O Experimento Interferômetro de Mach-Zehnder na Inserção de Conceitos Básicos de Física Quântica no Ensino Médio

## O EXPERIMENTO INTERFERÔMETRO DE MACH-ZEHNDER NA INSERÇÃO DE CONCEITOS BÁSICOS DE FÍSICA QUÂNTICA NO ENSINO MÉDIO

## Ana Márcia Lopes Pereira 1 , Maxwell Roger da Purificação Siqueira 2

1 Colégio Estadual de Ipiaú, marciaana5050@gmail.com

2 Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas-UESC, mrpsiqueira@uesc.br

Palavras chave: Física Quântica; Interferômetro de Mach-Zehnder; Ensino Médio.

Diante das orientações dos documentos oficiais e dos trabalhos científicos acerca da necessidade de se abordar a Física Moderna e Contemporânea e a Física Quântica, nas aulas da Educação Básica, desenvolveu-se uma estratégia didática como alternativa para a inserção do tema nesse nível de ensino. Assim, o objetivo desse trabalho é propor um experimento, construído a partir de materiais alternativos e de baixo custo, para o estudo dos conceitos básicos da Física Quântica no Ensino Médio.

Sugere-se a Física Quântica porque, embora a proposta nacional curricular evidencie a importância de se abordar Ciência e a Tecnologia, a presença da Física Moderna e Contemporânea e, em particular, da Física Quântica, tem sido inexpressiva, apesar dos inúmeros estudos sobre a temática não deixam dúvida sobre a sua importância.

Nesse sentido, D'Agostin (2008) argumenta que:

Estudantes precisam ter contato com o excitante mundo da pesquisa atual em Física; os PCN para o Ensino Médio apontam na direção de uma profunda reformulação do currículo de Física na escola média e a inserção da Física Moderna e Contemporânea nos currículos (p.7).

No que se refere à abordagem da Física Quântica, Ostermann et al. (2009) destacam que 'a dualidade onda-partícula deve ser o conceito central na introdução da física quântica no ensino médio' (p. 1094), e propõem que, 'do ponto de vista teóricometodológico, [...] a 'porta de entrada' para o mundo quântico seja a óptica ondulatória' (p.1094).

Com isso, decidiu-se pelo experimento Interferômetro de Mach-Zehnder, uma vez que a compreensão do seu funcionamento, em regime clássico, e do software Interferômetro de Mach-Zehnder, operando em regime quântico, favorecem a introdução de conceitos da Física Quântica e da Dualidade Onda-Partícula, temática que permite resgatar conteúdos anteriormente vistos, como a Ondulatória, Ótica e Ondas Eletromagnéticas e, ao mesmo tempo, relacioná-los com o novo.

Ademais, vale destacar a necessidade de uma abordagem mais conceitual e qualitativa da Física Quântica, uma vez que o formalismo matemático é muito complexo para o Ensino Médio.

O Interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ) foi idealizado, de forma independente, por Ludwig Zehnder e Ludwig Mach entre 1891 e 1892 (Ricci et al., 2007). O aparato experimental é relativamente simples, análogo ao experimento da dupla fenda, sendo inclusive, considerado 'uma releitura, mais moderna em termos tecnológicos, do experimento das duas fendas de Young' (Ricci et al., 2007, p.79) constituído de uma fonte de luz (laser), dois semi-espelhos (divisores de feixe), dois espelhos de reflexão total e dois anteparos, montados conforme o esquema da Figura 1.

Figura 1 - Esquema de um interferômetro de Mach-Zehnder

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Fonte: Ricci et al., 2007

Na construção do Interferômetro de Mach-Zehnder Experimental (Figura 2) utilizou-se materiais alternativos e de baixo custo como, por exemplo: 1 placa MDF, 1 painel Eucatex perfurado, 2 espelhos de reflexão total (espelhos 2 e 3), 2 semiespelhos 50% (espelhos 1 e 4), 1 lente convergente, 1 caneta laser, 4 luvas de correr em PVC, tubos PVC, cap soldável em PVC, parafusos, porcas, arruelas etc.

Figura 2 - Interferômetro de Mach-Zehnder Experimental

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O alinhamento do interferômetro é relativamente trabalhoso. Contudo, fator indispensável para a obtenção do padrão de interferência. Este modelo de interferômetro de Mach-Zehnder experimental, entretanto, é um sistema pré-alinhado e montado para reproduzir o padrão de interferência de forma rápida, já que os componentes possuem medidas corretas para a obtenção de feixes paralelos que, em fase, incidem no mesmo ponto, em um dos anteparos, resultando na formação do padrão de interferência.

A proposta foi implementada em uma turma de 3ª série do Ensino Médio, de uma escola pública no interior da Bahia, onde a abordagem da parte conceitual da Física Quântica foi realizada por meio de uma estratégia didática constituída de atividades e recursos diferenciados, momentos de discussão dos conceitos, de uso do simulador computacional (Figura 3) e da atividade experimental.

Figura 3 - Projeção do software

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Os alunos conheceram, por meio do software, o funcionamento de um interferômetro em regime quântico e compreenderam o comportamento corpuscular da luz. Na sequência, conheceram o experimento Interferômetro de Mach-Zehnder, cujo funcionamento é no regime clássico. Foi apresentado o experimento e seus componentes, seguido da explicação do funcionamento (Figura 4), quando todos visualizaram o padrão de interferência (Figura 5). Nesta etapa, eles observaram o comportamento da luz enquanto onda eletromagnética, o que caracteriza o comportamento ondulatório da luz.

Figura 4 - Os alunos conhecendo o experimento

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Figura 5 - Padrões de interferência obtidos com o experimento: semicírculos e faixas paralelas.

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O uso de experimentos nas aulas de Física, por si só, motiva a aprender, desperta a atenção e contribui na construção do conhecimento, muitas vezes embasado em modelos intuitivos equivocados e concepções alternativas. Na situação específica do uso do interferômetro de Mach-Zehnder experimental, além desses fatores, foi possível perceber um aumento das indagações, o que permite concluir que o experimento contribuiu não apenas para instigar a busca por novos conhecimentos e a curiosidade sobre conceitos científicos, mas também aumentar a interação entre os alunos e consequentemente, a troca de significados.

Em relação ao software, o experimento contribuiu para minimizar as dificuldades de compreensão, uma vez que alguns alunos questionaram sobre a aparência do padrão de interferência durante a aula com o software. Com o

experimento, tiveram a oportunidade de realizar a observação real do fenômeno, o que permite inferir que, com experimento, o fenômeno físico da interferência ficou, amplamente, mais claro, o que auxiliou na assimilação.

É interessante enfatizar que o experimento despertou o espírito investigativo dos alunos, já que, após a conclusão de uma atividade proposta, alguns alunos se interessaram em explorar mais o experimento (Figura 6). Assim, sob a orientação da professora, desmontaram o experimento, substituíram o laser por outro com o feixe mais intenso, montaram e alinharam novamente e conseguiram obter um outro padrão de interferência (Figura 7).

Figura 6 - Os alunos explorando o experimento.

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Figura 7 - Padrão de interferência obtido pelos alunos, com o interferômetro experimental

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## Referências

D'AGOSTIN, A. Física Moderna e Contemporânea: Com a palavra professores do Ensino Médio . 2008. 104p. Dissertação (Mestrado em Educação) -Setor de Educação, UFPR, Curitiba, 2008.

OSTERMANN, F.; CAVALCANTI, C. J. H. ; PRADO, S. D. ; RICCI, T. F. . Fundamentos da física quântica à luz de um interferômetro virtual de Mach-Zehnder. REEC. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias , v. 08, p. 1094-1116, 2009.

PEREIRA, A. M. L. A Física Quântica no Ensino Médio: O Interferômetro de MachZehnder no Ensino da Dualidade Onda-Partícula. Dissertação (Mestrado Profissional em Ensino de Física) - Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus-BA, 181p. 2019.

RICCI, T. F.; OSTERMANN, F.; PRADO, S. D. Tratamento clássico do interferômetro de Mach-Zehnder: uma releitura mais moderna do experimento da fenda dupla na introdução da física quântica. Revista Brasileira de Ensino de Física , São Paulo, v. 29, n. 1, p. 79-88. 2007.