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UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO – UNIVASF.
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA – MNPEF.
MANUAL DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS PARA INTRODUÇÃO DE
CONCEITOS DE FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO.
DEIVD ANDRADE PORTO
JUAZEIRO - BA
2015.
2
DEIVD ANDRADE PORTO
MANUAL DE ATIVIDADES EXPERIMENTAIS PARA INTRODUÇÃO DE
CONCEITOS DE FÍSICA MODERNA NO ENSINO MÉDIO.
Produto educacional apresentado à
Coordenação do Curso de Pós-
Graduação em Ensino de Física, da
Universidade Federal do vale do são
Francisco, como requisito parcial para
obtenção do grau de Mestre.
JUAZEIRO - BA
2015.
3
Realizar atividades
experimentais no ensino de
Ciências, em particular de Física, é
fundamental para a aprendizagem
de conceitos científicos.
Alberto Gaspar.
4
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO...................................................................................................05
CAPITULO I: Orientações pedagógicas.............................................................07
CAPITULO II: A constante de Planck.................................................................10
CAPITULO III: Efeito fotoelétrico........................................................................17
CAPITULO IV: Modelo atômico..........................................................................24
Referencias........................................................................................................34
APÊNDICE 1: Construção da rede de difração................................................36
APÊNDICE 2: Construção da fonte de tensão variável....................................39
5
INTRODUÇÃO
As discussões a respeito da inserção de conteúdos de física moderna no
ensino médio vêm cada vez mais ganhando destaque no meio acadêmico. Com
isso, vários pesquisadores (SALLES, 2008; OLIVEIRA, 2007; PEREIRA, 2006)
têm se empenhado para garantir que conteúdos de Física Moderna sejam
incluídos entre os assuntos de física a serem trabalhados no Ensino Médio.
Em consequência desse debate sobre a inclusão da física moderna no
ensino pode-se observar que alguns livros didáticos de física utilizados no ensino
médio têm incluído em suas coleções tópicos de conteúdo Física Moderna
(DOMINGUINI; MAXIMIANO; CARDOSO, 2012). Porém, quando se observa-se
na realidade das salas de aula que a abordagem de tais conteúdos ocorre de
forma bastante tímida e sem significado, ou muitas vezes nem ocorre.
A presença de atividades experimentais de física desempenha um
importante papel no ensino de física na educação básica. Essas atividades
práticas além de auxiliar os alunos na compreensão de certos conteúdos, a
mesma constitui um elemento motivador para o ensino da física, e também
possibilita aos estudantes a um processo de aprendizado investigativo.
Mas infelizmente a maioria das escolas não possuem matérias para esse
tipo de atividade, pois os mesmos possuem um alto custo, o que torna o uso de
práticas experimentais uma atividade bastante inviável. Desta forma, esse
material surge como uma tentativa de colaborar para a inserção da física
moderna no ensino médio, e assim contribuir para melhoria da situação em que
se encontra física ensina nas escolas.
Este material trata- se de produto educacional que é parte integrante de
uma pesquisa de mestrado em ensino de física. O mesmo constitui-se de um
manual pedagógico de atividades experimentais realizadas com materiais de
baixo custo, que visa uma melhor forma de inserir conteúdos de Física Moderna
no ensino básico. Espera-se que esse possa contribuir da melhor forma possível
para que os professores de física do ensino médio possam ministrar aulas de
conteúdos de Física Moderna.
6
Tal manual de atividades experimentais é constitui de orientações
pedagógicas contidas no primeiro capítulo, que traz para o professor algumas
considerações metodológicas sobre como explora de significativa as atividades
experimentais em sala de aula. Os demais capítulos trazem roteiro sobre com
construir alguns aparatos experimentais e como realizar seus procedimentos
experimentais sobre alguns conteúdos de física moderna. Cada roteiro
construindo nesse trabalho é resultado de reconstrução e adaptações
experimentos selecionados de diversos outros trabalhos (TAVOLARO;
ALMEIDA, 2007; PAULA, ALVES; MATEUS, 2011; PERUZZO, 2013 ENTRE
OUTROS)
7
Capitulo I
Orientações pedagógicas
As Atividades experimentais no processo de ensino da educação básica
são elementos importantes e relevantes desde que estas sejam vinculadas
a uma metodologia que evidencie discursões e investigação de fenômenos
ligados aos conteúdos a serem estudados.
Para que o desenvolvimento de atividades experimentais em sala de aula
seja didaticamente bem sucedido e desempenhe o papel investigativo, é
importante que o professor faça o planejamento prévio das atividades e
procedimentos a serem adotados durante as práticas realizadas. Nesse capitulo
iremos apresentar algumas orientações pedagógicas para que professor possa
realizar o planejamento de suas atividades experimentais, tornando a mesma
potencialmente investigativo.
Um planejamento é uma tarefa pedagógica que se inicia com a previsão
das atividades didáticas, com a organização procedimentos de forma alcançar
os objetivos propostos na atividade e é complementada por sua revisão e
adequação no decorrer do processo de ensino (LIBANEO, 1994).
Dessa forma, a elaboração de um planejamento é um importante passo
para que você professor realizar de forma eficiente atividades experimentais.
Abaixo serão descritas a principais as etapas para o para elaborar o
planejamento de atividades experimentais:
1) Analise do conteúdo e construção de roteiro.
Primeiramente é importante que o professor faça uma análise do
conteúdo, afim de verificar qual tipo de experimento é viável para a realização
de atividade práticas. Nessa perspectiva o professor deve considerar as
características de cada turma, e assim reconstruí e adaptar os roteiros de acordo
com as necessidades de cada turma.
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Essa análise pode evitar que a atividade experimental se torne apenas
uma série de procedimentos no qual os alunos realizam de modo mecânico, sem
compreender os fenômenos observados no mesmo.
2) A metodologia
Numa primeira aula o professor pode fazer uma rápida apresentação dos
conteúdos e do planejamento da atividade experimental a ser desenvolvida.
Depois pode ser pedido aos alunos que se organizem em grupos, para que fora
da sala de aula, os alunos como roteiro possa construir e executar o
experimento. Deixe claro para seus alunos que a o projeto de construção do
aparato é apenas um modelo, e que estudante pode usar outras alternativas e
matérias similares para construir o experimento.
Na aula seguinte os alunos levaram os aparatos e executam novamente
os procedimentos, apresentando os resultados para serem discutidos em sala
de aula. Mas para o bom andamento das aulas o professor precisa adotar as
seguintes posturas:
a) Atuar como mediador do conhecimento:
Num modelo de aprendizagem ativa, diferentemente da aprendizagem
passiva que se baseia apenas na transmissão de conhecimento, o aluno assume
uma postura mais ativa. Onde ao mesmo é dada a possibilidade participar da
construção do conhecimento (VALENTE, 2013). Nesse modelo de
aprendizagem o professor passa a atuar com um mediador do conhecimento,
criando situações que possibilite a interação dos alunos com o conhecimento.
O professor progressivamente vai dando autonomia aos seus alunos por
meio de pequenas atitudes que fazem a diferença, como deixar que os alunos
tenham tempo para se envolverem na realização da tarefa; observar quando é
necessário fazer intervenções quando o aluno atingi um ponto de bloqueio ao
realizar as tarefas; permite que os alunos interajam entre sim, ajudando uns aos
outros; sabe ouvir os alunos as intervenções dos alunos entre outros (LOPES et
al., 2010 apud CUNHA et al, 2012).
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Nas atividades experimentais o professor precisa estimular os estudantes
a fazer argumentações, formular hipóteses, criando assim, um ambiente de
investigação e diálogo. Mas para que os alunos possam argumentar e discutir é
preciso que aluno possa estudar o conteúdo antes das aulas.
b) Tornar o processo investigativos:
Uma a atividade experimental precisar ter características investigativas. O
docente na condição de mediador precisa fazer com que os alunos sejam
estimulados a observar o experimento com uma visão investigativa, elaborando
hipóteses e fazendo uma reflexão mais aprofundada do fenômeno observado.
Para isso, e recomendável Por tanto, durante o procedimento experimentais é
importante que professores e alunos façam questionamentos sobre os
fenômenos observado, fazendo com que os alunos discutam e respondam as
questões de forma interativa.
3) Avaliação
Assim como as aulas tradicional e baseada na exposição de conteúdo, as
aulas práticas precisam ser avaliadas para questão de aprimoramento. O
professor pode adotar várias formas de avaliar. Diante disso, segue algumas
ideias que pode ser adotada como forma de avaliação do aluno em relação às
aulas e do professor em relação ao aluno, durante as aulas no laboratório.
a) Observação da participação dos alunos durante a realização das
atividades experimentais pode ser feita pelo professor.
b) Avaliação por meios de questionários também pode ser recomendável
quando for necessário avaliar a compreensão conceitos específicos.
c) Apresentação dos experimentos pode ser como forma de avaliação, onde
o aluno ao apresentar o experimento, bem como os fenômenos
observados, dados coletados fazendo um grande debate como a turma.
d) Relatórios de aulas práticas, são formas de avalição bem eficiente e mais
abrangentes, tomando o ponto de vista de esse tipo de avaliação é
subjetiva.
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Capitulo II
A constante de Planck
ATIVIDADE EXPERIMENTAL I: Determinando a constante de Planck.
OBJETIVOS:
Determinar o comprimento de Led de diferentes cores.
Observar o comportamento de um LED, construindo sua curva
característica Corrente x Tensão;
Determinar a tensão de corte de uma LED.
A partir do comprimento de onda emitido por um LED e de sua tenção de
corte determinar o valor aproximado para constante de Planck.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
No século XX o Físico Max Planck introduziu na Física o conceito de
quantização da energia luminosa, contrariando a ideia de continuidade proposta
pela física clássica. Seus estudos revelaram que a energia não era absorvida ou
emitida de forma contínua, mas em múltiplos de uma quantidade mínima,
chamada o quantum (DOMINGUINI, 2011). A constante de Planck representada
por “h” é uma das mais importantes constantes da Física, ela é fundamental para
o desenvolvimento de várias ideias da física quântica.
Pela teoria da quantização da energia luminosa proposta Planck, a luz é
composta por fótons que são pequenos pacotes de energia que dependem da
frequência da radiação (PARISOTO, 2010).
Um diodo emissor de luz (LED) é um dispositivo constituído por uma
junção de dois materiais semicondutores dopados formando uma junção do tipo
p-n. Ao aplicar uma diferença de Potencial V diretamente polarizada aos
terminais do LED, os elétrons na são injetados da banda de valência para a
banda de condução do material semicondutor, fazendo com uma corrente
elétrica atravesse a junção p-n. Ao retornarem para a banda de valência ocorre
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a liberação de energia eletromagnética que depende da energia da diferença
entre os dois níveis de energia dada pela formula:
E= ℎ. 𝑓 (1)
Onde h é a constante de Planck e f a frequência.
A energia recebida devido diferença de potencial V é dada por:
𝐸 = 𝑒. 𝑉 (2)
Onde “e” é a carga elementar do elétron e V é potencial mínimo para acender o
LED, o chamado potencial de corte. Igualando a equação (1) com a equação (2),
temos:
ℎ𝑓 = 𝑒. 𝑉 (3)
A frequência de uma radiação luminosa pode ser determinada pela
relação: 𝑓 =𝐶
𝜆, substituindo na equação 3, obtém-se a formula para determinar
a constante de Planck:
ℎ =𝑒.𝜆.𝑉
𝐶.
A luz apresenta um comportamento dual, a luz emitida por um LED pode
ser analisada sob o ponto de vista ondulatório. Onde ao passar por um prisma
ou rede de difração, a mesma sofre uma dispersão. Onde os ângulos 𝜃 para os
quais ocorrem os máximos de intensidade difratada por uma rede com
espaçamento entre linhas d, são dados pela equação: 𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑚𝜆, onde m é
um número inteiro.
PROCEDIMENTOS.
PRIMEIRA PARTE: Calculando o comprimento de onda e frequência de um LED.
MATERIAIS UTILIZADOS:
O aparato experimental estar ilustrado na figura para orientar na
montagem do experimento: Para a construção desse experimento, serão
utilizados:
- 4 Led’s de corres diferentes;
- 1 Tubo de pincel para quadro branco que seja feito com material opaco;
12
- 1Lupa;
- caixinha de papelão de altura próxima ao tamanho da lupa.
CONSTRUÇÃO DO APARATO
- Corte o tubo ao meio utilizando a parte do ponto do pincel;
- Use fita isolante para fazer uma fenda de 1 mm no tubo, deixando a parte da
ponta aberta (observe a figura 1).
Figura 1: Ilustração fenda feita com fita isolante.
- Faça um suporte para o tubo com a caixinha de papelão e fixe o tubo com cola
quente.
- Ligue por meio de fio de conectores as pontas do Led na fonte de tensão
variável e encaixe na parte da ponta do pincel (observe a polaridade do Led).
Figura 2: Montagem parcial do aparato experimental.
- Coloque a rede de difração e a lupa entre o conjunto da figura 2 e uma tela
branca, conforme a figura 3:
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Figura 3: Montagem final do aparato experimental.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:
1. Realize a montagem experimental conforme a Figura 3.
2. Para cada cor de LED, realize as medidas, com 5 variações, da distância entre
a rede de difração e o anteparo (medida y) e simultaneamente respectivas
medidas (medida x) da média entre a distância entre o ponto central (m=0) e o
primeiro máximo (m=1) e a distância entre o ponto central (m=0) e o primeiro
máximo (m=-1), preenchendo também a tabela 1.
3. Calcule os respectivos senos. Sabendo que sen 𝜃 =𝑥
√𝑥2+𝑦22
Tabela 1.
LED:
Medida x Medida y Sen𝜃
LED:
Medida x Medida y Sen𝜃
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LED:
Medida x Medida y Sen𝜃
LED:
Medida x Medida y Sen𝜃
5. Use a fórmula: d.sen𝜃=mλ, para m=1. Sabendo d=1/números de fendas. Para
determinar cada comprimento de onda.
6. Repita esse procedimento para as demais cores de LED, preenchendo os
demais valores da tabela 1. Em seguida calcule os comprimentos de ondas de
cada LED, preencha a tabela 2.
Tabela 2.
LED Comprimento de onda
SEGUNDA PARTE: Determinando a tensão de corte dos LED’s.
MATERIAIS UTILIZADOS:
- 4 Led’s de corres diferentes (os mesmos utilizados na primeira parte);
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- Fonte de tensão variável construída no apêndice 2.
- 2 multímetros digitais.
- Câmera digital.
MONTAGEM DO APARATO:
1. Ligue o LED em serie com um multímetro na função amperagem e em
paralelo com o outro multímetro na função voltagem.
2. Depois ligue a fonte de tensão variável ao LED e ao amperímetro
conforme a ilustração 4.
Figura 4: esquema de montagem.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS.
1. Com o aparato montado e uma câmera digita filmando o amperímetro e o
voltímetro simultaneamente, faça varia uniformemente, girando a potenciômetro
da fonte, a tensão na qual cada LED estar submetido. Observe o momento em
que o LED acende e o amperímetro acusa a passagem de corrente elétrica;
2. Com os vídeos salvos num computador, preencha a tabela corrente versus
tensão para cada cor de LED, preenchendo a tabela 3:
Tabela 3.
LED: LED: LED: LED:
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Corrente
(mA)
Tensão
(V)
Corrente
(mA)
Tensão
(V)
Corrente
(mA)
Tensão
(V)
Corrente
(mA)
Tensão
(V)
3. Com uma planilha eletrônica faça os gráficos da dispersão dos valores
corrente x tensão.
4. Observe os valores no gráfico onde a curva se aproxima de uma reta.
Selecione esses valores e encontre a equação da reta de tendência dada
por: i = aV + b. Faça isso para cada LED.
5. Encontre o potencial de corte fazendo i=0 na equação encontrada.
6. Usando a equação ℎ =𝑒.𝜆.𝑉
𝐶, calcule a constante de Planck para cada LED.
Tabela 4:
LED Valor da constante de Planck
Valor médio
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Capitulo II
Efeito fotoelétrico
ATIVIDADE EXPERIMENTAL II: Observando o Efeito fotoelétrico com LED.
OBJETIVO:
Observar qualitativamente o efeito fotoelétrico com um LED.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Ao realizar experimentos que confirmam a existência de ondas
eletromagnéticas demonstrada por Maxwell, Heirich Hertz observou também a
existência de uma descarga elétrica entre dois eletrodos dentro de uma ampola
de vidro provocada quando radiação luminosa era incidida em um dos eletrodos
(CAVALCANTE et al, 2002), (NUSSENZVEIG,1998). A figura 1 ilustra
esquematicamente essa situação.
Esse fenômeno recebeu o nome de Efeito Fotoelétrico, quando Albert
Einstein usou a hipótese da quantização da radiação eletromagnética proposta
por Planck, para explicar o fenômeno ocorrido.
Podemos afirmar que Efeito Fotoelétrico ocorre quando a superfície de
um metal é iluminada por radiação de comprimento de onda suficientemente
pequeno, essa radiação faz com que os elétrons sejam emitidos pelo metal
(HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2010).
Vamos descrever duas etapas do experimento do Efeito Fotoelétrico. No
qual uma luz de frequência f incide sobre o catodo, ejetando elétrons para o
anodo (denominados fotoelétrons). Uma diferença de potencial V é mantida
entre eletrodos (catodo C e anodo T). Os elétrons ejetados produzem uma
corrente fotoelétrica i.
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PARTE 1
Ajustamos a diferença de potencial V, para que o coletor C fique
ligeiramente negativo O coletor C fique ligeiramente negativo em relação ao alvo
T. a diferença de potencial reduz a velocidade dos elétrons ejetados. Em
seguida, aumentamos o valor negativo de V de forma até que o potencial de
corte Vcorte seja atingido, para qual a corrente no amperímetro seja nula. Quando
o potencial de corte é atingido, os elétrons de maior energia ejetados pelo alvo
são detidos pouco antes de chegarem ao coletor (HALLIDAY; RESNICK;
WALKER, 2010). Nesse caso, a energia cinética máxima desses elétrons é dada
por:
𝐾𝑚á𝑥 = 𝑒𝑉𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 (1)
Onde “e” é a carga elementar do elétron.
O experimento mostra que a para uma luz de uma dada frequência de luz
o valor da energia cinética máxima não depende da intensidade da luz incidente
no alvo. Este resultado experimental não pode ser explicado por meio da física
Figura 1: Representação Efeito Fotoelétrico.
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clássica. Classicamente, a luz que incide no alvo é uma onda eletromagnética.
O campo elétrico associado a essa onda exerce uma força sobre os elétrons do
alvo, fazendo com que oscilem com a mesma frequência da onda luminosa.
Quando a amplitude das oscilações de um elétron ultrapassa certo valor, ele é
ejetado da superfície do alvo. Então ao aumentarmos a intensidade (amplitude)
da onda luminosa os elétrons deveriam ser ejetados com maior energia
(HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2010).
No entanto, pela equação (2), isso não acontece. Para uma dada
frequência a energia máxima dos elétrons emitidos pelo alvo é sempre a
mesma, para qualquer que seja a intensidade da Luz.
Agora se analisarmos o resultado em termos de fótons. A energia
transferida de luz incidente para um elétron do alvo é a energia de um único
fóton. Aumentando a intensidade da luz, aumentamos o número de fótons que
incide no alvo, mas a energia de cada fóton, que é dada por E=h.f, permanece
a mesma.
PARTE 2
Nessa segunda parte vamos analisar o experimento a partir da medida do
potencial de corte para várias frequências da luz incidente. O efeito fotoelétrico
não é observado se a frequência da luz for menor que certa frequência de corte.
Este resultado também não é explicado pela Física Clássica. Se a luz se
comportasse como uma onda eletromagnética teria energia suficiente para ejetar
elétrons do material para qualquer frequência, desde que seja intensa o
suficiente (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2010).
A existência da frequência de corte é explicada satisfatoriamente quando
pensamos na luz em termos de fótons. Os elétrons são mantidos na superfície
do alvo por forças de natureza elétricas. Para escapa do alvo o elétron precisa
de uma em energia mínima ϕ, chamada função de trabalho, que depende o tipo
de material no qual é feito o alvo. Quando a energia E=h.f cedida a um elétron é
maior que a função de trabalho, o elétron pode escapar do alvo. Caso contrário,
o efeito fotoelétrico não ocorre (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2010).
Na visão de Einstein, cada fóton cede toda sua energia hf a um único
elétron do metal. Parte dessa energia serve para vencer a energia de ligação do
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elétron “desligando-o” do seu átomo e o restante de energia converte-se em
energia cinética do fotoelétron. Aquela energia obtida pelo elétron, permitindo
abandonar a superfície do metal, chama-se função trabalho, que
representaremos aqui por W ou .
Equação de Einstein:
e.Vo = h f – W (2)
O FUNCIONAMENTO DO LED.
O Efeito Fotoelétrico também pode ser observado quando uma superfície
semicondutora de um LED é iluminada através de um feixe de luz, onde os fótons
neste feixe estão numa faixa de frequência.
Um led é constituído por uma junção PN de material semicondutor e por
dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). Esse componente eletrônico que tem
a finalidade de emitir luz pelo movimento de elétrons em um material
semicondutor. A luz emitida é monocromática. Sua cor depende do material
semicondutor que o constitui. Vejamos a tabela 1:
TABELA 1: Cor emitida pelo e semicondutor utilizado na fabricação.
LED MATERIAL SEMICONDUTOR
Vermelho Arseneto de Gálio e Alumínio
Azul Nitreto de Gálio
Amarelo Fosfato de alumínio, índio e gálio.
Verde Fosfato de gálio
PROCEDIMENTOS.
MATERIAIS UTILIZADOS:
Para a construção desse experimento serão utilizados:
- Dimmerizador analógico de lâmpadas (serve para controlar intensidade
luminosa da lâmpada);
- 4 LED’s alto brilho (vermelho, verde, laranja e azul)
- 2 ou 3 pedaços de madeira;
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- Pedaço de fios finos;
- Plugue Energia Macho 2p com fio;
- Multímetro digital;
- Soquete para lâmpadas (Bocal)
- Lâmpada refletora de jardim.
- Lâmpada incandescente 100W.
CONSTRUÇÃO DO APARATO:
- Use os pedaços de madeira para construir a base do experimento, conforme
a figura 2;
Figura 2: Ilustração da base do experimento.
- Faça a ligação do controlador de intensidade luminosa, a soquete de lâmpada
e o plugue de energia, veja a figura 3;
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Figura 3: Esquema da ligação elétrica entre o controlado de intensidade luminosa, soquete de
lâmpada e Plugue de Energia.
- Fixe a soquete de lâmpada no pedaço de madeira 1 e o controlador de
intensidade na madeira 3.
- Faça a ligação das pontas do multímetro com o LED (observando a polaridade
correta). A figura 4 representa como deve ser feita essa ligação.
Figura 4: Esquematização relativa à ligação LED multímetro.
Obs.: Ligue o LED no multímetro de forma que você possa trocar de Led quando
necessário.
- Fixe o LED na base do suporte, de modo que a lâmpada ilumine diretamente a
parte superior do LED.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:
Passo 1:
- Utilizando a lâmpada incandescente, coloque o led vermelho nas conexões que
ligam ao multímetro (ligado na escala de 2 ou 20 volts) e ligue a lâmpada;
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- Verifique se voltímetro acusa ddp (analisem porquê!).
- Aumente a intensidade da luz e verifique o que acontece com a voltagem
produzida pelo LED (anote o que ocorre e discuta com seus colegas);
- Coloque os outros Led’s e verifique o que acontece;
- Anote e compare quais led’s produzem mais ddp com intensidade luminosa no
máximo;
Passo 2:
- Mude a lâmpada e faça os mesmos procedimentos do passo 1;
- Compare quais lâmpadas produzem ddp’s maior.
Passo 3:
- Façam um breve relato em grupo analisando e discutindo que foi observado
durante a atividade.
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Capitulo III
Modelo atômico e a espectrometria atímica.
ATIVIDADE EXPERIMENTAL III: Espectrometria (espectrômetro de
telescópio).
OBJETIVOS:
Analisar a composição da luz (Espectros) emitida diferentes tipos de
lâmpadas;
Discutir a natureza da luz;
Abordar a contribuição da análise espectral no surgimento de modelos
atômicos.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O físico Niels Bohr fez propôs um modelo para o átomo de Hidrogênio,
baseado nas ideias de Planck da quantização de energia eletromagnética. Bohr
introduziu seu modelo atômico de tal forma que os elétrons só poderia se
movimentar em órbitas determinadas, e em tal orbita o mesmo não podia emitir
radiação. A partir dessa modelagem Bohr explicou com mais detalhes as linhas
espectrais da radiação discreta para o átomo de hidrogênio (TIPLER, 1978).
Os físicos Kirchhoff e Bunsen realizaram experiências em 1859 e
perceberam que cada elemento em determinadas condições emite um espectro
característico exclusivamente desse elemento (CAVALCANTE; TAVOLARO;
HAAG, 2005). Sabemos que quando uma válvula contendo gás é submetida a
uma diferença de potencial, a mesma produz uma fonte luminosa na qual
podemos observa nas lâmpadas que funcionam a base de vapor de gás
(EINSTEN &INFIDEL, 2008).
O aparelho utilizado para analisar os espectros é chamado de
espectroscópio. O mesmo consiste num instrumento que funciona por meio de
25
uma rede de difração que tem como objetivo decompor a luz em vários
componentes de cores (EINSTEN &INFIDEL; 2008). A essa sequência de corres
apresentada quando a luz sofre difração chamam-se espectros.
Uma rede de difração é um dispositivo possui em seu funcionamento um
esquema semelhante ao experimento da fenda dupla, tendo como diferença
apenas o fato do grande número de fendas existente em uma rede de difração
(ranhuras) (HALLIDAY, RESNICK E WALKER, 2010).
As análises dos espectros são atualmente utilizadas em indústrias e
laboratórios com o objetivo de determinar a composição de algumas
substâncias, levando em consideração que a radiação luminosa emitida é uma
característica da substância que a emite. Na astrofísica, a mesma é usada tanto
para determinar a composição química quanto temperatura de estrelas e outros
corpos celestes que emite luz (CAVALCANTE; TAVOLARO; HAAG, 2005)
Os espectros podem ser variados dependendo da absorção ou emissão
de radiação. O mesmo pode ser classificado em Contínuo - quando mostra uma
sequência ininterrupta de cores. As Lâmpadas incandescentes produzem
espectros contínuos, o que mostra que os comprimentos de onda emitidos por
um sólido incandescente apresentam características continua.
Espectro Descontínuo que são aqueles que não apresentam espectro
contínuo de radiação. As lâmpadas florescentes, que funcionam com ases em
seu interior, por exemplo mercúrio, emitem um espectro discreto característico
do gás, com alguns comprimentos de onda bem distintos.
O físico Niels Bohr fez propôs um modelo para o átomo de Hidrogênio,
baseado nas ideias de Planck da quantização de energia eletromagnética. Bohr
introduziu seu modelo atômico de tal forma que os elétrons só poderia se
movimentar em órbitas determinadas, e em tal orbita o mesmo não podia emitir
radiação. A partir dessa modelagem Bohr explicou com mais detalhes as linhas
espectrais da radiação discreta para o átomo de hidrogênio (TIPLER, 1978).
Inspirado pelos aspectos da luz análogos às partículas, um conhecido
fenómeno ondulatório, de Broglie sugeriu que alguns fenómenos familiares das
partículas poderiam também ter um aspecto ondulatório. As partículas
componentes que constituem o átomo, como o elétron exibiria, pois, sob
26
condições experimentais apropriadas, alguns aspectos próprios de um
fenômeno ondulatório, tais como a difração ou a interferência (OLIVEIRA, 2010).
Tipos de Espectros
Os espectros podem ser variados dependendo da absorção ou emissão
de radiação do átomo. Existem três tipos de espectros na classificação de
Kirchhoff: o contínuo, o de emissão e o de absorção (FILHO; SARAIVA, 2014).
Dizemos que um espectro é contínuo - o espectro que mostra uma gama
variada e ininterrupta de cores. Já os espectros discretos não apresentam
sequência de cores contínuas de radiação, mas sim em forma de riscas (FILHO;
SARAIVA, 2014).
Os espectros de absorção ocorrem quando um espectro contínuo passar
por um gás à temperatura mais baixa, o gás frio causa a presença de linhas
escuras. Onde o número e a posição destas linhas dependem dos elementos
químicos presentes no gás (FILHO; SARAIVA, 2014).
A figura 1 mostra os três tipos de espectros:
Figura 1: Representação das três tipologias de espectros.
Fonte: (FILHO; SARAIVA, 2014)
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
MATERIAIS UTILIZADOS:
- Tubo de papelão ou tubo de PVC medindo aproximadamente 25 cm;
- Latinha de refrigerante;
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- 1 CD ou DVD gravado;
- Fita adesiva;
- Cola instantânea;
- Câmera de celular;
- fita isolante.
CONSTRUÇÃO DO APARATO
Retire a película refletora do CD realizando os seguintes passos:
- Cobrir a superfície impressa com do CD fita adesiva grossa, fazendo-a aderir
bem a superfície do CD;
- Faça um pequeno corte com estilete na região mais próxima da borda do CD.
- Comece a remover cuidadosamente a fita adesiva (uma película metálica será
removida do CD) a partir do corte feito na superfície;
Construa um telescópio:
- Caso seja preciso recubra nova a superfície para retira totalmente a película.
- Com a latinha de refrigerante corte dois círculos de modo a fechar as bases
dos rolos. Um deve ter uma fenda de 1mm e a outra um quadrado de
aproximadamente 1,5 cm de lado. Veja ilustração:
Figura 2: Face para o rolo usado para construir o espectrômetro.
- Cole um pedaço do CD na face 1 do rolo, cobrindo totalmente o quadrado (a
face na qual foi retirada a película deve ficar para dentro;
- Em seguida, fixe as faces no rolo formando um telescópio;
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Figura 3: Telescópio feito para o espectrômetro.
- Use fita isolante para revestir as faces e fixar melhor as partes do telescópio.
PROCEDIMENTOS.
Passo 1:
Olhando através da face do telescópio que contém o quadrado, aponte o
mesmo para uma lâmpada incandescente e observe a faixa de cores
formada. Se precisar ajuste até fiquem a mais nítida possível.
Use uma câmera para fotografar o espectro observado.
Atenção: Não olhe com o telescópio diretamente para o sol.
Anote como é espectro emitido por essa luz.
Passo 2:
Repita o mesmo processo usando uma lâmpada de mercúrio;
Compare o espectro obtido com o do passo anterior;
Responda quais as diferenças.
Passo 3:
Agora aponte o telescópio para uma lâmpada de vapor de Sódio em um
poste;
Use uma câmera para fotografar o espectro observado.
Anote como é espectro emitido por essa luz, e comete a diferença com o
espectro emitido no passo 2.
Faça um breve relato sobre suas observações.
29
ATIVIDADE EXPERIMENTAL IV: Espectrometria (estudo quantitativo)
OBJETIVOS:
- Visualizar os espectros da luz emitida por lampadas de diferentes materiais;
- Determinar as comprimentos de ondas e frequencias das diferentes linhas
expectrais emitida.
- Cacular a energia relativa a cada frequencia.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
MATERIAIS UTILIZADOS:
Para a construção do espectrômetro serão utilizados:
- 3 pedaços de madeira com aproximadamente 10 cm por 12 cm;
- Plugue Energia Macho 2p com fio de ligação;
- Soquete para lâmpadas (Bocal)
- Lâmpada caseira de Mercúrio
- Um CD ou DVD gravado (que não seja mais utilizado);
- Uma latinha de batata frita ou caixa de suco ou leite.
- lata de refrigerante.
- prendedor de roupa.
- Lupa.
- papel milímetrado;
- um anteparo de madeira ou papelão.
CONSTRUÇÃO DO APARATO
Preparação da rede de difração caseira:
- Retire a película refletora do CD realizando os seguintes passos;
- Cobrir a superfície impressa com do CD fita adesiva grossa, fazendo-a aderir
bem a superfície do CD;
30
- Faça um pequeno corte com estilete na região mais próxima da borda do CD.
- Comece a remover cuidadosamente a fita adesiva (uma película metálica será
removida do CD) a partir do corte feito na superfície;
- Caso seja preciso recubra nova a superfície para retira totalmente a película.
- Use um pedaço de madeira para fazer um suporte para rede de difração
construída com o CD. Para isso fixe um prendedor de roupa, fixando o mesmo
de forma perpendicular à base da madeira.
Construindo a fonte de luz:
- Fixe a soquete num pedaço de madeira (se você usa uma latinha de batatinha
frita coloque a tampa da latinha entre a soquete e a madeira. A mesma servirá
para prender a latinha)
- Ligue os fios do plugue na soquete para lâmpada;
- Faça uma abertura quadrada de aproximadamente 1,5 cm de lado na latinha
de batata frita, conforme a figura:
Figura 1: Representação da abertura.
- Corte um pedaço quadrado de aproximadamente 2 cm da latinha de
refrigerante (chapinha metálica). Em seguida faça uma fenda de
aproximadamente 1 mm. Veja a figura:
31
Figura 2: Ilustração de como fazer a fenda.
- Fixe a chapinha metálica da latinha com a fenda na latinha de batata fritae em
seguida cubra com fita isolante, deixando aparecer somente à fenda.
Figura 3: Latinha com a chapinha fixada.
- Na terceira madeira fixe uma lupa de forma que a mesma fique perpendicular
à superfície da madeira.
Obs.: Veja como deve ficar o aparato completo.
Figura 4: aparato completo montado.
32
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:
Passo 1:
- Monte o aparato conforme a figura 4 num ambiente um pouco escuro (não
esquecer de colocar a lâmpada na soquete);
- fixe uma folha de papel milímetro num anteparo;
- ligue a fonte luminosa e ajuste a posição da lupa de forma de a luz fique mais
concentrada o possível num antepara.
- ajuste a posição da rede de difração feita com CD até que seja formado anéis
coloridos bem definidas (os espectros);
Passo 2:
- Como os espectros (anéis coloridos) formados, você deve medir os raios de
cada anel e a distância da rede de difração até o anteparo, usando as fórmulas,
onde x é o raio e y é a distância entre a rede de difração e o anteparo;
- Agora calcule os comprimentos de onda de cada cor visualizada (Para calcular
o comprimento de onda de cada cor, use a formula d.sen𝜃=mλ, para m=1).
Preencha a tabela 1:
Tabela 1
Cor do anel X y sen𝜃 λ
- Calcule as referidas frequências para cada comprimento de onda;
- Para cada frequência calcule as energias por meio da equação E=hf.
Preenchendo a tabela 2:
33
Tabela 2
Cor λ f E
Passo 3:
- Faça um relatório relacionando a teoria vivenciada em sala de aula com a essa
pratica realizada.
34
Referencias
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biografias. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Ed. 2003.
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experimental de forma produtiva: o caso de um professor experiente em
busca de boas práticas. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias Vol.
11, Nº 3, 635-659 (2012).
DOMINGUINI, L.. Questões históricas da evolução da física moderna nos
livros didáticos de física do PNLEM. VIDYA, v. 31, n. 2, p.9-24, jul./dez., 2011
- Santa Maria, 2011. ISSN 0104-270 X.
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http://astro.if.ufrgs.br/rad/espec/espec.htm. Acessado em: 14 de agosto de 2014.
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do conteúdo física moderna nos livros didáticos do PNLD 2012. Revista
Técnico Científica do IFSC, v. 1, n. 2, p. 494, 2012.
35
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OLIVEIRA, I. S. Física Moderna: para iniciados, interessados e aficionados;
Editora Livraria da Física; 2. Ed. São Paulo; 2010.
PARISOTO, M. F.; MORO, J. T. Aplicações do eletromagnetismo, óptica,
ondas, da Física Moderna e Contemporânea na Medicina. In: MOREIRA, M.
A.; VEIT, E. A. Textos de apoio ao professor de física. v. 21, n. 2. Porto Alegre:
UFRGS - Instituto de Física, 2010.
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física moderna e experimentação. Revista Ponto de Vista – Vol. 3.
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moderna com a utilização do objeto de aprendizagem. Revista Brasileira de
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sala de aula invertida. Artigo não publicado, 2013.
36
APÊNDICE 1: Construção da rede de difração.
Um CD ou DVD pode ser usado como uma rede de difração. O mesmo
possui ranhuras em sua superfície refletora que quando iluminada por uma fonte
de luz branca provoca uma difração e essa luz difratada formam várias faixas
coloridas que representa figuras de difração associadas aos diferentes
comprimentos de ondas.
OBJETIVOS:
- Construir uma rede de difração caseira;
- Determinar o número de fendas por milímetros da rede de difração feita com
CD.
MATERIAS:
- 1 CD ou DVD gravado;
- Fita adesiva;
- Estilete.
- Ponteira de Laser;
- régua.
COMO FAZER?
Para fazer a rede de difração caseira, retire a película refletora do CD
primeiramente cobrindo a superfície refletora (impressa) com do CD fita adesiva,
aderindo bem a mesma na superfície do CD. Depois faça um pequeno corte com
estilete na região mais próxima da borda do CD, e a partir desse corte comece
a remover cuidadosamente a fita adesiva (a película metálica será removida do
CD) a partir do corte feito na superfície. Após retirada toda a película sua rede
de difração estará pronta.
Obs.: Use um pedaço de madeira para fazer um suporte para rede de
difração construída com o CD. Para isso fixe um prendedor de roupa, fixando o
mesmo de forma perpendicular à base da madeira
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Calculando o número de fendas por milímetro da superfície do cd.
- Com o laser fixo num suporte e como o botão acionado (use fita isolante para
manter o botão da ponteira do laser ligado), incida o laser na rede de difração
caseira, de maneira que a difração do laser seja projetada num anteparo.
Observe a imagem abaixo:
Figura 1: esquema de montagem para determinar o número de fendas por milímetro da
superfície do cd.
- Realize as medidas, com 5 variações, da distância entre a rede de difração e o
anteparo (medida y) e simultaneamente as respectivas medidas (medida x) da
média entre a distância entre o ponto central (m=0) e o primeiro máximo (m=1).
Preencha a tabela 1:
Tabela 1
Medida x Medida Y
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Calcule o seno do ângulo sen 𝜃 =𝑥
√𝑥2+𝑦22 . Para os valores x e y use as medias
das cinco quantidades de medidas obtidas.
Usando a formula da difração: d.sen𝜃=mλ, para m=1, para determinar o valor de
d. O comprimento de onda deve ser obtido pesquise na internet ou através da
frequência que também pode ser obtida na internet especificando as
características do laser.
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APÊNDICE 2: Construção da fonte de tensão variável.
OBJETIVOS:
- Construir uma fonte variável de tensão.
MATERIAS:
1 Potenciômetro de 5KΩ
- 1 Transistor TIP41
- 1 suporte para 4 pilhas de 1,5 volts em série.
- 1 Resistor 470Ω e ½ Watt.
- 4 pilhas de 1,5 volts cada uma.
- Pedaços de fios
COMO FAZER?
Com os materiais em mãos, monte o circuito conforme a figura abaixo:
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Figura 1: Esquema de montagem para construir a fonte de tensão variável.
Obs.: Posicione os componentes eletrônicos conforme a figura para melhor
identifica as ligações elétricas.
