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Atividades Práticas sobre Luz e Física Moderna

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE INSTITUTO DE MATEMÁTICA, ESTATÍSTICA E FÍSICA MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA Atividades Práticas sobre Luz e Física Moderna Professores: VALMIR HECKLER e BERENICE VAHL VANIEL Nesta atividade semanal iremos indagar sobre o desenvolvimento de atividades práticas que envolvam os fenômenos ondulatórios e corpusculares da Luz com os conceitos iniciais da Física Moderna. 10 Momento - Trabalho com o vídeo Dr. Quântico - Experimento da Fenda Dupla Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=zKiCEU6P3U0 Encaminhamento da atividade - Vamos formar trios a) Cada grupo discute e registra os aspectos centrais visualizados no vídeo. b) Quais dos aspectos observados e apontados podem ser desenvolvidos em sala de aula de uma turma do Ensino Médio? c) Desenvolvimento de um debate sobre os aspectos emergentes nessa atividade.
  2. 2. Para pensarmos juntos: Vamos ampliar o debate a partir de fragmentos do livro Alice no País do Quantum de Robert Gilmore, os quais podem nos auxiliar na significação dos aspectos emergentes no vídeo do Dr. Quântico - Experimento da Fenda Dupla. Leitura do primeiro recorte d) O que para nós significa o fenômeno da interferência citado no fragmento de texto acima? Como trabalhamos o mesmo em sala de aula? Vamos conversar sobre... e) Em que atividades experimentais pensamos para o desenvolvimento do fenômeno da interferência em uma sala de aula?
  3. 3. f) O que pensamos ao ver a imagem de Alice observando as partículas durante o experimento da fenda dupla? Leitura do segundo recorte Afinal, "Onde estão as partículas então?", perguntou Alice. "Por qual abertura elas passam, na verdade?" (p.53). Como poderemos auxiliar Alice a compreender o que está acontecendo? Questão: Qual a contribuição/transformação que este conhecimento científico (dualidade onda-partícula, observador...) provocou para a constituição da visão de Ciência que temos hoje?
  4. 4. - Sistematização: Principais Tópicos abordados no Vídeo - O vídeo foi produzido a partir das idéias centrais do documentário "Quem Somos Nós? (What The Bleep do we Know?)"; - O personagem "Doutor Quântico" apresenta o fenômeno da fenda dupla; - Comportamento das partículas em fendas simples e duplas; - Comportamento de ondas em fendas simples e duplas; - Modelo de Interferência de ondas, partículas (elétrons) gerando modelo de Interferência; - A interferência dos observadores em um experimento quântico. Observações - O autor erra ao dizer que o elétron decidiu agir e que ele sabia que estava sendo observado. Importante ressaltar que o elétron não possui consciência e tomar uma decisão. Leitura Complementar - Notas extraídas do Livro Alice no País do Quantum (pag 46 a 58) 1. A mecânica quântica é normalmente contrastada com a mecânica clássica ou newtoniana. Esta última, que se ocupa da descrição detalhada de objetos em movimento, foi desenvolvida antes dos primeiros anos do século 20 e se baseia nos trabalhos originais de Galileu, Newton e outros antes e depois deles. A mecânica newtoniana funciona muito bem em grandes escalas. O movimento dos planetas pode ser previsto com muita antecedência e grande precisão. Ela funciona quase igualmente bem para planetas artificiais e missões espaciais de exploração: suas posições podem ser previstas anos antes. Funciona muito bem também para maçãs caindo de árvores. No caso de uma maçã que cai, a resistência do ar que a cerca será significante. A mecânica clássica descreve o fato como a colisão de um número enorme de moléculas de ar ricocheteando na maçã. Quando você pergunta sobre as moléculas de ar, respondem-lhe que elas são pequenos grupos de átomos. Quando você pergunta sobre os átomos, faz-se um silêncio constrangedor. A mecânica clássica não foi bem sucedida ao tentar explicar a natureza do mundo em escala atômica. As coisas devem ser diferentes de alguma maneira para objetos pequenos do que parecem ser para objetos grandes. Para usar estes argumentos, você deve perguntar: pequenos ou grandes em relação a quê? Deve haver alguma dimensão, uma constante fundamental que fixe a escala em que este novo comportamento se torna óbvio. É uma mudança definitiva na maneira com que se observa o comportamento das coisas, e ela é universal.
  5. 5. Átomos no sol e em estrelas distantes emitem luz no mesmo espectro que o abajur na sua mesa- de-cabeceira. A passagem para o comportamento quântico não é algo que acontece apenas localmente; há alguma propriedade fundamental da Natureza envolvida. Esta propriedade é denotada pela constante universal que aparece na maioria das equações quânticas. O mundo é granulado na escala definida por esta constante CARACTER. Nessa escala, energia e tempo, posição e momentum, apresentam-se borrados entre si. Nem é preciso dizer que, na escala da percepção humana, CARACTER é muitíssimo pequena e a maioria dos efeitos quânticos não é absolutamente evidente. 2. O que as relações de incerteza de Heisenberg nos dizem é que vemos as coisas de modo errado. Cremos de antemão que devemos ser capazes de medir a posição e o momentum de uma partícula ao mesmo tempo, mas descobrimos que não podemos. A própria natureza das partículas não permite que façamos tais medições sobre elas e a teoria nos diz que estamos fazendo as perguntas erradas, perguntas para as quais não temos respostas viáveis. Niels Bohr usou a palavra complementaridade para expressar o fato de que é possível haver conceitos que não podem ser precisamente definidos ao mesmo tempo: pares de conceitos tais como justiça e legalidade, emoção e racionalidade. Há algo fundamentalmente errado com a nossa crença de que deveríamos ser capazes de falar da posição e do momentum, ou da quantidade exata de energia de uma partícula num instante determinado. Não se sabe bem por que deveria ser significativo falar ao mesmo tempo de duas qualidades tão distintas. Parece que não é tão significativo assim. 3. A mecânica quântica não se refere a partículas definidas no sentido tradicional clássico; em vez disso, trata de estados e amplitudes. Se você eleva ao quadrado uma amplitude (i.e. multiplica por seu próprio valor), você obtém uma distribuição de probabilidades que dá a probabilidade de se obter vários resultados ao se fazer uma observação ou medição. O valor real que se obtém com qualquer medição parece ser aleatório e imprevisível. Acaba parecendo que a sugestão feita mais cedo neste livro de que a Natureza é incerta e de que "vale tudo" deve, no final das contas, ser verdade. Não parece? Bem... não. Se você faz muitas medições, o resultado médio pode ser previsto com precisão. Anotadores de apostas não sabem que cavalo ganhará cada corrida, mas esperam confiantes fazer algum lucro até o final do dia. Não conseguem prever grandes e inesperadas perdas, pois trabalham com números pequenos cuja média não pode ser confiável. O número de apostadores seria de alguns poucos milhares, em vez dos 1.000.000.000.000.000.000.000.000 átomos, ou mais, existentes mesmo em um ínfimo pedaço de matéria. Estes dígitos parecem menos com um número do que com o desenho repetitivo de um papel de parede, mas é inegavelmente grande. As flutuações estatísticas médias esperadas em medições com números de átomos tão extensos são desprezíveis, mesmo que o resultado para átomos individuais possa ser bastante aleatório. Amplitudes da mecânica quântica podem ser calculadas com bastante precisão e comparadas com experimentos. Um resultado muito citado é o do momento magnético de um elétron. Os elétrons giram como pequenos peões e têm propriedades elétricas: eles se comportam como
  6. 6. pequenos ímãs. A força magnética e a rotação do elétron estão relacionadas, e esta razão pode ser calculada com o uso das unidades apropriadas. 20 Momento da Aula Situação prática a ser discutida: Uma pessoa observa a luz solar entrar por duas frestas idênticas existentes em cada lado da porta de sua casa, projetando seus raios na parede, mas neste caso ela não consegue observar o fenômeno de interferência. Como podemos explicar este caso? Para responder o questionamento, vamos revisitar o nosso modelo "clássico" do que é o fenômeno da interferência. Sugestão de atividade a ser desenvolvida em sala de Aula. Você pode simular a interferência provocada por duas fendas, no simulador Java Applet disponibilizado no Hipermídia de Ótica na simulação 9.3.1, conforme figura 16. Com auxílio do mouse você poderá alterar o comprimento de onda (lambda) incidente nas fendas, a distância d entre as mesmas e o comprimento L de afastamento entre a posição das fendas e o anteparo. Observa-se o padrão de interferência formado no anteparo (Screen), com franjas coloridas e franjas escuras, e ao lado têm-se um gráfico (Graph) que representa a intensidade luminosa no anteparo em função da posição.
  7. 7. Figura 16 - Simulador interativo de interferência - Desenvolvido por Serge G. Vtorov - http://vsg.quasihome.com/interf.htm Com auxílio do simulador e baseado na equação , responda as seguintes questões: 1- Simulando inicialmente no experimento com luz monocromática violeta e posteriormente com luz monocromática vermelha, o que acontece com o espaçamento das franjas nos dois casos, observados no anteparo? Justifique o seu resultado. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 2- Repetindo-se a mesma simulação anterior, apenas aumentando a distância d entre as fendas, existe mudança no espaçamento das franjas? Qual é a relação entre a distância d e o espaçamento das franjas? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________. Você deve estar se perguntando: Afinal, a luz é onda ou partícula? A dualidade da natureza da luz, radiação eletromagnética, é uma realidade. No entanto, é necessário ter claro que a luz não é às vezes onda e às vezes partícula, mas sim onda e é partícula o tempo todo, manifestando um caráter ou outro em diferentes fenômenos.
  8. 8. Momento de assistirmos de debatermos sobre: Experimento para a observação e análise qualitativa de espectros Como podemos construir um experimento de baixo custo para a análise qualitativa dos espectros? Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=SNQNKVDCIGw Breve Descrição dos Principais Tópicos abordados no Vídeo - Determinação do número de sulcos/mm de um CD; - Atividades experimental simples, fácil de fazer na sala de aula e de baixo custo; - CD reflete a luz provocando também a decomposição da mesma; - O espaçamento entre os espelhos presentes no CD (trilha do CD) é da ordem do comprimento de onda de luz emitidos; - Pontos de Interferência construtiva e destrutiva; Observações: - Experimento e Vídeo elaborado pela Dra. Marisa Almeida Cavalcante do Depto de Fisica/PUC/SP.
  9. 9. Desenvolvimento do Experimento para a determinação de sulcons/nm de um CD Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=gsAkcT2nStQ&feature=related Breve Descrição dos Principais Tópicos abordados no Vídeo - Este vídeo mostra um experimento de baixo custo para a observação e analise qualitativa de espectros; - Analisa-se um espectro continuo de uma lâmpada de filamento aquecido e a decomposição espectral; - Materiais envolvidos na atividade experimental, Lupa, CD, Lanterna, Cartolinas; - Forma de montar a tela, suporte da lupa e o posicionamento correto da lanterna, CD. Lupa e Tela; - Visualização dos resultados: Espectro Contínuo. Explique quais as relações, fenômenos ondulatórios da luz que são apresentados nas atividades experimentais demonstradas nos vídeos e que podem ser associados ao estudo dos tópicos, Interferência e Difração disponibilizados no Hipermídia de Ótica.
  10. 10. Atividades com artigos Nestas atividades iremos formar duplas ou trios que irão escolher um artigo a fim de usá-lo, como ponto de partida, no desenvolver de uma proposta didática de 2 horas aula com enfoque nas temáticas estudadas neste encontro. Trazer elementos do artigo, como atividades, propósitos e possíveis aplicações para explicar os fenômenos da Física da Moderna. Leve em consideração a realidade dos estudantes, bem como a possível aprendizagem das referidas temáticas por eles. Quais atividades práticas podem contribuir para promover essa aprendizagem e como implementá-las na escola? Com o propósito de constituirmos o processo de aprendizagem, a partir do aperfeiçoamento das proposições, iremos elencar itens a serem contemplados na sua proposta: a) Objetivos; b) fenômenos a serem trabalhados; c) recursos e atividades a serem utilizados durante a aula; d) detalhar os temas a serem discutidos - construção de argumentos - identificando o nível de aprofundamento a ser desenvolvido. e) importância do tema e como relacioná-lo aos aspectos de nosso cotidiano?
  11. 11. Sugestão Complementar - O trabalho com o vídeo A ideia do Quantum - Efeito Fotoelétrico Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=CEuMmMxD-vI Breve Descrição dos Principais Tópicos abordados no Vídeo - O que é a Luz? A questão da dualidade Onda-Partícula; - Luz se comporta com onda elétrica interagindo com uma onda eletromagnética; - O comportamento ondulatório da luz não explica todos os comportamentos da luz; - Pacotes de Energia - Quantum - Energia de Planck; - Modelo de Interferência de ondas, partículas (elétrons) gerando modelo de Interferência; - Einstein aplicando as ideias de Planck para explicar o Efeito Fotoelétrico; - A energia da luz das diferentes cores; - O que é um pacote de Ondas? O que é um fóton? - Modelo de Partícula para a Luz. Algumas das informações nesta proposta estão disponíveis em: http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/exper-fis-mod.pdf http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol3/Num1/a08.pdf http://www.pucsp.br/gopef/linhas_pesquisa/fisica_moderna.html

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