METODOLOGIAS ATIVAS DE ENSINO APLICADAS NA INTRODUÇÃO À MECÂNICA QUÂNTICA, COM BASE NO DESENVOLVIMENTO DA APRENDIZAGEM DA FÍSICA ONDULATÓRIA

## METODOLOGIAS ATIVAS DE ENSINO APLICADAS NA INTRODUÇÃO À MECÂNICA QUÂNTICA, COM BASE NO DESENVOLVIMENTO DA APRENDIZAGEM DA FÍSICA ONDULATÓRIA

## Alexandre Santana Mattos 1 Dra. Irina Nasteva 2

1 Universidade Federal do Rio de Janeiro / Campus Macaé, 3554camelo@gmail.com ²Universidade Federal do Rio de Janeiro / Instituto de Física, irina@if.ufrj.br

Palavras-chave: Física Quântica; Física Ondulatória; Metodologias ativas.

O modo como a Mecânica Quântica é apresentada nos livros de Física do ensino médio, seja como um tópico suplementar, ou nos capítulos finais das edições voltadas para a 3° série deste segmento, obedece auma certa cronologia histórica dos conceitos em Física Moderna que não nos permite inserir de fato, a Física Quântica na escola secundária. Apresenta-se apenas como um artigo luxuoso ou sofisticado na literatura, uma vez que não é utilizada na sala de aula.

De um todo, vemos a necessidade de um ensino médio capaz de proporcionar ao estudante condições para que sua participação numa sociedade tão tecnológica se estabeleça dentro de sua capacidade de compreensão. Despertar a curiosidade e ajudá-los no contato com as ideias revolucionárias da Física contemporânea pode atrair os jovens para a carreira científica ou a carreira de educadores (FERREIRA; OSTERMANN, 1998). Conhecer os fundamentos da tecnologia atual poderá definir o seu futuro profissional. Os conceitos básicos da Física moderna já se apresentam na tela do computador, do laser em medicina, no controle remoto da TV, fazendo uma ponte entre a Física da sala de aula e a Física do cotidiano (MOREIRA; VALADARES, 1998).

É inegável a necessidade da inserção da Mecânica Quântica no ensino médio, entretanto sabe-se que não é uma tarefa fácil. Além do já mencionado problema do calendário escolar, a base deficitária da matemática por parte dos estudantes e a própria motivação do educador contribuem para tornar a inclusão de qualquer um dos tópicos da Física Moderna como um desafio a ser superado. Griebeler (2012) sinaliza a escassez de artigos sobre o tema e a consequente falta de resultados explícitos sobre as estratégias de ensino. Vários trabalhos já têm esse propósito: Lobato e Greca (2005) debatem o tema como uma necessidade mundial e relatam que nos currículos da Dinamarca, Suécia, Canadá e Austrália, os conteúdos da Mecânica Quântica já não estão relacionados com a cronologia dos acontecimentos.

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19 a 30 de julho de 2021 - Online

A proposta é oferecer para o desenvolvimento da Mecânica Quântica a base da Física Ondulatória por meio de uma sequência didática que pode ser aplicada em um bimestre escolar, voltada para o público da 2° série do ensino médio, em escolas com a carga horária de 2 aulas de 50 minutos cada, no período semanal, tal como nas escolas públicas. A escola que possuir uma carga horária maior pode conceder mais tempo às atividades experimentais, permitindo aos estudantes a fase de construção das atividades, bem como avaliações periódicas. As atividades são divididas em duas fases: a fase I, composta pela Física Ondulatória, num total de cinco aulas e a fase II, composta pela introdução à Mecânica Quântica, num total de quatro aulas, ficando a última aula para a complementação de algum tópico e aplicação de um questionário final.

A sequência didática propõe na primeira aula a aplicação de um questionário investigativo com o propósito de identificar as concepções prévias dos estudantes sobre o tema ondas, no que diz respeito a sua produção e a sua propagação. Esta metodologia didática permite uma orientação direta para o docente, por meio de respostas rápidas, facilidade de análise e ainda conhecer os conceitos e a linguagem dos estudantes, incorporando as concepções do patrimônio vivencial dos alunos (CHAER; DINIZ; RIBEIRO, 2011). A seguir, o tema é desenvolvido e ilustrado com experimento de baixo custo, trazendo à luz da discussão, no que diz respeito aos conceitos introdutórios, como os elementos, a classificação, a produção e a propagação das ondas.

Na aula seguinte, aula 2, a pergunta norteadora 'O que seria possível medir quando produzimos uma onda?', permite explorar, com experimentos de baixo custo, as grandezas relativas ao movimento ondulatório, onde se define a equação fundamental da ondulatória.

O próximo evento, aula 3, utiliza-se da sala de aula invertida. Nessa metodologia de aprendizagem o foco está direcionado no aluno e não mais no conteúdo. O aluno ativo estuda os conteúdos em diversos espaços além da escola, sendo estimulado e desafiado a aprendizagens mais ativas e colaborativas, no ambiente escolar (NETTO; PESCI; SILVA, 2018). Em grupos, os alunos desenvolvem uma pesquisa em casa e trazem um resumo a ser apresentadona aula, na forma de seminários, sobre os fenômenos ondulatórios da Reflexão, Refração, Difração e Interferência, valorizando os aspectos fenomenológicos, isentos da abordagem analítica, que, de acordo com a sensibilidade do docente podem ser apresentados em sala de aula.

Na aula 4, aplica-se a aula expositiva com a utilização de um instrumento de cordas, dando ao estudante uma complementação á fase analítica dos fenômenos ondulatórios, por meio da equação de Taylor.

Na etapa seguinte, aula 5, propõe-se novamente a aula invertida, disponibilizando vídeo aulas sobre o tema Ondas Estacionárias, otimizando o tempo da sala de aula, onde será construída a máquina de ondas estacionárias, ilustrando a quantização dos modos de vibração em uma corda fixa em seus extremos, mostrada na figura 1.

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Figura 1: Representação esquemática e foto da máquina de ondas.Fonte: arquivos do autor.

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Com as bases da Física Ondulatória apresentadas, na aula 6, inicia-se o estudo da radiação do corpo negro, desenvolvida com o uso do simulador Phet, figura 2, e a apresentação de slides, sobre o tema macro e microcosmo. Por meio de exemplos do cotidiano, cria-se a noção de grandezas contínuas e discretas, formalizando os pilares para o desenvolvimento cognitivo da Física Quântica.

Figura 2: Imagem do simulador Phet (radiação do corpo negro). Fonte: Universidade do Colorado.

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Uma aula experimental, aula 7, é desenvolvida com a construção de um eletroscópio de folhas, figura 3, ilustrando o efeito fotoelétrico e a ideia do fóton.

Figura 3: Eletroscópio de folhas construído com materiais de baixo custo. Fonte: arquivos do autor.

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Retomamos a aula invertida, aula 8, onde os alunos, divididos em grupos, desenvolvem uma pesquisa em casa, direcionada a mostrar a evolução do modelo atômico, do modelo da Grécia antiga até Rutherford. Na sala de aula há o fechamento do tema com o professor apresentando uma segunda aplicação das ideias de Max Planck, a quantização aplicada no modelo de Bohr.

Na penúltima aula, aula 9, apresenta-se uma nova representação do átomo baseado no conceito de onda de matéria de de Broglie e o princípio da incerteza de Heisenberg, construindo uma demonstração de uma onda estacionária com uma película de sabão, permitindo a interpretação do elétron como uma 'onda estacionária' .

A última aula pode ser utilizada para a revisão, avaliações e aplicação de questionário para identificar possíveis pontos de aprendizados em relação às respostas iniciais.

- O produto educacional, contendo a sequência didática, simulações e alguns dos experimentos e questionários, já foram desenvolvidos. A aplicação nas escolas acontecerá na retomada das aulas presenciais.

Espera-se que a adoção desta nova sequência didática colabore com melhor aproveitamento das aulas, com estudantes tirando proveito da riqueza dos conceitos e atividades experimentais da Física Ondulatória promovendo sua inclusão no universo da Física moderna.

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## Referências

CHAER, G; DINIZ, R.R.P; RIBEIRO, E.A. A técnica do questionário na pesquisa educacional. Evidência, Araxá, v. 7, n. 7, p. 251-266, 2011.Disponível em: &lt;http://www.educadores.diaadia.pr.gov.br/arquivos/File/maio2013/sociologia\_artigos/ pesqusia\_social.pdf&gt;,acesso em: 27 jul2020.

FERREIRA, L.M , OSTERMANN, F e Cavalcanti, C.J.H, Ver. Bras. Ens.Fis.20,3 (1998)

GRIEBELER, A. Inserção de Tópicos de Física Quântica no Ensino Médio Através de Uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa. 2012. Produto Educacional da Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de PósGraduação em Ensino de Física no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Física, P. Alegre, RS, Dezembro de 2012.

LOBATO,T; GRECA, I.M. Análise da Inserção de Conteúdos de Teoria Quântica nos Currículos de Física do Ensino Médio. Ciência &amp; educação. Bauru: vol.11 no.1. Abr 2005. Disponível em: &lt;https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci\_arttext&amp;pid=S1516-

73132005000100010&gt; , acessoem:01 ago2020.

MOREIRA, M.A e VALADARES, E.C; Ensinando Física moderna no segundo grau: Efeito fotoelétrico, laser e emissão de corpo negro. Cad. Bras. Ensino de Física, 1998.

SILVA, M. I. Z; PESCE, L; NETTO, A. V; Aplicação de sala de aula invertida para o aprendizado de língua portuguesa no ensino médio de escola pública. Tecnologias, Sociedade e Conhecimento, Campinas, vol. 5, n. 1, dez. 2018.

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