Planejamento Luz e Energia
PROFESSORA
- Maria Angela
TURMA 3º ano do EM
DISCIPLINA
- Física
DURAÇÃO
- 5 horas/aulas
CONTEÚDO
-
Luz e Energia - Documentário da série A luz que vai além de nosso olhar.
OBJETIVOS
- Refletir sobre as variadas
formas de energia do nosso dia-a-dia.
- Verificar que o sol, apesar de
ser a principal fonte de energia do nosso planeta, não é a única.
METODOLOGIA
Principais etapas e estratégias
para trabalho interdisciplinar sugerido O filme ora aborda o caráter
corpuscular da luz, isto é, o fóton para explicar as células solares, o
funcionamento do aparelho de microondas, circuitos fotônicos para processamento
de informação, raios X para investigar nano-estruturas e ainda, para
impulsionar velas solares, etc.; ora aborda o caráter ondulatório para explicar
a propagação dos sinais de rádio e TV aqui na Terra e no espaço, explicando assim
a radio astronomia, seus métodos e objetivos. O trabalho proposto consiste em
investigar a natureza dual da radiação eletromagnética e quais os critérios que
levam a interpretar a natureza da luz ora como partícula ora como onda. A
investigação será em parte experimental e em parte virtual, utilizando
aplicativos interativos em JAVA, disponíveis na internet inclusive para serem
instalados no computador. Para investigar o caráter ondulatório da luz o
professor utilizará conceitos de óptica física, tais como interferência e
difração da luz, descritos em livros didáticos de física e também em artigos da
revista Física na Escola (publicação da Sociedade Brasileira de Física),
relacionados no item 9.2, pois também estão disponíveis na internet (com
extensão pdf). O caráter ondulatório da luz pode ser evidenciado
experimentalmente através de atividades simples de demonstração, como as
descritas a seguir: 1- Incidir o feixe de LASER num fio de cabelo esticado e
projetar a luz numa parede a cerca de 3 m de distância. A luz vai sofrer
difração no fio de cabelo, isto é, vai contornar um obstáculo muito pequeno, de
modo a produzir um padrão de interferência (pontos de luz distribuídos
simetricamente e próximos entre si em torno do feixe central). 2- Incidir o
feixe de LASER num CD e projetar essa luz na mesma parede de modo a comparar
com a luz projetada no caso anterior. Como o CD tem cerca de 600 ranhuras por milímetro,
cada ranhura tem a dimensão do comprimento de onda da luz (cerca de 650
nanômetros para a luz do LASER) e com isso a difração resultará num padrão de
interferência com pontos de luz mais distanciados entre si. No artigo
Experiências em física moderna (item 9.2.2) há uma descrição detalhada de como
usar a medida dessa separação para fazer a medição do comprimento de onda de
outras radiações. 3-No mesmo artigo ou então em Uma caixinha para o estudo de
espectros (itens 9.2.1 e 9.2.2), há uma descrição detalhada para a construção
de um espectroscópio simples. Construir alguns espectroscópios e permitir que
os alunos o manuseiem e observem espectros, direcionando-o para a luz de
diferentes fontes: lâmpadas incandescentes, luminescentes, etc, mas não para o
Sol, pois pode causar danos aos olhos devido à grande intensidade da luz. Para
investigar o caráter corpuscular da luz o professor abordará um experimento
considerado precursor da Física Moderna, cuja explicação foi sugerida por
Einstein em 1905. Trata-se do Efeito Fotoelétrico (veja 9.2.3) cuja importância
não reside apenas no aspecto histórico da evolução da física, mas também em
suas aplicações tecnológicas, dando origem ao que hoje chamamos de efeito
fotovoltaico e que é aplicado nas células solares. O recurso utilizado para
explicar a necessidade de substituir a onda luminosa por um fóton será a simulação
interativa por computador. Se a escola possui laboratório de informática, o
professor poderá levar os alunos para que utilizem a simulação, caso contrário,
se existir um computador ligado à rede, o professor poderá demonstrar a
simulação. A simulação consiste em incidir luz num eletrodo metálico dentro de
um recipiente (ampola de vidro) a vácuo. A interatividade permite que se altere
o comprimento de onda da luz incidente e o material que constitui o eletrodo.
Em conseqüência, a simulação permite visualizar que, se o comprimento de onda é
muito grande (na região do vermelho e amarelo) nada acontece, mas se é pequeno,
elétrons são arrancados do metal, produzindo uma corrente elétrica, já que
esses elétrons são coletados num eletrodo positivamente carregado. É nesse
efeito que se baseia toda a discussão em torna das células solares: luz pode
gerar corrente elétrica. O aspecto intrigante do Efeito Fotoelétrico consiste
na não emissão de elétrons por luz de comprimento de onda grande. O professor
precisa, no momento da exposição da simulação, explicar que, uma onda, qualquer
que seja seu comprimento de onda, tem energia, e que o elétron deveria sair da
estrutura do material mais cedo ou mais tarde! Se não sai, é porque luz não é
onda! Ou, melhor dizendo, não pode ser considerada onda nesse experimento, pois
se for, não é possível explicar porque o elétron só é arrancado para algumas
cores de luz. Para explicar a emissão do elétron é necessário usar o
comportamento corpuscular, isto é, a luz é constituída de fótons e cada fóton
tem uma energia bem definida que depende do comprimento de onda ou freqüência n da luz: E=h.n. Cada fóton incidente
arranca um elétron ao colidir com o metal apenas se tiver energia suficiente
para vencer a energia de ligação do elétron. A simulação permite ainda
verificar qual é a energia mínima necessária que o fóton precisa ter para
arrancar um elétron do metal escolhido. As duas simulações indicadas (itens
9.2.4 e 9.2.5) permitem coletar dados quantitativos referentes ao comprimento de
onda (ou freqüência) da luz e energia cinética máxima do fotoelétron emitido,
que é proporcional à energia do fóton incidente. Com esses dados é possível
levantar um gráfico relacionando essas duas grandezas. De acordo com a equação
de Einstein, essa relação é linear e a inclinação da reta fornece como
resultado a constante de Planck, h=6,6 x 10-34 j.s. Historicamente, o resultado
experimental muito próximo do resultado previsto por Planck, permitiu acatar a
explicação de Einstein para o Efeito fotoelétrico como a explicação correta! O
professor pode pedir aos alunos para que realizem o mesmo procedimento
virtualmente. Ao obter o resultado da constante de Planck, os alunos devem
confrontá-lo com o resultado de h previsto pela teoria. Ao comparar os resultados
dos dois experimentos, o real e o virtual, cada um para elucidar um
comportamento da luz, o professor deve propor um debate em que parte dos alunos
deve defender o comportamento ondulatório da luz e outra parte defender o
comportamento corpuscular. O professor dever ser o mediador e questionar a
dualidade da luz e suas aplicações, isto é, qual o critério para usar um
comportamento ou o outro ao analisar um experimento ou uma aplicação
tecnológica para a luz.
RESUMO DA ATIVIDADE
1- Exibir o vídeo (uma aula). 2- Realizar os
experimentos qualitativos de óptica física com o CD, LASER, espectroscópio
caseiro e lâmpadas (uma aula). 3- Levar os alunos ao laboratório de informática
para executar o experimento virtual (uma aula). 4- Construir o gráfico da
Energia cinética máxima do elétron em função da freqüência da luz. Determinar o
coeficiente angular da reta média obtida. Comparar o resultado obtido com o
valor de h previsto pela teoria de Planck (uma aula). 5- Mediar o debate em
torno do comportamento da luz (uma aula).
MATERIAL NECESSÁRIO PARA
REALIZAÇÃO DA ATIVIDADE:
a)
Computador ligado à internet para pesquisa e com
o software JAVA instalado com versão atualizada e também Adobe Reader. b) Caixa
de papelão do tamanho de uma caixa de perfume c) CD d) tesoura e) cola ou fita
adesiva f) Ponteira LASER
AVALIAÇÃO
Ao longo do
experimento virtual no laboratório de informática, através do envolvimento e
questionamento dos estudantes. Na confecção do gráfico e obtenção do resultado
da constante de Planck. Ao longo do debate, através da participação dos
estudantes.
SUGESTÕES DE
LEITURAS
E. Segrè,
“Dos Raios X aos Quarks”, Editora Universidade de Brasília, Brasília, DF
(1980). Cavalcante, M. A. & Tavolaro, C. R. C. Física Moderna Experimental,
2ª edição, São Paulo, Manole, 2007. 1.1. Páginas da Rede (internet) 9.2.1
http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol3/Num2/ - Uma caixinha para o estudo de
espectros. 9.2.2 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/ - Experiências em
física moderna. 9.2.3 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol3/Num1/ - Uma Aula
sobre o Efeito Fotoelétrico no Desenvolvimento de Competências e Habilidades
9.2.4
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm -
simulação do Efeito fotoelétrico 9.2.5 http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Photoelectric_Effect
- simulação do Efeito fotoelétrico
