O PROFESSOR PDE E OS DESAFIOSDA ESCOLA PÚBLICA PARANAENSE

2009

Versão Online ISBN 978-85-8015-054-4Cadernos PDE

VOLU

ME I

ARTIGO PDE 2011

Autor: Vânia Cristina Rutz da Silva1

Orientador: Sandro Ely de Souza Pinto2

Resumo

No ensino de física uma grande dificuldade dos professores é trazer para a sala de aula situações que possibilitem aos alunos, perceber a relação entre os conteúdos abordados e suas observações no dia-a-dia. Neste cenário o professor tem como desafio introduzir os conteúdos da Física Moderna no ensino médio, visto que não é simples efetivar a sua transposição didática. Utilizando um elemento fundamental da Física Moderna que é o modelo atômico padrão do átomo, propõe-se a investigação acerca da compreensão dos alunos sobre o tema, tendo como linha norteadora a relação entre a história, o desenvolvimento técnico e científico e suas consequentes aplicações. Visando esta transposição desenvolveremos uma pesquisa histórica sobre modelos atômicos, desde os tempos dos gregos até o modelo padrão. Após situar-se historicamente o educando realizará a simulação computacional de modelos atômicos e de espectros de emissão de alguns elementos químicos utilizando como recursos de apoio os laboratórios de informática e a TV multimídia. As atividadespropostas visam estimular a reflexão e aquisição de conhecimentos através de modelos físicos e inclui tarefas para o educando que envolvem investigações na construção e articulação do conhecimento. Pretende-se a realização do projeto com os alunos e a partir das simulações, deduzir e explicar leis físicas, que são encontradas em outros fenômenos observáveis, porque se as informações sobre ciências exatas fossem perdidas e só restasse o modelo atômico seriam recuperadas a partir dele.

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1- Professora da Rede Estadual do Col. Est J.R.Von Borell Du Vernay, PDE,2009

2-Professor Doutor, Departamento de Física, UEPG.

1 Introdução

De acordo com os PCNs (Parâmetros Curriculares Nacionais), o ensino de

Física nas escolas, para a área das Ciências da Natureza, Matemática e

Tecnologias a crescente valorização do conhecimento e da capacidade de inovar

demanda cidadãos capazes de aprender continuamente, para o que é essencial

uma formação geral e não apenas um treinamento específico. O ensino de Física

no nível médio tem se limitado, de maneira geral, principalmente a temas da física

clássica: mecânica, calor, óptica,eletricidade e magnetismo. Além disso, esse

ensino caracteriza-se, na maioria das vezes, por aulas teóricas e descritivas,

distantes da realidade dos alunos. No ensino de Física uma grande dificuldade do

professor é trazer para a sala de aula situações que possibilitem aos alunos,

perceber a relação entre os conteúdos abordados e suas observações no dia a

dia.Neste cenário o professor tem como desafio introduzir os conteúdos de física

moderna no ensino médio, visto que não é fácil e simples essa transposição

didática.

Procurou-se então, atender os objetivos de estudar modelos atômicos,

articulando o conhecimento físico com outras áreas do saber científico, aplicando

conceitos de Física a outras áreas do conhecimento como a Química, a Biologia,

Astronomia, Matemática e valorizando a história da Física, através de pesquisas.“O

trabalho com pesquisas sugere que as atividades experimentais podem suscitar a

compreensão de conceitos ou a percepção da relação de um conceito com alguma

ideia anteriormente discutida”. (DCN,2008, p.71).

Para isso utilizou-se um elemento fundamental da física moderna que é o

modelo padrão do átomo e se fez a investigação acerca da compreensão dos

alunos sobre os modelos atômicos, tendo como linha norteadora a relação entre a

história e desenvolvimento técnico e científico e suas consequentes aplicações. Foi

desenvolvida uma pesquisa histórica sobre modelos atômicos, desde os tempos dos

gregos até o modelo padrão. Após situar-se historicamente o educando

realizouexperimentos visando a transposição didática,ou seja, a construção de

recursos didáticos para a abordagem do tema, utilizando como recursos de apoio a

biblioteca, o laboratório de informática e a TV multimídia.Como nem sempre é

possível realizar medidas e fazer experimentos em sala de aula utilizou-se o

laboratório de informática para realizar simulações além de pesquisas através da

internet.

identificar relações entre conhecimento científico, produção de tecnologia e condições de vida, no mundo de hoje e em sua evolução histórica, e compreender a tecnologia como meio para suprir as necessidades humanas, sabendo elaborar juízo sobre riscos e benefícios das práticas científicas-tecnológicas (PCNs, 1998a, p. 33).

Este artigo apresenta uma proposta que visa a introdução de tópicos de física

moderna no ensino médio, que pode ser trabalhado na primeira, segunda ou

terceira série, a partir de modelos atômicos.

2 Desenvolvimento

Para a realização do projeto utilizamos o caderno pedagógico que é uma das

estratégiasa ser utilizada para a implementação do projeto de intervenção

pedagógica na escola que faz parte do programa de desenvolvimento educacional

(PDE).O material didático-pedagógico desenvolvido tem uma abordagem centrada

na temática, modelos atômicos, com o objetivo de um aprofundamento teórico em

física moderna para os alunos de primeira, segunda e terceira série do ensino médio

e motivador para a aprendizagem. Também visa oferecer ao professor elementos

que permitam a reflexão e discussão de questões significativas em sala de aula.

Utilizamos os seguintes textos:

MODELO DE THOMSON

Para Joseph John Thomson (1856 -1940) o átomo não era maciço e sim

composto de uma massa positiva recheada de cargas negativas, modelo este

conhecido como “pudim de passas”.

Thomson realizou experimentos com o Tubo ou Ampola de Crookes, que o

levaram a concluir que os raios catódicos eram formados por partículas que

possuem carga negativa e provou que esses raios eram desviados mediante a

aplicação de um campo elétrico. A essas partículas negativas denominou elétrons,

e surgiu assim na história a ideia da existência de uma partícula subatômica, ou

seja, menor que o átomo.

Conseguiu relacionar a carga com a massa do elétron e determinou o valor

dessa relação:

O Tubo de Crookes é feito de vidro ou quartzo e dentro dele forma-se o

vácuo; contém duas placas metálicas ligadas a uma fonte de tensão elétrica; a placa

ligada ao pólo negativo é chamada de cátodo e a outra, ligada ao pólo positivo, é o

ânodo; quando a tensão entre o cátodo e o ânodo fica elevadíssima surge um feixe

luminoso que sai do cátodo e atravessa o tubo, daí o nome raios catódicos.

Observe o esquema a seguir:

http://www.quimica.seed.pr.gov.br/arquivos/File/seed_quim_e_book.pdf

(acesso em 03/07/2010)

MODELO DE RUTHERFORD

O modelo atômico proposto por Ernest Rutherford (1871 – 1937) era

semelhante ao sistema solar. O sol seria representado pelo núcleo formado pela

parte positiva e os planetas seriam os elétrons formados pela parte negativa,

girando em órbitas formando a eletrosfera, modelo esse que ficou conhecido como

modelo planetário.

http://www.quimica.seed.pr.gov.br/arquivos/File/seed_quim_e_book.pdf(acesso em 03/07/2010).

Em 1908 com o fenômeno da radioatividade, Rutherford realizou o seguinte

experimento: em uma caixa de chumbo contendo um metal, o polônio, que emitia

um feixe de partículas α(átomos de hélio duplamente ionizados, ou seja, dois

elétrons retirados), que atravessava folhas de ouro finíssimas.

http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/arquivos/File/livro_e_diretrizes/livro/fisica/seed_fis_e_book.pdf

(acesso em 06/07/2010)

Observou que a maior parte das partículas αatravessava o ouro, e apenas

uma pequena quantidade era rebatida. Admitiu que o ouro não fosse constituído de

átomos maciços e justapostos, ao contrário seriam formados por núcleos pequenos,

densos e positivos, dispersos em grandes espaços vazios. Esses espaços vazios

explicam por que a grande maioria das partículas αnão sofre desvios, entretanto

quando a partícula α passar próxima de um núcleo ela sofrerá um forte desvio, e se

a partícula αcolidir com o núcleo ela será repelida.

Em seu modelo surgiu a seguinte questão: se o núcleo atômico é formado por

partículas positivas, por que essas partículas não se repelem e o núcleo não

desmorona? Quem respondeu a essa dúvida foi James Chadwick quando

comprovou que o berílio radioativo emitia partículas sem carga elétrica e de massa

particularmente igual à dos prótons, confirmando assim a existência de uma terceira

partícula subatômica, o nêutron, que isolava os prótons, evitando assim repulsões

e em consequência o desmoronamento do núcleo.

MODELO DE BOHR

Em 1913, Niels Bohr, aperfeiçoou o modelo de Rutherford ao estudar

espectros de emissão de certas substâncias.Para melhor compreensão vamos ver o

que são radiações eletromagnéticas.

A radiação resulta da aceleração de cargas elétricas e campos elétricos e

magnéticos associados. A energia se propaga através do espaço envolvendo

campos elétricos e magnéticos que vibram em direções perpendiculares entre si e à

direção de propagação. No vácuo as ondas propagam-se com velocidade constante

e, se existir um meio material a propagação é mais lenta. Quando os diversos tipos

de ondas eletromagnéticas são ordenadas de acordo com a frequência ou seu

comprimento de onda o arranjo é chamado espectro eletromagnético.

http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/diadia/arquivos/File/livro_e_diretrizes/livro/fisica/seed_fis_e_book.pdf

(acesso em 06/07/2010)

No caso da decomposição da luz solar obtém-se um espectro chamado

espectro contínuo. Este é formado por ondas eletromagnéticas visíveis e invisíveis

(radiação ultravioleta e infravermelho). Na parte visível desse espectro não ocorre

distinção entre as diferentes cores, mas uma gradualpassagemde uma para outra.

O arco-íris é um exemplo de espectro contínuo onde a luz solar é decomposta pelas

gotas de água presentes na atmosfera. Como a cada onda eletromagnética está

associada certa quantidade de energia, a decomposição da luz branca produz

ondas eletromagnéticas com toda e qualquer quantidade de energia.No entanto, se

a luz que atravessar o prisma for de uma substância como hidrogênio, sódio, neônio

etc. será obtido um espectro descontínuo.

Os espectros de emissão ou de absorção podem apresentar-se de forma

contínua, quando o espectro é formado por uma sequência inteira sendo produzida

por sólidos ou líquidos incandescentes. Os espectros de vapores e gases

incandescentes são descontínuos, constituídos por riscas, coloridas no espectro

visível.

Para visualizar esses espectros consulte:

http://www.feiradeciencias.com.br

Max Planck desenvolveu um modelo matemático para a emissão de radiação

eletromagnética, que se ajustava aos dados experimentais. Para isso supôs que a

emissão de energia não era contínua e a radiação era emitida e absorvida em

pacotes de energia, denominados quanta.

A energia E poderia ter apenas certos valores discretos, em vez de qualquer

valor, e que os valores discretos da energia fossem uniformemente distribuídos, isto

é, ele tomou: E = 0, ΔE, 2ΔE, 3ΔE, 4ΔE,...como conjunto de valores possíveis da

energia. Onde ΔE é o intervalo constante entre valores possíveis de energia.

Como precisava primeiro resultado para valores baixos da frequênciaf, e o

segundo para valores grandes de f, eleprecisava fazer de ΔE uma função

crescentede f. Alguns cálculos mostraram que se poderia tomar a relação mais

simples possível entre ΔE ef com essa propriedade. As partículas emitem ou

absorvem os quanta saltando de um nível de energia para outro, se os saltos se dão

entre níveis muito próximos a quantidade de energia emitida é a diferença entre as

energias correspondentes. Ele supôs que essas grandezas fossem proporcionais,

escrito na forma de uma equação em vez de proporcionalidade:

ΔE = h. f

ondeΔE é a energia, h é a constante de proporcionalidade, f é frequência da

radiação .

Cálculos posteriores permitiram a Planck determinar o valor da constante,

obtendo o valor que se ajustava melhor sua teoria aos dados experimentais. O valor

por ele obtido estava bem próximo do valor 6,63 x 10-34 J.s ou 4,13 x 10-15eV.s.

Níveis de energia segundo Planck

3 h ∙ f n = 3

2 h ∙ f n = 2

Energia

h ∙ f n = 1

0n = 0

Bohr, utilizando-se da teoria da quantização de Planck, postulou o seguinte:

1 Um elétron em um átomo se move em uma órbita circular em torno do núcleo sob influência da atração coulombiana entre o elétron e o núcleo, obedecendo às leis da mecânica clássica. 2 Em vez da infinidade de órbitas que seriam possíveis segundo a mecânica clássica, um elétron só pode se mover em uma outra órbita na qual seu momento angular orbital L é um múltiplo inteiro de ħ (a constante de Planck divida por 2π). 3 Apesar de estar constantemente acelerado, um elétron que se move em uma dessas órbitas possíveis não emite radiação eletromagnética. Portanto sua energia total E permanece constante. 4 É emitida radiação eletromagnética se um elétron, que se move inicialmente sobre uma órbita de energia Ei, muda seu movimento descontinuamente de forma a se mover em uma órbita de energia total Ef. A freqüência da radiação emitida v é igual à quantidade (Ei - Ef) dividida pela constante de Planck. (EISBERG & RESNICK, 1988, p.138).

A partir desses postulados pode-se explicar a existência dos espectros de

emissão descontínuos. O modelo atômico de Bohr foi elaborado para o átomo de

hidrogênio, mas aplica-se com boa aproximação a todos os outros átomos. O átomo

de hidrogênio é o átomo mais simples que se conhece. Suponha que um tubo de

vidro seja preenchido de hidrogênio, e nas extremidades do tubo aplica-se uma

n- ∞

tensão suficiente para gerar uma corrente elétrica através do gás, observa-se que a

emissão de luz cuja cor é característica do hidrogênio. Analisando-se a luz emitida

num espectroscópio observa-se uma série de linhas discretas e bem definidas, cada

linha correspondendo a uma cor caracterizada por um comprimento de onda

específico. Essa série de raias espectrais, como são normalmente chamadas de

linhas, denomina-se espectro de emissão.

MODELO ATUAL DO ÁTOMO

O elétron se comporta às vezes como partícula, às vezes como onda

dependendo do tipo de experiência aplicada, por isso considera-se que o elétron

tenha um comportamento dual, partícula-onda. Em 1924, De Broglie tentou associar

a natureza dual da luz ao comportamento do elétron, enunciando o seguinte

postulado: a todo elétron em movimento está associada uma onda característica.

Outra consideração importante é o Princípio da incerteza de Heisenberg.

Quanto maior for a precisão na medida da posição de um elétron menor será a

precisão da medida de sua velocidade e vice-versa, ou seja, não é possível calcular

a posição e a velocidade de um elétron, num mesmo tempo.

Devido à dificuldade de se prever a posição exata de um elétron na

eletrosfera, Erwin Schrödinger calculou a região onde haveria maior probabilidade

de se encontrar o elétron. A essa região do espaço denominou orbital. Segundo o

modelo de orbitais, o elétron é uma partícula-onda que se desloca no espaço, mas

estará com maior probabilidade dentro de uma esfera (orbital) concêntrica no

núcleo. Devido a sua velocidade o elétron fica dentro de um orbital, semelhante a

uma nuvem eletrônica.

Modelo atômico atual

http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/diadia/arquivos/File/livro_e_diretrizes/livro/fisica/seed_fis_e_book.pdf

(acesso em 06/07/2010)

Na primeira série trabalhamos os assuntos: energia, impulso e quantidade de

movimento e Lei da Gravitação Universal, partindo da transição do modelo de

Thomson para o de Rutherford.Na segunda série do ensino médio realizamos

pesquisas sobre os modelos atômicos, átomo de hidrogênio para trabalharmos os

assuntos sobre óptica, espectro eletromagnético, natureza da luz (onda-partícula).

Na terceira série trabalhamos Lei de Coulomb, intensidade da corrente elétrica.

Todos os assuntos abordados, nas três séries sempre são iniciados a partir

de algum dos modelos atômicos,

3 Considerações finais

Este trabalho foi desenvolvido visando a interdisciplinaridade e possibilitou a

articulação com outras disciplinas como filosofia, língua portuguesa, história

matemática e em especial com a química. Possibilitou acontextualização no ensino

da física e se pretendeu a realização do projeto com os alunos que a partir de

pesquisas e discussões, de simulações e construções, deduzir e explicar leis físicas,

que são encontradas em outros fenômenos, porque se as informações sobre

ciências fossem perdidas e só restasse o modelo atômico seriam recuperadas a

partir dele.

4. Referências

ABBAGNANO, N. Dicionário de filosofia. São Paulo: Martins Fontes, 2007.

BRAGA, M.; et al. Breve história da ciência moderna. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editora, 2004. Volume 5. EISBERG, R; RESNICK, R.Física quântica. Rio de Janeiro: Campus, 1988.

FEYNMAN, R. P. Física em seis lições. 8ª ed. Rio de Janeiro: Ediouro, 2004.

HAZEN, R. M; TREFIL, J. Saber ciência. São Paulo: Editora Cultura, 2005.

MEC. Parâmetros Curriculares Nacionais – Ensino Médio, Parte III, Ciências da Natureza. Brasil, 1996.

MORA, J.F. Dicionário de filosofia. São Paulo: Edições Loyola, 2004.

PENTEADO, Paulo Cesar M. Física – ciência e tecnologia. São Paulo: Moderna,

2005.

ROCHA, J. F. M. Origens e evolução das idéias da física. Salvador: EDUFB, 2002. SEED/PR. Diretrizes Curriculares da Educação Básica para o Ensino de Física. Curitiba 2008. SEED. Física no ensino médio. Disponívelem<http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br>. Acesso em jul. 2010.

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