INSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA E SUA INSERÇÃO EM ESCOLAS DE ENSINO MÉDIO: CORPO NEGRO, DUALIDADE ONDA-PARTICULA, EFEITO FOTOELÉTRICO, LASER, A ORIGEM DO UNIVERSO, FÍSICA DAS RADIAÇÕES, RAIOS-X E SEMICONDUTORES

INSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO DE FÍSICA MODERNA E SUA INSERÇÃO EM ESCOLAS DE ENSINO MÉDIO: CORPO NEGRO, DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA, EFEITO FOTOELÉTRICO, LASER, A ORIGEM DO UNIVERSO, FÍSICA DAS RADIAÇÕES, RAIOS-X E SEMICONDUTORES.

INSTRUMENTATION FOR MODERN PHYSICS TEACHING AND ITS INTEGRATION IN HIGH SCHOOLS: BLACK BODY, WAVE-PARTICLE DUALITY, PHOTOELECTRIC EFFECT, LASER, ORIGIN OF THE UNIVERSE, PHYSICS OF THE RADIATIONS, X-RAYS AND SEMICONDUCTORS

Ricardo Yoshimitsu Miyahara, Alexandre Vicentini, Eduardo Vicentini, Pedro Pablo González-Borrero, Sandro Aparecido dos Santos e Fábio Luiz Melquiades

Universidade Estadual do Centro Oeste - UNICENTRO,Guarapuava, Paraná, PR, Brasil/Departamento de Física, e-mail: rmiyahara@unicentro.br

## Resumo

Discussões sobre a inserção de Física Moderna e Contemporânea, no ensino médio, vem sendo discutidas em todo o mundo, por especialistas e pesquisadores em ensino. O presente trabalho consiste na difusão de conteúdo de Física Moderna e Contemporânea para professores e alunos das escolas públicas de ensino médio de Guarapuava,PR e região, por meio do projeto 'Instrumentação para o ensino de Física Moderna e sua inserção em escolas de Ensino Médio da Região Centro-Sul do Paraná'. Este projeto fez parte do Programa Universidade sem Fronteiras (USF), Subprograma Apoio às Licenciaturas, promovido pela Secretaria de Estado da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior (SETI), do Governo do Estado do Paraná e vinculado à Pró-Reitoria de Extensão e Cultura (PROEC) da Universidade Estadual do Centro-Oeste (UNICENTRO). O projeto teve como objetivos dar fundamento teórico e propor um ensino de Física Moderna com métodos alternativos e experimentos de baixo custo e de fácil acesso, além de ferramentas que auxiliem no processo ensino-aprendizagem. Foram realizadas apresentações em 5 colégios e cursos para professores da rede pública do Núcleo Regional de Educação de Guarapuava, PR. O resultado foi positivo, mostrando que o projeto vem contribuindo na complementação da formação escolar, na divulgação científica e no despertar do interesse dos estudantes pela área de exatas e tecnologia. Em comparação com o chamado ensino tradicional, o que se propôs foi um ensino mais atraente para os alunos, com ênfase na compreensão dos conceitos físicos e na relação destes com cotidiano do aluno. Por meio de uma pesquisa realizada com 123 alunos, utilizando questionários, verificou-se que poucos sabem a respeito da Física Moderna, porém demonstram bastante receptividade e curiosidade a respeito desse assunto. Os questionários (pré e pós-testes) indicaram também que os alunos conseguiram assimilar os conceitos trabalhados.

Palavras-chave : Física Moderna; instrumentação; ensino médio

## Abstract

Some discussions about the insertion of modern and contemporary physics, in high school, have been discussed around the world by teaching researchers. The present work consists in the diffusion of modern and contemporary physics content for teachers and students of the public high school of the Guarapuava, PR and region, through the project "instrumentation for the modern physics teaching and its insertion in high schools of Central-South region of Paraná". This project was a No Frontiers University Program, promoted by the Secretary of State for Science, Technology and College, from the Paraná Government and linked to the Extension and Culture Pro-Rectory from the Center-West State University. The project aimed to give theoretical basis and to propose a Modern Physics Teaching with alternative methods and low cost and easy access experiments, as well as tools that help at the teaching-learning process. It was made some presentations at 5 school and courses for public school teachers from Guarapuava, PR. The result was positive, showing that the project has contributed at the school education, in the scientific dissemination and to increase the student interest for the exact and technology area. By comparison with the traditional teaching, it was proposed a more attractive education to the students, with emphasis on the understanding of the physical concepts and the relationship of these with everyday life of the students. By research realized with 123 students, using questionnaires, it was found that few know about modern physics, but they demonstrate responsiveness and curiosity about the subject. The questionnaires (pre and post tests) indicated that the students managed to assimilate the concepts worked.

Keywords : Modern Physics; Instrumentation; High School

## Introdução

Há muito tempo discussões sobre a inserção de física moderna e contemporânea no ensino médio vêm sendo realizadas em todo o mundo por especialistas em ensino (CAVALCANTE, 1999). São muitos os aparelhos eletrônicos (TV, computador, aparelho celular, etc.) e opto-eletrônicos (DVD, LCD, controles remotos de infravermelho, etc.) presentes em nosso cotidiano que podem ser utilizados no ensino de Física Moderna e Contemporânea, como os citados na pesquisa de Machado e Nardi (2005). No contexto atual de uma sociedade fortemente marcada pela ciência e tecnologia, a pesquisa em educação em ciências vem procurando formular e avaliar propostas que contribuam para a transformação da realidade escolar, analisando, em particular, os problemas relacionados à atualização curricular e à alfabetização científica.

De forma geral, os professores do ensino médio da rede pública de ensino não estão preparados para suprir a necessidade curricular de Física Moderna e Contemporânea (na região de Guarapuava, na sua quase totalidade, são formados em Matemática, ainda que alguns com habilitação em Física). Agravando a situação, estes conteúdos já estão sendo cobrados em vestibulares de várias universidades. Por isso, o projeto 'Instrumentação para o ensino de Física Moderna e sua inserção em escolas de Ensino Médio da Região Centro-Sul do Paraná' teve como objetivo

difundir o conteúdo de Física Moderna e Contemporânea para professores de Física e alunos das escolas públicas de ensino médio de Guarapuava e região, dar fundamento teórico e propor um ensino de Física Moderna com métodos alternativos e experimentos de baixo custo e de fácil acesso, além de ferramentas que auxiliem no processo ensino-aprendizagem.

Este trabalho teve também como objetivo avaliar os resultados de testes aplicados aos estudantes de ensino médio, que avaliou o grau de assimilação dos conteúdos de Física Moderna apresentados a eles.

## Metodologia

No início do projeto foram estudados artigos sobre o ensino de Física Moderna e sua inserção no ensino médio. Após discussão com toda equipe do projeto, foram formadas duplas de orientadores e bolsistas para elaboração de materiais didáticos sobre diferentes tópicos de Física Moderna. Dessa forma, cada orientador ficou responsável por um bolsista e cada dupla (orientador-bolsista) ficou responsável por diferentes tópicos. A maioria dos tópicos desenvolvidos foi extraída da pesquisa realizada por Ostermann e Moreira (2000), entre físicos, pesquisadores em ensino de física e professores de física do Ensino Médio. Eles elaboraram uma lista de tópicos de Física Moderna que deveriam fazer parte do currículo de física.

Para esse trabalho foram trabalhados os seguintes temas: corpo negro, dualidade onda partícula, efeito fotoelétrico, LASER, origem do universo, física das radiações, Raios X e semicondutores. Para cada tema foram elaborados: a) seminário (com aprox. 30 min.) para professores e alunos da rede pública; b) questionário contendo questões sobre os conceitos ensinados; c) experimento de baixo custo, juntamente com um roteiro, quando pertinente e d) painel ilustrativo.

Os experimentos foram utilizados para alguns temas como, por exemplo, para o Efeito Fotoelétrico foi elaborado um experimento, intitulado 'Lâmpada Mágica', que consiste em um circuito contendo um LDR (do inglês Light Dependent Resistor ) que, quando iluminado acende a lâmpada. Para o tema Dualidade Ondapartícula foi confeccionado um experimento, no qual é possível transmitir ou reproduzir uma música de um rádio portátil através de um feixe de laser. Para o tema Radiação de Corpo Negro, um experimento foi montado utilizando latas de alumínio pintadas, uma de preto e outra de branco, absorvendo radiação de uma lâmpada ligada próxima às latas, verificando a absorção da radiação por parte de corpos com superfícies distintas. Para o tema Semicondutores foi elaborado um circuito simulando um pisca-pisca utilizando transistores. Todos os experimentos foram utilizados inicialmente de forma demonstrativas para grupos de no máximo 4 alunos em cada demonstração.

Ao final de cada demonstração foi entregue o roteiro do experimento trabalho aos alunos e professores, para que os mesmos pudessem montar e utilizar o experimento em questão, posteriormente, de acordo com o interesse de cada um. O professor de cada turma acompanhou a apresentação da aula e demonstração dos experimentos, como observador, pois a maioria dos professores da região de Guarapuava não é formada em Física, e com o auxílio do roteiro entregue e da apresentação, o mesmo teria base para trabalhar o tema com outras turmas.

Para acompanhamento e avaliação dos materiais foram realizadas reuniões semanais com os bolsistas e uma vez por mês uma reunião geral com a equipe para

a apresentação dos materiais elaborados. Após o término da elaboração dos materiais, realizou-se contato com colégios da rede pública do Núcleo Regional de Educação de Guarapuava, sendo anunciadas as intenções do trabalho e requisitada colaboração. O projeto foi trabalhado em 5 colégios e contou com participação de aproximadamente 570 alunos. Os seguintes colégios estiveram envolvidos: Colégio Estadual Ana Vanda Bassara, Colégio Estadual Bibiana Bittencourt, Colégio Estadual Cristo Rei, Colégio Estadual Francisco Carneiro Martins e Colégio Estadual Padre Chagas.

Os questionários, utilizados para a pesquisa do presente trabalho, continham questões abertas (respostas dissertativas) sobre Ciência e Física Moderna e fechadas (respostas de múltipla escolha ou objetivas) sobre conceitos relacionados aos temas citados anteriormente, como exemplo, o questionário do tema LASER, em Anexo I. Os questionários fechados foram aplicados em duas fases: antes das apresentações dos conteúdos, sendo utilizado como pré-testes, para a verificação dos conhecimentos prévios dos alunos sobre cada tópico. As mesmas questões foram aplicadas após as apresentações dos materiais, funcionando dessa maneira, como pós-testes para a verificação dos conhecimentos assimilados pelos alunos. Os testes foram respondidos por 123 estudantes.

Os dados, referentes às questões sobre conteúdos de Física e sobre conceitos relacionados aos tópicos trabalhados, foram organizados e tabelados e pontuados de acordo com a resposta. Foi realizada ainda uma contagem das quantidades de respostas para cada item dos questionários sobre conteúdos de Física e para o número de acertos (respostas corretas) dos pré e pós-testes, o que proporcionou a porcentagem das respostas em relação ao total de alunos participantes.

## RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados obtidos são apresentados e discutidos em duas partes: na primeira parte os resultados referentes ao questionário sobre Ciência e Física Moderna e na segunda parte são discutidos os resultados aos questionários sobre os temas: corpo negro, dualidade onda partícula, efeito fotoelétrico, LASER, origem do universo, física das radiações, Raios X.

## Resultados e Discussões Referentes às Questões sobre Ciência e Física Moderna

A seguir são apresentadas as questões referentes à Ciência e à Física Moderna, para verificar o possível conhecimento dos alunos, seguidas da reprodução de algumas respostas importantes, dadas pelos alunos. Como exemplos de respostas, são apresentados os alunos I, II, III e IV, para avaliação da pesquisa sobre o ensino de física.

## a) O que você entende por Física Moderna?

Aluno I: 'Nada.'

Aluno II: 'É tudo relacionada a ciências que descobrimos na atualidade.'

Aluno III: 'Física Moderna está relacionada a tudo que fazem, como ações e reações.'

Aluno IV: 'Física atual, a partir da teoria da relatividade de Einstein no século XX.'

## b) Você conseguiria apontar exemplos da presença da Física Moderna em seu cotidiano?

Aluno I: 'Não.'

Aluno II: 'Raio X, LASERs e aparelhos eletrônicos. Ela é utilizada na medicina.'

Aluno III: 'Sim, como cair no chão, empurrar algo, puxar algo e velocidade. Alguma coisa.'

Aluno IV: 'O movimento em geral.'

## c) Qual a importância da Ciência na sociedade?

Aluno I: 'Sei lá.'

Aluno II: 'A descoberta de curas para doenças e outros.'

Aluno III: 'Ela fornece comodidade e explica fatos até então desconhecidos.'

Aluno IV: 'A ciência está presente em quase tudo na nossa vida.'

Pode-se observar que as respostas apresentam-se diversificadas. Mas, nenhuma completamente correta. Se avaliarmos as resposta de cada aluno, é possível verificar que os alunos II e IV possui um mínimo de conhecimento da Física Moderna e da Ciência no geral, por outro lado o aluno I demonstra não ter nenhum conhecimento sobre o assunto, ou não estava interessando em participar da avaliação. Já o aluno III confunde Física Moderna com conceitos de Física no Geral, não sabendo diferenciar a clássica da moderna.

A pesquisa realizada, considerando as respostas de todos os alunos, mostra que é possível classificar as respostas em 5 grupos de alunos, seguidas das porcentagens enquadradas em cada grupo:

- · Algum conhecimento do que é a Física Moderna = 13,5 %
- · Total desconhecimento do que é a Física Moderna = 34,8 %
- · Confusão entre Física Moderna e Física Clássica = 20,7 %
- · Desinteresse de responder ao questionário = 11,8 %
- · Outros = 19,2 %

Isto mostra que não está claro para os estudantes o que é física moderna e qual sua implicação nos dias de hoje, especialmente nos avanços tecnológicos. Por outro lado, alguns alunos conhecem a sua importância na medicina. Os resultados indicaram ainda, que uma parcela dos alunos não consegue perceber a importância que a Ciência tem na sociedade.

## Resultados e Discussões Referentes às Questões fechadas sobre os temas específicos.

A Tabela 1 apresenta as porcentagens de acertos nos pré e pós-testes referentes a cada tópico trabalhado.

Tabela 1 - Porcentagem de acertos nos pré e pós-testes.

Com base nos dados da Tabela 1, pode-se dizer que os alunos conseguiram assimilar os conceitos trabalhados em cada tema. É importante ressaltar que, para todos os temas, houve aumento significativo no número de acertos das questões. Destaque para os temas Efeito Fotoelétrico e A Origem do Universo, que mesmo após intervenção do projeto, os alunos ainda apresentaram dúvidas sobre o assunto. Sendo assim, a equipe executora do projeto irá discutir esses temas e verificar outra forma de ensino e metodologia alternativa, diferentes e/ou complementares, das utilizadas nessa pesquisa.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A receptividade do projeto pelos professores e alunos foi de um modo geral muito boa. Grande parte dos professores, que ministram Física no núcleo regional de Guarapuava, é formada em matemática e tem grande dificuldade em ministrar conteúdos de Física Moderna. O projeto colaborou justamente neste ponto, complementando os conteúdos ministrados pelos professores. Verificou-se que os alunos pouco sabem a respeito da Física Moderna, porém demonstraram bastante receptividade e curiosidade a respeito desse assunto. Os questionários (pré e póstestes) indicaram também que os alunos puderam, de forma geral, assimilar os conceitos ministrados. Por fim, é importante ressaltar que as atividades experimentais tornam as aulas mais dinâmicas e mais atrativas, favorecendo o aprendizado, possibilitando assim abordar conceitos importantes da Física Moderna,

de forma simples, mas, sem perder de vista os conceitos científicos presentes no cotidiano.

## Referências

CAVALCANTE, M. A. O Ensino de uma Nova Física e o Exercício da Cidadania. Revista Brasileira de Ensino de Física , Florianópolis, SC, v. 21, n. 4, p. 550-551, 1999.

MACHADO, D. I. ; NARDI, R. A hipermídia no ensino de física moderna e contemporânea. In: Anais do XVI Simpósio Nacional de Ensino de Física, 2005 , Rio de Janeiro. Sociedade Brasileira de Física, 2005. Disponível em: http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xvi/cd/resumos/T0276-1.pdf. Acesso em: 25 maio de 2012.

OSTERMANN, F.; MOREIRA, M. A Uma revisão bibliográfica sobre a área de . pesquisa 'Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. Investigações em: Ensino de Ciências , Porto Alegre, v. 5, n. 1, 2000.

## ANEXO I

Programa: Universidade sem Fronteiras - SETI/PR Sub-programa: Apoio às Licenciaturas Projeto: Instrumentação para o Ensino de Física Moderna e sua inserção em escolas de Ensino Médio da Região Centro-Sul do Paraná Instituição: Universidade Estadual do Centro-oeste - UNICENTRO Departamento: Departamento de Física - DEFIS

## QUESTIONÁRIO

Nome do Colégio:

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

\_\_\_

Série:

( ) 1° Série ( ) 2° Série ( ) 3° Série

- 1) O que você entende por Física Moderna?
- 2) Em sua opinião, por que estudar Física Moderna no Ensino Médio?
- 3) Qual a importância da Ciência na sociedade?
- 4) O que significa o termo inglês LASER?

## Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação.

- 5) São as principais características dos LASERS:
- ( ) raios transversais, luz monocromática e raios desalinhados.
- ( ) raios transversais, luz natural e raios desalinhados
- ( ) raios colimados, luz monocromática e raios divergentes .
- ( X ) raios colimados, luz monocromática e raios coerentes.
- ( ) raios colimados, luz natural e raios coerentes.
- 6) Os raios colimados:
- ( X ) propagam-se como um feixe, caminham na mesma direção.
- ( ) possuem freqüência muito bem definida.
- ( ) possuem relações de fase bem definidas.
- ( ) caminham paralelos no tempo e no espaço.
- ( ) são raios provenientes das luzes naturais.
- 7) Com relação aos tipos de lasers: lasers de estado sólido lasers a gás lasers , , Excimer lasers de corante , e lasers semicondutores . Marque V para verdadeiro e F para falso:

- ( V ) Lasers de estado sólido possuem material de geração distribuído em uma matriz sólida, como o laser de rubi.
- ( V ) Lasers de CO2 emitem energia no infravermelho com comprimento de onda longo e são utilizados para cortar materiais resistentes.
- ( F ) Lasers de corantes utilizam corantes inorgânicos complexos, tais como a rodamina, em solução gasoso ou suspensão, como material de geração do laser.
- ( V ) Lasers Excimer usam gases reagentes, tais como o cloro e o flúor, misturados com gases nobres como o argônio, criptônio ou xenônio. Quando estimulados eletricamente, uma pseudomolécula (dímero) é produzida.
- ( F ) Lasers semicondutores , também chamados de lasers de diodo, são lasers no estado sólido. Esses dispositivos eletrônicos costumam ser muito grandes e utilizam baixa energia
- 8) São as principais aplicações do laser na medicina:
- ( ) Cortar metais, medir distâncias e cirurgias.
- ( ) Pinças ópticas, física atômica e óptica quântica.
- ( X ) A dermatologia, a oftalmologia e a oncologia.
- ( ) Comunicação por fibras ópticas, leitores de códigos de barras.
- ( ) Aparelhos leitores de CD e DVD, apontador laser e bisturi-laser.