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 abstração quando 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 = h , 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

Semana Conteúdo

1-2 Temperatura; termômetros; escalas termométricas.

3-4 Dilatação térmica.

5 Calor e energia interna.

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

8-9 Calor específico.

10 Calor latente e mudança de fase.

11-12 Trocas de calor e equilíbrio térmico.

13-14-15-16

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

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

19 Emissão, propagação, reflexão e absorção da luz.

20 Raios de luz; sombra e penumbra.

21 A lei de reflexão da luz.

22-23 Formação de imagem por um espelho plano.

24 A velocidade da luz; índice de refração.

25-26 Refração; a lei de Snell.

27-28 Formação de imagens por refração.

29 Reflexão interna total.

30 Dispersão; luz branca.

•Espelhos curvos. *

•Lentes. *

•O olho humano; defeitos de visão. *

•Instrumentos óticos. *

1a Série

Semana Conteúdo

1 Posição e tempo; trajetória.

2-3 Velocidade e aceleração.

4-5 Representações gráficas do movimento.

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

8-9 A soma de forças.

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

12 Ação e reação.

13-14 Equilíbrio.

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

18-19 Movimento de uma partícula livre.

20-21 Movimento sob uma força constante; projéteis.

22 Trabalho e potência.

23 Energia cinética.

24 Energia potencial.

25 Conservação da energia mecânica.

26-27 Pressão em fluidos. *

28 O princípio de Pascal. *

29-30 Empuxo e o princípio de Arquimedes. *

•Movimento circular. *

•Gravitação universal. *

•Movimento oscilatório. *

•Impulso. Quantidade de movimento. A 3a lei de Newton e a conservação da quantidade de movimento. *

2a Série

Semana Conteúdo

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

3 Força e campo elétrico.

4 Corrente elétrica.

5 Diferença de potencial.

6 A lei de Ohm; resistência elétrica.

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

8-9 Circuitos simples.

11-12 Potência; o efeito Joule.

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

15-16 A experiência de Oersted; eletroímãs.

17 Ondas mecânicas e eletromagnéticas.

18 Velocidade de propagação.

19 Freqüência e comprimento de onda.

20 Princípio da superposição e interferência.

21 Ondas estacionárias. *

22 Reflexão e refração de ondas.

23 Difração.

24-25 Natureza ondulatória da luz.

26-27 O espectro eletromagnético.

28 A velocidade do som.

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

3a Série

•Força magnética sobre uma corrente; motores elétricos. *

•Indução eletromagnética; geradores elétricos e transformadores. *

•Instrumentos musicais. *

•Efeito Doppler. *