PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA: MONTAGEM DE UM ESPECTROSCÓPIO DE BAIXO CUSTO

## PROPOSTA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA: MONTAGEM DE UM ESPECTROSCÓPIO DE BAIXO CUSTO

Lorena de Camargo Muchak 1 , Yan Henrique dos Santos 2 , Álvaro Emílio Leite 3

- 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, lmuchak@alunos.utfpr.edu.br
- 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, yanhenrique@alunos.utfpr.edu.br
- 3 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, alvaroleite@utfpr.edu.br

## Resumo

Os professores de Física da educação básica enfrentam diversos desafios ao abordar a disciplina de Física Moderna no ensino médio, especialmente em relação à introdução de conceitos cuja aplicação prática é difícil de ser visualizada nesse nível de ensino. Além disso, muitas escolas dispõem de recursos restritos, como laboratórios, equipamentos especializados e materiais de estudo para atividades práticas, o que demanda um esforço adicional para integrar esses temas nas aulas. Este artigo propõe a implementação de uma estratégia de ensino por investigação que visa identificar linhas de emissão utilizando um espectroscópio caseiro de baixo custo, proporcionando uma alternativa acessível para promover a compreensão da espectroscopia óptica por parte dos estudantes e integrar dimensões práticas e teóricas. Ao utilizar experimentos de baixo custo, os estudantes têm a oportunidade de participar ativamente da montagem e realização de experimentos de Física Moderna e Contemporânea, possibilitando uma abordagem de ensino por investigação coerente com a realidade da escola e dos estudantes.

Palavras-chave : Física Moderna, Ensino Médio, Espectroscópio de baixo custo

## Introdução

A inserção da Física Moderna e Contemporânea (FMC) no ensino médio tem sido objeto de estudo e discussão constante na comunidade acadêmica e científica. Trabalhos como os de Santos e Santos (2016), Ostermann (2009), Oliveira (2007), Biazus, (2015), Terrazan (1992), destacam diversas dificuldades para a implementação desse tema na física abordada a nível de Ensino Médio. Entre os principais desafios estão a formação insuficiente dos professores, tanto inicial quanto continuada, a pouca produção de materiais didáticos sobre o tema, a rigidez do currículo e a dificuldade em adotar metodologias de ensino-aprendizagem que superem o modelo tradicional. Além disso, a falta de compreensão sobre a relevância da FMC e a percepção limitada de sua presença nos fenômenos e tecnologias do cotidiano contribuem para que esse ramo da física, salvo raras exceções, seja pouco explorado no ensino médio. Por outro lado, os mesmos autores discutem que a superação dessas dificuldades podem ser vistas como possibilidades para a inserção da FMC na física escolar abordada nesse nível de ensino.

Considerando esses estudos e no sentido de contribuir para a pavimentação do caminho que possibilite e aponte alternativas para a inserção da FMC no Ensino Médio, o objetivo deste trabalho é, a partir da abordagem do ensino por investigação, apresentar os detalhes da construção de um espectroscópio de baixo

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

custo, que permita que os estudantes façam a análise de espectros de emissão utilizando lâmpadas de mercúrio e sódio.

## O Ensino por Investigação

A metodologia de ensino por investigação tem se mostrado como uma alternativa para abordar diferentes temas no Ensino de Ciências. De acordo com Carvalho (2009), essa metodologia coloca os estudantes como protagonistas no processo de ensino e aprendizagem, incentivando-os a investigar, formular hipóteses, coletar e interpretar dados. No contexto da FMC, onde muitas vezes os conceitos são abstratos e complexos, a atividade de investigação possibilita que os estudantes se envolvam ativamente no processo, desenvolvendo uma compreensão mais profunda dos fenômenos estudados por meio da experimentação e da prática.

Ao propor a construção e utilização de um espectroscópio de baixo custo, espera-se que os estudantes explorem conceitos fundamentais da espectroscopia ótica, visualizando as linhas de emissão dos gases que constituem as lâmpadas de sódio e mercúrio. Segundo Carvalho (2009), esse tipo de atividade investigativa favorece a integração entre teoria e prática, permitindo que o estudante aprenda, ao mesmo tempo que aplica o conhecimento científico, para responder perguntas. No caso específico desta proposta, uma sugestão de pergunta central que nortearia a investigação poderia ser: 'Como identificar o gás presente no interior de uma lâmpada a partir da análise do espectro de emissão observado com um espectroscópio construído com materiais de baixo custo?'

Com essa proposta de abordagem, espera-se que este tema da FMC possa ser trabalhado de maneira contextualizada, o que estaria em consonância com os princípios da metodologia por investigação.

## Espectro de emissão

A espectrometria de emissão é uma técnica que se baseia na identificação dos comprimentos de onda emitidos por uma fonte, podendo assim determinar parâmetros termodinâmicos e quânticos do material (MENDONÇA, ALFARO & BORGES, 2013).

A emissão está diretamente relacionada com a configuração dos elétrons associados ao núcleo de um átomo quando eles se encontram no estado fundamental. Caso algum tipo de energia interaja com o átomo, os elétrons que estão nas camadas mais externas podem mudar seu nível, indo para um estado mais excitado. No entanto, níveis elevados de energia são muito instáveis, fazendo com que o elétron volte rapidamente para seu estado fundamental, liberando a energia adquirida anteriormente sob a forma de radiação.

As diferentes características presentes nos espectros de emissão de um material provém dos elementos químicos que o compõem. Dessa forma, a análise das bandas de absorção e emissão de energia pode auxiliar na identificação dos elementos que caracterizam o material. A figura 1 mostra os espectros de emissão dos elementos químicos hidrogênio, hélio, neônio e mercúrio.

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Figura 1: Tipos de Espectros de Emissão

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O espectro de linhas, também conhecido como espectros de raias, são linhas ou bandas de cores associadas a uma transição de elétrons de um nível de energia para outro, podendo assim notar algumas linhas paralelas e isoladas (SOUZA, 2010). Essas transições são únicas para cada elemento químico e, por isso, a análise do espectro de emissão de um material serve para identificar os elementos que o constituem.

Já o espectro contínuo não possui linhas distintas, mas exibem uma gama contínua de cores. Eles são produzidos quando os átomos ou moléculas emitem uma ampla faixa de frequências em vez de faixas específicas. Dessa maneira, o espectro de emissão contínuo não apresenta ausência de luminosidade entre cores, pois todos os comprimentos de onda da luz visível estão presentes (KRAMER, 2015).

## Construção do espectroscópio

A seguir, será detalhada a montagem de dois espectroscópicos de baixo custo. Ambos são boas alternativas para a realização do experimento, apresentando resultados semelhantes para os objetivos propostos. Assim, o estudante poderá escolher qual dos dois aparatos deseja montar.

## Espectroscópio 1

Materiais: Caixa de papelão; CD; Fita isolante; tesoura;

Montagem: Faça uma fenda horizontal de 1 mm de largura em um dos lados da caixa de papelão. Essa fenda servirá como ponto de entrada da luz no espectroscópio. Corte o CD ao meio e fixe uma das partes formando um ângulo de 30º com a lateral da caixa, conforme Figura 2 e Figura 3. Na parte de cima da caixa, faça uma abertura, de modo que seja possível observar o espectro que será projetado na rede de difração. Caso você perceba algum ponto de entrada de luz na caixa, cubra-o com fita isolante.

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Imagem 3: Espectroscópio 1

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## Espectroscópio 2

Materiais: Lata cilíndrica; CD; fita isolante; estilete;

Montagem: Em uma das extremidades da lata, faça uma fenda de 1 mm utilizando o estilete. Essa fenda será o ponto de entrada do feixe de luz. Na extremidade oposta da lata, recorte um quadrado com dimensões aproximadas de 5 cm, adequadas para a fixação de uma rede de difração.

A rede de difração é confeccionada utilizando um CD, que deve ser recortado e ter sua parte refletora removida, deixando apenas a rede de difração translúcida. Em seguida, fixe essa rede no quadrado recortado na lata. A figura 4, apresenta um esquema de como o espectroscópio pode ser montado.

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Figura 4: Espectroscópio 2

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## Proposta de Ensino por Investigação

Para motivar os estudantes a construir o espectroscópio e estudar o espectro de emissão dos gases, serão realizadas discussões preliminares que enfatizam a importância da investigação. Inicialmente, os estudantes devem ser apresentados ao problema que motivou o desenvolvimento da espectroscopia óptica e a explicação sobre o que é uma rede de difração, incluindo as técnicas e os equipamentos que permitiram avanços nessa área.

Após essa introdução, a pergunta central pode ser apresentada: 'Como identificar o gás presente no interior de uma lâmpada a partir da análise do espectro de emissão observado com um espectroscópio construído com materiais de baixo custo?'. Em seguida, os estudantes podem ser organizados em grupos com a finalidade de realizar pesquisas e construir o espectroscópio. O professor pode apresentar perguntas norteadoras do tipo: 'O que é um espectro de emissão?', 'Como diferentes gases podem emitir luz?' Essas perguntas visam despertar a curiosidade e estabelecer uma base conceitual para a construção do experimento.

Uma vez que o espectroscópio tenha sido construído, os estudantes estarão em condições de realizar experimentos práticos para observar e analisar diferentes espectros. A partir de uma fonte luminosa (como a câmera do celular ou uma lanterna) posicionada na abertura de observação do espectroscópio, será possível analisar as linhas de emissão.

Utilizando lâmpadas de mercúrio (Figura 5) como fonte de luz e o aplicativo Tabela Periódica, que exibe diversas linhas de emissão, os estudantes poderão identificar o espectro correspondente, permitindo assim a identificação do gás presente no interior da lâmpada. A Figura 6 apresenta o espectro da lâmpada quando as linhas foram observadas com o espectroscópio 2.

Ao final da atividade, espera-se que os estudantes sejam capazes de observar os espectros da lâmpada de mercúrio e da lâmpada de sódio, além de compreender o funcionamento de uma rede de difração.

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Figura 5: Lâmpada de mercúrio

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Figura 6: Espectro da lâmpada de mercúrio

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## Considerações finais

A proposta de ensino por investigação apresentada neste artigo utiliza experimentos como uma alternativa para promover a exploração e a compreensão da espectroscopia óptica, de maneira acessível e que pode ser facilmente construída pelos estudantes em diferentes contextos escolares.

Essa abordagem incentiva uma maior participação dos estudantes e contribui para o desenvolvimento de habilidades práticas em ciências, desenvolvendo a metodologia e validação do processo com base em modelos científicos, atingindo assim seu objetivo de se distanciar da abordagem tradicional de ensino.

Esta proposta surge como uma sugestão para trabalhar a abordagem investigativa

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no contexto da FMC aplicada nas aulas de ótica, como forma de complementar os estudos com o desenvolvimento de experimentos de baixo custo em sala de aula, estando aberto a sugestões e mudanças para melhor adaptação de acordo com o contexto escolar que se pretende inseri-lo.

## Referências

AMORIM, R.1; SANTOS, O.; CRUZ, A. R.; SANTOS, F. C. A inserção de conceitos de física moderna em sala de aula e as dificuldades encontradas por professores . Scientific Electronic Archives , v. 9, n. 1, fev. 2016.

BIAZUS, M. O. Tópicos de física moderna e contemporânea no ensino médio: interfaces de uma proposta didática para mecânica quântica . 2015. Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências e Matemática) - Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, 2015.

CARVALHO, Anna Maria Pessoa de. Ensino de Ciências por Investigação: condições para implementação em sala de aula . São Paulo: Cengage Learning, 2013.

KRAMER, C. A. Experimento de espectroscopia caseiro para demonstração de física no ensino médio . 2015.

MENDONÇA, D. D. S.; ALFARO, S. C. A.; BORGES, G. A. Utilização da espectroscopia óptica de emissão para monitoração e controle da temperatura da soldagem GTAW1 . Tecnologia em Metalurgia, Materiais e Mineração , v. 3, n. 3, p. 1-6, 2013.

MONTEIRO, Maria Amélia; NARDI, Roberto; BASTOS FILHO, Jenner Barretto. Dificuldades dos professores em introduzir a física moderna no ensino médio: a necessidade de superação da racionalidade técnica nos processos formativos . São Paulo: Editora UNESP; São Paulo: Cultura Acadêmica, 2009. 258 p. ISBN 978-85-7983-004-4.

SOUZA, C. Espectro de absorção e emissão atômica . Petrolina: UNIVASF, 2010.

TERRAZZAN, Eduardo Adolfo. A inserção da física moderna e contemporânea no ensino de Física na escola de 2º grau. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , [S. l.] , v. 9, n. 3, p. 209-214, 1992.

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