UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO– UNIVASF

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E INOVAÇÃO TECNOLÓGICA

SEQUÊNCIA DIDÁTICA POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVA SOBRE

O EFEITO FOTOELÉTRICO

Murilo Oliveira da Silva

Orientador:Dr. Télio Nobre Leite

Juazeiro- Ba

Outubro de 2017

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Sumário

INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 4

1 CAPÍTULO I .......................................................................................................... 9

ORIENTAÇÕES PEDAGÓGICAS PARA O PROFESSOR .......................................... 9

2 CAPÍTULO II ....................................................................................................... 12

UM POUCO DE FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA ..................................... 12

3 CAPÍTULO III ...................................................................................................... 19

EFEITO FOTOELÉTRICO E SEUS ASPECTOS HISTÓRICOS ................................ 19

4 CAPÍTULO IV...................................................................................................... 23

A SEQUÊNCIA DIDÁTICA ......................................................................................... 23

4.1 Aula I: Apresentação da proposta, discussão sobre o conceito de quantização da energia e o princípio de De Broglie. ................................................................... 28

4.2 Aula 2: Discussão sobre a Mecânica Quântica e o efeito fotoelétrico e suas aplicações. ............................................................................................................. 30

4.3 Aula 3: Realização de experimentos propostos pelo docente em sala de aula e aplicação do questionário final. ............................................................................ 32

5 LINKS UTILIZADOS............................................................................................ 34

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 35

7 APÊNDICE ......................................................................................................... 41

7.1 Apêndice A-Questionário .............................................................................. 41

8 ANEXO ............................................................................................................... 43

8.1 Anexo 1- Fotos das apresentações Experimentos apresentados .................. 43

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APRESENTAÇÃO

Este trabalho objetiva a busca da discussão e de contribuições sobre alguns

conceitos básicos da física quântica, em particular sobre o efeito fotoelétrico, com a

utilização potencialmente de uma Sequência Didática (SD) com o intuito de que seja

posteriormente uma ferramenta fundamental entre professores do Ensino Médio. Sua

construção está relacionada com as experiências em sala de aula do seu autor, que

atua como professor de física da educação básica há 14 anos, buscando a todo

instante organizar estratégias que proporcione um ensino de física mais agradável,

contextualizado e harmonioso.Este Produto Educacional se divide em 5 partes:

A introdução onde relata sobre o panorama e a importância de integrar tópicos

de FMC na educação básica, além de discutir sobre as dificuldades de se ensinar tais

conceitos em sala de aula.

No Capítulo 1 discutiu-se sobre a importância das ideias defendidas por Lev

Vygotsky na atividade pedagógica, destacando considerações sobre sua teoria sócio

interacionista que propicia no desenvolvimento de ideias e estratégias para

fundamentar a SD e posteriormente promover durante a aplicação da mesma o

processo de ensino-aprendizagem.

O capítulo 2 é dedicado um pouco sobre a Física Moderna e contemporânea,

destacando alguns conceitos fundamentais, que é importante para que se tenha a

base conceitual na construção da SD.

O capítulo 3 destacou-se o efeito fotoelétrico e sua importância para o

desenvolvimento da FMC, onde serão discutidos interpretações fundamentais que

revelam a natureza corpuscular da luz e pressupostos referentes a quantização da

radiação. Esse capítulo é fundamental para que o professor pesquisador tenha uma

base conceitual sólido referente ao tema principal abordado na SD que é o Efeito

Fotoelétrico.

No capítulo 4 apresentou-se a SD para ser aplicada no Ensino Médio pelos

professores de física. Aqui, apresenta-se sugestões para aplicação desse produto em

sala de aula, discutindo-se cada uma das etapas.

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INTRODUÇÃO

O ensino de tópicos da FMC é um desafio para os professores de Física da

educação básica e em particular em escolas da rede pública, com isso, não é

desconhecido que a não programação de tais tópicos pode constituir em um problema

para a sociedade em questão, pois a FMC é a Física do final do século XIX e do

século atual, e seu entendimento pode melhorar a formação do cidadão. Essa

afirmativa é procedente porque a FMC descreve os fenômenos físicos atuais os quais,

em geral, servem de substrato das tecnologias desenvolvidas no mundo de hoje.

Sendo assim, o cidadão deve aprendê-la para ter um melhor entendimento no

universo que o rodeia.

Uma grande questão a ser enfrentada também, está no fato de que nas

escolas do Brasil, a carga horária na disciplina de Física é insuficiente. Ou seja, a

condição do estudo de Física Clássica e da FMC, dentro da mesma programação de

três anos no ensino médio, talvez seja o problema mais difícil a ser enfrentado, de

modo a garantir a aceitação e, consequentemente, as chances de sucesso da

reformulação do currículo.

Ademais, é oportuno um estudo que verifique como questões ligadas ao

desenvolvimento da teoria e a seus fundamentos podem ser aproveitadas no ensino

da FMC ao nível médio. Uma tarefa que passa pela formação do professor de Física.

Isto implica que o professor deve fazer um processo de seleção dos conteúdos

de FMC adequados ao tratamento na Física do ensino médio; e que o professor deve

se basear no equilíbrio entre as necessidades que a própria ciência Física impõe,

para que haja a consistência na apresentação dos tópicos e para que privilegie leis

gerias e conceitos fundamentais.

É importante que o professor perceba que pode ser possível inserir conteúdos

de FMC paralelamente à Física Clássica. Num trabalho produzido por Ostermann e

Ricci (2004), é relatado que o professor deve introduzir a Mecânica Quântica de

maneira fortemente correlacionada com a Física Clássica, seja em seus fundamentos

e pressupostos mais básicos, seja em sua história.

Mas ensinar mecânica quântica não é uma tarefa fácil. Os conceitos advindos

deste campo do conhecimento não são nada intuitivos, não encontrando, em geral,

análogos clássicos (MAIA, 2016).

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Com isso o professor deve estar preparado para lidar com tais conteúdos em

sala de aula.

Para Coelho (1995), o ensino da FMC é bastante animador no que diz respeito

à receptividade dos alunos e à ressonância produzida pelo estudo da Mecânica

Quântica (MQ). Seu estudo sugere que as dificuldades encontradas pelos estudantes

não ficam distantes dos problemas detectados com a aprendizagem da Física

Clássica, o que não deixa de ser um aceno favorável à proposta de inserção da MQ

no ensino médio (COELHO, 1995).

Ademais, é importante que o professor desenvolva atividades científico-

pedagógicas que estimulem a curiosidade inata dos alunos tornando para eles o

estudo da Física prazeroso e gratificante, como ele é de fato.

Segundo Robert Resnick (apud CAVALCANTE, 1999, pg. 08), para ensinar

tópicos de FMC no ensino médio, o professor de Física deve levar em conta certos

detalhes que são bastante importantes para o desempenho e aprendizagem do aluno,

são eles:

(i) O professor deve ter uma visão geral, ou seja, se pretende ensinar tais

conteúdos deve “estar mais modesto na abordagem clássica”, desconsiderando, por

exemplo, casos mais específicos com tratamentos extremamente longos e que

demandam muito tempo para soluções.

(ii) Espalhar ao longo do curso os temas de FMC que podem ser tratados

paralelamente com conceitos que estão sendo adquiridos em uma concepção

clássica. Por exemplo, no estudo de colisões podem-se tratar questões associadas à

descoberta de Partículas Elementares através de trajetórias registradas em uma

câmara de nuvens, aplicando leis de conservação de energia e movimento.

(iii) Alargamento produzido através de uma maior compreensão da

importância da Ciência no mundo. Neste caso maior relevância aos aspectos

históricos de evolução do pensamento científico.

Por isso, a influência crescente dos conteúdos de FMC para o entendimento

do mundo criado pelo ser humano atual define, por si só, a necessidade de se debater

e estabelecer as formas de abordar tais conteúdos na escola média (TERRAZZAN,

1995).

Assim, sobre a viabilidade da inclusão da FMC no ensino médio, Terrazan

argumenta com a história. Ele alerta para a recorrente defasagem entre os

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desenvolvimentos da pesquisa em Física e a transformação desses conhecimentos

em saber escolar e lembra que o “princípio da conservação da energia”, estabelecido

em meados do século XIX e hoje tão bem assentado na Física escolar, só ganhou

esse status décadas depois de seu estabelecimento. Se feita uma comparação com

os conteúdos da FMC, notaremos que já se passaram mais de 70 anos desde que a

chamada nova Teoria Quântica tivesse sido formalizada e assumida como referência

pela comunidade dos físicos. Nas palavras de Terrazan, “talvez já fosse tempo de

liberar a FMC para menores de dezoito anos!” (TERRAZZAN, 1995, pg. 212).

Ao advogar a favor da FMC na escola média, não foi esquecido, por Terrazan

(TERRAZZAN, 1995, pg. 212), o combate a um argumento destrutivo: o pré-requisito.

A necessidade da existência desse elemento didático não é, em momento nenhum,

negado por ele, que questiona, entretanto, “quantos e quais” devem permear a

programação curricular da escola média. Ele defende que, quando necessários,

esses pré-requisitos serão poucos e não definirão a ordem dos conteúdos. Para

basear seu ponto de vista, o autor recorre, entre outros argumentos, à elaboração da

própria Física. Ele ressalta que alguns campos na Física foram desenvolvidos, como

demonstra a História da Ciência, de forma isolada e independente. São, entretanto,

apresentados nos manuais, e, consequentemente, nas aulas de Física, como

interdependentes, e tratados como elos numerados de uma cadeia. Este tratamento

leva à adoção de pré-requisitos dispensáveis por parte dos que cuidam dos

conteúdos escolares da Física na escola média.

Preocupado com esta temática e, envolvidos diretamente no debate sobre

ensino de física para alunos da educação básica, foi proposto a elaboração de uma

SD que objetiva novas maneiras e alternativas de explorar conceitos básicos de MQ,

em particular o efeito fotoelétrico (EF).

Através de diversas discussões, explorou-se o EF como ponto central para as

inquietações e motivações, realizando nosso trabalho, mediando alguns conceitos da

Mecânica Quântica, como:

i- O Efeito fotoelétrico é um fenômeno primordialmente quântico e, para tanto,

não pode ser interpretado de acordo com as leis da física clássica;

ii- Pelo fato do EF possuir uma independência direta com a intensidade da

radiação e a existência de uma frequência limiar, onde abaixo da qual ele não

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acontece, necessitando de uma investigação e revisão mais aprofundada em

detrimento da natureza da radiação ou da matéria;

iii- É um evento que excepcionalmente, descreve a física do descontínuo. Onde

de acordo com Bachelard (1978, pg.183 Apud MAIA, 2016, pg. 4), “antes do

descobrimento do efeito fotoelétrico, a física da luz não comportava nenhuma

experiência sobre descontinuidade efetiva”. Assim, o “quantum de energia” da

radiação proposto por Albert Einstein em 1905 promove a descontinuidade da

física da luz.

iv- Constitui uma hipótese, para a pesquisa que aplicou esta SD, que é

possível articular o efeito fotoelétrico, enquanto mediador simbólico, e

considerando as interpretações de Albert Einstein, para o ensino de conceitos

de mecânica quântica.

Por tanto, nesse trabalho, elaborou-se uma SD com o intuito de promover

discussões acerca de conceitos fundamentais para a Mecânica Quântica, em

particular para o Efeito Fotoelétrico, como: discussão sobre a natureza da luz

(Dualidade Onda-partícula), conceito de quantização da radiação e da matéria;

conceito de energia, fóton, quantum, efeitos fotocondutivo e fotovoltaico;

A SD foi realizada em 5 aulas de 45 minutos cada e teve a participação efetiva

de 58 alunos de três turmas dos turnos matutino e vespertino, no Colégio Estadual

Governador Antonio Carlos Magalhães, localizado na cidade de Várzea da Roça-

Bahia.

Vale lembrar que antes da aplicação da SD, o professor solicitou uma pesquisa

dos alunos envolvidos, com o intuito de obter o uma base conceitual suficiente para a

aplicação da pesquisa em sala de aula.

Além disso, o questionário foi aplicado tanto no pré-teste quanto no teste final

de forma individualizada, sem a utilização de qualquer material ou pesquisa na

internet e apoio de colegas e do próprio professor responsável pela pesquisa. Vale

frisar também que não foi avisado que o questionário seria aplicado novamente.

Ressalta-se que a abordagem sugerida nessa Sequência Didática, servirá

como sugestão para outros docentes da educação básica que queiram desenvolver

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atividades de ensino de conceitos de Mecânica Quântica, preferencialmente o efeito

fotoelétrico no Ensino Médio.

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1 CAPÍTULO I ORIENTAÇÕES PEDAGÓGICAS PARA O PROFESSOR

Quando ensinamos física na sala de aula, devemos buscar que os alunos

aprendam conceitos, entre outras coisas.De acordo com as ideias defendidas por Lev

Vygotsky, encontramos um alicerce teórico para o processo de formação de conceitos

que consideramos adequados para a construção dessa Sequência Didática,

principalmente pelo seu propósito de que esse processo é mediado.

Para tanto, na abordagem sócio-interacionista, defendida por Vygotsky tem

como argumento de que o desenvolvimento dos sujeitos não pode ser entendido sem

ligação ao contexto social e cultural em que ocorre. Pode-se dizer que esse constitui o

pressuposto básico assumido por Vygotsky.

Sendo assim, uma proposta pedagógica, pensada a partir de Vygotsky, deve

assumir que os sujeitos envolvidos no processo ensino-aprendizagem aprendem

mediados pelos outros sujeitos e pelo material simbólico disponível (MAIA, 2016).

Isso compreende dentro da perspectiva Vygotskyana, o que conhecemos como

mediação social e mediação simbólica. A mediação social é determinada pela

interação entre discente-docente, bem como entre discente-discente. A mediação

simbólica, às vezes referida como mediação semiótica, compreende a mediação por

signos. A palavra, diz Vygotsky (1998), é o principal elemento na mediação simbólica

e tem, em princípio, um destacado papel na formação de conceitos. Nesta SD, textos,

vídeos, experimentos demonstrativos e simulações, tornam-se os principais

elementos da mediação simbólica.

Quando nos referimos em aprendizado, do ponto de vista Vygotskyano,

enfocamos na aprendizagem de conceitos. E, em Vygotsky, o aprendizado é

resultado de processos de mediação social (na interação dos segmentos

educacionais que compõe a escola como um todo) e mediação simbólica que permite

a relação homem/mundo.

De acordo com Abbagnano (1998, pg.164), o termo conceito pode ser

entendido como:

[...] todo processo que torne possível a descrição, a classificação e a previsão dos objetos cognoscíveis. Assim entendido, esse termo tem significado generalíssimo e pode incluir qualquer espécie de sinal ou procedimento semântico, seja qual for o objeto a que se refere abstrato ou concreto, próximo ou distante, universal ou individual.

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Descrevendo de uma forma geral, o significado de “conceito”, compreende três

aspectos fundamentais, que designa um conceito científico: capacidade de descrição,

capacidade generalização e capacidade de prever eventos e resultados. A

generalização é um dos aspectos que, segundo Vygotsky, evidencia um conceito

científico.

Segundo o próprio Vygotsky (1998, pg.104):

[...] um conceito é algo mais do que uma de certas ligações associativas formadas pela memória, é mais do que um simples hábito mental; é um complexo e genuíno ato de pensamento, que não pode ser ensinado pelo constante repisar, antes pelo contrário, só pode ser realizado quando o próprio desenvolvimento mental da criança tiver atingido o nível necessário.

Nessa perspectiva, as alternativas e métodos de ensino que busque uma

formação de conceitos no aluno devem produzir condições para que ele desenvolva

significados em sua própria estrutura cognitiva, viabilizando a conscientização do

discente sobre a que se refere os conceitos e seus sentidos, produzidos

especialmente a partir do contexto da sala de aula, onde pode-se considerar o

ambiente socialmente propício para o processo de ensino-aprendizagem de conceitos

científicos.

Para Vygotsky, o processo avaliativo deve levar em conta a mobilização de

sentidos sobre os conceitos, tornando importante a ideia de Zona de Desenvolvimento

Proximal (ZDP). De acordo com Vygotsky (apud MOREIRA, 2011, pg.114), a ZDP é

definida como:

[...] a distância entre o nível de desenvolvimento cognitivo real do indivíduo, tal como medido por sua capacidade de resolver problemas independentemente, e o seu nível de desenvolvimento potencial, tal como medido por meio da solução de problemas sob a orientação (de um adulto, no caso de uma criança) ou em colaboração com companheiros mais capazes.

Sendo assim, poderia entender-se que a ZDP compreende vários sentidos

sobre um conceito como efeito da interação com outro sujeito do processo de ensino-

aprendizagem. Nesse caso, poderíamos pensar no seguinte exemplo: quais são os

sentidos internalizados pelo aluno sobre o conceito de fóton a partir da leitura

individual de um texto, a região, da ZDP, que retrata da aprendizagem sozinho do

aluno, e quais são, caso existam, os outros sentidos que aparecem quando ele

interage com o colega ou com o professor (região, da ZDP, da aprendizagem

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mediada por outro e que o aluno não pode alcançar sozinho). A diferença entre as

duas regiões compreende a Zona de Desenvolvimento Proximal (MAIA, 2016).

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2 CAPÍTULO II UM POUCO DE FÍSICA MODERNA E CONTEMPORÂNEA A Física Moderna e Contemporânea (FMC) é entendida como uma denominação

na Física que tem início a partir dos eventos que culminaram com a descoberta do

elétron, dos raios-x e da radioatividade, no final do século XIX.

A descoberta dessa “Nova Física”, com a sua nova conceituação sobre a

matéria e os seus intrigantes postulados, gerou debates não só no campo das

Ciências Exatas, mas também no da Filosofia, provocando assim uma grande

revolução intelectual no século XX.

Além disso, a Física Moderna e Contemporânea estuda o comportamento da

matéria na escala microscópica: é a Física dos componentes da matéria, átomos,

moléculas e núcleos, que por sua vez são compostos pelas Partículas Elementares;

bem como estuda os sistemas físicos na escala das altas velocidades: é a Física dos

sistemas com velocidades próximas à velocidade da luz.

Uma das relevâncias da FMC está no fato de que sem ela, não poderíamos

conhecer inúmeros objetos com os quais lidamos corriqueiramente hoje em dia,

principalmente na área da eletrônica. Foram desenvolvidos muitos itens como:

transistores, diodos, dentre outros, que contribuem para o avanço tecnológico dos

aparelhos eletrônicos, como o aparelho de CD, o controle remoto de nossos

televisores, os aparelhos de ressonância magnética em hospitais ou até mesmo o

microcomputador, além de outros novos dispositivos usados na maioria dos

equipamentos eletrônicos, etc.

Ao final do século XIX, a Física Clássica, era tão importante que cientistas de destaque, como Lord Kelvin,

chegaram a acreditar que a Física estava quase concluída, restando apenas alguns pequenos problemas a serem resolvidos. Lord Kelvin afirmava, então, que a Física era um céu azul, com pequenas nuvens (problemas ainda não resolvidos) no horizonte. Hoje costumamos dizer ironizando, que as nuvens cresceram e se transformaram em verdadeiros temporais. O primeiro deles, associado ao surgimento da Teoria da Relatividade. O segundo durou os 25 primeiros anos do nosso século e constitui a Física Quântica. (FREIRE Jr, pg. 22).

Com os trabalhos de Michael Faraday e James Clerk Maxwell, no século XIX

sobre o Eletromagnetismo, a até então sólida concepção científica mecanicista sofreu

um primeiro grande abalo: era possível que existisse uma forma de realidade

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independente da matéria, redutível a componentes básicos - o campo eletromagnético

(TORT, 2004, pg. 281).

Nessa mesma linha de ruptura, a descoberta dos quanta de energia, por Max

Planck, em 1900, fez com que a visão de mundo, na Física, começasse a se

transformar radicalmente, atraindo a atenção dos cientistas. Essa atenção foi

considerável, pois um dos grandes problemas daquela época versava sobre a

radiação de cavidade, um problema muito popular entre especialistas, pois tratava da

interação entre a matéria e a radiação, tendo uma denominação técnica de problema

do “corpo negro”. O problema vinha sendo atacado tanto pela Física Teórica, quanto

pela Física Experimental, com o desenvolvimento de mediadores bastante

sofisticados de intensidade de radiação (FREIRE Jr, 1997).

Planck concebeu o princípio que consistia em estabelecer uma séria limitação ao

movimento dos osciladores elementares. Segundo ele esses são osciladores que não

poderiam vibrar com qualquer energia, mas apenas com algumas poucas energias

permitidas, cujos valores seriam múltiplos inteiro de um valor mínimo fundamental,

denominado quantum de energia. Esse mínimo fundamental seria determinado pela

freqüência natural de oscilação do oscilador.

Assim, um oscilador não poderia vibrar com qualquer energia, mas discretas

quantidades de energias permitidas, múltiplas inteiras do quantum de energia. Em

suma, Planck postulou que a energia dos osciladores é uma variável discreta, ou seja,

como se passou a dizer então, a energia dos osciladores é uma grandeza quantizada.

Abaixo está a figura 01, que demonstra a distribuição de radiação térmica quântica e

a clássica.

Figura 01: Distribuição Quântica e Clássica.

Fonte: EISBERG, RESNICK, 1979

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De acordo com a figura acima, percebeu-se que com o desenvolvimento da

Mecânica Quântica, ficou claro que essa quantização era fenômeno recorrente e

inerente a sistemas quânticos.

Além disso, Einstein também propôs uma ideia revolucionária: a quantização do

campo eletromagnético, da radiação eletromagnética. De acordo com a

Eletrodinâmica Clássica de Maxwell, uma onda eletromagnética é contínua no tempo

e no espaço e sua intensidade é determinada pela amplitude do seu campo elétrico,

como mostrada na figura 02 abaixo.

Figura 02: Onda eletromagnética.

Fonte:http://www.infoescola.com/fisica/ondas-eletromagneticas.acesso em:07/07/2017

Ora, “um quantum de energia localizado em um ponto do espaço, que se move

sem se dividir e que somente pode ser absorvido ou gerado como uma unidade

integral” corresponde muito mais ao conceito de uma partícula em movimento do que

ao de uma onda que se propaga. Tais “partículas de luz” foram chamadas de “fótons”.

Einstein estabeleceu que a energia de um fóton vale o produto da constante de

Planck pela frequência (DIONÍSIO, 2004 pg. 160), como demonstra a figura 03.

Figura 03: Ilustração do Efeito fotoelétrico.

Fonte: http://sites.ifi.unicamp.br/lfmoderna/conteudos/efeito-fotoeletrico/

Acesso em: 04/10/2017

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Sendo assim, temos:

hE , [1]

onde:

E= energia de um fóton;

h = Constante de Planck;

= Freqüência.

Para avaliar o significado da inovação conceitual formulada por Einstein, ele

estava propondo que os fenômenos luminosos, os quais durante o século XIX, eram

descritos como fenômenos ondulatórios (reflexão, refração, difração, interferência e

polarização da luz), poderiam ser considerados como compostos de pequenas

partículas, ou grãos, de energia eletromagnética (FREIRE Jr, 1997).

Einstein retomava ideias que haviam sido propostas por Newton, isso é, utilizava

e defendia o caráter corpuscular da luz, ou seja, que a luz seria uma partícula e não

uma onda.

Assim, a Mecânica Quântica surgida dos trabalhos de Max Planck e Einstein,

mudou a visão que se tinha da energia, como grandeza capaz de assumir qualquer

valor ("espectro contínuo").

Do trabalho de Planck, admitindo a quantização da energia do oscilador

harmônico, pôde Einstein estabelecer que a energia na verdade se propaga no

espaço na forma de "pacotes", os chamados quanta. Albert Einstein utilizou a

hipótese de Planck de que “tudo se comporta como se” a troca de energia entre a

radiação e o corpo negro ocorresse através dos quanta para explicar o efeito

fotoelétrico.

Os quanta se caracteriza pela ejeção de elétrons de uma superfície metálica

devido à incidência de radiação sobre ela. Foi observado por Philip Lenard em 1902

que a energia cinética máxima dos elétrons não depende da intensidade da radiação

incidente.

Com isso o espectro da radiação em interação com a matéria é explicado pela

quantização dos níveis de energia de um oscilador. Percebendo que a onda

eletromagnética também é quantizada, o quantum da interação eletromagnética é

chamado fóton, onde esse possui momento e energia, mas sua massa é nula.

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Dando prosseguimento aos trabalhos de Planck e Einstein, Niels Bohr criou um

modelo atômico no qual os elétrons ligados ao núcleo só poderiam se apresentar em

determinados estados quantizados de energia. Com esse modelo, Bohr conseguiu

deduzir teoricamente as freqüências emitidas pelo átomo de hidrogênio, o que deu

grande crédito à sua teoria.

Bohr utilizou, principalmente, as ideias de Ernest Rutherford (que no início do

século XX, fez o clássico experimento do bombardeamento de uma folha de ouro), em

que a partir da análise da experiência, sugere que os átomos seriam constituídos de

uma nuvem de elétrons carregados negativamente que circundavam um núcleo

atômico denso, pequeno e carregado positivamente, em todas as órbitas possíveis

para o tamanho do átomo, como está descrito na figura 04.

Figura 04: Ilustração do Átomo de Bohr.

Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/376952/

Acesso em: 04/10/2017

A partir dessa descrição, foi induzido uma concepção de um modelo planetário

para o átomo, com elétrons orbitando ao redor do “núcleo-sol”. Porém, um sério

problema desse modelo é a perda de energia dos elétrons por radiação, pois segundo

a Física Clássica, quando uma partícula carregada eletricamente é acelerada emite

radiações eletromagnéticas que têm energia.

Assim, ao orbitar em torno do núcleo atômico, o elétron deveria gradativamente

emitir radiações e cada vez mais aproximar-se do núcleo, em uma órbita espiralada,

até finalmente chocar-se com ele.

Como o “colapso” atômico da forma descrita anteriormente não acontece, o

físico dinamarquês Niels Bohr, propôs as seguintes idéias-chave (EISBERG,1999):

17

Os elétrons que circundam o núcleo atômico existem em órbitas que têm

níveis de energia quantizados;

As leis da Mecânica clássica não valem quando o elétron salta de uma órbita a

outra;

Quando ocorre o salto de um elétron entre órbitas, a diferença de energia é

emitida (ou suprimida) por um simples quantum de luz (também chamado de fóton),

que tem energia exatamente igual à diferença de energia entre as órbitas em questão;

As órbitas permitidas dependem de valores quantizados (discretos) de

momento angular orbital, L, de acordo com a equação

[2]

onde n = 1, 2, 3, ... é chamado de número quântico principal e ℏ é a constante de

Planck reduzida (ℏ=ℎ

2𝜋).

Com isso, o modelo do átomo de Bohr (Figura 04), explica bem o

comportamento do átomo de hidrogênio e do átomo de hélio ionizado, mas foi

insuficiente para explicar átomos com mais de um elétron.

Por volta de 1920, a Física Moderna progrediu muito, pois foi estabelecida uma

nova compreensão da estrutura da matéria, com o desenvolvimento da Mecânica

Quântica, através dos trabalhos de Niels Bohr, Louis De Broglie, Werner Heisenberg,

Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger e outros que descobriram certas propriedades

quânticas dos elementos atômicos, entre outras propriedades da matéria.

Em 1924 Louis de Broglie, propôs o comportamento dual dos sistemas físicos

denominados ‘matéria’, no domínio microscópico, dando passos importantes em

direção ao desenvolvimento da Mecânica Quântica.

Assim ele estabeleceu que a dualidade onda-matéria deveria ocorrer com o

fóton, bem como com as partículas de matéria, como o elétron (ROSA, 2004, pg. 3).

Desta vez, a inspiração não veio de algum fenômeno inexplicado ou experimento

a ser interpretado. De Broglie baseou sua proposta em uma concepção um tanto

filosófica, um tanto poética a respeito da natureza, mas bastante freqüente entre os

físicos: a ideia de que a natureza deve ser simétrica. Ora, estava claro que um raio de

,

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luz, um ente físico cujo caráter ondulatório estivera por tanto tempo bem estabelecido,

apresentava-se, de fato, com um aspecto dual, tendo uma partícula, a ele associada;

assim, tal dualidade deveria ocorrer em relação à matéria, cujo caráter corpuscular

por tanto tempo estabelecido, deveria ter o seu contraponto ondulatório, uma onda

associada à matéria (ROSA, 2004, pg. 173).

Em 1927, Werner Heisenberg formulou originalmente o princípio da incerteza,

que impõe uma limitação à precisão, na medida simultânea de duas grandezas

complementares que são representadas por operadores não-comutativos, como, por

exemplo, a posição e o momento de um elétron. O princípio introduziu nessas

medidas uma incerteza da ordem do quantum de ação (h), expressa pela relação

matemática:

pq h/4 [3]

Onde:

p = momento;

q = posição;

Heisenberg, ao propor essa limitação, descreveu um aspecto da natureza que

nada tem a ver com as possíveis deficiências dos aparelhos de medida, como poderia

parecer em um primeiro momento. Por outro lado, ao afetar com uma indeterminação

as medidas simultâneas de p e q, o princípio da incerteza, segundo Heisenberg,

explicita uma limitação imposta pela natureza e amplificada no mundo microscópico,

que impede a observação simultânea dessas grandezas com uma precisão máxima.

Na prática, ocorre uma interação sem controle entre o objeto e o arranjo

experimental, envolvendo inevitavelmente uma troca de energia ou quantum de

energia, que altera o sistema de uma forma que, ao se tentar medir, por exemplo, a

coordenada espacial de um elétron, “ocorrerá uma troca de momento entre o elétron e

o instrumento de medida, que será tão maior quanto mais exata for a medida da

posição que se procura obter” (BOHR, 1995, pg.7).

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3 CAPÍTULO III EFEITO FOTOELÉTRICO E SEUS ASPECTOS HISTÓRICOS

Neste capítulo, discutiremos um pouco sobre o efeito fotoelétrico, por conta de

ser o principal tema proposto para a construção da sequência didática.

O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons por um metal em virtude

da incidência de luz sobre o mesmo. Tal efeito foi observado pela primeira vez por

Heinrich Hertz em 1887. O curioso é que Hertz buscava comprovar as previsões da

teoria eletromagnética de James C. Maxwell, para o qual a luz é uma onda. Os

desdobramentos desse fato mostrariam que o pressuposto de que a luz é um

corpúsculo também é apropriado para algumas situações (EISBERG, 1979).

Em 1900, um dos estudantes de Hertz, Phillip Lenard, construiu um aparelho,

cuja representação esquemática se mostra na Figura 05, que permite observar e

caracterizar o EF.

Figura 05. Aparato do Efeito Fotoelétrico. Fonte:http://www.ifi.unicamp.br/~fauth/1OrigensMecanicaQuantica/1Oquantumdeluz/Oquantumd

eluz.html. Acesso em: 04/10/2017

Ele consiste de dois eletrodos em um tubo onde se faz vácuo. A diferença de

potencial, V, entre os eletrodos pode ser controlada convenientemente, e a corrente i

varia de acordo com V, com a intensidade da luz e com a frequência da luz incidente

sobre um dos eletrodos, mas a energia dos elétrons não depende da intensidade da

luz.

As conclusões de Phillip Lenard mostraram profundos desacordos com o

eletromagnetismo clássico de Maxwell, por conta das limitações da física clássica,

como podemos descrever alguns detalhes dessa situação no quadro abaixo:

20

Quadro 1. Observações experimentais relacionadas ao efeito fotoelétrico e comentários.

Fonte: MAIA (2016, pg.14).

Foi diante dessas observações experimentais que o físico alemão Albert

Einstein propôs uma explicação para o Efeito Fotoelétrico que retomava uma

especulação antiga, referente as ideias de Isaac Newton sobre a natureza da luz: a

luz como partícula.

No ano de 1905, Einstein revelou que a Interpretação bastante simples dos

resultados de Lennard: a energia radiante está quantizada em pacotes concentrados

ou quanta de luz de energia,chamados fótons, onde a energia de um fóton está

representada na equação 1.

1. A corrente “i” é diretamente

proporcional à intensidade

luminosa. Se a intensidade dobrar,

a corrente também dobrará de

valor (KNIGHT, 2009).

Essa conclusão não é conflituosa com a Física Clássica, a

intensidade de uma onda eletromagnética propagando-se no vácuo é

dada por I=(1/2)ε0Emáx2(onde E corresponde a intensidade do campo

elétrico). Quanto maior for a intensidade da onda maior será a

energia transportada por ela. Isso significa que aumentar a

intensidade da onda, implica em aumentar o módulo do campo,

possibilitando que mais elétrons fossem excitados, culminando com

o aumento da corrente elétrica.

2. Dentro da precisão experimental

de que se dispunha, não parecia

haver um intervalo de tempo

considerável entre a chegada da

luz ao metal e a ejeção dos

fotoelétrons. A ejeção é

instantânea.

Essa evidencia empírica, associada ao EF, não encontra

ressonância na Física Clássica para a qual a energia transportada

pela onda eletromagnética se distribui por certa quantidade de

elétrons livres no metal, sendo necessário um intervalo de tempo

considerável até que um elétron acumulasse energia suficiente para

escapar da superfície do metal. Hoje sabemos que, embora o efeito

não seja instantâneo, o intervalo de tempo estimado é bem pequeno

(algo em torno de 1𝑛𝑠). Além disso, o intervalo de tempo não pode

ser nulo, pois isso viola o Princípio de Incerteza de Heisenberg

(Δ𝐸.Δ𝑡≥ℎ/2𝜋), do qual falaremos noutro momento.

3. Abaixo de certo valor de

frequência nenhuma corrente era

detectada, indicado que nenhum

elétron era ejetado do eletrodo.

Esse ponto era extremamente crítico e conflituoso com a Física

Clássica. Como já foi dito a energia de uma onda eletromagnética

não depende da frequência da onda e sim da amplitude do campo

elétrico oscilante. Como explicar esse resultado, uma vez que no EF

não se dá para certas frequências e a energia dos elétrons ejetados

é independente da intensidade da luz incidente?

4. Para um dado metal do eletrodo,

existe um potencial de corte que é

o mesmo para todos os valores de

intensidade da luz incidente, mas

depende proporcionalmente da

frequência da luz.

O potencial de corte não depende da intensidade da luz. Portanto,

não iluminar o material com iluminações mais fracas ou mais

intensas implicam no mesmo potencial de corte. No entanto, ele

passa depender diretamente da frequência da radiação incidente.

Essa foi a previsão de Einstein, a ser testada por Milikan, obtendo

valores da tensão de corte em função da frequência e, como

consequência, determinando o valor experimental de h.

21

Com base nas ideias sobre a quantização da energia, Einstein destacou as

incoerências em relação as leis da Física Clássica, quando a intenção era de buscar

uma explicação para o Efeito Fotoelétrico. Enunciando os três postulados sobre as

interações da matéria e o quanta de luz:

1- A luz de frequência 𝑣 representa a energia E de um fóton ou quanta de

luz, como representado na equação 1.

Vale ressaltar que para que o EF ocorra, a frequência de radiação incidente

deve ser maior ou igual à frequência mínima, chamada de frequência de corte 𝑣0 ,

definida por 𝑣0 =𝐸0

ℎ, como representada na equação 4.

Eelétron = h. v ≥ E0 [4]

Para tanto, se a frequência da radiação for inferior à de corte, os elétrons do

metal não terá energia suficiente para ser ejetado.

2- Os fótons (quanta de luz) são emitidos ou absorvidos integralmente, ou

seja, não existem quantidades fracionárias, somente múltiplos inteiros.

Logo se a intensidade de luz que incide o metal aumenta, aumentará os

números de fótons ejetados do metal se a frequência da radiação for maior ou igual à

de corte.

3-Quando um fóton interage com um elétron do metal, ele é totalmente

absorvido com uma energia descontínua (h. v). Essa é a energia suficiente para

arrancar instantaneamente o elétron do metal, não necessitando do tempo de

acúmulo de energia como previa a Física Clássica.

Quando é ejetado da superfície do material, o elétron possui uma energia

cinética que equivale a diferença entre a energia correspondente a frequência da

radiação incidente e a energia que liga o elétron ao metal, isto é,

K = h. v − E0 [5]

A energia E0 é conhecida como função trabalho do material e representa a

energia mínima para arrancar o elétron do metal.

22

Vale lembrar que Albert Einstein ao supor a equação para o EF não afirma que

a energia interior do átomo esteja quantizada.

23

4 CAPÍTULO IV A SEQUÊNCIA DIDÁTICA

Apresenta-se a Sequência Didática que foi desenvolvida com base na

aplicação de Sequências de Ensino Aprendizagem-TLS (Teaching-Learning-

Sequences) estruturada com base na concepção de Mehéut e Psillos (2004). Este

tipo de SD é o que mais se aproxima do objetivo proposto nesta pesquisa.

Para tanto, esse tipo de SD busca a relação entre a articulação dos aspectos

históricos e epistemológicos com o mundo material, além de relacionar questões

pedagógicas que devem contribuir com o aprendizado dos alunos. Nesse modelo,

quatro componentes se destacam: aluno, professor, mundo real e conhecimento

científico.

Mas vale ressaltar que duas dimensões podem ser consideradas quando uma

sequência do tipo TLS é proposta: a dimensão epistêmica e a dimensão pedagógica.

Na dimensão epistêmica podem ser considerados os processos de elaboração,

métodos e validação do conhecimento científico que possam significá-los com relação

ao mundo material, relacionando os conceitos com os fenômenos em si (VILELA et al,

2008).

Já na dimensão pedagógica são pensados aspectos relativos ao papel do

docente e do aluno e as interações professor-aluno e aluno-aluno, justificando a

importância da interação social e simbólica defendida por Vygotsky, onde os seres se

relacionam socialmente em busca da aprendizagem (VILELA et al., 2008).

Considerando as duas dimensões apresentadas acima neste trabalho, busca-

se, na construção da SD, relacionar diferentes aspectos de cada uma das dimensões

propostas por Méheut e Psillos (2004), de forma que é necessário caracterizar uma

abordagem de ensino baseada na mediação simbólica e social defendida por

Vygotsky com a junção de novas estratégias para promover aulas mais dinâmicas e

interativas.

Com isso, é fundamental a aproximação de aspectos da pesquisa à prática da

sala de aula, logo na dimensão epistêmica, a aproximação do conhecimento científico

com o mundo material foi realizada a partir de aplicações com o cotidiano, além de

simulações e utilização adequada das TICs.

24

Na dimensão pedagógica, foi realizado além de atividades que enfatizasse a

motivação dos alunos envolvidos na pesquisa e as interações aluno-aluno, professor-

aluno, contribuindo para o êxito da aplicação da SD em sala de aula.

Moreira (2011) destaca que em outras perspectivas teóricas, o

desenvolvimento cognitivo tem sido interpretado como fundamental para

aprendizagem.

De acordo com Vygotsky, o processo de aprendizagem é essencial para o

desenvolvimento do ser em si e também para sua relação na sociedade em que vive

e desempenha suas funções.

Com isso, Rodrigues e Ferreira (2011) defende que o modelo TLS promove

aos alunos um melhor esclarecimento sobre o conhecimento científico. Os elementos

que compõem uma TLS são apresentados na Figura 06.

Figura 06: Esquema didático para descrever o desenho de uma TLS.

Por tanto, planejar atividades educacionais que vise a articulação das

dimensões epistêmica e pedagógica no processo de ensino e aprendizagem é um

desafio em sala de aula. No entanto, para nós, essas dimensões podem ser

interacionadas via mediação social e simbólica, a partir de Vygotsky (MAIA, 2016).

Para tanto, acredita-se que a criação de espaço para o diálogo na sala de aula

pode tornar possível esta articulação, pois de acordo com Lev Vygotsky, a interação e

mediação social são imprescindíveis para o desenvolvimento no processo de ensino

aprendizagem do estudante.

Rodrigues e Ferreira (2011) apresentam os critérios que são conhecidos como

critérios estruturantes, que destaca a importância das duas dimensões citadas acima,

de acordo com o quadro 2.

25

Quadro 2.:Dimensões epistêmica e pedagógica, segundo Rodrigues e Ferreira (2011).

Dimensões Critérios Estruturantes

Dimensão Epistemológica

C1 Valorização das concepções prévias dos alunos e

formas de elaboração conceitual.

C2 Gênese histórica do conhecimento

C3 Aproximação entre conhecimento científico e mundo material.

C4 Identificação de lacunas de aprendizagem.

C5 Observação das trajetórias de aprendizagem.

Dimensão Pedagógica

C6 Exposição e discussão de ideias pelos alunos.

C7 Estratégias para superar as lacunas de aprendizagem.

C8 Interação professor-aluno / aluno-aluno.

Com isso, é um desafio saber como articular ações em sala de aula em acordo

com os critérios estruturantes e os objetivos formativos pré-estabelecidos. O Quadro 2

extraído de Rodrigues e Ferreira (2011) demonstra alguns critérios com as dimensões

epistemológica e pedagógica. A partir desse quadro, e considerando os aspectos da

teoria sócio interacionista de Vygotsky, apresento a estrutura e o desenvolvimento da SD

proposta neste trabalho. Lembrando que antes da aplicação da SD, foi aplicado o

questionário em anexo, com o intuito de saber os conhecimentos prévios das turmas e

posteriormente preparar a SD, considerando a realidade da turma e a busca pelo o

processo ensino-aprendizagem.

Lembrando que antes da aplicação da SD, foi solicitado pelo professor uma

pesquisa sobre a FMC e seus conceitos fundamentais, com o intuito de promover a

familiarização dos alunos com uma base teórica e conceitual da FMC.

Com o intuito de saber os conhecimentos prévios das turmas e preparar a SD, foi

aplicado o questionário (Apêndice A) na primeira etapa (pré-teste) de forma individual e

sem acesso a internet e/ou outro tipo de pesquisa, com o objetivo de saber e considerar a

realidade da turma e assim buscar o equilíbrio dentro do tema proposto na pesquisa em

prol do processo ensino-aprendizagem.

Vale ressaltar que os alunos não sabiam que o mesmo questionário seria

reaplicado depois da apresentação da SD (teste), pois caso contrário a pesquisa poderia

ter alguma imparcialidade se tratando da coleta de dados.

Durante a análise das respostas, foi considerada a resposta correta, aquela que

tinha aplicação correta de conceitos, além da intencionalidade, pois muitas vezes os

26

alunos sabiam as respostas, mas não transcrevia de forma adequada e em alguns casos

o professor responsável pela pesquisa tirou dúvidas sobre algumas respostas.

A utilização do mesmo questionário tanto na primeira etapa (pré-teste) quanto na

segunda etapa (teste) se dá por conta da sistematização e padronização dos dados

coletados na pesquisa em si, por conta disso que os discentes não foram avisados de

reaplicação do mesmo questionário (Apêndice A) na última etapa (teste).

Sendo assim, os critérios estruturantes não necessariamente devem aparecer, ao

mesmo tempo, em todos os encontros. As etapas da SD aparecem no Quadro 3.

Quadro 3. Etapas da sequência didática.

Nº DE AULAS DURAÇÃO OBJETIVOS INTERVENÇÕES PEDAGÓGICAS RECURSOS E

INSTRUMENTOS

DIMENSÕES E

CRITÉRIOS

CONSIDERADO

S

02 90 min ➢ Promover uma discussão acerca do tema: O que é “Quantização” e a equação de Planck;

➢ Identificar a visão dos

estudantes sobre o conceito de fóton, quantização de energia e dualidade onda-partícula.

➢ Apresentar evidências sobre a Dualidade onda-partícula;

➢ Discutir sobre a natureza da luz e suas aplicações;

➢ Exploração de conceitos básicos e importantes em nível médio com o intuito de trazer o aluno para mais perto da Mecânica Quântica;

➢ Discussão sobre o princípio de quantização, onde serão preparados e analisados os conhecimentos a respeito do efeito fotoelétrico;

➢ Promover a discussão sobre o conceito de onda e partícula, enfocando o princípio de De Broglie (Dualidade onda-partícula);

➢ Apresentação de vídeos em nível introdutório que enfocam os aspectos epistemológicos e materiais da luz;

➢ Vídeos:

✓ Quantização da

Energia.

✓ Dr Quantum

demonstra o

experimento da

fenda dupla -

dualidade onda

partícula do

elétron;

✓ O que é a luz?

(Partícula ou onda)

- Gscience, EP.3;

✓ Lousa;

C1 C2 C3 C4 C5

C6

C8

02 90 min ➢ Discutir um pouco sobre a Mecânica Quântica;

➢ Destacar a importância da interação da radiação com a matéria e seus processos de energia e o efeito fotoelétrico;

➢ Demonstrar

aplicações do Efeito

➢ Discussão sobre as evidências empíricas e epistemológicas de efeitos interação da radiação com a matéria;

➢ Familiarização dos discentes com conceitos básicos e teóricos de Mecânica Quântica;

➢ Debate sobre os

conhecimentos básicos a respeito do efeito fotoelétrico;

➢ Vídeos:

✓ O Efeito Fotoelétrico

história e aplicações

➢ Simulações

utilizando o

programa

computacional

PHET.

➢ Lousa;

C1

C2

C3

C5

C6

C7

C8

27

Fotoelétrico no nosso

dia a dia, destacando

dispositivos com

fotocélulas;

➢ Caracterização do efeito

fotoelétrico, explorando novos

sentidos sobre o conceito de

quantização;

➢ Análise dos parâmetros

importantes para a existência

do efeito fotoelétrico, a partir

de simulações computacionais

e experimentos que traduzem

aplicações do efeito

fotoelétrico no nosso

cotidiano;

01 45 min ➢ Realizar

apresentações de

experimentos

propostos pelo docente

e construído pelos

alunos e apresentados

em sala de aula;

➢ Aplicar o questionário em

anexo;

➢ Aplicação do questionário

em anexo, com o intuito de

saber se houve aprendizagem

ou desenvolvimento teórico,

prático e epistemológico nos

conceitos básicos referentes

ao efeito fotoelétrico;

➢ Avaliação dos

conhecimentos adquiridos

através do questionário,como

intuito de saber se a próprio

aluno, conseguiu através dos

processos de interação aluno-

aluno e aluno-professor,atingiu

a zona de desenvolvimento

proximal (ZDP),

desenvolvendo os conceitos e

sentidos através da mediação

social e simbólica.

➢ Realizações de

apresentações de

experimentos similares ao

efeito foto elétrico, proposto

pelo docente e construído

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8

28

Vale lembrar que a sequência didática a ser discutida abaixo, compõe-se de 5

(cinco) aulas com duração de 45 (quarenta e cinco) minutos cada e foi aplicada com a

colaboração dos alunos do 3º ano do Ensino Médio dos turnos matutino e vespertino

do Colégio Estadual Governador Antonio Carlos Magalhães de Várzea da Roça-Ba.

4.1 Aula I: Apresentação da proposta, discussão sobre o conceito de quantização da energia e o princípio de De Broglie.

Inicialmente o professor deverá fazer uma exposição aos seus alunos sobre o

trabalho que será desenvolvido, esclarecendo que eles irão trabalhar com conceitos

específicos da Física Moderna e Contemporânea, especialmente o efeito fotoelétrico e

que esse trabalho será realizado por meio de etapas, que se organizam em torno deste

tema principal. Nesse momento deverão ser abordados também o objetivo da

intervenção e o percurso metodológico que será utilizado para desenvolver a estratégia

de ensino.

Lembrando se tratar de um trabalho de pesquisa em ensino preferiu-se discutir

com os alunos a proposta didática e seus critérios propostos, como formas de

avaliação e demais elementos práticos das atividades. Com isso, tal proposta busca

uma perspectiva de motivação, o que não se distancia do trabalho de Vygotsky

(GASPAR, 2014).

Vale ressaltar que para aprimorar o processo de ensino aprendizagem, é

necessário que o docente promova uma discussão sobre os temas trabalhados e

promova uma mediação social, onde de acordo com Vygotsky, o aluno interaja com os

demais alunos e com o próprio professor.

Inicialmente, foi abordado o vídeo “Quantização da Energia” (Figura 07), (02min e

43s), que produz uma discussão sobre o processo de quantização da energia, com o

intuito trabalhar com os alunos conceitos básicos e fundamentais da MQ, promovendo

a familiarização com o tema abordado. Pois, a exploração da equação de Planck e

suas aplicações favorecem para um melhor entendimento do efeito fotoelétrico, sendo

que a partir daí, o aluno começa a ter uma noção mais abrangente dos efeitos de

apresentados pelos alunos e

apresentados em sala de aula;

29

interação da radiação com a matéria, destacando fenômenos similares, como os efeitos

fotocondutor e fotovoltaico. Os estudantes assistirão aos vídeos e deverão ter a

oportunidade de anotar sobre suas observações para futuras discussões em sala de

aula.

Posteriormente, o docente possibilitará uma discussão sobre o princípio de De

Broglie, onde se debate sobre a dupla natureza da luz e seus aspectos históricos.

Foram utilizados além das discussões pertinentes ao tema abordado, vídeos “Dr

Quantumdemonstra o experimento da fenda dupla - dualidade onda partícula do

elétron” (figura 08) (04min e 51 s) e “O que é a luz? (partícula ou onda)- Gscience,

EP.3” (figura 09)(06min e 30s), que abordam aspectos gerais, com o intuito de facilitar

o processo de ensino-aprendizagem do aluno.

Figura 07:Vídeo- Mundo Quântico: Quantização de Energia

FONTE: Dona Jeka - Astronomia e Física.

LINK:<https://www.youtube.com/watch?v=CuCh5L-lkUk>

Figura 08: Vídeo- Dr. Quatum demostra o experimento da fenda dupla - dualidade onda partícula do

elétron.

FONTE:Peter Brawn, 2014.

LINK:<https://www.youtube.com/watch?v=ieZjg1eM9Ow>

30

Figura 09: Vídeo- O que é a luz? (partícula ou onda)- Gscience, EP.3.

Fonte:Menino de chapéu, 2016.

LINK:<https://www.youtube.com/watch?v=XaQnxtVfnuk>

4.2 Aula 2: Discussão sobre a Mecânica Quântica e o efeito fotoelétrico e suas

aplicações.

Esta aula tem como objetivo geral caracterizar o EF, segundo as hipóteses

assumidas por Albert Einstein em 1905, além de aplicações do fenômeno no nosso

dia a dia. Sendo assim, é interessante uma discussão sobre as grandezas físicas

importantes para a ocorrência do Efeito Fotoelétrico.

Com isso, busca-se evidenciar os aspectos quânticos desse fenômeno. Do

ponto de vista de conceitos da Mecânica Quântica, é possível aprofundar as

discussões sobre a quantização, a partir de um evento essencialmente quântico – a

explicação para o EF implica em quantizar a radiação (EISBERG, 1979).

Sendo assim, começamos com a discussão sobre os conceitos básicos e

fundamentais da MQ, destacando suas evidências empíricas e epistemológicas,

enfatizando os processos de quantização da energia e o conceito de fóton, com o

intuito de promover o melhor o entendimento do efeito fotoelétrico. A partir daí, através

de um vídeo “O Efeito Fotoelétrico história e aplicações” (figura 11)(04 min e 55s), para

preparar o grupo de estudantes para a aplicação do material principal da sequência

didática e sanar algumas dúvidas, sendo que este vídeo aborda a descrição a cerca do

efeito fotoelétrico e suas aplicações no cotidiano.

O vídeo funciona como um mediador simbólico e possibilita importantes

questionamentos, caso seja aberto um debate logo depois de sua exibição.

A dificuldade de se criar ou montar um aparato experimental para o estudo do

efeito fotoelétrico na unidade escolar fortalece e ratifica a importância da utilização

31

das simulações e demais tecnologias de informação e comunicação (TICs) em sala

de aula. Tais ferramentas têm o objetivo de facilitar a assimilação do conhecimento

por parte dos discentes, desde que sua aplicação faça parte de um processo

educacional coerente e dentro da realidade dos mesmos (FIOLHAIS e TRINDADE,

2003).

Na sala de aula, a turma foi dividida em grupos de 3 a 4 componentes, onde os

alunos deveriam fazer uso da simulação do efeito fotoelétrico elaborado pelo PhET

Colorado(Figura 10).

Com a utilização do PhET, é possível simular a variação de frequência e a

intensidade da luz, e posteriormente na maioria das vezes é possível verificar a

ejeção de elétrons de placas metálicas, que também podem ser alteradas, de acordo

com o diagrama abaixo.

Figura 10: Diagrama do software de simulação do Efeito Fotoelétrico.

Fonte: MANTOVANI, 2015

Vale ressaltar que o simulador foi explorado de forma qualitativa, onde os

discentes deveriam variar a intensidade da radiação, através do cursor (1) e verificar

se mudava quantidade de elétrons ejetados da placa.

Com isso, eles perceberam que variando a frequência da radiação através do

cursor (2), os educandos verificavam que a partir de qual comprimento de onda os

elétrons seriam arrancados da placa, constatando a frequência mínima para que o

fenômeno em si aconteça.

Vale ressaltar também que quando se trocava o metal da placa através da

janela (3) os discentes percebiam a mudança em aspectos do fenômeno em si,

justificando ainda mais a importância da interação da radiação com a matéria, por fim

quando desejado utilizavam o botão (4) para pausar e reiniciar a simulação.

32

Não podemos deixar de considerar que o experimento é de fundamental

importância para o aprendizado do aluno em ensino de física, tendo um importante

papel no que diz respeito ao ensino de física. Lembrando sempre que não deve-se

desistir de experimentos práticos em virtude de simulações (VANDERLI et al, 2015).

Pois a simulação é usada para auxiliar no entendimento da prática e são usadas

principalmente quando os experimentos práticos são bastante complexos,

complicados de serem realizados, ou possui custo alto.

Por fim foi solicitado pelo docente, que os discentes realizassem atividades na

próxima aula que impliquem em aplicações do efeito fotoelétrico no nosso cotidiano.

Tal atividade poderia ser realizada de forma individual ou em grupos de até 4

pessoas, eles deveriam montar os experimentos similares ao efeito fotoelétrico e

apresentar na sala de aula diante de todos presentes.

Lembrando que a responsabilidade da escolha dos experimentos ficou por

cada grupo formado de forma aberta, mas objetiva, com o intuito de promover uma

aplicação prática do efeito fotoelétrico que algo muito interessante para o processo de

ensino-aprendizagem.

Figura 11: Vídeo- O Efeito Fotoelétrico história e aplicações.

Fonte: Licenciatura em Física - IFSC Araranguá, 2016.

LINK:<https://www.youtube.com/watch?v=IA0wLlDNBUs>

4.3 Aula 3: Realização de experimentos propostos pelo docente em sala de aula e aplicação do questionário final.

Esta aula tem por objetivo de buscar a importância da prática experimental para

um entendimento mais completo do fenômeno estudado por parte do aluno. É

através dessa apresentação de experimentos que traduzem situações do cotidiano do

33

educando demonstrando que tudo aquilo que foi discutido e estudado em sala de aula

está presente em nossas vidas.

Dessa maneira e para incentivar este interesse no aluno, nessa etapa deverão ser

apresentadas, de forma sistemática, várias das aplicações similares e semelhantes ao

efeito fotoelétrico, destacando várias áreas do conhecimento na sociedade. Esta

intervenção leva em consideração um aspecto importante no comportamento dos

estudantes de ensino médio. Trata-se da curiosidade, uma arma importante para este

tipo de ação pedagógica.

E por fim, aplicação do questionário no apêndice A, com o objetivo de saber se

houve de certa forma aprendizagem ou desenvolvimento da linguagem simbólica

permite a relação homem/mundo e linguagem social, que é determinada pela

interação entre professor-aluno, bem como entre aluno-aluno no desenvolvimento de

conceitos, embasado nos processos defendido por Vygotsky. No anexo 1, estão as

fotos dos trabalhos dos alunos.

34

5 LINKS UTILIZADOS

• Vídeo 01- Quantização da Energia. Fonte:Prof. Rafa Sisson - Física Fácil.

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=KvSGZp2uPUg

Acesso em: maio de 2017

• Vídeo 02- Dr. Quatum demostra o experimento da fenda dupla - dualidade

onda partícula do elétron.Fonte:Peter Brawn, 2016.

Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=ieZjg1eM9Ow>

Acesso em: maio de 2017

• Vídeo 03- O que é a luz? (partícula ou onda)- Gscience, EP.3.

Fonte: Menino de Chapéu, 2016.

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=XaQnxtVfnuk>

Acesso em: maio de 2017

• Vídeo 04- O Efeito Fotoelétrico história e aplicações.

Fonte: Licenciatura em Física - IFSC Araranguá, 2016.

Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=IA0wLlDNBUs

Acesso em: maio de 2017

• Programa:PHET- Fonte:University of Colorado, 2017.

Disponível em: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/photoelectric>

Acesso em: maio de 2017

35

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41

7 APÊNDICE

7.1 Apêndice A-Questionário

Questionário

Oi, Uma discussão atual no ensino de Física refere-se à inserção de Física

Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. Nesse sentido, estou pesquisando

sobre um tema de grande importância para o desenvolvimento da Mecânica Quântica,

EFEITO FOTOELÉTRICO, onde nesta pesquisa foi construída uma Sequência

Didática com o intuito de promover aos professores de Física um novo olhar e

alternativa para se ensinar esse fenômeno em sala de aula e aos nossos queridos

alunos um melhor aprendizado e entendimento do fenômeno em si.

Por isso, gostaria de contar com a sua colaboração. Assim, ao responder este

questionário da forma mais completa possível, estará me ajudando a compreender

melhor esse fenômeno.

Obrigado,

Murilo Oliveira da Silva

1- Com base nos conhecimentos sobre a física, descreva de acordo com seu

entendimento a diferença entre partícula e onda.

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

2- De acordo com os conhecimentos de física, descreva o que você entende

sobre a Luz?

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3- Com base nos conhecimentos sobre a teoria quântica, o que é fóton?

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

4- Com base na teoria da física moderna, o que é quantização da energia?

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5- Você já ouviu falar de efeito fotoelétrico? Onde?

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6- Descreva o que você sabe sobre o efeito fotoelétrico?

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7- Quais são as principais situações possíveis para que aconteça o efeito

fotoelétrico?

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8- Cite aplicações do efeito fotoelétrico em nosso cotidiano.

_______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

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8 ANEXO

8.1 Anexo 1- Fotos das apresentações Experimentos apresentados

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45