Eletromagnetismo no Ensino Médio

Introdução

Esta aula expositiva não é uma aula inicial. Ela foi dada após algumas atividades, em que os alunos trabalharam os aspectos concretos dos fenômenos, isto é, eles observaram ondas produzidas na superfície da água em uma "cuba de ondas".
As atividades tinham o objetivo de construir o conhecimento dos alunos sobre onda, seu comportamento e suas características. A aula expositiva neste momento serviu para tornar esta construção consciente por parte dos alunos e para reforçar o significado científico das grandezas físicas que foram percebidas pelos alunos, levando-os a caracterizar e relacionar os conceitos envolvidos nos fenômenos: a amplitude, o período, a frequência, o comprimento de onda e a velocidade de propagação da onda.
A aula expositiva, neste caso, é uma retomada que articula todo o conteúdo visto nas atividades do planejamento.
Esta aula é composta de duas partes. A primeira pretende voltar aos experimentos, retomar a relação entre velocidade e frequência e a velocidade da onda em meios diferentes.
Com a aula expositiva, os alunos também podem visualizar, através da demonstração bem estruturada, que as ondas sofrem reflexão e refração e obedecem, de forma análoga, as mesmas Leis da Reflexão e da Refração estudadas no curso de Óptica Geométrica.
A segunda parte da aula adota outro foco, que é partir da fenomenologia para a representação, entendendo a onda como a perturbação que se propaga em um meio elástico, sem transportar matéria e que esta matéria apenas oscila para cima e para baixo em relação a um ponto de equilíbrio, que é a superfície da água em repouso.
Conforme os alunos observam a demonstração do que ocorre na cuba de ondas, são apresentadas fotos e figuras dos fenômenos observados na cuba. Tanto as fotos quanto as figuras possibilitam "parar" a imagem vista na cuba para poder analisar o que está ocorrendo.
A oscilação de cada ponto do meio elástico (a água) é estudada com detalhe e aprofundamento na segunda parte da aula; associamos esse comportamento ao de uma mola carregada com uma "massinha". O fenômeno é demonstrado e comparado ao que ocorre em cada ponto de um meio elástico quando este está sujeito a uma perturbação; a oscilação que ocorre com um pedaço de cortiça colocado na superfície da água, que está sendo percorrida por uma onda, ocorre com a massinha suspensa quando é deslocada da sua posição de equilíbrio.

Da fenomenologia à representação

Primeira parte
Mesmo após o conhecimento das características das ondas, uma parte dos alunos demonstrou em uma atividade que não entendeu o conceito de comprimento de onda. A atividade e a representação de um destes alunos é a seguinte:

Com o barbante em mãos cole em uma folha de papel ondas periódicas com comprimentos de onda igual a 5 cm. Qual é a amplitude das ondas representadas?

Retomamos então, as características das ondas.

Características da onda

Meio material percorrido por ondas, visto de perfil

Comprimento de onda (λ): distância entre duas cristas (faixas claras) ou dois vales (faixas escuras).
A foto abaixo mostra a projeção de ondas periódicas em uma cartolina, onde foi colocada a régua para poder medir o comprimento de onda da onda projetada.

Na figura abaixo vemos que o comprimento de onda também pode ser a distância entre o final de uma crista (ou início de um vale) e o final de outra crista (ou início de outro vale), ou seja, quando a onda completa um ciclo completo.

Amplitude (A): altura do ponto de equilíbrio (superfície da água em repouso) à crista ou ao vale. A energia por unidade de volume armazenada em uma onda é proporcional ao quadrado da amplitude (A²).
Período (T): é o tempo de uma oscilação completa ou um ciclo completo.
Frequência (f = 1/T): número de oscilações na unidade de tempo ou número de ciclos/s.
Velocidade de propagação: V = λ/T ou V = λ . f

Volta à atividade
Comparando as ondas das figuras abaixo, percebemos que elas são diferentes. A primeira figura está de acordo com o que foi pedido, isto é, a onda tem comprimento de onda igual a 5,0 cm e a segunda figura apresenta um comprimento de onda igual a 10,0 cm. Isto mostra que o aluno não compreendeu como se mede o comprimento de onda. Com estas figuras em mãos podemos relacionar o comprimento de onda e a freqüência das ondas representadas e também determinar a freqüência de cada uma, supondo que as ondas periódicas ocorreram em 1 s. Podemos também determinar a velocidade de cada onda.

Figura 1

Figura 2

Fenômenos ondulatórios

Reflexão: as ondas incidem sobre o anteparo e sofrem reflexão, o que pode ser percebido pela imagem formada na água (um "xadrez"), devido ao cruzamento das ondas incidentes com as ondas refletidas. As linhas paralelas entre si representam as frentes de ondas. As ondas obedecem as mesmas leis da reflexão estudadas em Óptica.

Refração: as ondas sofrem refração ao mudarem de meio, isto é, mudam sua velocidade e, dependendo da forma de incidência na superfície que separa esses meios, podem mudar a direção de propagação. Na água, esse efeito acontece quando se tem profundidades diferentes. Em regiões profundas, a velocidade e o comprimento de onda são maiores do que em profundidades menores.

Segunda parte

Onda: Perturbação que se propaga em um meio elástico, sem transportar matéria. Só transporta energia.

A oscilação de cada ponto do meio elástico (a água) quando este está sujeito a uma perturbação; assim como ocorre com um pedaço de cortiça colocado na superfície da água, que está sendo percorrida por uma onda, ocorre com uma massinha suspensa quando é deslocada da sua posição de equilíbrio.