Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução
O planejamento baseado na aprendizagem do aluno nos faz pensar em cada ação dentro da sala de aula. Planejar para que os alunos aprendam de forma significativa valorizando suas idéias, o que ele pensa, fazendo com que os alunos discutam moldando aquilo que já sabe e para que a aprendizagem aconteça através de reflexões sobre atividades práticas que o levem a entender o conhecimento científico. Por isso, todo conteúdo foi estruturado em forma de atividade com questionamentos que ajudam a conhecer as concepções dos alunos. Preferimos nos aprofundar mais em alguns conceitos selecionados, enfatizando as idéias que definem e estruturam os fenômenos ópticos.
Estas abordagens estão embasadas por um leque de investigações que indicam a existência de vários modelos, usados pelos alunos, para interpretar fenômenos relacionados à luz e ao processo de visão.

Modelo do aluno

Modelo Olho ativo
1. nosso olho emite algo como "raios visuais" que se dirigem ao objeto e o tornam visível.

2. para enxergar a pessoa deve olhar, ao mesmo tempo, para a fonte de luz e para o objeto observado.

Modelo "banho de luz"
3. destaca a importância da luz vindo da fonte: o objeto recebe um "banho de luz" e basta essa "claridade" que "inunda" o ambiente para o torná-lo visível.

Modelo físico

Modelo Olho passivo
4. atribui ao olho a função de sensor ou receptor de luz refletida pelo objeto.

Proposta pedagógica - Construtivismo

Metodologia
Identificar as idéias do aluno sobre o fenômeno e situações de conflito entre essas idéias e o conceito físico, investigar o porquê de sua teoria, para re-elaborar atividades que ajudem os alunos a construírem o conhecimento científico.

O que eu espero que os alunos aprendam até o final do curso

Modelo físico - A luz é algo externo proveniente do Sol, da lâmpada ou de uma vela, que atinge um objeto. Depois de refletida pelo objeto, a luz entra em nosso olho numa trajetória reta, com intensidade inversamente proporcional à distância.

a. Como a luz proveniente do ambiente a nossa volta participa do processo da visão, pois obtemos diversas informações sobre o ambiente através desse processo. Para isso, exploramos algumas propriedades da luz e estudamos fenômenos relacionados à formação de imagem e à estrutura e funcionamento do olho humano e examinamos o papel do cérebro no processamento das informações que chegam, por meio da luz, até a retina.

b. Que os alunos de fato se apropriem dessas idéias para a interpretação de situações físicas diversas em nosso cotidiano, os tipos de lentes para óculos relacionados à dificuldade de visão, os instrumentos ópticos e seu funcionamento, dispositivos modernos como CD e laser e os modelos acerca da natureza da luz (partícula- onda).

A - Comportamento da luz
É importante perceber o caminho da luz - A luz é uma entidade que se propaga em linha reta (visualizar a propagação retilínea) com uma velocidade muito elevada, até que encontre um objeto (anteparo). Se a luz refletir nesse objeto e entrar em meu olho, eu vejo.

1ª atividade - Sondagem diagnóstica
Atividade - Questionário para conhecer as concepções prévias dos alunos sobre luz e visão. Discussão para entender as idéias dos alunos. Orientação sobre as concepções científicas.

Conteúdo - reflexão, luz - visão, caminho da luz

Objetivos
1. Entender que a luz não acaba, ela se propaga até o infinito a menos que encontre um anteparo.
2. Relacionar luz com pouca intensidade à menor quantidade de raios de luz.
3. Entender que a natureza da luz é a mesma, tanto a luz do Sol e a do farol.
4. Entender a interação luz-objeto-olho.
O que eu espero do aluno - aprenda a colocar suas idéias sobre o fenômeno.

Justificativa - Estimular a curiosidade dos alunos. É importante explorar os conhecimentos prévios dos alunos, a participação, as perguntas e suas respostas e, através da comparação das respostas, identificar o seu modelo, registrando suas pré-concepções sobre luz e visão.

2ª atividade - Como vemos os objetos? Brilho - o que significa?
Atividade - Observar o brilho do giz e da moeda direcionando a luz de uma lanterna, antes e depois de polir a moeda.

Conteúdo - reflexão difusa, interação luz-matéria, intensidade de luz, caminho da luz.

Objetivos
a. aprender a observar e tentar colocar suas idéias sobre o fenômeno.
b. discussão para entender as idéias dos alunos.
O que eu espero do aluno - Observe qual é a fonte de onde vem a luz, se há luz no anteparo (giz, moeda) e para onde vai a luz depois de incidir sobre o anteparo.

Justificativa - Fazer comparação com as respostas anteriores verificar se houve mudança em seu modelo sobre luz e visão, criando conflitos cognitivos.
a. Por que vemos o giz e a moeda e não vemos o caminho da luz?
b. Por que no giz branco a luz é mais intensa do que na moeda?
c. Porque quando polimos a moeda, o brilho ficou mais intenso?
d. O que acontece com a luz que não foi refletida?

3ª atividade - Observando o caminho da luz
Atividade - Enxergar a trajetória do laser no ar com o talco

Conteúdo - reflexão difusa - visão

Objetivo - Entender a interação luz-objeto-olho.

O que eu espero do aluno - que ele entenda que só enxergamos a luz se entra em nosso olho. Além de perceber a trajetória retilínea de propagação da luz, reforçar que só podemos enxergar um objeto se ele emitir luz direta ou indiretamente. Mas, há ainda um detalhe importante: é preciso que a luz emitida pelo objeto entre em nosso olho.

Justificativa - Testar se há luz no meio do caminho e entender como vemos um objeto para rebater a idéia dos alunos de que no escuro podemos ver a trajetória da luz da lanterna laser.

4ª atividade - Organização das idéias utilizando as concepções dos alunos
Justificativa - Discussão para entender as idéias dos alunos.

5ª atividade - Olho humano e a máquina fotográfica
Atividade - Análise de um módulo anatômico

Conteúdo - propagação retilínea da luz

Objetivo - perceber que a luz entra no olho através da pupila (orifício) para formar a imagem na retina (anteparo).

O que se espera do aluno - entenda que a nossa visão é tão fantástica que possibilita que um prédio de 30 andares seja convertido numa imagem tão pequena que "cabe" dentro do olho. Além disso, porque a imagem do prédio é produzida na retina de cabeça para baixo e como o laboratório fotográfico do cérebro trata logo de colocá-la no lugar, fazendo isso num intervalo de tempo tão curto que não percebemos nada.

Justificativa - O modelo dos alunos ressalta o olho ativo e, ao observar a pupila que é o orifício por onde a luz entra no olho, o intuito é fazê-lo concluir que o olho é o sensor ou receptor de luz refletida pelo objeto, entendendo a trajetória do caminho da luz no processo da visão.

6ª atividade - Tempestade de idéias
Atividade - Reflexão - Ainda com relação à questão 1, se o farol do carro estivesse ligado durante o dia, até onde a luz do farol chegaria?

Reflexão - Durante o dia, olhando pela janela de uma casa, vemos os objetos que estão fora dela e apenas uma imagem muito tênue de alguns objetos que estão dentro de casa. Durante a noite com as luzes de casa acesas, a situação de inverte: olhando pela mesma janela vemos com dificuldade o que está fora de casa e vemos nitidamente a imagem dos objetos que estão no interior da casa:
a. Como você explica isso?
b. Durante o dia, de onde vem a luz que atinge a vidraça? Para onde ela vai?
c. E, durante a noite, de onde vem e para onde vai a luz que atinge a vidraça?

Objetivo - entender intensidade de luz.

Conteúdo - luz mais intensa - luz menos intensa - Princípio da independência dos raios de luz

O que eu espero do aluno - que ele entenda: a. A vidraça transmite parte da luz que incide sobre ela, caso contrário, não veríamos os objetos que estão fora de casa. Por outro lado, ela reflete parte da luz que incide sobre ela, caso contrário, não veríamos a imagem dos objetos que estão no interior da casa. Além disso, a vidraça absorve parte da luz que incide sobre ela e por isso, ela se aquece. As diferenças do que enxergamos quando olhamos para a mesma vidraça durante o dia e durante a noite dependem das condições de iluminação interna e externa da casa.

b. Durante o dia a intensidade de luz é maior fora de casa do que dentro. Por isso, veremos principalmente os objetos que estão do lado de fora da casa, recebendo a luz externa que atravessa a vidraça e atinge nosso olho.

c. Durante a noite, com as luzes da casa acesas, a intensidade de luz é maior dentro de casa do que fora. Veremos principalmente a luz interna sendo refletida pela vidraça e atingindo nosso olho, formando imagens dos objetos. A vidraça, nesse caso, se comporta como um espelho: Há muito mais luz interna sendo refletida pela vidraça do que luz externa incidindo sobre ela e a atravessando.

Justificativa - Discussão do questionário diagnóstico.

7ª atividade - Caixa de Óptica*
Desafio - Para você ver o boneco, a luz deve incidir no olho do observador, no espelho ou no boneco? Qual interruptor você deve usar?

Justificativa - Verificar se os alunos entenderam o caminho da luz.

*essa caixa foi idealizada pela profa. Paula

8ª atividade - Confrontando idéias
Justificativa - Orientação sobre as concepções científicas.

B - Interação da luz com a matéria
Compreender que a natureza da luz é a mesma - A maior parte dos objetos que nos rodeiam não emite luz própria (corpo iluminado - fonte de luz secundária). Ao serem iluminados por um corpo luminoso (fonte de luz primária), eles absorvem parte da luz que incide sobre eles e refletem outra parte da luz, por isso, podemos vê-los.

9ª atividade - Fontes de luz
Atividade - Texto com exemplos de fonte primária e secundária.

Conteúdo - fonte de luz primária ou corpo luminoso e fonte de luz secundária ou corpo iluminado.

Objetivos
1. perceber que a maior parte dos objetos que nos rodeia não emite luz própria. Ao serem
iluminados, eles absorvem parte da luz que incide sobre eles e refletem outra parte da luz. A
parte da luz que é refletida pelo objeto pode atingir nossos olhos.
2. entender o que é fonte primária e secundária
3. os objetos refletem luz em todas as direções.

O que eu espero do aluno - Compreenda que a natureza da luz é a mesma - A maior parte dos objetos que nos rodeiam não emite luz própria (corpo iluminado - fonte de luz secundária). Ao serem iluminados por um corpo luminoso (fonte de luz primária), eles absorvem parte da luz que incide sobre eles e refletem outra parte da luz, por isso, podemos vê-los.

Justificativa - Através de observações do dia-a-dia saber diferenciar as fontes de luz e entender que conseguimos ver os olhos de uma pessoa porque a luz do ambiente (Sol ou lâmpada) é refletida pelos seus olhos e chega até o nosso olho e que entretanto, os olhos da pessoa não produzem essa luz, apenas refletem a luz.

10ª atividade - Materiais que a luz atravessa ou não
Atividade - Precedida por uma sondagem diagnóstica, verificar se é possível ver a luz e distinguir a fenda de um cartão colocado em uma lanterna para classificar os materiais em transparente, translúcido e opaco, conforme seu comportamento com a luz incidente.

Conteúdo - reflexão, absorção e transmissão

Objetivos
1. saber classificar os materiais do nosso dia a dia com base na quantidade de luz visível que consegue atravessá-los.
2. entender que a luz não atravessa todos os materiais do mesmo jeito e pode mesmo não atravessar determinado material.
3. perceber os diferentes efeitos na interação luz-matéria.

O que se espera do aluno - Reflexão, absorção e transmissão nunca ocorrem de forma isolada. Ao incidir em um objeto, parte da luz pode ser refletida e outra parte, absorvida ou transmitida.

Justificativa - Perceber um dos efeitos na interação luz-matéria: entender a reflexão (os objetos refletem luz em todas as direções com maior intensidade ou com menor intensidade), um fenômeno muito importante para nossa vida diária, pois graças a ela é que podemos ver um objeto em qualquer posição.

11ª atividade - Investigando as sombras
Atividade - Variar a posição de uma caneta em relação à fonte de luz de modo a obter uma sombra maior e menor.possível. Verificar quais informações as sombras podem dar.

Conteúdo - Princípio da propagação retilínea da luz - Princípio da independência dos raios de luz - reflexão difusa - imagem.

Objetivo - A propagação retilínea da luz é responsável pela formação da sombra de corpos opacos.

O que se espera do aluno - Perceba que as sombras só existem porque a luz se propaga em linha reta.

Justificativa - As sombras podem nos ajudar a constatar que a luz de fato se propaga em linha reta. Se a luz fizesse curvas, poderia iluminar a região atrás dos objetos que estão na frente de uma fonte de luz.

12ª atividade - Como a luz participa do processo da visão.
Atividade - Câmara escura com 1 orifício - A propagação retilínea da luz é a base de funcionamento dessa caixa de paredes opacas com um pequeno orifício em uma de suas faces. Na face oposta à do orifício, um papel vegetal (translúcido) possibilita que se possa enxergar a imagem. A luz proveniente de um objeto bem iluminado, colocado em frente ao orifício, forma uma imagem desse objeto invertida, do lado de dentro, na outra face da caixa em que está o papel vegetal.

Conteúdo - propagação retilínea da luz

Objetivos
1. Despertar a curiosidade e levá-los a levantar hipóteses sobre o processo da visão.
2. Examinar o papel da luz no processo da visão.
3. Criar um "estranhamento": - Como pode uma caixa que só tem um furinho, sem lente nem espelho, formar uma imagem e, ainda por cima, uma imagem de cabeça para baixo?.
4. Registrar as idéias sobre como funciona essa curiosa "máquina de fazer imagens".

O que se espera do aluno - Entenda a interação luz-objeto-olho - Perceba que o olho vê quando a luz entra no olho e compreender o papel da luz no processo da visão e a imagem invertida - Enxergamos o objeto quando a luz refletida por ele atinge nossos olhos. Como funciona o nosso órgão de percepção da luz, através de analogias com a câmara escura e com a máquina fotográfica. Papel do cérebro no processamento das informações que chegam, por meio da luz, até a retina.

Justificativa - Para que possamos compreender o comportamento da luz no caso da câmara escura e em outras situações, precisamos ter claro essa questão básica: como se dá o fenômeno da visão? E descobrir como essa luz entrou na câmara para que a imagem ficasse invertida.

13ª atividade - aula expositiva
Justificativa - Sistematização do conhecimento científico.

C. Fenômenos luminosos
A luz apresenta comportamentos variados ao interagir com a matéria. Esses comportamentos caracterizam os fenômenos luminosos. Olhando para um lago límpido, se você vê o seu reflexo, está ocorrendo a reflexão. Se você vê um peixe no fundo do lago, está ocorrendo a refração.

14ª atividade - Espelho plano colado na lousa
Atividade - Questionário diagnóstico - espelho colado na lousa permitindo a visualização dos colegas formando um V em relação ao espelho.

Conteúdo - reflexão regular - Leis da reflexão - reversibilidade da luz.

Objetivos
a. estimular a curiosidade dos alunos e conhecer o que eles pensam sobre reflexão.
b. perceber o raio incidente e o raio refletido e analisando seus respectivos ângulos.
c. perceber a necessidade da reta Normal no ponto de incidência do espelho, comprovando a 2ª lei da reflexão.

O que se espera do aluno - Perceba que um colega sentado à direita verá o colega sentado à esquerda e vice-versa, porque a luz incidirá sobre o colega, sofrerá reflexão difusa, alguns raios irão para o espelho e do espelho para o olho do colega que o vê.

Justificativa - Inclinando o espelho para cima ou para baixo, muda-se o plano dos raios, facilitando o entendimento das leis.

15ª atividade - Tuboscópio
Atividade - numa sala escura, posicionar um espelho plano que formará uma imagem virtual atrás do espelho local onde os alunos irão procurar o objeto.

Conteúdo - reflexão regular - imagem virtual

Objetivos - estimular o aluno a pensar e refletir sobre a posição da imagem no espelho plano.

O que se espera do aluno - perceba que a posição aparente da imagem é determinada pelos prolongamentos dos raios.

Justificativa - Visualizar a propagação retilínea da luz, entender a reflexão (os objetos refletem luz em todas as direções), reflexão através do tuboscópio, construção da imagem no espelho plano.

16ª atividade - Observar a imagem do porquinho
Justificativa - Diferenciar imagem real da imagem virtual.

17ª atividade - 1ª lei da Reflexão
Atividade - o laser refletindo no semicírculo de acrílico colocado sobre um transferidor, permite a leitura dos ângulos de incidência e reflexão.

Conteúdo - propagação retilínea da luz - leis da reflexão

Objetivos - análise quantitativa

O que se espera do aluno - comprove que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Justificativa - É possível fazer medidas para comprovação da 1ª lei da reflexão.

18ª atividade - Comprovando a 2ª lei da reflexão
Desafio - exercício criativo

Justificativa - Comprovar diferentes planos de incidência dos raios, através da reta Normal.

19ª atividade - Reflexão total
Atividade - incidir a luz de um laser em um meio mais refringente (mais denso), indo para um meio menos refringente (menos denso), usando o ângulo limite.

Conteúdo - propagação retilínea da luz, reflexão

Objetivo - demonstrar o fenômeno da Reflexão Total: o ângulo de incidência deve ser maior que um determinado valor, chamado Ângulo Limite de Refração. Esse ângulo depende do par de meios considerados, no caso da água e ar, é aproximadamente 49º.

O que se espera do aluno - perceba a aplicação no cotidiano: nos prismas retos, os raios que incidem perpendicularmente às faces, sofrem reflexão total uma ou 2 vezes.

Justificativa - Os "olhos de gato" nos caminhões e bicicletas, são formados por uma série de prismas e, por esta razão "acendem" quando a luz de outro carro os atinge. Entender a utilidade da fibra óptica para um dentista ou para um cirurgião.

20ª atividade - Caneta quebrada
Atividade - Colocar a caneta dentro de um recipiente opaco com água e perguntar: como vocês estão vendo a caneta?

Conteúdo - refração

Objetivo - mostrar o desvio que um feixe de luz sofre quando incide obliquamente na superfície de separação entre 2 meios ópticos diferentes.

O que se espera do aluno - perceba que a luz que chega no olho do observador vem do objeto, e não da imagem como parece, o que dá a impressão do objeto quebrado.

Justificativa - Fazer uma análise do feixe luminoso que passa a se propagar da água para o ar.

21ª atividade - 1ª lei da Refração
Atividade - o laser refletindo no semicírculo de acrílico colocado sobre um transferidor, permite a leitura dos ângulos de incidência e refração.

Conteúdo - mudança na direção de propagação da luz - leis da refração

Objetivos - análise quantitativa

O que se espera do aluno - comprove que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de refração.

Justificativa - É possível fazer medidas para comprovação da 1ª lei da refração.

22ª atividade - aula expositiva
Justificativa - Sistematização do conhecimento científico.

D. Natureza da luz
Estudaremos os modelos de Newton (partícula) e Huygens (onda) que explicam a luz e fenômenos luminosos como: difração - o que acontece com um feixe de luz quando ele atravessa uma abertura muito estreita -, interferência luminosa - que ocorre quando raios de luz produzidos por diferentes fontes se encontram -, a polarização, a cor dos objetos e o arco íris. Analisaremos também por que o céu é azul e por que o Sol é visto no céu com cores diferentes.

23ª atividade - Luz: partícula ou onda?
Atividade - os movimentos da mola Slinky, fio de cabelo e laser, fenômenos ópticos na cuba de onda

Conteúdo - característica de uma onda - difração - interferência - polarização

Objetivos
a. como o modelo corpuscular explica o aquecimento de uma superfície absorvedora provocado pela incidência de luz.
b.entender que de luz mais luz pode resultar a escuridão.
c. entender por que na praia, mesmo em dias nublados, as pessoas se sentem incomodadas com a claridade.

O que se espera do aluno - entender o funcionamento de elementos que fazem parte do nosso dia-a-dia: porta automática, fotômetro dos fotógrafos, calculadora "solar" - que dependem da incidência de luz em uma certa região ou local. Nos 2 primeiros, a energia luminosa é transformada em elétrica e, depois, em movimento; na calculadora a luz é transformada em energia elétrica e, em seguida, novamete em luz.

Justificativa - A teoria quântica da luz admite a dualidade onda e partícula nas diferentes possibilidades de sua interação com a matéria.

24ª atividade - A cor dos objetos
Atividade - uma caixa de sapato revestida com papel branco por dentro e, na tampa um filtro colorido vermelho; coloque objeto vermelho fosco e outro verde no interior da caixa. Incidindo a luz de uma lanterna, perguntar a cor dos objetos observados através do filtro. Como você explica os objetos observados?

Conteúdo - reflexão - freqüência - comprimento de onda

Objetivos - Comprovar que quando você vê um arco íris, gotinhas d´água no céu enviam luz vermelha para os seus olhos, e outras mais abaixo, enviam luz amarela, verde, azul, e violeta, esses raios viajam em direções diferentes.

O que se espera do aluno - perceba que a cor de um objeto varia, conforme o modo como o iluminamos.

Justificativa - Mecanismo que nos permite perceber as diferentes cores.

25ª atividade - aula expositiva
Justificativa - Sistematização do conhecimento científico.