TÍTULO: CONFECÇÃO DE UM KIT DIDÁTICO PARA O ENSINO DE ÓPTICA PARA OS ALUNOS DO ENSINO MÉDIO. AUTORES: Pedro Luiz do Nascimento (dfisica@df.ufpb.br); Moisés Pereira Ribeiro Júnior (takapy@bol.com.br); Francelino Freitas Carvalho (francelinofc@yahoo.com.br) INSTITUIÇÃO: Universidade Federal de Campina Grande - UFCG ÁREA TEMÁTICA: Educação (OBJETIVO) A partir das atividades desenvolvidas na disciplina de Laboratório de Óptica, Eletricidade e Magnestismo, na Universidade Federal de Campina Grande, observou-se que o projeto de um Kit didático para experiências de óptica no ensino médio seria de grande utilidade para os mesmos, facilitando tanto a vida dos professores ao ensinar, como para os alunos que participam mais ativamente do processo de ensinoaprendizagem. O objetivo é fundamentar os conhecimentos teóricos através de experimentos práticos voltados para a aplicação de tais conceitos. (METODOLOGIA) Um guia contento o assunto teórico e os procedimentos dos experimentos e o Kit propriamente dito, compõem esse material. Os pontos fortes deste, são: a simplicidade em montar os projetos (experimentos) e a praticidade de manuseio. Essas facilidades fazem desse Kit, um bom acessório para ser adotado nas escolas particulares e públicas. Foi implementado no formato de uma maleta. O guia dá todos os passos necessários à boa realização experimental, sendo que, antes de cada série de experimentos, é dada uma breve revisão teórica sobre o assunto tratado. Dessa forma, o aluno terá subsídios para conduzí-los de forma clara e didática. Uma observação a ser feita é que esse material não é a palavra final sobre esses temas, outras fontes de pesquisa devem ser utilizadas, uma vez que ele foi concebido para complentar a temática teórica dada pelo professor. Logo em seguida, são abordados os objetivos, os materiais do experimento e em seguida, a parte experimental propriamente dita. São realizados experimentos de: REFLEXÃO E SUAS LEIS:
1. ESPELHOS PLANOS. Neste caso, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de: Identificar e/ou descrever as leis da reflexão; Utilizar conhecimentos sobre espelhos planos e suas equações; Concluir que o raio refletido está contido no plano formado pelo raio incidente e pela normal (À superfície de separação dos dois meios) no ponto de Incidência. MATERIAL UTILIZADO: Fonte de luz (laser-point); Espelho plano; Transferidor 180º. A seguir, vem a montagem a ser feita. Monte o experimento conforme próxima figura: Espelho Papel Transferidor São dadas: a teoria sobre o assunto e como proceder com o experimento que não serão mencionados aqui por indisponibilidade de espaço, assim como a maioria dos procedimentos experimentais propriamente ditos ao longo desse resumo. Exceção será dada, quando o conteúdo for pequeno. São dadas definições de ângulo de Incidência, ângulo de Reflexão, ponto de incidência... Continuando, complete o quadro abaixo para os seguintes ângulos de incidência: Ângulo de incidência ( i ) Ângulo de reflexão ( r )
0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º No final deste experimento são feitos alguns questionamentos para fixação do conteúdo: Com base nos valores do quadro anterior, como você relacionaria o ângulo de incidência com o ângulo de reflexão? Conforme suas observações, procure verificar a validade da seguinte afirmação: o raio incidente, a reta normal (no ponto de incidência) e o raio refletido, estão contidos num mesmo plano. Verifique o que acontece ao raio refletido, quando o raio incidente é normal à superfície refletora (está contido na reta Normal). Neste caso, qual o ângulo entre o raio incidente e raio refletido? 2. A FORMAÇÃO DA IMAGEM NUM ESPELHO PLANO: Neste caso, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de: Conceituar uma imagem virtual; Reconhecer que a imagem, num espelho plano, é virtual e que: (a) Tem o mesmo tamanho do objeto; (b) É simétrica ao objeto (lado esquerdo é o lado direito da imagem e viceversa). (c) Está afastada do espelho à mesma distância que o objeto se encontra. MATERIAL NECESSÁRIO: Um objeto qualquer; Um espelho plano; Uma folha milimetrada.
espelho Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do mesmo. Como já foi mencionado, não será dado o escobo do procedimento por falta de espaço. A seguir são feitos alguns questionamentos: Como você relaciona o tamanho do objeto com o tamanho da imagem, num espelho plano? Em relação à superfície espelhada, onde se forma a imagem (na frente ou atrás do espelho)? Classifique esta imagem quanto a Virtual ou Real, conceituando cada tipo. 3. NÚMERO DE IMAGENS ENTRE DOIS ESPELHOS PLANOS QUE FORMAM UM ÂNGULO ALFA ENTRE SI; Neste, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de concluir sobre a validade da expressão: N (numero de imagens) = (360 / α ) - 1, para o número de imagens possíveis entre dois espelhos que formam um ângulo α entre si. MATERIAL NECESSÁRIO: Uma vela, ou outro objeto qualquer; Dois espelhos planos; Pedaços de fita adesiva; Uma folha de papel; Transferidor.
mesmo. Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do É pedido para ser observado o nº de imagens para cada caso e preencha a tabela a seguir. Ângulo de abertura entre os espelhos Número de imagens obtidas 30º 45º 60º 72º 90º A seguir são feitos alguns questionamentos: Com base nos valores da tabela acima, verifique a validade da expressão: N (numero de imagens) = ( 360 / α )-1, onde α é o ângulo entre os espelhos. 4. ESPELHOS ESFÉRICOS (CÔNCAVO E CONVEXO): Neste, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de determinar, a partir de um espelho esférico, as cotas de identificação dos seguintes elementos: Centro de curvatura(c); Vértice do espelho(v); Eixo principal(ep); Eixo secundário(es); Abertura do espelho(θ). MATERIAL:
Uma régua; Um lápis; Uma fonte de luz tipo laser; Folha de papel milimetrado; Espelho côncavo e espelho convexo. mesmo. Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do 5. REFRAÇÃO(dióptro): Neste, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de: Conceituar dióptro; Identificar e conceituar raio incidente, raio refletido, raio refratado, ponto de incidência, ângulo de incidência e ângulo de refração; Enunciar a primeira lei de refração; Enunciar a segunda lei de refração; Determinar e interpretar, fisicamente, o índice de refração absoluto; Determinar e interpretar, fisicamente, o índice de refração relativo; Determinar e conceituar o ângulo de refração. Conceituar refração. MATERIAL: Uma fonte de luz tipo laser-point; Folha de papel; Transferidor; Dióptro. É dada uma fundamentação teórica: Lembramos que: a maior velocidade alcançada pela luz é de 299.762 Km/s (no vácuo) e que para fins didáticos, consideraremos c igual a 300.000 Km/s. Ao penetrar em qualquer outro meio, a velocidade da luz será menor do que c e representada por v. Chamamos de índice de refração absoluto do meio penetrado pela luz, a razão entre a velocidade que a mesma adquire neste meio. n = c / v (observe que n é adimensional) Ao fenômeno da luz variar sua velocidade, ao passar de um meio para outro (com refrigências diferentes), chamamos de refração da luz. O conjunto de pontos que determinam a superfície de separação entre dois meios, que permitem a passagem da luz, á chamado dióptro.
O fenômeno de refração pode ser estudado utilizando-se um bloco de acrílico com formato semi-circular. Este componente é conhecido como dióptro convergente. Fazendo-se uma incidência de luz no dióptro de acordo com a figura abaixo, pode-se notar que o raio de luz sofre um desvio em sua trajetória ao atingir a superfície plana Faça a montagem conforme a figura abaixo: transferidor dióptro Fonte de luz Após seguir todos os passos (do guia), aplique a lei de Snell (n ar Sen(i)= n ac Sen (r) ) e obtenha o valor do índice de refração do acrílico. Para organizar melhor o trabalho, monte uma tabela como ilustrada abaixo: Verifique a validade das expressões: ao passar de um meio menos denso para outro mais denso, geralmente o raio refratado se aproxima da Normal. o raio incidente, à normal (no ponto de incidência) e o raio refratado, se encontram sobre um mesmo plano. (Conhecida como a primeira lei da Refração).
Reconhecendo i como ângulo de incidência e r como ângulo de refração, complete o quadro abaixo para as situações apresentadas: I Sen i r Sen r n=sen i / sen r 10º 20º 30º 40º 50º Observe que sen i / sen r é constante. Esta constante é conhecida como índice de refração relativo do meio 2 em relação ao meio 1 (n 2,1 =n). Verifique que n 2,1 =n 2 /n 1, onde n 1 = 1 e n 2 é o índice de refração do acrílico, logo: sen i / sen r = n Esta relação foi estabelecida, experimentalmente por Snell e Descartes (individualmente) e reconhecida como a 2ª lei da refração. Determine o índice de refração do acrílico em relação ao ar. 6. EXPERIMENTO DE LENTE BICONVEXA: Nesta parte do experimento, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste, seja capaz de determinar o foco de uma lente delgada biconvexa e compreender o conceito de imagem. MATERIAL UTILIZADO: Lente biconvexa; Fonte de luz (vela); Anteparo; Régua milimetrada; Acessórios. Determinação do foco: Faça incidir raios de luz paralela a lente, isto é, paralelo ao eixo principal. Esses raios convergem em um ponto, o qual é denominado de foco. Estudo da imagem: a)objeto situado entre o centro e o foco: 1. Fixe a lente biconvexa e varie a fonte de luz (vela) em relação a lente.
2. Procure obter sua imagem com maior nitidez no anteparo. 3. Meça e anote as distâncias da fonte de luz a lente, e da lente ao anteparo. 4. Repita os itens 1, 2 e 3 várias vezes. b) Objeto situado depois do centro: 1. Fixe a lente biconvexa e varie a fonte de luz (vela) em relação a lente. 2. Procure obter sua imagem com maior nitidez no anteparo. 3. Meça e anote as distâncias da fonte de luz a lente, e da lente ao anteparo. 4. Repita os itens 1, 2 e 3 várias vezes. 7. LENTES ESFÉRICAS: Nesta parte, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de: Identificar e classificar as lentes fornecidas; Determinar a distância focal, classificando-a, Verificar como a imagem através de uma lente convergente muda suas características de acordo com a distância entre o objeto e a lente; MATERIAL UTILIZADO: Duas fontes de luz; Lente de bordas finas; Lente de bordas larga. mesmo. Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do 8. LÂMINA DE FACES PARALELAS: Nesta parte do experimento, o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de: conhecer e entender como ondas eletromagnéticas são transportadas por Guias de ondas e Fibras ópticas. MATERIAL UTILIZADO: Lâmina de faces paralelas; Fonte de luz; Transferidor; Folha de papel em branco; Guia de onda; Fibra óptica.
Coloca-se a lâmina sobre uma folha de papel em branco, desenha-se o seu contorno e faz-se incidir sobre uma das faces um raio de luz de acordo com a figura abaixo: Meça os ângulos I 1 e I 2. Retira-se a lâmina e a fonte de luz e completa-se a trajetória da luz, como indica a figura anterior. Medindo-se os ângulos i e r e aplicando a lei de Snell obtém-se o índice de refração do vidro (Lembre-se que o índice de refração do ar é 1). 9. EXPERIMENTO COM LÂMINAS DE FACES PARALELAS FINAS (GUIA DE ONDAS ): Coloque uma fonte de luz em uma das extremidades do guia de onda (tudo sobre uma folha de papel em branco), e verifique que a luz (devido ás reflexões totais internas sucessivas), acaba saindo na outra extremidade. Explique o efeito observado. 10. EXPERIMENTO COM FIBRA ÓPTICA: Coloque uma fonte de luz, em uma das extremidades da fibra óptica fornecida e verifique se a luz sai na outra extremidade. Explique este comportamento da luz, quais os princípios físicos envolvidos. 11. CÂMARA ESCURA DE ORIFÍCIO: Denomina-se câmara escura toda caixa de paredes opacas com um pequeno orifício, pelo qual penetram os raios luminosos provenientes de uma fonte de luz. Esses raios atravessam o orifício e atingem a parede oposta formando uma imagem invertida. A face oposta àquela que contém o orifício é constituída de material translúcido, por exemplo, vidro fosco. O fenômeno descrito é a base de funcionamento das câmaras fotográficas. Colocando um material sensível à luz na parede oposta ao
orifício e um obturador no lugar do orifício, para controlar a entrada de luz, obteremos uma máquina fotográfica rudimentar. 12. SOMBRA E PENUMBRA: Sombra: É a região do espaço que não recebe a luz direta da fonte. Penumbra: É a região do espaço que recebe apenas parte da luz direta da fonte. São realizadas algumas experiências simples para mostrar o princípio da penumbra e da sombra. 13. COMBINAÇÕES DE CORES: 1. Ligue as lâmpadas da caixa fornecida, uma de cada vez e observe as cores; 2. Ligue duas as duas e descreva a cor que está sendo visualizada no anteparo; 3. Repetir as combinações que foram observadas; 4. Ligue as três lâmpadas simultaneamente descreva a cor observada. Descreva suas conclusões. (RESULTADOS) Foi realizada uma atividade com professores de física da rede estadual da Paraíba chamado Pró-Ciências e o referido experimento mostrou-se eficaz no que diz respeito ao objetivo a que se propõe. Neste projeto, os professores passaram por um processo de atualizações de conhecimentos teóricos e práticos para que pudessem ministrar suas aulas de forma mais eficiente. (CONCLUSÃO) Esse material possibilita um melhor aproveitamento quanto à compreensão de fenômenos físicos relacionados à óptica. Devido à sua simplicidade de manuseio, poderá ser levado à sala de aula. Com esse material, o professor terá condições de propor novos tipos de experimentos aos alunos. Mediante os resultados apresentados, constata-se que a utilização desse Kit Experimental propicia ao educando, práticas que o colocam em contato direto com a realidade física.
BIBLIOGRAFIA: ALBERTO, Gaspar; Física Vol. Único; 1ª edição, São Paulo, Editora Ática, 2000. ALBERTO, Gaspar; Experiências de Física para 1º Grau; 1ª edição, São Paulo, Editora Ática, 1990. ALBERTO, Gaspar; Física Vol.2, 1ª edição, São Paulo, Editora Ática, 2000. ALVARES, BEATIRZ ALVARENGA e LUZ, ANTONIO MÁXIMO. Física vol.2 vol.2 vol.3, Ed. Scipione ltda, São Paulo SP, 2000. BLACKWOOD outros, Física na escola secundária, Ed. Fundo de Cultura, Rio de Janeiro, 1963. FERRANO, Nicolau Gilberto outros. Física Ciência e Tecnologia, Ed. Moderna Ltda, volume único, São Paulo, 2001. FIOLHAIS, Carlos; Física Divertida, Lisboa, 1ª edição, gradiva, 1991. KELLER, Frederick J.; GETTYS W. Edward, Física Vol. 2; 2ª edição Makron Books do Brasil Editora Ltda., 1999. SABATO, A. Jorge e MAIZTEGUI, Alberto P. Física 2. Editora Globo. 1ª Edição. Porto Alegre.1973. SERWAY, Raymond A.; Física Vol. 3; 3ª edição Livros Técnicos e Científicos, Editora S.A., 1991. WALKER, Jearl; O Grande Circo da Física, Lisboa, 1ª edição, gradiva, 1991. TIPLER, Paul A. Física. 2ª Edição, Rio de Janeiro. Editora Guanabara Dois. Volume 2. 1986.