Eletromagnetismo no Ensino Médio

Este planejamento foi pensado e elaborado para ser aplicado em um semestre para alunos do segundo ano do Ensino Médio.
Como já conheço as concepções (a respeito da luz e do processo de visão) dos alunos dos anos anteriores aplicarei as questões 1, 2 e 3 do questionário diagnóstico, com o objetivo de tornar as concepções dos alunos conscientes para eles próprios e para seus colegas.
Nas duas aulas iniciais discutiremos o caminho percorrido pela luz e a luz projetada num anteparo.
Atividades propostas:

Atividade 1

Problema do farol.

Atividade 2

Experiência com a caixa de luz ou lanterna.

Objetivos: Tornar as idéias dos alunos conhecidas e discutidas pela classe, ajudar os alunos perceberem a propagação da luz de uma lanterna até um anteparo (parede, papel branco, papel colorido e papel preto). Pensar se há luz no meio do caminho, se há luz no anteparo, para onde vai a luz depois de incidir sobre o anteparo e pensar nas condições para vermos um objeto qualquer.

Conteúdos_estudados: Princípio da propagação retilínea da luz. Princípio da independência dos raios de luz e relação entre luz e visão.

O que eu espero do aluno:
Que os alunos respondam individualmente o problema do farol e escolherei algumas respostas diferentes e pedirei que alguns alunos, que deram tais respostas, expliquem para a classe, possibilitando uma discussão com idéias conflitantes.
Vejamos o problema:
1 - Numa noite limpa e escura, um carro está parado numa rua reta e plana. O carro está usando faróis baixos. Um pedestre, que está parado na rua, consegue ver as luzes do farol. A ilustração está dividida em quatro seções. Em que seções há luz? Explique sua resposta.

2 - Suponha a mesma situação descrita na questão anterior, só que ao invés do carro, temos uma pequena vela acesa. Em que seções haveria luz? Explique sua resposta.
3 - Ainda com relação à questão 1, se o farol do carro estivesse ligado durante o dia, até onde a luz do farol chegaria?

Algumas respostas esperadas:
Questão 1
"Há luz nas seções I e II, porque a luz do farol está baixa e, por isso, faz com que a luz apareça cada vez menos em uma rua reta e plana."
"Pelo que a figura está nos passando, só há luz na 1a situação."
"Na seção I, porque no problema afirma que o pedestre consegue enxergar, e ele se localiza na seção III, pois a luz ele enxerga, mas não vem até ele."
Questão 2
"Haveria luz na 1a seção, pois a luz da vela está direcionada para cima, não como o farol do carro que está direcionado para frente."
"Chegaria na seção II, porque a iluminação da vela é mais forte que a de um farol baixo de carro, pelo fato da vela iluminar para frente e não para baixo."
"Na seção I, ele está a muitos metros de distância e mesmo assim ele consegue ver, mas isso não significa que a luz chega até ele."
Questão 3:
"A luz do farol chegaria até a 1a seção, pois a claridade do dia faz com que a luz apareça menos, ou seja, é como se a luz do farol estivesse desligada."
"Seção I, porque durante o dia a luz iria ter a mesma intensidade, porque há uma certa claridade que não deixa a luz se expandir."
Questões que podem surgir durante a discussão:
1 - Se a luz do farol não chega ao pedestre, como ele vê a luz do farol?
2 - O que é a parte iluminada da estrada ou rua?
3 - O que acontece com a luz depois de chegar à rua (asfalto)?
Concepções que podem aparecer durante a aplicação desta atividade: O olho capta a luz, isto é, o aluno tem o modelo do raio visual. Outro modelo é que a imagem vai aos olhos e também aparece o modelo da luz chegando aos olhos do observador. Alguns alunos têm a idéia de que a luz fica no anteparo (rua, lousa), ou seja, têm a idéia de que luz chega ao anteparo, mas fica lá e o olho vê.

Atividade 2

Experiência com a caixa de luz ou com uma lanterna.
Farei algumas demonstrações com a luz da lanterna incidindo sobre a lousa e farei as seguintes perguntas:
- Há luz entre a lanterna e o anteparo?
- O que devemos fazer para saber se há luz entre a lanterna e o anteparo?
- Como podemos saber como a luz se propaga desde que sai da lanterna até chegar ao anteparo?
- O que acontece com a luz depois dela incidir no anteparo?
- Uma luz interfere na outra? Como podemos saber?

Atividade 3

Depois de ouvir os alunos e experimentar com a lanterna as sugestões dadas pelos alunos farei uma demonstração, com uma caixa de papelão e duas cartolinas, uma branca e outra vermelha, colocarei uma em frente à outra e incidirei a luz da lanterna sobre a cartolina vermelha e perguntarei o que os alunos observam na cartolina branca.

Objetivo: Pensar se há luz no meio do caminho, se há luz no anteparo, para onde vai a luz depois de incidir sobre o anteparo e pensar nas condições para vermos um objeto qualquer.
3a aula:
Devolverei o problema do farol e pedirei que os alunos refaçam as respostas se necessário.

Objetivos: Perceber se os alunos mudam suas idéias após as observações feitas na aula anterior e perceber quais são as mudanças.

Justificativa: Possibilitar uma discussão e utilizar as observações das aulas anteriores e ajudar os alunos na resolução correta do problema do farol.
O que eu espero dos alunos: Que os alunos compreendam que a propagação da luz é infinita e em linha reta se não houver obstáculos para a sua propagação e que falem das estrelas que são vistas, mesmo estando a uma distância enorme da Terra e também da luz de uma vela ou das ruas da cidade, que são vistas de muito longe.

Atividade 4 (4^a e 5^a aulas)

Câmara escura

Pedirei que os alunos olhem na extremidade translúcida de uma câmara escura (uma lata com um orifício) pedindo que eles digam o que observam e que desenhem o caminho percorrido pela luz em toda a sua trajetória. O olho do observador deverá estar presente no desenho.

Objetivo:
Ajudar o aluno no entendimento de que a luz que é emitida pela vela se propaga em linha reta e que ela precisa chegar aos olhos do observador para que a chama seja vista.

Justificativa: Aproveitarei o desenho dos alunos para discutirmos o caminho percorrido pela luz da tampa da lata (anteparo), até os olhos do observador e chamarei a atenção para os triângulos semelhantes explicarei o Teorema de Tales para calcularmos, por exemplo, o comprimento da chama, da imagem ou até a altura de uma árvore vista através da câmara escura.
Nesta aula introduzirei dois problemas, sobre a câmara escura, porque considero importante trabalharmos um pouco com a matemática, no caso, o teorema de Tales.
Problema 1:
A figura mostra a chama de uma vela de 2,0 cm de altura diante de uma câmara escura. De acordo com as medidas determine a altura da imagem da chama.

Problema 2:
Um aluno vê através da câmara escura a imagem de uma árvore que está a uma distância de 5,0 m desta que tem 10 cm de comprimento. Se a imagem invertida tem 2,0 cm de altura, qual é a altura da árvore?

Atividade 5 (6^a aula)

O que se vê num espelho colocado na horizontal?

Objetivo: Ajudar os alunos no entendimento da reflexão da luz, a representarem a luz através de raios e a se convencerem de que para vermos um objeto a luz precisa chegar aos olhos do observador.

Conteúdo: Interação luz - visão, leis da reflexão e representação geométrica dos raios luminosos (caminho da luz).

O que eu espero dos alunos: Que eles tentem dizer se o colega, sentado de frente para um objeto colocado no alto consegue vê-lo no espelho colocado na horizontal, à sua frente. Se a resposta for negativa, tentem dizer o que este colega deve fazer para conseguir ver o objeto, no espelho.
No final desta aula pedirei que os alunos desenhem o caminho percorrido pela luz do objeto ao espelho e deste aos olhos do colega (observador).

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Atividade 6 (7^a aula)

O que se vê num espelho colocado na vertical? Como representar os raios incidentes e refletidos?

Objetivo: Ajudar os alunos a pensarem nos ângulos entre o espelho e os raios luminosos e discutir a necessidade da normal ao espelho no ponto de incidência. Falar das Leis da reflexão e da reversibilidade da luz.

Conteúdo: Leis da reflexão e reversibilidade da luz.
O que eu espero dos alunos: Que eles digam quem vê quem no espelho posicionado na vertical, em frente a duas colunas de alunos. Que digam também o por quê.

Justificativa: Com esta atividade os alunos perceberão que os colegas sentados à direita verão os colegas sentados à esquerda e vice-versa. Concluirão que um colega verá o outro porque a luz incidirá sobre o colega, sofrerá reflexão difusa e irá para o espelho e do espelho irá para o olho do colega que é visto por ele. Poderão dizer que o raio de luz incidente e o raio de luz refletido formam um V em relação ao espelho e poderão estimar o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão.

Atividade 7 (8^a e 9^a aulas)

Experiência "Tuboscópio"

Objetivo: Ajudar os alunos no entendimento das Leis da reflexão e também a perceberem que a imagem parece se formar atrás do espelho e que para verem um objeto é necessário que a luz chegue aos seus olhos.

Conteúdo: Leis da reflexão.

Justificativa: Com esta atividade os alunos podem se convencer de que a luz chegou aos seus olhos após sofrer um desvio no espelho (reflexão regular). A atividade também permite discutir com os alunos que o raio incidente, o raio refletido e a normal ao espelho estão no mesmo plano e que os ângulos de incidência e de reflexão são iguais.

O que os alunos pensam: Alguns alunos pensam que os ângulos só são iguais se forem de 450 e que esses ângulos são entre os raios e o espelho e não entre os raios e a normal. Alguns alunos acham absurdo dizer que a imagem está atrás do espelho.

Atividade 8 (10^a aula)

Onde está a imagem do objeto?

Objetivo: Ajudar o aluno na construção geométrica da imagem de objeto "atrás" do espelho plano.

Conteúdo: Imagem de um objeto extenso, representação da construção de imagens, imagem de objeto pontual.

Justificativa: Os alunos podem medir a distância do objeto ao espelho e da imagem ao espelho e perceber que as distâncias são iguais.

Atividade 9 (11^a aula)

Um pouco de matemática.

1 - A planta de uma sala retangular está observada na figura. No ponto O encontra-se um observador. Dois espelhos planos A e b estão colocados nas paredes da sala. Indicar na figura a região da sala em que um objeto poderá ser colocado, para que o observador possa vê-lo, por reflexão em um espelho, em qualquer um dos espelhos.

2 - Um observador encontra-se a 2,5 m de uma árvore. O terreno que separa o observador da árvore é plano. Um espelho plano, deitado horizontalmente no chão, permite ao observador ver totalmente a imagem da árvore. O menor comprimento do espelho em que isto acontece é de 2,0 m. sabendo-se que a distância dos olhos do observador ao chão é de 1,5 m, qual a altura da árvore?

Atividade 9 (12^a e 13^a aulas)

Questões sobre luz e visão do teste diagnóstico.

1 - Beto e seu gato Félix estão numa sala completamente escura e não há nenhuma luz lá. Você acredita que Beto:
a. Não é capaz de ver a caixa.
b. Só consegue perceber a caixa.
c. Vê a caixa com muita facilidade.
Explique a razão da sua resposta.
Gato Félix Beto

2 - Da mesma forma como na questão anterior (a sala está completamente escura e não há luz). Você acredita que o gato Félix:
a. Não é capaz de ver a caixa.
b. Só consegue perceber a caixa.
c. Vê a caixa com facilidade.
Explique a razão da sua escolha

3 - No diagrama abaixo, Sueli vê a árvore. A luz do Sol ajuda Sueli a ver a árvore? Explique por quê.

Objetivo: Ajudar o aluno entender que se houver luz no ambiente, qualquer objeto será visto por um observador desde que esta luz ao sofrer reflexão neste objeto chegue aos olhos do observador.

Conteúdo: Relação entre luz e visão.
O que os alunos pensam: Que mesmo no escuro consegue ver um objeto, dependendo da sua cor e que os olhos se adaptam aos poucos e que alguns animais, como o gato, conseguem ver no escuro.

Atividade 10 (14^a e 15^a aulas)

Caixa escura - uma avaliação.

Objetivo: Avaliar a aprendizagem dos alunos sobre a necessidade de luz para vermos um objeto e a necessidade da luz chegar ao olho do observador e também avaliar a aprendizagem dos alunos sobre reflexão difusa e regular e as leis da reflexão.

O que eu espero dos alunos: Que descobrir o número de espelhos, onde eles estão, onde estão a arara azul e a pata e quantos patinhos são. Justificar usando as Leis da reflexão.

Justificativa: Fazer o aluno perceber que se não há nenhuma luz na caixa, ele não verá nada, e que se entrar alguma luz ele verá alguma coisa. Perceber também se dá para concluir que há algum espelho e verificar qual é a explicação do aluno para esta conclusão.

Durante a atividade podem surgir as questões:
Como você sabe que tem um espelho?
O que você vê quando a lâmpada está acesa?

Os alunos terão que desenhar o caminho percorrido pela luz da arara ao espelho e deste ao olho do observador para eu avaliar o entendimento deles sobre as leis da reflexão.

Atividade 11 (16^a e 17^a aulas)

A régua parece quebrada. Por quê?

Objetivo: Ajudar o aluno entender o que está acontecendo com a luz que vem do objeto, quando ela passa de um meio transparente para outro meio também transparente.

Conteúdo: Refração da luz.

O que o aluno pensa: Que a luz entorta, assim como o objeto colocado dentro da água.

Justificativa: Os alunos podem expressar suas idéias através de um desenho em que mostram o caminho percorrido pela luz do objeto ao olho do observador.

Questões que poderão ser feitas durante a atividade:
1 - Por que vemos quebrado?
2 - Qual é o caminho da luz até o olho do observador? Faça um desenho.

Atividade 12 (18^a e 19^a aulas)

A experiência "Pescaria"

Objetivo: Explicar a refração de um raio de luz partindo de um ponto.

O que espero dos alunos: Que desenhem o caminho da luz refletida do objeto, no fundo da vasilha até os olhos do observador e tentem mostrar onde está o objeto. Cada aluno estará numa posição diferente.

Apresentarei o problema abaixo para discutir com os alunos.
Um menino, em pé, à margem de um lago, vê um peixe. Ele deve apontar sua lança para cima ou para baixo do peixe, a fim de fisgá-lo? Faça um desenho mostrando a posição em que o peixe está.

Atividade 13 (20^a e 21^a aulas)

A refração em outros materiais.

Objetivos: Ver e compreender o comportamento da luz ao atravessar outros materiais transparentes, por exemplo, resina, vidro, e também desenhar o raio de luz incidente e o raio de luz refratada, medir os ângulos de incidência e o de refração, calcular o índice de refração nesses meios.

Conteúdos: Raios de luz incidente e refratada, ângulos de incidência e de refração e índice de refração.

Atividade 14 (22^a e 23^a aulas)

Experiências com bolinhas - Um modelo para a luz.

Objetivos: Fazer uma analogia com o comportamento da luz em diferentes situações, isto é, a luz refletida após incidir em um espelho e a luz refratada ao passar de um meio transparente para outro também transparente. Ajudar os alunos a pensarem em um modelo para a luz. Também pretendo introduzir na discussão a velocidade da luz em meios diferentes.

Conteúdo: Modelo corpuscular da luz.

O que eu espero dos alunos: Que os alunos marquem com giz a trajetória de uma bolinha que incide sobre uma parede e sofre reflexão, tracem a normal à parede, no ponto de incidência e meçam o ângulo formado entre a linha que representou a trajetória da bolinha na ida e a normal e o ângulo formado entre a trajetória da bolinha na volta e a normal.
E também que façam a bolinha rolar numa superfície plana, descer um degrau e continuar rolando sobre outra superfície plana. Os alunos também deverão traçar a normal à superfície superior e a normal à superfície inferior e mediram o ângulo entre a trajetória da bolinha (riscada com giz) e a normal e fazer o mesmo na superfície inferior.

Justificativa: Com esta atividade os alunos perceberão que após a passagem pelo degrau a velocidade da bolinha aumenta, porque ela é impulsionada e depois sua trajetória sofre um desvio. Os alunos poderão compreender que o degrau representa a superfície de separação entre a água e o ar e provavelmente aceitarão que a luz pode ser representada por bolinhas (partículas) também na refração da luz.
Comentarei com os alunos sobre a velocidade da luz em meios diferentes, falarei que o modelo da luz como partícula explica a refração e pode ser usado para calcularmos o índice de refração em vários meios usando a Lei de Snell, mas que este modelo não explica todos os fenômenos da luz.

Atividade 15 (24^a e 25^a aulas)

O modelo corpuscular explica todos os fenômenos da luz?

Objetivo: Surpreender os alunos com um fenômeno que não pode ser explicado com o modelo de luz como partícula e fazê-los pensar em outro modelo para a luz.

Conteúdo: Modelo ondulatório da luz.

Justificativa: Partindo da experiência com o fio de cabelo sendo iluminado por um laser, os alunos se surpreenderão com a figura de difração que aparece em um anteparo e isso provavelmente possibilitará a tentativa de explicações para o observado, e assim haverá a necessidade de encontrarmos outro modelo para a luz, o modelo ondulatório.

Questão para problematizar o fenômeno:
O que fazer quando o modelo da luz como partícula não consegue explicar totalmente o comportamento da luz?