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SECRETARIA DO ESTADO DO PARANÁ – SEED

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL - PDE

UNIDADE DIDÁTICA

ÓPTICA: DAS CONCEPÇÕES DOS ALUNOS À HISTÓRIA DOS

CONCEITOS CIENTÍFICOS

PRODUÇÃO DIDÁTICO-

PEDAGÓGICA

DIRECIONADA À

DISCIPLINA DE CIÊNCIAS.

AUTORA: ZELAIR AMORIM

QUEVEDO

ORIENTADORA: DULCE

MARIA STRIEDER

CAPANEMA, DEZEMBRO DE 2008.

UNIDADE DIDÁTICA

ÓPTICA: DAS CONCEPÇÕES DOS ALUNOS À HISTÓRIA DOS

CONCEITOS CIENTÍFICOS

As concepções espontâneas dos alunos, sobre óptica, serão

verificadas através do teste elaborado pelo Professor e Doutor João

Batista Siqueira Harres do Centro Universitário Univates de Lajeado,

RS. Este teste está disponível em http://www.fsc.ufsc.br/ccef/port/1.

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A LUZ E O HOMEM

O homem primitivo só podia contar com a luz do sol, durante o

dia e com a luz do luar, durante a noite. Mais tarde, com a descoberta

do fogo, acendia suas fogueiras e tochas para iluminar suas noites

escuras.

Os antigos egípcios usavam lâmpadas a óleo e os que tinham

melhores condições usavam velas e lamparinas à querosene.

Posteriormente, foi utilizado o gás para iluminar as casas das

cidades.

Depois da descoberta da lâmpada elétrica, por Tomas Alva

Edison em 1879, o homem passou a usar a eletricidade como forma

mais prática e econômica para o fornecimento de luz.

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O QUE É LUZ?

Esta pergunta sempre deixou os cientistas muito intrigados,

pois a resposta é complexa e exige muitas considerações.

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Isaac Newton (1643 – 1727) sugeriu que a luz era constituída de

partículas. Christian Huygens (1629 – 1695) sugeriu que a luz era

constituída de ondas. Max Planck (1858 -1947) foi o primeiro cientista

a sugerir que a luz não era somente onda ou somente partícula, mas,

ambas. É com essa duplicidade de comportamento da luz que a Física

convive hoje. Em algumas situações a luz se comporta como onda e em

outras como partículas. A estas partículas damos o nome de fótons.

A parte da Física que estuda a luz é a óptica.

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A LUZ E A VISÃO

Discutindo o conhecimento espontâneo:

- O que é sombra?

- Todas as sombras são iguais?

- O que é escuridão?

- O que é claridade?

- O que é necessário para enxergarmos?

- À noite é mais fácil enxergar alguém vestido de

branco ou de preto? Por quê?

- É possível enxergarmos a cor branca quando não

temos luz?

Vamos imaginar uma escuridão total, numa caverna, por

exemplo, onde a entrada de luz esteja bem distante. Nesta situação

imagine os seguintes corpos: uma lanterna ligada, uma bandeira

branca, uma roupa com estampas coloridas, um flash de uma máquina

fotográfica, um vaga-lume piscando, uma bola amarela. Qual seria o

critério usado para separar os corpos que você enxergaria?

Alguns corpos possuem luz própria. Estes corpos são chamados

de fonte de luz ou corpos luminosos. O Sol é um corpo luminoso, assim

como a lanterna ligada, o flash da máquina fotográfica, o vaga-lume

piscando também são corpos luminosos e por isso você os enxergaria

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na escuridão. A bandeira branca, a roupa com estampas coloridas e a

bola amarela não seriam visíveis na escuridão. Os corpos que não

emitem luz são chamados de corpos iluminados sendo visíveis somente

quando refletem luz de um corpo luminoso.

Quando a luz incide num objeto qualquer, ele reflete parte da

luz recebida. Refletida, a luz se espalha em todas as direções. A luz

refletida, ao atingir nossos olhos, faz com que tenhamos a sensação da

visão desde que nossos olhos não tenham problemas.

Nossos olhos são instrumentos físicos que captam os sinais

luminosos que traduzidos e decodificados pelo cérebro, possibilitam a

percepção do mundo nas mais variadas formas, cores, tamanhos e

significados.

Discutindo os conhecimentos espontâneos:

- Observar três garrafas pett transparentes: uma com

água limpa, outra com suco de uva (fraco) e outra com água

barrenta.

- Em grupos, discutir o comportamento da luz com

relação às três garrafas.

- Posteriormente, cada grupo coloca suas conclusões

para a turma.

Os corpos iluminados podem ser opacos, transparentes e

translúcidos. Os meios transparentes permitem a propagação da luz

através deles, os opacos não permitem a propagação da luz; nos meios

translúcidos a propagação é parcial e irregular. Podemos dizer que a

luz atravessa os corpos transparentes; não atravessa os corpos opacos

e atravessa parcialmente os corpos translúcidos. Estes conceitos são

relativos, pois dependem da espessura dos meios e da quantidade de

luz.

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REFRAÇÃO

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Discutindo os conhecimentos espontâneos:

- Observar um lápis parcialmente imerso num copo com

água.

- Observar de um ângulo, que quase enxergue uma

moeda dentro de um pote opaco, continuar observando à

medida que o pote for recebendo água.

- Por que o lápis parece estar quebrado?

- Por que passamos a enxergar a moeda quando o pote

recebeu água?

- As imagens sempre estão onde enxergamos?

Experiência da glicerina

- É possível tornar uma garrafa invisível?

Providencie os materiais: copo liso transparente; 2 a 3

tubos de 100ml de glicerina (à venda nas farmácias);

garrafinha vazia de pimenta, ou similar, bem limpa e seca,

com tampa de rosca.

Encha a garrafinha com glicerina, e rosqueie bem a

tampa. Encha o copo com glicerina, introduza com cuidado a

garrafinha dentro do copo. Parte dela ficará imersa. O que

acontece com esta parte? Por quê? (SILVA, O. H. M.; LABURÚ,

C. E. Invisibilidade da Garrafa (a explicação correta). Caderno

Brasileiro do Ensino da Física, v. 21, n. 1: p. 111-114, abr.

2004)

- Pesquisar junto a seus pais como eles chamam o arco-

íris; e como eles explicam a formação do arco-íris;

- O que você sabe sobre o arco-íris?

- Em grupos, encontrar uma maneira de representar

um arco-íris artificial, dispondo de um recipiente com água,

espelhos, esguicho de água, luz artificial e solar, e prismas.

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Você já ouviu falar em raios-X ou em ondas de rádio e televisão,

raios ultravioletas, raios infravermelhos? Pois é, todos estes raios e

ondas, assim como a luz são vibrações de campos elétricos e

magnéticos que se propagam no espaço com a velocidade da luz e por

isso são chamados de ondas eletromagnéticas. A velocidade da luz é de

aproximadamente 300.000 km/s.

O conjunto de todas as ondas eletromagnéticas recebe o nome

de espectro eletromagnético. A luz é formada por ondas que são

visíveis pelos nossos olhos e representa apenas uma pequena parte do

espectro eletromagnético. A estas ondas visíveis pelos nossos olhos

chamamos espectro luminoso. No espectro luminoso podemos

identificar as cores: violeta, anil, azul, verde, amarelo, laranja e

vermelho.

Imagem retirada do banco geral de imagem da TV multimídia do Portal Dia-a dia Educação

Quando a luz passa de um meio para outro, os raios luminosos

sofrem um desvio de sua direção inicial devido à mudança de

velocidade que a luz sofre ao passar de um meio para outro. Por

exemplo, do ar para a água. É devido a este fenômeno que as piscinas e

lagoas parecem ser mais rasas do que realmente são. É devido à

refração também que o lápis parece estar quebrado quando visto

imerso parcialmente num copo com água.

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DUPLA REFRAÇÃO

Um raio luminoso, quando atravessa um prisma ou uma gota de

água sofre duas refrações. Verificação feita por Isaac Newton, por volta

de 1666, ao incidir luz branca em um prisma. Este fenômeno acontece

graças aos diferentes índices de refração de cada cor que forma a luz

branca. O índice de refração está associado ao tamanho do desvio do

raio de luz.

O raio luminoso apresenta a cor branca, mas ao passar pela

dupla refração, sofre decomposição da luz, apresentando o espectro

luminoso que se manifesta nas sete cores: violeta, anil, azul, verde,

amarelo, laranja e vermelho. As radiações a cima do violeta são

invisíveis e constituem as radiações ultravioletas; as radiações abaixo

do vermelho também são invisíveis e constituem as radiações

infravermelhas.

Um fenômeno natural, relacionado à dupla refração, que

acontece frequentemente, é o arco-íris. O arco-íris se forma através da

dupla refração na gotinha de chuva.

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- Decompondo a luz branca, temos as sete cores do

arco-íris. É possível compor a luz branca a partir das sete

cores? Como?______________________________________________________________________

DISCO DE NEWTON

Isaac Newton apresentou a composição da luz branca a partir

das sete cores através de um disco colorido com as cores do arco-íris.

Esse disco quando girado velozmente, recebendo iluminação intensa,

faz com que as cores vão se somando, apresentando, inicialmente, a

cor acinzentada e, finalmente, só se observa um disco esbranquiçado.

Atividades:

- Confeccionar o Disco de Newton, fazê-lo girar e observar.

- Dividir a turma em sete equipes e distribuir uma pergunta

para cada equipe pesquisar no laboratório de informática, e

respondê-las.

• Por que o céu é azul?

• Por que vemos antes o raio depois ouvimos o trovão?

• O que são miragens?

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• O que são halos?

• Por que o pôr do Sol é mais brilhante que o nascente?

• Por que o Sol parece maior no horizonte?

• Por que o céu parece avermelhado em algumas

situações?

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AS CORES DOS CORPOS


- Uma bola branca será sempre branca, independente

do ambiente que esteja desde que ninguém a suje ou pinte?

- A luz interfere na cor dos corpos?

- Observar pedaços de papel cartão nas cores branca,

vermelha, amarela, preta, e verde; sob a luz solar ou de uma

lâmpada normal. Logo após, sucessivamente, observa-los sob

a luz de lâmpadas vermelha, amarela, azul, e verde. Completar

a tabela abaixo.

Cor do cartão quando observado com luz:

Cartão/luz Branca vermelha azul verdeBrancoVermelhoAmareloVerdePreto

- Refazer as perguntas feitas anteriormente.

Grande parte das informações sobre o mundo que nos cerca,

chega até nós através dos nossos olhos que são sensíveis à luz que

provém dos corpos. Isso quer dizer que para serem enxergados os

corpos precisam emitir ou refletir luz e parte desta luz precisa chegar

até nossos olhos.

Na verdade, os corpos não têm cores. As cores que vemos neles

são originadas nas propriedades que eles têm de refletir ou de absorver

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certos raios do espectro, é vermelho quando reflete o raio vermelho e

absorve os demais; é azul quando reflete o raio azul e absorve os

demais e assim por diante...

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REFLEXÃO


- Todos os corpos que são vistos pelo olho humano

refletem luz da mesma maneira? Análise os seguintes corpos:

o vidro da janela de sua sala; o seu apontador; os espelhos

comuns usados em nossas casas.

- Dispondo dos seguintes materiais: luminária, dois

espelhos planos (13 cm X 18 cm), um anteparo (caderno),

objeto pequeno (caixa de fósforo); como é que a gente pode

fazer para iluminar esta caixa de fósforo que está atrás do

anteparo usando e movimentando apenas estes dois espelhos?

É importante explicar para os alunos que a luminária, o

anteparo, e a caixa de fósforo deverão ser mantidos fixos. O

problema é iluminar a caixa de fósforo, movendo apenas os

espelhos.

- Cada aluno expõe como fez para resolver o problema.

Quando necessário, o professor questiona.

- Cada aluno produz um texto ou desenho

representando a situação vivenciada.

Os corpos sem luz própria são visíveis quando emitem luz que

recebem de um corpo luminoso aos nossos olhos.

Quando a superfície do corpo for irregular ou áspera a luz é

refletida em todas as direções, dizemos que houve difusão da luz.

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Quando a superfície do corpo for lisa, plana e regular a reflexão

da luz é praticamente regular, ocorrendo numa direção bem

determinada. É o que ocorre quando a luz encontra a superfície de um

espelho.

Espelhos são superfícies polidas que refletem quase toda a luz

que recebem.

Os espelhos podem ser planos ou curvos. Os espelhos planos são

aqueles que usamos em casa. Espelhos curvos são aqueles usados em

faróis de automóveis, holofotes e flashes de máquinas fotográficas.

As imagens formadas nos espelhos podem apresentar

características diferentes das do objeto refletido. Geralmente, são do

mesmo tamanho e forma do objeto, mas às vezes são maiores, menores

ou deformadas. Seja qual for o tipo de espelhos, a reflexão da luz

obedece sempre à mesma regra: o ângulo de “entrada” é igual ao

ângulo de “saída”. Chamamos esses ângulos de ângulos de incidência e

ângulo de reflexão, respectivamente.

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O ângulo de incidência é formado pela direção do raio de luz

que incide sobre o espelho com relação à direção perpendicular ao

espelho. O ângulo de reflexão é formado pela direção do raio refletido

com relação à direção perpendicular ao plano de incidência.

Esta é uma das leis da reflexão:

O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

As imagens podem ser:

- reais = formam-se fora do espelho;

- virtuais = formam-se atrás do espelho, você não a localiza

fora do espelho, nem mesmo atrás onde se tem a impressão de que

esteja;

- direita = mesma posição que o objeto;

- invertida = posição contrária ao objeto;

- quanto ao tamanho = maior, menor ou do mesmo tamanho;

- simétrica = imagem e objeto com a mesma distância do

espelho;

- assimétrica = quando a imagem tem distância do espelho

diferente da distância do objeto com relação ao espelho;

- revertida = o lado direito do objeto é o lado esquerdo da

imagem e vice-versa.

Investigando o conhecimento espontâneo:

- Como são as imagens formadas nos três tipos de

espelhos: plano, côncavo e convexo para diferentes distâncias

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entre objetos e espelhos?

- Descrever como as imagens se apresentam.

- Cada um deve formular uma explicação para a

observação realizada. Tais explicações serão confrontadas

entre si e com o conhecimento científico da situação.

No espelho plano a imagem é virtual, direita, simétrica e do

mesmo tamanho que o objeto.

No espelho curvo côncavo a imagem é real, invertida,

assimétrica e menor ou maior.

No espelho curvo convexo a imagem é virtual menor, direita e

assimétrica.

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- Observar a representação geométrica das imagens para diferentes

distâncias entre espelhos e objetos, na TV pendrive, disponível em

sala de aula como por exemplo a imagem encontrada em

http://prof.pateta.vilabol.uol.com.br/imp.gif.

O espelho plano dá apenas uma imagem de cada objeto. Porém,

colocando-se o objeto entre dois espelhos que formam um ângulo,

notam-se várias imagens, resultantes das reflexões sucessivas nos dois

espelhos. O número de imagens aumenta, à medida que diminui o

ângulo entre os espelhos.

Determina-se o número de imagens utilizando-se a fórmula:

n = (360/a) -1, onde n é o número de imagens e a é o valor do

ângulo formado pelos dois espelhos.

Atividade:

Em quatro grupos, com um círculo dividido em graus e dois

espelhos cada grupo representa na prática e através da fórmula o

número de imagens formadas ente os dois espelhos em um dos

seguintes ângulos:

a) 1800

b) 900

c) 450

d) 180

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Curiosidades:

- Se você colocar um espelho de 50 centímetros ou mais entre

as pernas e levantar aquela que estiver do lado refletor do espelho,

parecerá que você estará flutuando.

- Se você colocar um objeto entre dois espelhos um de frente

para o outro, terá infinitas imagens.

- Com pequenos objetos dentro de um caleidoscópio você vê

bonitas imagens.

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LENTES


- Com lentes convergentes e divergentes na presença

de luz artificial e luz solar, verificar os objetos em sua volta, a

formação de imagens, e outros fenômenos que possa observar.

Caso os alunos não explorem muito as lentes, o

professor deve estimulá-los, dando-lhes idéias ou

questionando-os.

- Cada aluno expõe o que descobriu.

- Produzir um texto, individualmente, ou desenhos

representando suas descobertas.

Lentes são meios transparentes limitados por duas superfícies,

das quais pelo menos uma é curva. As lentes nos dão a imagem dos

objetos com aumento ou diminuição do tamanho natural.

As lentes podem ser convergentes ou divergentes.

Lentes convergentes são as lentes que apresentam as bordas

mais finas que o seu centro e os raios luminosos incididos sobre elas

são convergidos em um único ponto chamado foco.Lente biconvexa

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Ilustração: Zelair Amorim Quevedo

As lentes convergentes podem ser:

- biconvexa, quando possui duas superfícies curvas convexas;

- plano-convexa, quando possui uma superfície curva convexa e

outra plana;

- côncavo-convexa, quando apresenta uma superfície côncava e

outra convexa;

Lentes divergentes são as lentes que apresentam as bordas

mais espessas que o seu centro. Os raios paralelos incididos sobre ela

são dispersos após atravessá-la.Lente bicôncava

Ilustração: Zelair Amorim Quevedo

As lentes divergentes podem ser:

- bicôncava, quando possui duas superfícies curvas côncavas;

- plano-côncava, quando possui uma superfície curva côncava e

outra plana;

- convexo-côncava, quando apresenta uma superfície convexa e

outra côncava;

Através das lentes também podemos verificar imagens reais e

virtuais.

As lentes são usadas numa diversidade de instrumento ópticos

como óculos, microscópios, telescópios, lunetas, retro projetores etc.

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O OLHO HUMANO


- Confeccionar a câmera escura;

- Observação de objetos e paisagens através da câmera

escura;

- Qual a semelhança entre uma câmara escura e um

olho humano?

- Qual a natureza da imagem formada real ou

virtual? Explique a causa de a imagem estar invertida.

- Conte para a seus colegas o que você fez e o que

observou.

- Elabore, individualmente, texto ou desenhos

representando a situação vivenciada.

O olho humano nos permite enxergar o mundo que nos cerca

através de estruturas ligadas à óptica e ao sistema nervoso.

Fisicamente, o olho é semelhante à câmera escura, com uma

lente convergente que é o cristalino e com a ajuda de músculos que

esticam ou encolhem essa lente de acordo com a necessidade de

ajustar o foco. A imagem precisa ser formada exatamente na retina,

estrutura formada por células sensíveis à luz. Para que isso ocorra é

necessário que a luz refletida entre por uma pequena abertura,

atravesse o olho e atinja o fundo do globo ocular – a retina. Este

estímulo forma uma imagem invertida, pois a luz passa pela pupila que

é uma abertura estreita, semelhante à entrada de luz na câmera

escura, por isso a imagem formada na retina é invertida.

A inversão da imagem, na câmera escura e no olho, se dá

devido à propagação retilínea da luz que é outra lei da reflexão. O raio

de luz que entra no furo da câmera escura ou na pupila pela parte de

cima segue em linha reta e atinge o papel vegetal ou a retina na parte

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de baixo. Da mesma forma o raio de luz que entra pelo furo ou pupila

pela parte de baixo segue em linha reta e atinge o papel vegetal ou a

retina na parte de cima, conforme ilustração.

O estímulo das células da retina é conduzido através do nervo

óptico até o cérebro, que faz a inversão da imagem, consequentemente,

tem-se a sensação da visão do mundo, como ele se apresenta.

A estrutura do olho favorece este processo, apresentando

partes transparentes, como a córnea, o humor aquoso, o cristalino e o

humor vítreo; parte escura, como é o caso da retina; a abertura estreita

– a pupila – que aumenta ou diminui, controlando a entrada da luz.

O olho pode apresentar defeitos e por isso a imagem pode não

se formar na retina, lugar onde deveria se formar. Desta maneira, a

pessoa pode apresentar um problema de visão. Os problemas podem

ser vários e as causas também. Vamos destacar os dois problemas mais

comuns: a hipermetropia e a miopia.

A hipermetropia ocorre devido a um achatamento do globo

ocular que ocorre na direção da pupila até o nervo óptico, desta

maneira a imagem se forma atrás da retina e a pessoa tem dificuldade

em enxergar objetos que estejam muito próximos. Para fazer a leitura

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de um livro, por exemplo, ela afasta o livro dos olhos. Para corrigir este

problema deve ser usada uma lente convergente que vai “puxar” a

imagem em cima da retina.

A miopia ocorre devido a um achatamento do globo ocular que

ocorre na direção das laterais ao centro, desta maneira a imagem se

forma na frente da retina e a pessoa tem dificuldade de enxergar

objetos que estejam mais afastados. Para fazer a leitura de um livro ela

aproxima muito o livro dos olhos. Para corrigir este problema deve ser

usada uma lente divergente que vai “empurrar” a imagem mais para

trás, até a retina.

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ILUSÕES DE ÓPTICA


- O que nossos olhos vêem é sempre a realidade?

- O que enxergamos é o que todos enxergam? Por

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quê?

- O que pode influenciar na visão que temos do que

nos cerca?

Nem sempre o que vemos é o que os outros vêem, e nem

sempre o que vemos é a realidade.

Como vimos anteriormente, os corpos apresentam os pigmentos

e dependendo da luz que recebem, veremos cores diferentes.

Outros fatores podem influenciar na visão que temos do mundo,

como: o funcionamento dos órgãos da visão e do sistema nervoso, a

atenção e a bagagem de aprendizados e de experiências que cada um

de nós possui.

Conforme Segura:

“As cores não existem. A natureza não tem mais que diferentes comprimentos de onda. A audição, a visão, a percepção da cor ou do som... Tudo depende do nosso cérebro e da organização espacial das estruturas que processam esses estímulos.” (SEGURA, http://somostodosum.ig.com.br/blog/blog.asp?id=09495)

Vamos observar algumas ilusões de ópticas.

O que você vê?


20

http://somostodosum.ig.com.br/blog/blog.asp?id=09495

http://somostodosum.ig.com.br/blog/blog.asp?id=09495


No laboratório de informática, vamos conhecer outras ilusões de óptica no

sitio: <www.ilusaodeotica.com>.

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No final desta unidade, será aplicado novamente o teste do

Professor e Doutor João Batista Siqueira Harres, citado inicialmente,

para observar possíveis mudanças de concepções.

2 1

http://www.ilusaodeotica.com/

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BIZZO, N.; JORDÃO, M. Ciências BJ. São Paulo: Editora do Brasil, 2006

BARROS, C.; PAULINO W. Ciências: manual do professor. São Paulo:

Ática, 2006.

CARVALHO, M. P. de; et al.Ciências no Ensino Fundamental: o

conhecimento Físico. São Paulo: Scipione, 1998.

CRUZ, D. Química e Física: livro do professor. 25 ed. São Paulo:

Àtica,1999.

GOWDAK, D.; MARTINS, E. Ciências: novo pensar. 2 ed. São Paulo:

FTD, 2006.

HARRES J. B. S. Introdução à Óptica Geométrica. 2 ed. Lajeado/RS:

Fates, 1993.

LAGO S. R.; ENS W. A Energia: Ciências-escola moderna. São Paulo:

IBEP, s.d.

ROCHA, J. F. M. (org.). Origem e evolução das idéias da física.

Salvador: EDUFBA, 2002.

SALÉM, S.; et al. Vivendo Ciências: 8ª série. São Paulo, FTD,1999.

SNEDDEN, R. Energia. São Paulo: Moderna, 1996.

VALADARES, E. C. Física mais que divertida: eventos eletrizantes

baseados em materiais reciclados e de baixo custo. Belo Horizonte:

UFMG, 2000.

VALLE, C. Tecnologia e sociedade, 8ª série: Manual do professor.

Curitiba: Positivo, 2004.

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