Exemplos de Plano de AulaObjetivos - Compreender conceitos básicos de física moderna- Entender o termo dualidade onda-partícula

Conteúdos- Mecânica Quântica- Ondas Eletromagnéticas

AnosEnsino Médio

Tempo estimado Uma aula

Introdução Os alunos costumam se queixar que aprender física é

complicado porque falta uma conexão entre o que é visto em sala de aula e o que acontece no dia a dia. O que muitas vezes eles não percebem é que os modelos estudados são simplificados para facilitar a compreensão. É comum que as situações sejam transpostas para um cenário ideal, sem elementos da natureza que interferem nos fenômenos, como a resistência do ar, por exemplo. Física moderna é uma divisão ainda mais complexa dessa ciência que exige, por vezes, uma certa abstração dos estudantes. Para evitar que eles tenham a sensação que o conteúdo é descolado da realidade, procure uma abordagem simples. Nessa sequência didática, a proposta é estudar fundamentos da mecânica quântica de forma trivial para facilitar o entendimento da turma.

Desenvolvimento 1ª etapa Inicie com uma pergunta: o que é luz? Talvez muitos

saibam a resposta certa ou próxima dela dizendo que a luz é uma onda. Fique atento a todos os comentários e use os próximos minutos para desvendar o conceito ondulatório da luz. Para começar conte que, de acordo com a natureza das ondas, podemos classificá-las em dois grandes grupos:

- mecânicas (aquelas que basicamente necessitam de meio material para se propagar)

- eletromagnéticas (campos elétricos e magnéticos oscilantes que se propagam no vácuo com velocidade de aproximadamente 300 milhões de metros por segundo, conhecida como velocidade da luz por ser o tipo mais difundido)

Use o quadro para fazer um resumo do espectro da onda eletromagnética, começando da onda de rádio, como mostra a imagem abaixo:

O esquema anterior vai ajudá-lo a explicar ao grupo os diferentes tipos de onda.

Deixe claro que o diferencial entre a onda de rádio, a luz e o raio-x é apenas a faixa de frequência que cada um ocupa.

Vale lembrar que frequência é uma grandeza que indica o número de ocorrências de um evento (a oscilação da onda) em um determinado intervalo de tempo. Esse mesmo fenômeno é observado na diferença de cores da própria luz. É possível, inclusive, fazer um paralelo com as notas musicais que diferem entre si pela frequência da onda sonora emitida, sendo dó o mais grave (de menor frequência) e o si o mais agudo (de maior frequência). Para a luz, o vermelho é a onda de menor frequência e violeta a de maior.

Abra um espaço na aula para falar um pouco sobre radiações que fazem mal e as inofensivas, como as micro-ondas que são tão mitificadas pelo uso nos fornos e no celular. Elas não têm poder penetrante, pois possuem baixa energia. As ondas que esquentam as comidas nos fornos eletrônicos são de frequência extremamente específica e apresentam uma única função: esquentar através de um fenômeno chamado ressonância (uma espécie de vibração conjunta que faz com que as moléculas aumentem a temperatura). Já o celular usa faixas de frequências que, apesar de receber a mesma classificação, não alteram estados vibracionais da água ou de qualquer outro tipo de molécula.

Mas, então, quais são as nocivas? Explique que frequências maiores são vinculadas a energias maiores, por esse motivo ondas do espectro eletromagnético a partir do ultravioleta são nocivas aos seres humanos e podem causar problemas como o câncer de pele. Essa classe de onda eletromagnética é também conhecida como radiação ionizante, que possui energia a ponto de ionizar átomos. De forma simplificada, ionizar um átomo significa deixá-lo desequilibrado em relação à estabilidade de cargas. Isso pode acontecer devido à perda de elétrons nas camadas externas da eletrosfera. Se este átomo pertencer a alguma cadeia importante de uma molécula de alta complexidade, como por exemplo o DNA, sua estrutura estará comprometida. Isso significa que radiação ionizante do ultravioleta pode causar modificações no DNA das células da pele e causar, ao longo do tempo, câncer.

Neste momento, lembre aos adolescentes que em lugares quentes, como uma sauna ou um quarto como aquecedor, ninguém se bronzeia. Isso porque ondas de calor são de outra natureza. Elas são do tipo infravermelho, isto é, diferentes das radiações ionizantes. A produção e secreção de melanina induzida por estímulos externos é a responsável pelo bronzeamento da pele. Ao falar sobre bronzeamento esteja preparado para uma enxurrada de perguntas dos alunos: como funciona o bronzeamento artificial? Mormaço queima? Como o protetor solar atua? Como a imaginação dos alunos vai longe, faça-os pesquisar o bronzeamento artificial e peça que socializem suas experiências em seguida.

2ª etapa Diga aos estudantes que eles vão

conhecer um pouco da física moderna, estudada com profundidade em laboratórios de ponta que funcionam ao redor do mundo. Os conceitos de radiação aprendidos na etapa anterior vão ajudá-los a compreender o assunto. Destaque que este é um tema complexo, mas que, para quem reclama por estudar uma física "antiga", é uma boa oportunidade!

Explique que a física clássica impera soberana sobre os modelos macroscópicos e compõe boa parte do conhecimento dos fenômenos naturais que aplicamos no dia a dia. O novo modo de observar a natureza tem sua maior notoriedade no universo das subpartículas. Não por esse motivo suas consequências deverão ser menosprezadas, muito pelo contrário, boa parte da tecnologia que desfrutamos hoje são frutos do ponta pé promovido por Max Planck, um dos pioneiros nos estudos de física moderna.

As pesquisas iniciadas no final do século 19 moldaram grandes discussões e embalaram no século seguinte a nova forma de lidar com a natureza: a mecânica quântica. Tudo teve origem na radiação emitida por corpos aquecidos observados por Planck. Teoricamente, corpos com temperaturas elevadas começam a emitir sinais de seu aquecimento. Um ferro levado ao fogo, por exemplo, em algum momento adquire coloração vermelha e emite luz.

Por algum motivo desconhecido na época, os resultados observados pelo cientista saltavam de valores pontuais de intensidade de energia para outros valores específicos. Não havia uma continuidade nos dados, fato que levou o cientista a enunciar que o comportamento da radiação eletromagnética seguia em forma de pacotes de energia que ele batizou de quantum (quantidade em Latim). A partir desse momento a energia poderia ser quantificada através de uma unidade específica.

O fóton é o quantum da radiação eletromagnética e pode ser calculado através de sua frequência de oscilação:

E=h.f

...em que E é a energia transportada pelo fóton, h é conhecida com a constante de Planck e f é a frequência associada à onda eletromagnética a que o fóton pertence.

Apenas 5 anos mais tarde, em 1905, Einstein publicou um estudo que dava mais força às teorias quânticas recém-nascidas. O efeito fotoelétrico mostrava na teoria que a onda eletromagnética pode interagir com a matéria, mais precisamente com os elétrons dos átomos. De acordo com o estudo, uma onda incidente sobre uma superfície metálica faz com que alguns elétrons sejam ejetados da órbita atômica. Esse fato é explicado através do comportamento material do fóton. Em outras palavras significa dizer que a luz possui um componente material, pois seu fóton choca-se com o elétron promovendo sua ejeção. Essa característica seria inviável se o fóton tivesse caráter puramente ondulatório, por esse motivo o universo eletromagnético ganhou uma nova fronteira no mundo das partículas: a dualidade onda-partícula.

Não se sabe o porquê desse seu antagonismo, mas o fato é que a luz se comporta ora como onda, ora como matéria. Tempos mais tarde Einstein também pode observar que a luz sofria a ação da gravidade em dimensões astronômicas, reforçando ainda mais o caráter massivo do fóton. Por mais que o conceito da dualidade onda-partícula possa ser compreendida, o fenômeno por trás dos fótons é algo realmente intrigante. Explique aos alunos que é quase impossível tentar ilustrar o conceito utilizando algum tipo de fenômeno semelhante na mecânica clássica. É uma lógica nova, com modelos equacionais que reservam uma complexidade ainda maior.

3º etapa Finalize apresentando um exemplo do dia a dia: a

descoberta do laser. Sua natureza é parecida ao de um feixe de luz normal. A diferença é que sua geração é através da excitação específica e coerente dos elétrons em níveis de energias controlados, possíveis apenas através da mecânica quântica. Como resultado, temos um feixe de luz intensa, cuja frequência dos raios luminosos não sofrem flutuações, como se todas as ondas que compõem o laser fossem gêmeas idênticas. Entre outras características do laser podemos dizer que enquanto a maioria das lâmpadas difundem raios de diversas frequências para todos os lados a fim de iluminar a maior área possível, o laser concentra raios coerentes em um único feixe paralelo. Dependendo da potência do emissor pode ter inúmeras aplicações na medicina, desenvolvimento de novas tecnologias, entretenimento e comunicação, como mostra a reportagem de Veja "Laser de Blu-ray explode 100 balões em oito segundos" (Veja, 03 de maio de 2013)

Avaliação Verifique se a turma compreendeu os

principais conceitos de física moderna abordados. Faça isso por meio de questionários ou peça um trabalho que discrimine as aplicações diversas da mecânica quântica nos diversos eletro-eletrônicos que usamos no dia a dia.

A participação do aluno com perguntas e observações também compõe um elemento essencial na composição do quadro de avaliação. Uma breve passagem pelos filmes de ficção científica que abordam exemplos de tecnologias avançadas exploram a mecânica das subpartículas. Para compor seu método de avaliação induza os alunos a citarem os filmes que para eles apresentem temas relacionados à física moderna. Um ótimo exemplo que pode fazer a imaginação dos alunos ir além das fronteiras do conhecimento da física é o filme "Contato", dirigido por Robert Zemeckis e baseado no romance de Carl Sagan.

Contato, filme dirigido por Robert Zemeckis, (EUA, 1997), o mesmo diretor de Forrest Gump e De volta para o Futuro. Foi baseado no livro do grande divulgador cientifico Carl Sagan, morto em 1997, que o escreveu originalmente para ser um roteiro cinematográfico em 1980 e depois foi lançado como romance em 1985.

Sagan, como um defensor do método científico, passou sua vida criticando a astrologia e a soluções mágicas, mas nunca negou o desconhecido. Negava as explicações redutoras e esotéricas, mas sempre buscou o contato com outros mundos.

Sagan participou do projeto SETI (Seach for Extraterrestrial Inteligence) e idealizou um documento assinado por vários cientistas como Stephen Hawking, Fred Hoyle, Linnus Pauling. O projeto SETI foi criado na década de 60 por Frank Drake, que trabalhou numa equação que estimava a existência de vida extraterrestre, mas só começou a amadurecer em 1980 com o avanço da microeletrônica e nos métodos de processamento de informação. É justamente essa busca do SETI que se reflete no filme. É o pensamento do que “falta” descobrir na ciência.

Nas cenas iniciais o filme mostra justamente a formação do “espírito cientifico”, quando a curiosidade de Ellie (Eleanor Ann Arroway) é estimulada por seu pai, que indicava pistas, mas nunca lhe dava as respostas prontas. É a figura do bom mestre que apenas aponta o caminho, mas deixa o discípulo trilhar sozinho.

Ellie possuía um radio amador e tentava contato com pessoas distantes, dizendo “I seek you”, expressão, que no final dos anos 90, deu origem a um programa de comunicação pela Internet (ICQ - que se fala da mesma forma que I seek you, ou seja, Eu procuro você).

Utilizando a tecnologia do rádio, Ellie ampliou seus limites e seus contatos, num certo momento ela entra em contato com uma pessoa em Pensacola, na Flórida, e imagina como seria esse local, e desenha uma praia

Mas ela deseja ir cada vez mais longe. Deseja sentir outros países, a lua, outros planetas, até que ela encontra um limite que vai além da dimensão do espaço: ela deseja falar com a mãe, que morreu quando ela nasceu. Quando o pai morre, a falta de contato é ainda mais dolorosa e ela procura desesperadamente um sinal dele.

Sua vida profissional é a continuação desse desejo de contato e como cientista Ellie consegue rádios mais potentes e também trabalha no seu

doutorado para aumentar a sensibilidade dos radiotelescópios e aumentar a possibilidade de “sentir” outros mundos.

Ellie, agora chamada de Dra. Arroway representa uma figura da ciência pela paixão, uma cientista que tem subjetividade e ética. Nesse ponto o filme mostra a tecnologia a serviço dos nossos sonhos e buscas pessoais; ela não é neutra, mas é uma concretização de desejos humanos.

Dra. Arroway participa do projeto SETI em Arecibo, em Porto Rico, tentando captar ondas de rádio vindas do espaço. Nesse trabalho ela tem um procedimento diferente dos outros cientistas: ela realmente coloca os fones de ouvido e escuta as ondas, dizendo que isso faz parecer real, enquanto os seus colegas apenas monitoram os equipamentos.

A experiência para ela só faz sentido quando atinge a sua percepção, para que ela acredite nos números e gráficos mostrados pelos computadores; ela precisa sentir as ondas “no corpo”. Nessa questão a percepção também há um personagem interessante que é o Cientista Kent, que é cego e por isso é capaz de perceber melhor os padrões de onda por ouvir melhor os sinais. São as sombras que não podem ser desprezadas e devem ser escutadas pela ciência que foi sempre tão “iluminista”.