Física no Ensino Médio: a orientação curricular do estado do Rio de Janeiro

Carlos Eduardo Aguiar Instituto de Física - UFRJ

XVII SNEF, São Luís, 2007

Projeto de reorientação curricular

• Convênio entre a Secretaria de Estado de Educação do RJ e a UFRJ.

– 2004: Elaboração. Discussão com professores da rede estadual (~1000 participantes).

– 2005: Implementação preliminar. Avaliação. Cursos de atualização para professores regentes (~1000 inscritos).

– 2006: Implementação definitiva.

Áreas

http://www.ccmn.ufrj.br

Orientação curricular para Física

Alguns dados:

• Cerca de 700 professores de Física nas 1600 escolas da rede estadual.

• Inexistência de orientação curricular estadual desde a LDB.

Por que estudar Física na escola média?

• Entender melhor o mundo natural e tecnológico que nos cerca.

• Compreender a natureza do conhecimento científico.

• Familiarizar-se com linguagens e procedimentos essenciais aos processos produtivos modernos.

Recomendação fundamental

Mais:• compreensão de conceitos• discussão de fatos cotidianos e demonstrações práticas

Menos:• memorização de fórmulas• realização repetitiva de exercícios pouco relevantes

Estrutura curricular

1a Série– Temperatura e Calor (~60%)– Ótica (~40%)

2a Série– Mecânica (100%)

3a Série– Eletricidade e Magnetismo (~60%)– Ondas (~40%)

Por que Mecânica na 2a série?

• Conceitos básicos conflitantes com o senso comum.• Matemática sofisticada

– Taxas de variação (cálculo diferencial e integral)– Vetores

Por que Mecânica na 2a série?

Colocar a mecânica newtoniana no início do curso de Física cria grandes dificuldades aos alunos. Isso freqüentemente impede que eles tenham uma visão ampla da Física, já que muitos não percebem que outros tópicos (por exemplo, calor e temperatura, som, luz, elasticidade) não exigem tanta capacidade de abstraçãoquando tratados de forma elementar. Para remover esse obstáculo, coloquei a mecânica newtoniana no final do texto.

Robert Karplus – Introductory Physics

Mecânica no PSSC

A ordem dos conteúdos violava as sagradas tradições canônicas: a mecânica newtoniana sempre vinha no início de um livro-texto de Física, mas no PSSC ela só aparecia na segunda metade do livro. “Foi como colocar o Gênese depois das Crônicas”, pensei.

A Mecânica é difícil; seus conceitos são contra-intuitivos e estão apoiados em matemática vetorial. Os autores do PSSC concluíram que a Mecânica não é lugar para um aluno iniciar seus estudos de Física.

John Rigden – PSSC: 50 Years Later

Por que Física Térmica e Ótica na 1a série?

• Fáceis de relacionar a experiências cotidianas.• Grande número de demonstrações simples.• Matemática relativamente acessível.• Vantagens de ensinar Física Térmica antes da Mecânica:

– Energia não é apresentada como um conceito mecânico.– Temperatura não é vista como uma quantidade mecânica;

fuga do “T proporcional à energia cinética média das moléculas”.

Física Moderna

• Por que incluir Física Moderna?– Visão de mundo (é mais estranho do que podemos imaginar).– Compreensão da natureza da Ciência e do progresso científico.

• Por que não foi incluída?– Falta de tempo (2 horas por semana).– Só entraria com o sacrifício de tópicos essenciais à compreensão da

própria Física Moderna.

• Se houvesse mais tempo: Relatividade (especial)– Tema “popular”.– É relativamente fácil entender o que deu errado na Física pré-

relativística (vento de éter, adição de velocidades).– Matemática simples.– Ótimo exemplo do que ocorreu com a Física no Séc. XX.

Física Quântica

• Por que é mais difícil incluir a Física Quântica?– Não é fácil descrever o que deu errado na Física Clássica.– Quadro conceitual confuso (velha teoria quântica) ou muito

abstrato (teoria de Schroedinger-Heisenberg-Born).– Facilidade com que se transforma em mais um formulário a ser

decorado para o vestibular: E = hν , L = nħ , ...

Um exemplo dos vestibulares

UFJF – 2006

37. Em 1905, Einstein postulou a quantização da energia da radiação, isto é, que a energia radiante é concentrada em pacotes, que foram chamados, mais tarde, de fótons. Considere que um fóton tem energia Eo e um elétron tem energia cinética com o mesmo valor. Sendo h a constante de Planck; c, a velocidade da luz no vácuo e m, a massa do elétron, quais são, respectivamente, os comprimentos de onda do fóton e do elétron?a) hc/Eo e h(2mEo)1/2

b) hc/Eo e h/(2mEo)1/2

c) Eo/hc e h/(2mEo)1/2

d) Eo/hc e h(2mEo)1/2

e) h/(2mEo)1/2 e hc/Eo

Curso de atualização para professores

• Realizado em 2005.

• Produção de material didático pelos próprios cursistas, publicado e distribuído nas escolas da rede estadual.

• Física:− Professores de todo estado, turmas no Rio e em Campos.− 100 inscritos, 40 professores cursaram efetivamente,

30 produziram material didático.

Material didático

http://www.ccmn.ufrj.br

Equipes responsáveis (Física)

• Orientação curricular– Carlos Eduardo Aguiar (UFRJ)– Eduardo Gama (I.E. Carlos Pasquale / Pedro II) – Sandro Costa (C.E. Ismael Branco)

• Curso de atualização de professores regentes– Marta Barroso (UFRJ, coordenadora)– Marcelo Massunaga (UENF)– Ana Maria Breitschaft (UFRJ)– Antônio Carlos Santos (UFRJ)– Tatiana da Silva (UFRJ)

Apêndices

Detalhamento

Temperatura e Calor• Temperatura; termômetros; escalas termométricas.• Dilatação térmica.• Calor e energia interna.• Transferência de calor: condução, convecção, radiação.• Calor específico.• Calor latente e mudança de fase.• Trocas de calor e equilíbrio térmico.• A equação de estado dos gases ideais.• Interpretação molecular da pressão e temperatura dos gases.• Trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica. *

Ótica• Emissão, propagação, reflexão e absorção da luz.• Raios de luz; sombra.• A lei de reflexão da luz.• Formação de imagem por um espelho plano.• Espelhos curvos. *• A velocidade da luz; índice de refração.• Refração; a lei de Snell.• Formação de imagens por refração. • Reflexão interna total.• Dispersão; luz branca.• Lentes. *• O olho humano; defeitos de visão. *• Instrumentos óticos. *

Mecânica• A descrição do movimento • Forças• Força e movimento• Conservação da energia• Conservação da quantidade de movimento *• Hidrostática *

Eletricidade e Magnetismo• A carga elétrica.• Materiais condutores e isolantes.• Força e campo elétrico.• Corrente elétrica.• Diferença de potencial.• A lei de Ohm; resistência elétrica.• Baterias e outras fontes de tensão elétrica; força eletromotriz.• Circuitos simples.• Potência; o efeito Joule.• Ímãs e campo magnético; linhas de campo; o campo magnético terrestre.• A experiência de Oersted; eletroímãs.• Força magnética sobre uma corrente; motores elétricos. *• Indução eletromagnética; geradores elétricos e transformadores. *

Ondas• Ondas mecânicas e eletromagnéticas.• Velocidade de propagação.• Freqüência e comprimento de onda.• Princípio da superposição e interferência.• Ondas estacionárias. *• Reflexão e refração de ondas.• Difração.• Natureza ondulatória da luz.• O espectro eletromagnético.• A velocidade do som.• Som: intensidade, altura e timbre. Escalas musicais. Ultrasom.• Instrumentos musicais. *• Efeito Doppler. *

Um cronograma possível

Dispersão; luz branca.30

Reflexão interna total.29

Formação de imagens por refração.27-28

Refração; a lei de Snell.25-26

A velocidade da luz; índice de refração.24

Formação de imagem por um espelho plano.22-23

A lei de reflexão da luz.21

Raios de luz; sombra e penumbra.20

Emissão, propagação, reflexão e absorção da luz.19

Trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica. *17-18

A equação de estado dos gases ideais. Interpretação molecular da pressão e temperatura dos gases.

13-14-15-16

Trocas de calor e equilíbrio térmico.11-12

Calor latente e mudança de fase.10

Calor específico.8-9

Transferência de calor: condução, convecção, radiação.6-7

Calor e energia interna.5

Dilatação térmica.3-4

Temperatura; termômetros; escalas termométricas.1-2

ConteúdoSemana

•Espelhos curvos. *•Lentes. *•O olho humano; defeitos de visão. *

•Instrumentos óticos. *

1a Série

Empuxo e o princípio de Arquimedes. *29-30

O princípio de Pascal. *28

Pressão em fluidos. *26-27

Conservação da energia mecânica.25

Energia potencial.24

Energia cinética.23

Trabalho e potência.22

Movimento sob uma força constante; projéteis.20-21

Movimento de uma partícula livre.18-19

As leis de Newton. O conceito de massa.15-16-17

Equilíbrio.13-14

Ação e reação.12

Exemplos: forças de contato, peso, forças eletromagnéticas.10-11

A soma de forças.8-9

Intensidade, direção e sentido das forças. Vetores.6-7

Representações gráficas do movimento.4-5

Velocidade e aceleração.2-3

Posição e tempo; trajetória.1

ConteúdoSemana

•Movimento circular. *•Gravitação universal. *•Movimento oscilatório. *•Impulso. Quantidade de movimento. A 3a lei de Newton e a conservação da quantidade de movimento. *

2a Série

Intensidade, altura e timbre. Escalas musicais. Ultrasom.29-30

A velocidade do som.28

O espectro eletromagnético.26-27

Natureza ondulatória da luz.24-25

Difração.23

Reflexão e refração de ondas.22

Ondas estacionárias. *21

Princípio da superposição e interferência.20

Freqüência e comprimento de onda.19

Velocidade de propagação. 18

Ondas mecânicas e eletromagnéticas.17

A experiência de Oersted; eletroímãs.15-16

Ímãs e campo magnético; linhas de campo; o campo magnético terrestre.13-14

Potência; o efeito Joule.11-12

Circuitos simples.8-9

Baterias e outras fontes de tensão elétrica; força eletromotriz.7

A lei de Ohm; resistência elétrica.6

Diferença de potencial.5

Corrente elétrica.4

Força e campo elétrico.3

A carga elétrica. Materiais condutores e isolantes.1-2

ConteúdoSemana

3a Série

•Força magnética sobre uma corrente; motores elétricos. *

•Indução eletromagnética; geradores elétricos e transformadores. *

•Instrumentos musicais. *•Efeito Doppler. *