesta etapa o professor irá analisar de forma qualitativa os dados a fim de que os alunos observem de forma mais crítica as relações entre potencial, corrente e raio dos fenômenos observados; propor o cálculo da relação carga massa e compara-lo com o valor teórico e da distância interplanar do cristal de grafite para que os alunos

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vejam que este possui uma estrutura que pode ser bem definida por esse tipo de técnica.

## Aplicações

Para finalizar, o professor irá apresentar aos alunos aplicações que envolvem esses experimentos como cristalografia, mostrando que é uma área da Ciência que estuda as estruturas, formas e leis que regem a formação dos cristais; e células fotoelétricas que são uma aplicação de se conhecer que a luz se comporta como partícula.

A seguir, nas considerações finais, apresentaremos alguns dos propósitos desta sequência didática.

## Considerações Finais

A proposta apresentada nesse trabalho foi elaborada no contexto de uma disciplina obrigatória da grade do curso de Licenciatura plena em Física da Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, na qual os licenciandos, ao realizar as atividades experimentais sentiram a necessidade de se propor uma estratégia para o ensino de física moderna, na qual resultou a presente proposta. Entretanto, como ainda não houve a aplicação, as considerações apresentadas referem-se a discussão epistemológica realizada acerca da mesma, e nos implicativos decorrentes de sua produção.

Ensinar física quântica no ensino médio tem se tornado um grande desafio, pois apesar de ser um tema que está dentro dos currículos escolares assim como nos livros didáticos, ele é muito pouco trabalhado, e na maioria das vezes nem sequer é falado. O fato desse assunto não ser abordado na escola - sendo que deveria - se deve por ele ser afastado da realidade do aluno, do seu cotidiano, se tornando assim pouco perceptível para eles. Um outro motivo, é que no terceiro ano, os professores estão mais focados em preparar o aluno para o vestibular e por isso, se preocupam em passar os conteúdos que caem nessas provas, não tendo tempo de ensinar sobre física moderna, vista que esse é o último assunto a ser tratado no ensino médio.

Sendo assim, ao aplicar essa sequência didática com os alunos, esperamos que além de aprenderem um pouco sobre física quântica, eles saibam como se posicionar diante de uma situação-problema, investigando e discutindo sobre a situação, de modo a resolvê-la. Dessa forma, após terem realizados os experimentos, espera-se que os alunos possam também ser capazes de perceber uma relação entre as variáveis do experimento (tais como corrente, tensão, diâmetro do anel formado, entre outras), assim como conhecer o conceito de erro e discutir o motivo da conta realizada com os dados obtidos ter dado diferente da tabelada.

Com isso pretendemos contribuir para que eles tenham uma aprendizagem significativa por meio de uma abordagem diferente da tradicional.

## Referências

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