FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA NO ENSINO MÉDIO: UMA

ANÁLISE DE COMO OS LIVROS DIDÁTICOS ESTÃO TRATANDO O

PRINCÍPIO DA INCERTEZA DE HEISEMBERG.

Christiano Carvalho Leal [cleal@uenf.br]

Marcelo Shoey de Oliveira Massunaga [shoey@uenf.br]

Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro

O presente trabalho apresenta informações iniciais sobre um projeto de mestrado na área de Ensino de Física do Programa de Pós-graduação em Ciências Naturais em andamento na Universidade Estadual do Norte Fluminense. Aqui é apresentada uma análise de como alguns livros didáticos destinados ao Ensino Médio estão abordando o Princípio da Incerteza de Heisenberg. A análise é desenvolvida de forma a detectar a importância dispensada ao tema no contexto da Física Quântica, qual a interpretação dada pelo autor ao Princípio da Incerteza e se fica claro na apresentação do assunto a ruptura conceitual existente entre a Física Quântica e a Física Clássica. A presença ou não de elementos históricos na apresentação do conteúdo também é verificada.

Introdução. Com as mudanças implementadas pela Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional, o Ensino Médio (EM) passou a ser a etapa final da Educação Básica. Com essa mudança na legislação as características do EM foram alteradas: ele deixou de ser uma etapa preparatória para um nível de ensino mais elevado, que era uma das suas principais características, para ser a etapa final de uma formação básica, onde o aluno deve desenvolver uma capacidade entender o mundo em que vive e continuar a aprender. Com o objetivo de orientar a implementação dessas mudanças foram lançados os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) e posteriormente sua complementação, os PCN+. Neste último, no volume referente às Ciências Naturais e Matemática, podemos perceber o desejo de se tratar de uma parte da Física que até então é pouco explorada de forma sistemática no EM, a Física Moderna e Contemporânea (FMC). Alguns aspectos da chamada Física Moderna serão indispensáveis para permitir aos jovens adquirir uma compreensão mais abrangente sobre como se constitui a matéria, de forma que tenham contato com diferentes e novos materiais, cristais líquidos e lasers presentes nos utensílios tecnológicos, ou com o desenvolvimento da eletrônica, dos circuitos integrados e dos microprocessadores. A compreensão dos modelos para a constituição da matéria deve, ainda, incluir as interações no núcleo dos átomos e os modelos que a ciência hoje propõe para um mundo povoado de partículas. .(Parâmetros Curriculares Nacionais +,Ciências da Natureza Matemática e suas Tecnologias – Física: pg. 70, Brasília 2002) A ausência da FMC no EM, pode ficar evidenciada pela análise de alguns livros didáticos editados recentemente e que ainda não tratam desse assunto. Essa análise é reveladora haja vista que em muitos casos o livro didático é o recurso mais importante que muitos professores de Física dispõem. Felizmente alguns livros didáticos do EM estão trazendo a FMC e isso é extremamente importante para que consigamos torná-la efetivamente presente nos currículos escolares. Ainda nos PCN+ encontramos a completude desejada para a formação do aluno do EM relativamente a área de Física:

A Física deve apresentar-se, portanto, como um conjunto de competências específicas que permitam perceber e lidar com os fenômenos naturais e tecnológicos, presentes tanto no cotidiano mais imediato quanto na compreensão do universo distante, a partir de princípios, leis e modelos por ela construídos. Isso implica, também, a introdução à linguagem própria da Física, que faz uso de conceitos e terminologia bem definidos, além de suas formas de expressão que envolvem, muitas vezes, tabelas, gráficos ou relações matemáticas. Ao mesmo tempo, a Física deve vir a ser reconhecida como um processo cuja construção ocorreu ao longo da história da humanidade, impregnado de contribuições culturais, econômicas e sociais, que vem resultando no desenvolvimento de diferentes tecnologias e, por sua vez, por elas sendo impulsionado.(Parâmetros Curriculares Nacionais +,ciências da natureza matemática e suas tecnologias – Física: pg. 59, Brasília 2002) Podemos perceber que além de capacitar o aluno a reconhecer e compreender a linguagem característica da Física devemos evidenciar seu caráter histórico, econômico e social, de forma que fique clara para o aluno a sua presença e relevância em nossas vidas. Além disso, essa compreensão histórica da Física pode ter um caráter facilitador no processo ensino-aprendizagem, pois lecionar Física não é uma tarefa fácil. O conhecimento científico difere enormemente do conhecimento popular, sendo este último, o conhecimento que os alunos do EM convivem durante a maior parte de seu tempo e que trazem para a escola. A Física, para alguns destes alunos, é algo difícil de entender, e com o qual têm que conviver por duas horas semanais durante as três séries finais da Educação Básica. A distância entre o conhecimento popular e o conhecimento científico torna difícil a aprendizagem da Física. Ruth Schmitz de Castro no artigo Uma e outras histórias, parte da suposição de que “a Abordagem histórica aproxima cognitivamente o conhecimento comum do conhecimento popular”(Castro p.102-3) para defender o uso da história da ciência no ensino de ciências. Neste mesmo trabalho ela afirma que: “Quando os conteúdos de ciências são abordados a partir de questionamentos sobre sua gênese, quando são estudados visando entender as razões e os motivos que os engendraram, parece-nos que se tornam mais plausíveis aos estudantes. O contexto propicia o entendimento das idéias, porque amplia a possibilidade de referenciá-las. Quando os estudantes discutem a origem dos conceitos científicos, sua transformação ao longo do tempo, reconhecem mais facilmente tais conceitos como objetos passíveis de construção. Cria-se, assim, um comprometimento maior entre o sujeito que conhece e o objeto a ser conhecido.”(Castro, p.105). De acordo com o exposto até o momento, é razoável supor que levar a FMC para o EM através de um viés histórico seja um bom caminho na tentativa de obter bons resultados no processo ensino-aprendizagem desta ciência. Esse é o caminho que optamos seguir na realização de nossa pesquisa. Objetivo

O objetivo do trabalho consiste em fazer uma apresentação de como o Princípio da incerteza está sendo apresentado em alguns livros didáticos do EM. A análise dos livros é desenvolvida de forma a detectar a importância dispensada ao tema no contexto da Física Quântica, qual a interpretação dada pelo autor ao Princípio da Incerteza e se fica claro na apresentação do assunto a ruptura conceitual existente entre a Física Quântica e a Física Clássica. A relevância do trabalho se justifica no empenho em tornar a Física Moderna e Contemporânea parte integrante dos currículos de EM, tal empenho pode ser evidenciado pelo crescente número de pesquisas na área e pela importância do Princípio da Incerteza dentro da Física Quântica.

Metodologia.

A metodologia que empregamos para o desenvolvimento do presente trabalho consistiu basicamente em fazer um levantamento das apresentações do Princípio da Incerteza utilizadas por alguns livros de Física destinados ao EM. Resultados. Ao realizarmos um estudo inicial do Princípio da Incerteza pudemos perceber que apesar das diferenças na metodologia de apresentação do tema existente entre os livros, alguns deles apresentam a interpretação do Princípio da Incerteza ou tentam ilustrá-lo como uma perturbação causada no sistema no ato da medida. Essa interpretação tem o mesmo significado da interpretação inicial dada por Heisenberg utilizando-se de um experimento de pensamento: Para esclarecer o significado operacional da relação de indeterminação para a posição e momento, Heisenberg apresentou um experimento de pensamento, o microscópio de raios gama, para mostrar que o produto das indeterminações de medições de posição e momento em uma situação experimental possui de fato o limite inferior de h. (Pessoa Jr. - Conceitos de Física Quântica., 2003 pg:78). Nas palavras do próprio Heisenberg: “A interação entre observador e objeto causam alterações incontroláveis e grandes no sistema sendo observado, por causa das alterações descontínuas características dos processos atômicos”. (Pessoa Jr - Conceitos de Física Quântica,2003 pg:79). Esta interpretação do Princípio da Incerteza é encontrada em dois dos seis livros didáticos do EM que tratam da FMC e que foram por nós analisados. O volume 3 do livro Física de Alberto Gaspar, apesar de afirmar claramente: “Não se trata de limitação de instrumento de medida. Mesmo utilizando um instrumento perfeito, a incerteza sempre existe, pois ela resulta do ato de medir” (Alberto Gaspar, pg: 362), as figuras usadas para ilustrar o fenômeno pode transmitir a idéia de que existe uma posição e um momento bem definidos, porém o ato de medir os destroem. No livro Física Moderna: tópicos para o Ensino Médio de Dulcidio Brás Júnior, a discussão realizada pelo autor sugere que é a perturbação causada pelo ato da medida que impede que meçamos simultaneamente e com exatidão posição e momento. Osvaldo Pessoa Jr. faz uma detalhada discussão sobre interpretações do significado do Princípio da Incerteza e faz uma observação: “É interessante como ele (Heisenberg) parte de uma hipótese própria da Física Clássica, mostra que há uma impossibilidade de se medir com exatidão as duas grandezas conjugadas, e daí concluem que um objeto nunca tem, simultaneamente, valores exatos para as duas grandezas”. (Pessoa Jr. - Conceitos de Física Quântica, 2003 pg:78). Uma observação sobre a interpretação do Princípio da Incerteza como uma perturbação causada pelo ato da medida é feita no livro Curso de Física do Berkeley: “Este tipo de descripción del significado del principio de indeterminación es muy corriente em los textos de mecánica cuántica. El autor no quiere sostentar que sea completamente equivocado, pero sí tiene la impresíon que puede desorientar y de que puede originar serios malentedidos”(Berkeley, Física Cuántica, pg 19). No livro Física Conceitual, Hewitt afirma: “As incertezas quânticas têm origem na natureza ondulatória da matéria. Uma onda, por sua própria natureza, ocupa algum espaço e dura um certo tempo. Ela não pode ser comprimida a um ponto do espaço, ou limitada a um instante de tempo, pois deste modo ela não seria uma onda.”(Hewitt – Física Conceitual, 2002 pg 535). Essa afirmação difere bastante da explicação que adota o modelo da perturbação. O livro Física volume único do autor Paraná aborda superficialmente o Princípio da Incerteza. Por fim, o livro Física volume único dos autores Wilson Carron e Osvaldo Guimarães e o

livro Curso de Física dos autores Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga volume 3, apesar de tratarem de assuntos relativos a FMC, não mencionam o Princípio da Incerteza. Através desse levantamento inicial, podemos verificar que há duas possíveis interpretações. Neste ponto, cabem as seguintes questões: qual interpretação adotar para os alunos do EM? Seria didático apresentar as duas?

Referências - Berkeley. Curso de Física do Berkeley – Física Cuántica volume 4 – 1972. - Brasil, 2002 – PCN + Ensino Médio: Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. - Braz Júnior, Dulcídio. Física Moderna – Tópicos para o Ensino Médio – 1. ed. – Campinas: Companhia da Escola, 2002. - Carron, W. e Guimarães, O. Física – volume único – 2.ed. – São Paulo: Moderna, 2003. - Castro, Ruth S. Uma e outras histórias – Ensino de Ciências p. 101-117/ org. Anna Maria Pessoa de Carvalho –São Paulo, Pioneira Thomson Learning, 2004. - Eisberg, Robert – Física Quântica: átomos, moléculas , sólidos, núcleos e partículas – Rio de Janeiro: Campus, 1979. - Gaspar, A. Física – eletromagnetismo e física moderna – 1.ed. – São Paulo: Ática,2000. - Halliday, David, Resnick, Robert e Walker, Jearl – Fundamentos de Física 4 Ótica e Física Moderna – 4.ed – Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1995. - Hewitt,Paul G. Física conceitual / trad. Trieste Freire Ricci e Maria Helena Gravina. – 9.ed. – Porto Alegre: Bookman, 2002. - Máximo, Antônio e Alvarenga, Beatriz – Curso de Física volume 3 – São Paulo: Scipione, 2000. - Paraná. Física – volume único – 6.ed. – São Paulo: Ática, 2003. - Pessoa Junior, Osvaldo. Conceitos de física quântica – 1. ed. – São Paulo: Editora Livraria da Física, 2003. - Sears, Francis W., Zemansky, Mark W. e Young, Hugh D. – Fisica 4 – 2.ed – Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1985.