LUZ E ENERGIA

Documentrio da srie A luz que vai alm de nosso olhar

SINOPSE

Um professor de fsica discute e apresenta uma proposta de atividade sobre o documentrio Luz e Energia, que traz a reflexo sobre as variadas formas de energia do nosso dia-a-dia e mostra

que o sol, apesar de ser a principal fonte de energia do nosso planeta, no a nica.

CONSULTOR

Professora Cristiane Tavolaro - Fsica

MATERIAL NECESSRIO PARA REALIZAO DA ATIVIDADE:

a) Computador ligado internet para pesquisa e com o software JAVA instalado com verso atualizada e tambm Adobe Reader. b) Caixa de papelo do tamanho de uma caixa de perfume c) CD d) tesoura e) cola ou fita adesiva f) Ponteira LASER

PRINCIPAIS CONCEITOS QUE SERO TRABALHADOS

Espectro eletromagntico Natureza ondulatria da luz ptica fsica Natureza corpuscular da luz Efeito fotoeltrico (Fsica Moderna)

DESCRIO DA ATIVIDADE

Principais etapas e estratgias para trabalho interdisciplinar sugerido

O filme ora aborda o carter corpuscular da luz, isto , o fton para explicar as clulas solares, o funcionamento do aparelho de microondas, circuitos fotnicos para processamento de informao, raios X para investigar nano-estruturas e ainda, para impulsionar velas solares, etc.; ora aborda o carter ondulatrio para explicar a propagao dos sinais de rdio e TV aqui na Terra e no espao, explicando assim a radio astronomia, seus mtodos e objetivos.

O trabalho proposto consiste em investigar a natureza dual da radiao eletromagntica e quais os critrios que levam a interpretar a natureza da luz ora como partcula ora como onda.

A investigao ser em parte experimental e em parte virtual, utilizando aplicativos interativos em JAVA, disponveis na internet inclusive para serem instalados no computador.

Para investigar o carter ondulatrio da luz o professor utilizar conceitos de ptica fsica, tais como interferncia e difrao da luz, descritos em livros didticos de fsica e tambm em artigos da revista Fsica na Escola (publicao da Sociedade Brasileira de Fsica), relacionados no item 9.2, pois tambm esto disponveis na internet (com extenso pdf).

O carter ondulatrio da luz pode ser evidenciado experimentalmente atravs de

atividades simples de demonstrao, como as descritas a seguir: 1- Incidir o feixe de LASER num fio de cabelo esticado e projetar a luz numa parede a

cerca de 3 m de distncia. A luz vai sofrer difrao no fio de cabelo, isto , vai contornar um obstculo muito pequeno, de modo a produzir um padro de interferncia (pontos de luz distribudos simetricamente e prximos entre si em torno do feixe central).

2- Incidir o feixe de LASER num CD e projetar essa luz na mesma parede de modo a comparar com a luz projetada no caso anterior. Como o CD tem cerca de 600 ranhuras por

milmetro, cada ranhura tem a dimenso do comprimento de onda da luz (cerca de 650 nanmetros para a luz do LASER) e com isso a difrao resultar num padro de interferncia com pontos de luz mais distanciados entre si. No artigo Experincias em fsica moderna (item 9.2.2) h uma descrio detalhada de como usar a medida dessa separao para fazer a medio do comprimento de onda de outras radiaes.

3-No mesmo artigo ou ento em Uma caixinha para o estudo de espectros (itens 9.2.1 e 9.2.2), h uma descrio detalhada para a construo de um espectroscpio simples. Construir alguns espectroscpios e permitir que os alunos o manuseiem e observem espectros, direcionando-o para a luz de diferentes fontes: lmpadas incandescentes, luminescentes, etc, mas no para o Sol, pois pode causar danos aos olhos devido grande intensidade da luz.

Para investigar o carter corpuscular da luz o professor abordar um experimento considerado precursor da Fsica Moderna, cuja explicao foi sugerida por Einstein em 1905. Trata-se do Efeito Fotoeltrico (veja 9.2.3) cuja importncia no reside apenas no aspecto histrico da evoluo da fsica, mas tambm em suas aplicaes tecnolgicas, dando origem ao que hoje chamamos de efeito fotovoltaico e que aplicado nas clulas solares.

O recurso utilizado para explicar a necessidade de substituir a onda luminosa por um fton ser a simulao interativa por computador. Se a escola possui laboratrio de informtica, o professor poder levar os alunos para que utilizem a simulao, caso contrrio, se existir um computador ligado rede, o professor poder demonstrar a simulao.

A simulao consiste em incidir luz num eletrodo metlico dentro de um recipiente (ampola de vidro) a vcuo. A interatividade permite que se altere o comprimento de onda da luz incidente e o material que constitui o eletrodo. Em conseqncia, a simulao permite visualizar que, se o comprimento de onda muito grande (na regio do vermelho e amarelo) nada acontece, mas se pequeno, eltrons so arrancados do metal, produzindo uma corrente eltrica, j que esses eltrons so coletados num eletrodo positivamente carregado. nesse efeito que se baseia toda a discusso em torna das clulas solares: luz pode gerar corrente eltrica.

O aspecto intrigante do Efeito Fotoeltrico consiste na no emisso de eltrons por luz de comprimento de onda grande. O professor precisa, no momento da exposio da simulao, explicar que, uma onda, qualquer que seja seu comprimento de onda, tem energia, e que o eltron deveria sair da estrutura do material mais cedo ou mais tarde! Se no sai, porque luz no onda! Ou, melhor dizendo, no pode ser considerada onda nesse experimento, pois se for, no possvel explicar porque o eltron s arrancado para algumas cores de luz.

Para explicar a emisso do eltron necessrio usar o comportamento corpuscular, isto , a luz constituda de ftons e cada fton tem uma energia bem definida que depende do

comprimento de onda ou freqncia da luz: E=h.. Cada fton incidente arranca um eltron ao colidir com o metal apenas se tiver energia suficiente para vencer a energia de ligao do eltron. A simulao permite ainda verificar qual a energia mnima necessria que o fton precisa ter para arrancar um eltron do metal escolhido.

As duas simulaes indicadas (itens 9.2.4 e 9.2.5) permitem coletar dados quantitativos referentes ao comprimento de onda (ou freqncia) da luz e energia cintica mxima do fotoeltron emitido, que proporcional energia do fton incidente. Com esses dados possvel levantar um grfico relacionando essas duas grandezas. De acordo com a equao de Einstein, essa relao linear e a inclinao da reta fornece como resultado a constante de

Planck, h=6,6 x 10-34

j.s. Historicamente, o resultado experimental muito prximo do resultado previsto por Planck, permitiu acatar a explicao de Einstein para o Efeito fotoeltrico como a explicao correta! O professor pode pedir aos alunos para que realizem o mesmo procedimento virtualmente. Ao obter o resultado da constante de Planck, os alunos devem confront-lo com o resultado de h previsto pela teoria.

Ao comparar os resultados dos dois experimentos, o real e o virtual, cada um para elucidar um comportamento da luz, o professor deve propor um debate em que parte dos alunos deve defender o comportamento ondulatrio da luz e outra parte defender o comportamento corpuscular. O professor dever ser o mediador e questionar a dualidade da luz e suas aplicaes, isto , qual o critrio para usar um comportamento ou o outro ao analisar um experimento ou uma aplicao tecnolgica para a luz.

RESUMO DA ATIVIDADE

Uma passadinha rpida em todo o processo

1- Exibir o vdeo (uma aula). 2- Realizar os experimentos qualitativos de ptica fsica com o CD, LASER, espectroscpio

caseiro e lmpadas (uma aula). 3- Levar os alunos ao laboratrio de informtica para executar o experimento virtual (uma

aula). 4- Construir o grfico da Energia cintica mxima do eltron em funo da freqncia da luz.

Determinar o coeficiente angular da reta mdia obtida. Comparar o resultado obtido com o valor de h previsto pela teoria de Planck (uma aula).

5- Mediar o debate em torno do comportamento da luz (uma aula).

COMO AVALIAR ESSE TRABALHO?

Hora de avaliar a atividade

Ao longo do experimento virtual no laboratrio de informtica, atravs do envolvimento e questionamento dos estudantes. Na confeco do grfico e obteno do resultado da constante de Planck. Ao longo do debate, atravs da participao dos estudantes.

EM QUAL ANO OU ANOS DO ENSINO MDIO SERIA MELHOR

APLICAR ESSE TRABALHO?

Hora de avaliar a aplicabilidade da atividade

No 2 ou 3 ano do Ensino mdio. Durao total: cinco aulas.

SUGESTES DE LEITURAS

E. Segr, Dos Raios X aos Quarks, Editora Universidade de Braslia, Braslia, DF (1980). Cavalcante, M. A. & Tavolaro, C. R. C. Fsica Moderna Experimental, 2 edio, So Paulo, Manole, 2007. 1.1. Pginas da Rede (internet) 9.2.1 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol3/Num2/ - Uma caixinha para o estudo de espectros. 9.2.2 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/ - Experincias em fsica moderna. 9.2.3 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol3/Num1/ - Uma Aula sobre o Efeito Fotoeltrico no Desenvolvimento de Competncias e Habilidades 9.2.4 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm - simulao do Efeito fotoeltrico 9.2.5 http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Photoelectric_Effect - simulao do Efeito fotoeltrico