Prezado (a) Professor (a)
A presente Sequência de Ensino Investigativa trata-se de um produto educacional
sobre Raios Cósmicos, oriundo de uma pesquisa do Mestrado Nacional Profissional em
Ensino de Física, Polo Dourados. O material foi elaborado na perspectiva investigativa, no
qual constituído de quatro momentos, envolvendo uma atividade experimental investigativa
de um Detector Caseiro de Raios Cósmicos de baixo custo aliada o Método Cooperativo de
Aprendizagem jigsaw.
O primeiro momento envolve o mapeamento dos conhecimentos prévios dos alunos
sobre a constituição da matéria e dos Raios Cósmicos por meio de um questionário. No
segundo momento sugere-se aulas expositivas e dialogadas sobre a Física de Partículas,
implementação de uma a atividade experimental na abordagem investigativa do Detector de
Raios Cósmicos de baixo custo, registro experimental e elaboração de hipóteses pelos alunos
a respeito dos fenômenos observados no experimento. No terceiro momento sugere-se a ser
trabalhado o texto sobre os Raios Cósmicos e o Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw
para a análise dos dados coletados na atividade experimental. No quarto momento envolve a
aplicação do questionário final.
Este material foi elaborado e está disponível para você, professor (a) que queira
trabalhar com a temática, Raios Cósmicos, no Ensino Médio utilizando-o de forma
complementar em suas aulas de Física. Mais informações estão disponíveis na dissertação
intitulada, Abordando os Raios Cósmicos no Ensino Médio: Uma proposta de Sequência de
Ensino.
1. PRODUTO EDUCACIONAL: INTRODUÇÃO AOS RAIOS
CÓSMICOS Nesta primeira seção será feita uma breve introdução sobre os Raios Cósmicos, foi
preferencialmente descrito de modo teórico-conceitual. Sugere-se a utilização de outras fontes
bibliográficas para uma compreensão mais aprofundada sobre o assunto.
1.1 A descoberta dos Raios Cósmicos
Para uma primeira abordagem sobre o tema discutiremos, nesta seção do trabalho,
aspectos de conceitos básicos que acreditamos ser relevantes sobre os Raios Cósmicos.
No final do século XIX e início do século XX houve muitas descobertas científicas
relacionadas as radiações. Primeiro a descoberta dos Raios X em 1895 por Roentgen. A
radioatividade em 1896 por Henri Becquerel estudando corpos fosforescentes. E as emissões
radiativas compostas pelos raios alfa (α) e raios beta (β) descobertas por Marie e Pierre Curie
e Rutherford. No entanto, por volta de 1910 um fenômeno chamou atenção dos físicos que
pesquisam sobre as radiações α e β, o fato de objetos carregados e isolados perderem cargas
após algum tempo (SARAN, 2012).
Para investigar este fato foi utilizado um aparato experimental conhecido como
eletroscópio (Figura 1). Dispositivo constituído de uma haste contendo duas folhas finas de
isoladas em uma das extremidades no interior de um recipiente de vidro e na outra
extremidade, uma esfera metálica. Carrega-se a haste com uma carga conhecida e em seguida
as folhas de ouro carregadas por indução se afastam uma da outra. No entanto, passado algum
tempo, as folhas do eletroscópio voltam a se encostar, isso acontece devido à ionização do ar.
Devido este fenômeno, os físicos da época se questionavam a respeito da causa da ionização
do ar. Uma das hipóteses levantadas para explicar a perda de carga elétrica do eletroscópio
para o ar seria uma eventual presença de componentes radioativos no meio ambiente que
contribuiria para uma constante formação de novos íons no ar (SARAN, 2012).
Para compreender o fenômeno de ionização do ar, Domenico Pacini utilizou o
eletroscópio para fazer a medição da condutividade residual do ar. Já Viktor Franz Hess a
bordo de voos de balão também utilizou o eletroscópio associado a um detector de ionização.
Ambos identificaram variações elevadas dos efeitos ionizantes devido à altitude. Em resumo,
eles esperavam que a ionização deveria diminuir com o aumento de altitude, uma vez que
estaria mais distante da fonte radioativa. Mas o que se observou foi justamente o contrário,
que com o aumento da altitude, houve um aumento progressivo do grau de ionização do ar,
que não poderia ser atribuído aos constituintes do ambiente, mas sim a alguma causa
misteriosa com origem nas profundezas do espaço (SARAN, 2012; BUSTAMANTE, 2013).
Figura 1: (a) Fotografia de eletroscópio de folha contendo um cilindro que internamente aloja duas
pequenas folhas de papel alumínio leve. (b) Diagrama representando o estado neutro do eletroscópio
“sem cargas” e (c) mostrando o estado carregado “eletrizado” do dispositivo. Fonte: (a):
http://minf.ufpa.br/index.php/eletroscopio-de-folhas; (b) e (c):
https://www.tecnolegis.com/provas/comentarios/139435.
Portanto, notaram que a origem da radiação que descarregavam os eletroscópios não
proviam do solo ou devido aos elementos radioativos presentes nele. A radiação vinha “de
cima”, do espaço e assim foi descoberta a “radiação ultrapenetrante”, no século XX, mais
precisamente em 1911, depois de uma década foi denominada pelo Robert Millikan por Raios
Cósmicos (BUSTAMANTE, 2013).
Do ponto de vista da Física Moderna Contemporânea os Raios Cósmicos não são de
fato “raios” (feixes de radiação) mas sim partículas subatômicas extremamente energéticas
que atingem a atmosfera do nosso planeta, vindas do espaço, de todos os cantos do universo
com velocidades altíssimas, muitas vezes próximas à própria velocidade da luz. Os Raios
Cósmicos mais comuns provenientes de explosões de estrelas e nebulosas, dependendo de sua
energia formam partículas secundárias. Em sua maioria são prótons (90%), partículas alfa
(9%) e o restante são núcleos atômicos pesados, como, por exemplo, o ferro. Seu espectro de
energia varia de 109
eV até 1020
eV (VALE e SOUSA, 2012; LAGO, 2007).
O físico Pierre Auger em 1938 descobriu o impacto gerado por um Raio Cósmico ao
atingir um núcleo da atmosfera terrestre, formando assim uma cascata de partículas, que ele
mesmo chamou de Chuveiros Aéreos Extensos. Fenômeno identificado por meio de
detectores que havia espalhado na região do Alpes na França. Dessa forma, detectando um
sinal de partículas simultaneamente (SARAN, 2012; CENTRO BRASILEIRO DE
PESQUISAS FÍSICAS).
No Brasil a pesquisa em Raios Cósmicos teve início em 1933 pelo alemão Bernhard
Gross no Instituto Nacional de Tecnologia. Em 1933, em São Paulo pelo físico Gleb
Wataghin e os brasileiros Marcelo Damy e Paulus Pompéia. Eles foram responsáveis pela
detecção dos chuveiros penetrantes. Posteriormente, esta equipe de pesquisadores, descobriu o
alto poder de penetração dos múons na matéria. É importante também mencionar as pesquisas
do físico brasileiro Mário Schenberg sobre as origens dos Raios Cósmicos, das partículas
elementares e a unificação das teorias das interações fundamentais. (CENTRO BRASILEIRO
DE PESQUISAS FÍSICAS; HAMBURGER, 2002; VIEIRA, 2012). Mário Schenberg se
destacou pelo pioneirismo na Física Teórica e Matemática e seus estudos sobre os Raios
Cósmicos em Astrofísica estão presentes nos livros didáticos.
No entanto, a pesquisa com participação de Físicos brasileiros sobre os Raios
Cósmicos com repercussão internacional foi a descoberta do méson-pi (píons- nome coletivo
para o π+, π
- e π
0), em 1947 com participação de Cesar Lattes em colaboração de G.
Occhialini e C. F. Powell. Em 1935 foi predito por Yukawa a existências de mésons que
carregariam as partículas da força nuclear. E foi no monte Chacaltaya localizado na Bolívia à
5,2 km de altitude, que Lattes confirmou a existência do mésons-pi, partículas responsáveis
pela união e estabilidade no núcleo atômico. No ano seguinte, Lattes foi para Universidade de
Califórnia, em Berkeley detectou o méson-pi artificialmente. Trabalho executado em parceria
de Eugene Gardner no acelerador sicro-cíclotron (SARAN, 2012; CENTRO BRASILEIRO
DE PESQUISAS FÍSICAS; STEINKIRCH, 2010).
Origem dos Raios Cósmicos
Apesar dos grandes esforços científicos e tecnológicos não há uma completa
explicação para o surgimento dos Raios Cósmicos. Contudo, observação cuidadosa das
energias associadas aos Raios Cósmicos ao atingirem a Terra permite inferir as possíveis
regiões do espaço em que elas foram geradas. A origem dos Raios Cósmicos é inferida, então,
a partir do espectro de energia das partículas como mostrado na Figura 3, na qual se apresenta
a incidência de partícula em função de sua energia.
Para facilitar a compreensão da forma que a ocorrência dos Raios Cósmicos é
distribuída pela sua energia utilizaremos a equação do fluxo dos Raios Cósmicos. Nesta
equação se verifica que as partículas mais energéticas são menos prováveis de serem
detectada quando comparadas com partículas de mais baixa energia, que tem incidência muito
mais pronunciada.
A medida do fluxo dos Raios Cósmicos foi feita por meio de dados observacionais que
levaram a equação da lei de potência (OLIVEIRA, ROCKENBACH e PACINI, 2014).
(1)
Onde N indica o número de partículas, E o espectro energético e o índice espectral.
Na prática, esta lei descreve um fluxo de raios cósmicos decrescentes com
relação a energia, tal que é possível encontrar uma partícula com energia de
ordem de 100 MeV a cada centímetro quadrado por segundo, mas a
ocorrência de partículas com energias de ordem de 1020
eV é de uma a cada
quilômetro quadrado por século (OLIVEIRA, ROCKENBACH e
PACINI,2014, p. 2).
Assim, no diagrama de fluxo (Figura 2) constam dois pontos em maior destaque,
denominados de joelho e tornozelo. Pontos que dividem o diagrama de acordo com o fluxo de
níveis de energia. Para energia de aproximadamente 1015
eV ocorre uma mudança no índice
espectral de ~2,6 para ~3,0, denomina-se essa região de joelho do espectro, de acordo com o
fluxo de Raios Cósmicos com essa energia nesta região do espectro é de 1 partícula por m2
por segundo. A segunda região chamada de tornozelo do espectro de 1018
eV, quando o
passa a ~ 3,0 para 2,5. O fluxo é de 1 partícula por m2
por ano (OLIVEIRA, ROCKENBACH
e PACINI, 2014; LAGO, 2007).
As energias que compreende até o joelho tem origem galáctica. Na região do
tornozelo, os Raios Cósmicos extragalácticos começam a dominar. Logo a origem que
compreende energias de até 109
eV são explicados pelos fenômenos solares denominados de
Raios Cósmicos solares. As energia entre 109
eV a 1016
eV são excedentes de supernovas. No
entanto, não pode afirmar a origem dos Raios Cósmicos com energias acima de 1019
, porém
há um consenso sobre sua fonte ser extragaláctica. (OLIVEIRA, ROCKENBACH e PACINI,
2014).
Figura 2: Diagrama do fluxo de Raios Cósmicos para energias superiores a 100 MeV. Fonte: Oliveira, Rockenbach e Pacini, 2014.
Raios Cósmicos interagindo com o planeta Terra
Os Raios Cósmicos interagem de várias formas com o nosso planeta. Partículas vindas
do espaço que podem modificar o clima global, isso acontece devido à ação catalisadora na
formação de nuvens na parte superior da atmosfera. Também são responsáveis pela formação
das Auroras. Isso acontece devido muitos destas partículas cósmicas serem provenientes do
sol, resultado das suas violentas explosões que acabam interagindo com o campo magnético
terrestre. As partículas entram em contato com os gases da ionosfera (camada acima de 80 km
de altitude) originando o fenômeno (SARAN, 2012).
Os Raios Cósmicos ao atingirem o topo da atmosfera terrestre, em sua grande maioria,
os prótons com velocidade próxima à da luz, possuem elevadas energias, sendo denominados
de Raios Cósmicos primários. Ao interagirem a atmosfera (átomos que a compõem)
produzem novas partículas e outras sofrem decaimento se transformando novamente, assim
são denominadas de Raios Cósmicos secundários. Um único próton incidindo no topo da
atmosfera gera uma reação em cadeia de bilhões de partículas que chegam ao solo em uma
área de até dezenas de km2. O resultado desta interação da radiação primária com a atmosfera
é análogo ao de uma cascata, neste caso, uma cascata de partículas conhecida como Chuveiro
Aéreo Extenso (CAE) (BUSTAMANTE, 2013; SARAN, 2012; LAGANÁ, 2011;
PINHEIRO, 2015).
Uma maneira de representar o comportamento do decaimento das partículas, como no
caso do CAE, é por meio do diagrama de Feynman. O diagrama busca facilitar a visualização
dos fenômenos (Figura 3) de colisão e espalhamentos de partículas segundo os princípios da
Teoria Quântica. Existem algumas características presentes no diagrama de Feynman, que
serão descritas a seguir para facilitar a interpretação dos fenômenos representados no
diagrama explicativo do CAE.
Em geral, nos diagramas de Feynman os férmions (quarks e léptons) são representados
por linhas retas e os bósons (partículas mediadoras das interações) por linhas curvas e o vertex
é o ponto onde as linhas se conectam. As linhas são representadas de três formas: (1) as linhas
internas são responsáveis por conectar os vértices, (2) as linhas no sentido entrando
representam o momento inicial e (3) as linhas no sentido saindo representam o momento final
das interações entre as partículas (STEINKIRCH, 2010).
Figura 3: Exemplo de um diagrama de Feynman para o decaimento da partílula π+ . Ele é composto
por um quark up (u) e um antiquark down ( ), no entanto decaem devido ao processo fraco (mediado
pela partícula W+) em um múon (µ+) e um neutrino do múon (νµ). Fonte: Steinkirch, 2010.
O CAE (Figura 5) está dividido em três componentes para melhor visualização dos
principais processos que ocorrem em sua formação. A cascata hadrônica juntamente com as
componentes eletromagnética e muônica formam o eixo do CAE. No entanto, fisicamente os
processos de superpõem. O Raio Cósmico ao colidir com o núcleo atmosférico interagem
produzindo em sua grande maioria píons e neste processo acaba cedendo parte de sua energia.
Nesta interação fragmentos dos núcleos tanto do Raio Cósmico como dos núcleos da
atmosfera podem ser emitidos (OLIVEIRA, 2000).
Ainda sobre o Chuveiro Aéreo Extenso (CAE) a componente hadrônica é formada por
píons carregados ou kaons resultados de decaimentos, colisões ou ressonâncias de bários. Os
referidos píons (π0, π
±) são importantes no desenvolvimento das cascatas na componente
muônica (Figura 5) que é formada pelos π+ e π
-. Já a componente eletromagnética é formada
pelos π0. No entanto, outros fragmentos podem colidir com núcleos de camadas mais
profundas da atmosfera e formar novas cascatas hadrônicas (VALE e SOUSA, 2012;
OLIVEIRA, 2000).
A representação do CAE (Figura 4) os π0 são mais comum decairem π
0 2γ , Oliveira
(2000) ainda descreve mais sobre o processo da formação da cascata eletromagnética:
Os fótons são produzidos a altas energias (na faixa dos raios-γ) e interagem
eletromagneticamente com a matéria a sua volta preferencialmente através
do processo de criação de pares (γ +γn e+
+ e-). Os elétrons e pósitrons
resultantes interagem preferencialmente a altas energias via Bremsstrahlung
que é a emissão de raios-γ devido às acelerações provocadas pelos campos
elétricos dos núcleos ao redor. Estes raios-γ realimentam o processo gerando
uma cascata de elétrons, pósitrons e fótons (p. 10).
A componente muônica dos chuveiros é gerada pelo decaimento dos π± . Devido a
baixa seção de choque dos múons para interação são bem penetrantes e atravessam a
atmosfera e chegam a profundos níveis abaixo da superfície. Ainda de acordo com Oliveira
(2000):
A componente muônica é menos numerosa que a eletromagnética, no
entanto, se mantém e não é absorvida rapidamente. A grandes distâncias do
eixo do chuveiro, a componente muônica permanece e se distribui
lateralmente por áreas muito maiores que a componente eletromagnética, por
isso é a componente mais facilmente detectada, constituindo o sinal
dominante ao nível do mar e níveis subterrâneos. Os múons podem também
eventualmente decair (µ± e
± + νe + νµ) alimentando a componente
eletromagnética juntamente com os múons são produzidos os neutrino
atmosféricos (p. 10).
Os múons de altas energias tem uma trajetória próxima de ser retilínea. Devido a esse
comportamento chegam mais rápidos do que os elétrons no solo. Sendo assim são muito úteis
na reconstrução das frentes do CAE (VALE e SOUSA, 2012).
Figura 4: Concepção artística de um CAE de Raios Cósmicos.
Fonte: Oliveira, 2000.
A detecção e descrição da evolução do CAE são costumeiramente realizadas por
detectores e uso de simulações computacionais que auxiliam para a melhor compreensão dos
dados. No Observatório Pierre Auger, considerado um dos principais referências em detecção
de Raios Cósmicos, é utilizado dois tipos de detectores, telescópios de superfícies e
telescópios de fluorescência. Os dados de ambos os detectores são cruzados, dessa forma
elaboram a trajetória e energias das partículas que formam o CAE (VALE e SOUSA, 2012).
Câmara de Nuvens
A câmara de nuvens também se trata de um método usado para detecção de Raios
Cósmicos. Foi desenvolvida em 1911 pelo físico Charles Wilson na Universidade de
Cambridge. A câmara de nuvens trata de um recipiente fechado contendo vapor super-
resfriado de água ou álcool. No qual é condensado em torno da passagem de um feixe de
partículas carregadas, proveniente de Raios Cósmicos. Os traços deixados por essas partículas
são visíveis a olho nu na forma de condensação do vapor em forma líquida, possibilita a
visualização/registro da trajetória que a partícula deixou na linha de condensação
(PINHEIRO, 2015; AGUIAR, 2013; VALE e SOUSA, 2012).
Esse aparato experimental foi o primeiro detector com a capacidade de mostrar os
traços produzidos pelas partículas subatômicas, corroborando na investigação da radiação e
das partículas elementares. Sua grande conquista foi possibilitar a detecção do pósitron (figura
5) em 1932 pelo físico Carl Anderson (LAGANÁ, 2011; PINHEIRO, 2015). Aparato
experimental que ainda tem sido utilizado para pesquisa de partículas elementares, estudo de
interações de partículas carregadas com a matéria e Física Nuclear (LAGANÁ, 2011) na
atualidade.
Figura 5: Pósitron, partícula detectada na Câmara de Nuvens. Fonte: https://www.sprace.org.br/divulgacao/noticias/vendo-particulas-subatomicas
Dentro da Câmara de Nuvens são visualizados alguns traços produzidos por partículas
de baixa energia, elétrons de ionização, prótons e partículas de alta energia que podem ser
analisados de acordo com o seu comportamento (LAGANÁ, 2011).
As partículas detectadas pelo detector de Raios Cósmicos, conhecido como Câmara de
Nuvens, possui comportamento característico e podem ser identificadas através do traço
deixado no detector de acordo com a sua respectiva energia.
Partículas de baixa energia
Estas partículas de energia da ordem de 0.05 eV deixa um traço com grande
quantidade de desvio dentro do detector. Propõe-se que o traço da (Figura 6) seja um elétron
ou múon. (LAGANÁ, 2011).
Figura 6: Traço deixado por partícula de baixa energia. Fonte: Laganá, 2011.
Elétrons de ionização
Os elétrons de ionização são a maioria das partículas de baixa energia detectada na
Câmara de Nuvens, elétrons arrancados dos átomos por partículas energéticas (Figura 7). Os
elétrons de ionização tem a característica de percorrer poucos centímetros até depositarem
toda sua energia (LAGANÁ, 2011).
Figura 7: Partícula energética produziu um elétron de ionização formando uma bifurcação. Fonte: Laganá, 2011.
Prótons
Os prótons secundários podem ser visualizados na Câmara de Nuvens, eles deixam um
traço bem reto e extremamente forte (Figura 8) (LAGANÁ, 2011).
Figura 8: Traço deixado por um próton secundário. Fonte: Laganá, 2011.
Partículas de alta energia
As partículas de alta energia ao atravessarem o detector praticamente sem desvio, por
serem energéticas têm menos chances de, sofrer mudança na trajetória por colisão com as
moléculas do vapor de álcool resultando em traços retos e fracos (Figura 9). Logo, as
partículas mais energéticas ionizam menos que as partículas de baixa energia (LAGANÁ,
2011).
Figura 9: Duas partículas de alta energia (>100 MeV) atravessando a Câmara de nuvens
simultaneamente. Fonte: Laganá, 2011.
Assim, por meio da Câmara de Nuvens um aparato relativamente simples de ser
executado pode ser realizado um estudo qualitativo e quantitativo dos Raios Cósmicos, bem
como dos demais fenômenos decorrentes deste experimento.
2. PRODUTO EDUCACIONAL: SEQUÊNCIA DE ENSINO
INVESTIGATIVA A Sequência de Ensino Investigativa (SEI) elaborada envolve uma atividade experimental
na perspectiva investigativa aliada ao Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw como
uma de suas estratégias de ensino. Na SEI são sugeridas ações que podem ser desenvolvidas
em quatro momentos, no primeiro momento, sugere-se um mapeamento dos conhecimentos
prévios dos alunos sobre a constituição da matéria e dos Raios Cósmicos por meio de um
questionário.
No segundo momento propõe-se que sejam ministradas aulas expositivas e dialogadas
sobre a Física de Partículas, a implementação de uma atividade experimental na abordagem
investigativa do Detector Caseiro de Raios Cósmicos, o registro experimental e a elaboração
de hipóteses pelos alunos a respeito dos fenômenos observados no experimento. No terceiro
momento sugere-se trabalhar com o texto sobre a Descoberta da Radiação Cósmica e a análise
dos dados coletados na atividade experimental por meio do Método Cooperativo de
Aprendizagem jigsaw utilizando o artigo de Laganá (2011).
2.1 Primeiro Momento: Identificação dos conhecimentos prévios dos alunos
Neste primeiro momento o objetivo é identificar os conhecimentos prévios dos alunos
sobre a constituição da matéria e dos Raios Cósmicos, utilizando o questionário inicial.
Aplicação do Questionário inicial
Na Figura 10 temos a ilustração de parte do questionário inicial (Apêndice A) como
uma sugestão para a identificação dos conhecimentos prévios dos alunos. O questionário é
composto por cinco questões, sendo três de múltiplas escolhas e duas dissertativas. Na
primeira questão busca identificar os conhecimentos que os alunos possuem sobre a
constituição dos átomos, na segunda sobre as concepções sobre as partículas elementares, na
terceira questão busca obter o conhecimento dos alunos sobre os Raios Cósmicos. Já na quarta
questão identificar o conhecimento dos alunos a respeito dos Chuveiros Aéreos Extensos.
Para a aplicação do questionário inicial propõe-se uma aula de 50 minutos.
Figura 10: Ilustração de parte do questionário inicial.
2.2 Segundo Momento: Realização da atividade experimental investigativa
No segundo momento sugere-se trabalhar alguns conceitos teóricos da Física de
Partículas e a realização da atividade experimental investigativa. Para execução das atividades
foram necessárias três aulas de 50 minutos. O segundo momento pode ser dividido em cinco
etapas: a). Introdução da Física de Partículas, b) Desenvolvimento da atividade experimental
investigativa demonstrativa do Detector Caseiro de Raios Cósmicos, c). Registro da atividade
experimental, d) Levantamento de hipóteses sobre os fenômenos observados na atividade
experimental, e). Registro das hipóteses sobre os fenômenos visualizados no Detector de
Raios Cósmicos.
2.2.1 Introdução à Física de Partículas-Teoria do Modelo Padrão Sugere-se que seja realizada uma introdução da Teoria do Modelo Padrão para o
entendimento das partículas elementares. Na aula sobre a Teoria do Modelo Padrão faça uma
pergunta sobre o conhecimento dos alunos a respeito de uma teoria científica. Com intuito de
fazer com que os alunos falem sobre as suas concepções. Explicando que uma teoria científica
deve ser comprovada experimentalmente e que se trata do conhecimento aceito
cientificamente até o momento a respeito de um conjunto de fenômenos e que a Teoria do
Modelo Padrão as partículas elementares e interações fundamentais que constitui a matéria.
Por se tratar de uma Teoria extensa sugere-se que dê mais ênfase nas partículas
elementares. Além do mais para o entendimento das partículas detectadas no experimento os
alunos precisam do conhecimento sobre as partículas elementares. Pois, a atividade
experimental do Detector Caseiro de Raios Cósmicos é similar a Câmara de Nuvens, aparato
experimental amplamente usado no estudo as partículas elementares e foi o primeiro
experimento detectar rastros deixados por partículas subatômicas e responsável pela detecção
da partícula elementar pósitron.
2.2.2 Atividade Experimental Investigativa Demonstrativa do Detector Caseiro
de Raios Cósmicos.
Como a Sequência de Ensino foi abordada na perspectiva investigativa aliada a
Aprendizagem Cooperativa sugere-se que após a apresentação das partículas elementares o
professor conduza todas as outras atividades seguintes com os alunos organizados em
pequenos grupos (quatro integrantes) com o objetivo de favorecer a interação social e a
socialização do conhecimento pelos os mesmos durantes as atividades seguintes.
Esta atividade experimental sugerida na Sequência de Ensino tem enfoque
investigativo, portanto o professor assume um papel de mediador e o aluno se torna mais ativo
no processo de ensino- aprendizagem. O professor insere uma situação problema envolvendo
um fenômeno e cria um ambiente favorável aos alunos para solucionar a problemática inicial.
É necessário que as atividades sejam desenvolvidas em grupos para propiciar momentos de
discussões, levantamentos de hipóteses, socialização e sistematização do conhecimento pelos
alunos.
Desse modo, organiza a atividade experimental investigativa na abordagem
demonstrativa do Detector Caseiro de Raios Cósmicos (Figura 11) utilizando o roteiro
experimental (Apêndice B) na presença dos alunos. Caso não tenha interesse em utilizar a
atividade experimental, no Apêndice B tem uma sugestão de vídeo de um Detector Caseiro de
Raios Cósmicos abordando a montagem e funcionamento do experimento. Outra
possibilidade pode ser o uso do aplicativo DECO (Apêndice C) para a detecção dos Raios
Cósmicos.
Na montagem da atividade experimental solicita a observação dos alunos em todas as
etapas, faça questionamentos sobre o que mais chama a atenção, a opinião deles sobre o que
vai acontecer/fenômeno no aparato experimental. Em seguida faça a explicação do
funcionamento do experimento abordando conceitos da Física Clássica somente, por exemplo,
explique o ciclo de convecção, a mudança de estado físico da matéria/ álcool e mudança de
fase do álcool. Não associe ainda o experimento ao um detector de Raios Cósmicos. Como já
dito antes, esta atividade se trata de uma atividade experimental investigativa, na qual o
professor cria um ambiente potencialmente investigativo para abordar os fenômenos
relacionados aos Raios Cósmicos.
Após o término da montagem do aparato experimental com intuito de que os alunos
reflitam sobre o funcionamento e os fenômenos que podem ser observados, realize o seguinte
questionamento aos alunos sobre o que eles esperam que aconteça no experimento.
Figura 11: Detector Caseiro de Raios Cósmicos.
2.2.3 Registro da atividade experimental investigativa Depois de montar o experimento, no máximo quinze minutos começará a surgir rastros
deixados por partículas subatômicas no detector, chame um grupo de alunos de cada vez para
observar o experimento, divida o tempo restante da aula para que todos os alunos tenham
oportunidade de visualizar e registrar os fenômenos. Após observarem peça aos alunos
desenharem individualmente (Apêndice D), o registro da atividade experimental/ coleta de
dados.
2.2.4 Levantamento de hipóteses sobre os rastros detectados Sugere-se que o professor introduza a pergunta-problema sobre como explicar os
fenômenos dos rastros observados no experimento. Com os alunos reunidos em grupo orienta
a debaterem/refletirem sobre os fenômenos identificados no experimento, analisarem as
evidências, levantarão hipóteses, argumentarem, comunicarão as ideias.
2.2.5 Registro das hipóteses sobre os fenômenos visualizados no detector de
Radiação Cósmica
Sugere-se que aos alunos em uma folha (Apêndice E) faça o registro das hipóteses
elaboradas por seu grupo sobre os rastros/fenômenos e como eles surgiram no experimento.
Dessa forma, sugere-se que faça questionamentos aos alunos para fomentar as discussões e
favorecer a comunicação das ideias, tornando-se mediador no processo de ensino-
aprendizagem.
2.3 Terceiro Momento: Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw
No terceiro momento recomenda-se que aborde conceitos sobre os Raios Cósmicos,
a sua detecção por meio do Detector Caseiro de Raios Cósmicos e análises dos dados
coletados na atividade experimental por meio das etapas do Método Cooperativo de
Aprendizagem jigsaw utilizando o artigo científico de Laganá (2011). Para execução das
atividades nesta terceira etapa foram utilizadas três aulas de 50 minutos cada.
2.3.1 Leitura e discussão do texto Descoberta dos Raios Cósmicos Propõe-se que o professor entregue aos alunos/grupos o texto (Figura 12)
(APÊNDICE F) sobre a fundamentação teórica dos Raios Cósmicos visando uma discussão
sobre a relação dos fenômenos observados na atividade experimental investigativa com os
conceitos presentes no texto. Reserve um tempo para a leitura do texto e socialização do
conhecimento primeiramente com os alunos do grupo e depois com os demais alunos e
professor.
Após este período faça colocações a respeito do texto, explique o funcionamento do
detector de Raios Cósmicos, faça alguns questionamentos, com o intuito que os alunos
percebam que os rastros visualizados no experimento foram deixados por Raios Cósmicos e
assim as hipóteses elaboradas por eles possam ser comprovadas ou refutadas a partir da
leitura/ discussão do texto, das discussões e da explicação do experimento.
Figura 12: Ilustração de parte do texto da Descoberta dos Raios Cósmicos.
Método Cooperativo de Aprendizagem Jigsaw
O Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw tem como principal objetivo criar
um ambiente de interdependência entre os integrantes do grupo por meio da divisão de tarefas
de aprendizagem (TEIXEIRA, 2013; FATARELI et al. 2010; FERREIRA e QUEIROZ,
2010). A dinâmica deste método assemelha-se a de um quebra-cabeça, em que a atividade é
concluída somente quando todas as partes estão encaixadas. Nesse sentido o trabalho é
cooperativo, cada integrante do grupo fica responsável por uma parte do trabalho, sendo assim
essencial para a concretização do trabalho final (FERREIRA e QUEIROZ, 2010; TEODORO,
CABRAL e QUEIROZ, 2015).
No referido método as ações têm início (Figura 13, 1º momento) com a organização
dos alunos em pequenos grupos de base. O professor divide o conteúdo, na mesma quantidade
de integrantes do referido grupo e distribui o material para estudo. Cada aluno fica
responsável por tópico do conteúdo. O professor faz um questionamento para que todos os
alunos que ficaram com o mesmo assunto se reúnam para discutir a pergunta, estudar e
consequentemente aprender o conteúdo de forma cooperativa, tornando-se com os demais
especialistas nesse assunto (Figura 13, 2º momento). Os alunos retornam ao grupo de base
(Figura 13, 3º momento, cada um expõe o que aprendeu no grupo de especialistas, com os
demais colegas, dessa forma todo o conhecimento necessário para o entendimento do assunto
central é reunido (FATARELI et al. 2010).
Figura 13: Representação esquemática do Método Cooperativo de Aprendizagem.
Fonte: Leite et al., 2013, p. 4.
No Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw uma estratégia que pode ser aliada
para favorecer o trabalho cooperativo entre todos os integrantes do grupo é atribuir para cada
aluno uma função. Sugere-se que o grupo seja formado por quatro elementos, tendo cada
integrante uma das seguintes funções: redator, mediador, relator ou porta- voz. O redator tem
a função de redigir as respostas elaboradas pelo grupo, o mediador organiza as discussões
permitindo que todos os elementos do grupo participem, o relator expõe os
resultados/conclusões do grupo e o porta-voz quando necessário tira dúvidas do grupo com o
professor.
Atribuir uma função para cada integrante do grupo no decorrer da aplicação do
Método Cooperativo jigsaw favorece ainda mais o desenvolvimento de algumas habilidades
relacionadas ao trabalho cooperativo, como a mediação da comunicação de ideias/
conhecimento do grupo, desenvolvimento de habilidades de comunicação oral pelo porta-voz
e relator de cada grupo. E finalmente, a habilidade de comunicação escrita, desenvolvida
pelos relatores dos grupos (FATARELI et al. 2010).
2.3.2 Aplicação do Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw Para a análise dos fenômenos no experimento sugere-se que os alunos permaneçam
organizados em grupos, e assim inicie o Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw
(Apêndice G).
No primeiro momento da execução do Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw
faça a distribuição dos grupos de base e a função de cada integrante do grupo conforme
ilustrado na Tabela 1. Atribua um papel para cada integrante de: um redator, um mediador,
um relator e um porta-voz.
Grupo A
Nome Especialista Função
Α Relator
Β Redator
Γ Mediador
Γ Porta- voz
Tabela 1: Organização dos alunos no Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw.
Propõe-se que faça a sistematização dos conceitos que envolvem os Raios Cósmicos
discutidos anteriormente, para assim fazer a apresentação da pergunta inicial aos integrantes
do grupo de base: como detectar as partículas que vêm do espaço. O intuito de iniciar com
esta pergunta é oportunizar a reflexão dos alunos a respeito do uso do Detector de Raios
Cósmicos para a detecção/estudo de partículas (Raios Cósmicos) que vêm do espaço. Após
fazer a pergunta, circula entre os grupos e faça questionamentos, quando necessário, para
fomentar as discussões e em seguida peça ao relator de cada grupo expor a conclusão a cerca
da problemática inicial.
No segundo momento organize os quatro grupos de especialistas (α, β, γ e δ), cada
integrante do grupo de base se torna um especialista, faça também a entrega da subdivisão do
artigo para cada aluno do grupo. Recomenda-se o uso da subdivisão feita por Laganá (2011),
De tal modo, que os alunos do grupo de especialistas α fiquem com o tópico, Partículas de
baixa energia, os especialistas do grupo β fiquem com a subdivisão, Elétrons de ionização, o
grupo de especialistas γ fiquem com o tópico, Prótons, e os especialistas δ fiquem com a
subdivisão, Partículas de alta energia.
Escreve a pergunta para a especialização na lousa sobre o comportamento
característico do fenômeno em estudo que foi detectado no experimento. Com o texto em
mãos e ciente da pergunta problema, os quatros grupos de especialistas podem ser
organizados para fazerem a leitura, discussão e socialização de dúvidas/conhecimento e a
elaboração da resposta/conclusão a questão de especialização. No decorrer desta etapa da
atividade circule entre os grupos para orientá-los quando tiverem dúvidas e faça
questionamentos para promover mais discussões sobre o fenômeno em estudo.
Após a socialização do conhecimento dos especialistas, peça aos alunos que retornem
aos grupos de base, entregue o registro da atividade experimental e peça para aos alunos
escolherem quatro desenhos/fenômenos distintos e os analisem com base no que aprendeu na
etapa anterior, assim cada integrante do grupo fica responsável em ensinar os demais a cerca
do fenômeno que se especializou. Dessa forma, os alunos vão ter condições de classificar as
partículas visualizadas no detector, a partir do seu respectivo comportamento, no qual foi
analisado/ estudado de forma cooperativa.
Dessa maneira, a socialização dos conteúdos entre os integrantes do grupo base,
acontece com o auxílio do aluno que ficou com a função de mediar toda a discussão. Os
grupos que apresentam dúvidas o aluno porta-voz vai ao encontro do professor para
solucionar as dúvidas. Após os grupo de base analisar, discutir e elaborar uma resposta para a
questão final o redator vai elaborar um texto a partir da discussão realizada.
Então, cada relator do grupo expõe oralmente ao demais a conclusão sobre o tema
abordado se baseando no texto elaborado pelo grupo, no qual sistematiza o conhecimento a
respeito dos fenômenos que podem ser observados em um Detector Caseiro de Raios
Cósmicos/Câmara de Nuvens, reunindo assim conhecimento/conteúdo que foi fragmentado
para possibilitar a aprendizagem cooperativa.
2.4 Quarto Momento: Aplicação do questionário final
No quarto momento sugere-se que os alunos respondam o questionário final
(Apêndice H), na primeira questão busca identificar os conhecimentos que os alunos possuem
sobre a constituição dos átomos, na segunda sobre as concepções sobre as partículas
elementares, estas perguntas foram as mesmas do questionário inicial para identificar se
houve alguma mudança conceitual por meio da implementação da SEI. Na terceira questão
busca identificar o conhecimento dos alunos sobre Raios Cósmicos e os fenômenos
observados no Detector e a última questão busca obter a opinião do aluno sobre a SEI, os
pontos positivos, negativos e as possíveis sugestões. Sendo necessária uma aula de 50
minutos para a aplicação do questionário final.
Dessa forma, espera-se que este trabalho venha contribuir com a inserção dos Raios
Cósmicos no Ensino Médio. Visto que a Sequência de Ensino Investigativa elaborada pode
propiciar um ambiente favorável à mudança conceitual dos estudantes a respeito desta
temática, tanto o uso da atividade experimental, quanto a aprendizagem cooperativa do
Método jigsaw podem ser contribuir de forma positiva e favorecer a compreensão dos
conceitos físicos abordados.
REFERÊNCIAS
AGUIAR, R. Vendo partículas subatômicas. 2013. SPRACE São Paulo Research and
Analysis Center. Disponível em: <https://www.sprace.org.br/divulgacao/noticias/vendo-
particulas-subatomicas.>. Acesso em: 29 de out. de 2016.
BUSTAMANTE, M. C. A descoberta dos raios cósmicos ou o problema da ionização do ar
atmosférico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 35, n. 2, 2603 p. 1-6, 2013.
Breve Histórico de César Lattes, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. Disponível em: <
http://www.cbpf.br/Staff/Hist_Lat.html >. Acesso em: 02 de nov. 2016.
FATARELI, E. F.; FERREIRA, L. N. A.; FERREIRA, J. Q.; QUEIROZ. Método cooperativo
de aprendizagem Jigsaw no ensino de cinética química. Química Nova na Escola, v. 32, n. 3,
p. 161-168, 2010.
FERREIRA, J. Q.; QUEIROZ, S. L. Percepções de graduando em química sobre atividade
cooperativa realizada no ambiente virtual cursos on-line. Revista Brasileira de Informática na
Educação, v. 18, n. 2, p. 44-52, 2010.
HAMBURGER, A.I. Dois textos de Mário Schenberg. Estudos Avançados, v.16, n.44, p. 215-
218, 2002.
LAGO, B. Estudo dos raios cósmicos galácticos com o observatório Auger. 2007. 67f.
Dissertação (Mestrado)- Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, 2007.
LAGANÁ, C. Estudo de raios cósmicos utilizando a câmara de nuvens de baixo custo.
Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 3, p. 3302-5, 2011.
LEITE, I. S.; LOURENÇO, A. B.; LICIO, J. G.; HERNANDES, A. C. Uso do método
cooperativo de aprendizagem jigsaw adaptado ao ensino de nanociência e nanotecnologia.
Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 35, n. 4, p. 4504 1-7, 2013.
OLIVEIRA, M. A. L. Simulação de chuveiros atmosféricos extensos e métodos de
reconstrução de seus parâmetros fundamentais. 2000. 85 f. Tese (Doutorado)- Instituto de
Física Gleb Wataghin, Universidade Estadual de Campinas, São Paulo, 2000.
OLIVEIRA, A. G. I.; ROCKENBACH, M.; PACINI, A.A. Raios cósmicos e a heliosfera.
Revista Brasileira de Ensino de Física, v.36, n.2, p. 2316-13, 2014.
PINHEIRO, L. A. A câmara de nuvens: uma abordagem integrada entre a física clássica e a
física moderna. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 32, n. 2, p. 517-528, 2015.
PINHEIRO, L. A.; COSTA, S. S. C., MOREIRA, M. A. Projetando o ensino de partículas
elementares e interações fundamentais no ensino médio. IN: XVIII Simpósio Nacional de
Ensino de Física, Vitória, p. 1-10, 2009.
SARAN, M.C.B. Astrofísica de partículas na sala de aula-uma sequência de ensino e
aprendizagem sobre raios cósmicos para o ensino médio. 2012. 131 f. Dissertação (Mestrado),
Universidade de São Carlos, São Paulo, 2012.
STEINKIRCH, M. V. O Modelo Padrão. Instituto de Física da USP. 2010. Disponível em:<
http://www.astro.sunysb.edu/steinkirch/reviews/sm07.pdf >. Acesso em 14 de dez. 2016.
TEIXEIRA, A. P. F. A aprendizagem cooperativa como forma de promover o aluno como
agente social. 2013. 78 f. Dissertação (Mestrado)- Faculdade de Letras, Universidade do
Porto, 2013.
TEODORO, D. L.; CABRAL, P. F. O.; QUEIROZ, S. L. Atividade cooperativa no formato
Jigsaw: um estudo no ensino superior de química. Alexandria Revista de Educação em
Ciências e Tecnologia, v. 8, n. 1, p. 21-51, 2015.
VALE, A. L.; SOUSA, C. M. G. A importância do estudo dos raios cósmicos: o método de
detecção do observatório Pierre Auger. Curso de Física da Universidade Católica de Brasília,
DF. 2012. Disponível em:
<https://www.ucb.br/sites/100/118/TCC/1%C2%BA2012/AImportandiadsRaiosCosmicosOm
etododedete.pdf>. Acesso em: 19 de set. de 2016.
VIEIRA, M. C. Mario Schenberg. Físicos do Brasil. 2012. Disponível
em:<http://www.sbfisica.org.br/v1/novopion/index.php/fisicos-do-brasil/28-mario-
schenberg>. Acesso em: 09 de jan. de 2017.
APÊNDICE (A): QUESTIONÁRIO INICIAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
Mestrado Profissional em Ensino de Física-UFGD/SBF
Questionário Inicial
Nome: _________________________________________________________
Prezado (a),
Este questionário tem por finalidade identificar as suas concepções prévias a
respeito da temática Radiação Cósmica.
1) Os átomos são as partículas constituintes de toda matéria existente, mas o que
constitui os átomos?
2) Dê exemplos de partículas elementares, como elas estão organizadas no Modelo
Padrão, quais são as interações fundamentais e as suas partículas mediadoras?
3) O planeta Terra é constantemente bombardeado por Raios Cósmicos, radiação
altamente energética vinda do espaço. Você tem conhecimento dessa informação?
Sim Não
Se responder sim, escreva mais a respeito deste assunto:
4) Você sabe do que se trata os Chuveiros Cósmicos? Assinale por qual meio você
obteve este conhecimento?
( ) livro didático ( ) revistas científicas ( ) internet
( ) sala de aula ( ) não tenho conhecimento
APÊNDICE (B): ROTEIRO EXPERIMENTAL DO DETECTOR
DE RAIOS CÓSMICOS
Você vai precisar:
Caixa de vidro (40 cm x 20 cm x 20 cm);
Caixa de madeira ou um recipiente de
plástico (60 cm x 30 cm); Placa metálica
pintada de preto rosco (60 cm x 30 cm)
com ranhuras na dimensão da caixa de
vidro; 2 kg gelo seco; Pisseta para colocar
o álcool; 100 ml de álcool isopropílico;
Feltro (12 cm x 6 cm); Pistola de cola
quente; Lanterna ou datashow; Luvas;
Óculos transparentes e Papel toalha.
Na parte interna e central da caixa
de vidro fixe um pedaço de feltro
utilize a pistola de cola quente.
Aguarde alguns minutos para a cola secar.
Utilize um par de luvas e óculos
de proteção para colocar o gelo
seco dentro da caixa de madeira
(Figura 1).
Sobre a caixa de madeira coloque
a placa metálica.
Com auxilio de uma pisseta
umedeça o feltro com o álcool
isopropílico (Figura 2).
Verifique se o gelo seco está em
contato com a placa e se a mesma
está congelando-a (Figura 3).
5 Coloque a lanterna ou ligue
1
2
3 4
5
Figura 1: Caixa de madeira completa
com gelo seco.
Figura 2: Caixa de vidro com feltro
fixado na parte interna umedecido com
álcool.
Fonte: Autoria própria.
Figura 3: Ilustração da placa em
contato com gelo seco.
Coloque o Datashow/lanterna
próximo do aparato experimental
(Figura 4) deixando uma parte da
luz incidir sobre a placa metálica para
melhor visualização do funcionamento do
experimento.
Aguarde em torno de 10 minutos,
vão surgir pequenas gotículas de
álcool e quando o vapor do álcool
supersaturar próximo da placa metálica,
surgirá uns rastros (Figura 5) entre o vapor
supersaturado de álcool e a placa. Quando
necessário utilize o papel toalha para
limpar a caixa de vidro para facilitar na
visualização.
Figura 5: Rastros deixados por Raios
Cósmicos em um detector.
Fique por dentro
A caixa de vidro sobre a placa metálica
congela por estar em contato com o gelo
seco a uma temperatura de
aproximadamente -78º C no decorrer de
aproximadamente 10 minutos. O álcool
isopropílico contido no feltro que se
encontra à temperatura ambiente evapora
preenchendo toda caixa de vidro, a
densidade do vapor aumenta condensando
sobre a placa resfriada e mais vapor
chegará à placa e se resfria. Assim inicia o
processo de convecção, onde o álcool
isopropílico evapora constantemente e
condensa sobre a placa metálica.
Logo, acima da placa o vapor se
encontra supersaturado, as partículas ao
passarem pelo vapor ionizarão as
moléculas que encontram na sua trajetória.
Assim pode- se observar traços
característicos do tipo de partícula que
atingiu o aparato experimental. Isso
acontece porque a ionização leva a
condensação das gotículas de álcool,
formando rastros característicos (Figura 5)
que pode ser observada a olho nu quando
iluminado por uma lanterna.
Cada rastro é característico de uma
partícula subatômica que atinge o detector
de Raios Cósmicos.
6
7
Figura 4: Uso do Datashow para
facilitar a visualização dos fenômenos
presentes no experimento.
Fonte: Autoria própria.
Uso de vídeo um do experimento do
Detector de Raios Cósmicos
Uma sugestão se não for possível
montar o Detector de Raios Cósmicos ou
segunda opção é utilizar um vídeo que
aborda o experimento. Na Figura 6,
apresenta-se uma sugestão para usá-lo no
lugar do experimento. Esse vídeo é
interessante porque aparece a montagem
do experimento e em seguida o seu
funcionamento (Figura 7), possibilitando a
visualização de vários rastros deixados por
partículas subatômicas.
Figura 6: Imagem do vídeo sobre o Detector
de Raios Cósmicos.
Fonte:https://www.youtube.com/watch?v=qQp
XGQ4Igks.
Figura 7: Imagem do vídeo do Detector de
Raios de Partículas em pleno funcionamento. Fonte:https://www.youtube.com/watch?v=qQp
XGQ4Igks.
Saiba mais...
APÊNDICE (C): SUGESTÃO DE USO DO APLICATIVO DECO
PARA A DETECÇÃO DE RAIOS CÓSMICOS
Fonte: http://wipac.wisc.edu/deco
O Centro de pesquisas Wisconsin Ice Cube Particle Astrophysics Center (WIPAC),
considerado um dos laboratórios mais avançados do mundo em detecção de Raios Cósmicos,
centro de pesquisa responsável pelo desenvolvimento do aplicativo Distributed Eletronic
Cosmic- Ray Observatory (DECO). Projeto que utiliza telefones celulares para detecção de
Raios Cósmicos e outras partículas energéticas.
Funcionamento do Aplicativo DECO
As partículas cósmicas que atingem a câmera dos aparelhos celulares emitem um sinal
elétrico comparado a uma assinatura pixel. Caso isso aconteça o aplicativo DECO (Figura 1)
registra e salva a imagem da partícula. De acordo com a quantidade de pixels encontrados a
amostra é considerada um candidato, partículas de alta energia. Para verificar se a partícula
candidata pode ser considerada um evento é feita outra análise mais aprofundada pelo
aplicativo. A maioria dos eventos detectados são múons (Figura 2), conhecido como o primo
pesado dos elétrons devido as suas características parecidas. Os múons detectados são Raios
Cósmicos secundários produzidos pela interação dos Raios Cósmicos ao atingir a atmosfera
terrestre.
Figura 1: Tela do aplicativo DECO
Fonte: http://wipac.wisc.edu/deco
Sugere-se que o aplicativo DECO seja executado por muitas horas para poder detectar
alguns eventos. Pois, apenas uma pequena parte das amostras será considerada candidatos e
uma parcela menor será classificada como evento.
Figura 2: Partícula, Múon produzida por um Raio Cósmico e detectado pelo aplicativo
DECO. Fonte: http://wipac.wisc.edu/deco
Instalação do DECO
O DECO funciona em aparelhos celulares com sistema operacional Android. Para
utilizá-lo é necessário baixar dois aplicativos, o registrador de dados e o DECO (disponível
em: http://wipac.wisc.edu/deco). A função do registrador de dados é sincronizar
automaticamente os dados de eventos para um banco de dados central. O registrador de dados
sincroniza automaticamente os dados para um banco de dados central (disponível em:
http://wipac.wisc.edu/deco/data), no entanto as partículas detectadas no dia poderão ver
visualizadas no dia seguinte.
Algumas sugestões para a obtenção de eventos:
1. Cobrir a lente da câmera com fita isolante para diminuir o fundo claro
nas imagens detectadas.
2. Recomenda-se que coloque o aparelho celular com a câmara principal
virada para baixo, sobre uma superfície plana.
3. Execute o aplicativo com o telefone ligado e conectado à internet.
Sugestão de Roteiro para o uso do Detector de Raios Cósmicos de bolso DECO.
Para o uso/estudo das imagens das partículas/Raios Cósmicos detectadas pelo seu
aparelho celular utilizando o aplicativo DECO selecione o período que o mesmo ficou em
funcionamento. As imagens capturadas pelo seu aparelho foram sincronizadas
automaticamente para o banco de dados central (Disponível em:
http://wipac.wisc.edu/deco/data). O site de acesso para visualizar as imagens das detecções
disponibilizam alguns critérios para seleção de dados como, por exemplo, período de
execução, altitude, localização (latitude e longitude), tipo de evento, modelo do telefone
celular e o número de identificação do dispositivo que consta na tela inicial do aplicativo
DECO. Alguns passos são necessários:
1) Acesse o banco central de dados do aplicativo DECO, (Disponível em:
http://wipac.wisc.edu/deco/data).
2) Verifique nas configurações do seu telefone celular qual o modelo do seu dispositivo,
em seguida clique na barra de seleção e escolha o seu respectivo modelo de aparelho.
3) Na tela inicial do aplicativo DECO você encontrará o seu ID, uma sequência longa de
dígitos em seguida clique na opção aplicar seleção e então aparecerá mais abaixo uma
lista das imagens dos eventos. O site é atualizado uma vez por dia.
4) Se não possuir um aparelho celular com o sistema Android ou se o seu dispositivo não
detectou nenhum evento poderá escolher os critérios mencionados no item 1, e
também selecione as imagens a partir da lista de eventos disponíveis na base de dados.
Referências
NIEVES, J. M. Cómo convertir el móvel em um detector de rayos cósmicos. ABC. Es Ciencia, 2014.
Disponível em: <http://www.abc.es/ciencia/20141013/abci-como-convertir-movil-detector-
201410130954.html>. Acesso em: 29 de nov. de 2016.
Transforme o celular em detector de raios cósmicos. 2014. Disponível em:
< http://clavedosul.blogspot.com.br/2014/10/transforme-o-celular-em-detector-de.html>. Acesso em:
29 de nov. 2016.
WIPAC-Wis Consin Ice Cube Particle Astrophusics Center. DECO: Distributed Eletrônicos Cosmic-
Ray Observatory Disponível em: http://wipac.wisc.edu/deco. Acesso em 03 de nov. de 2014
APÊNDICE (D) REGISTRO DA ATIVIDADE
EXPERIMENTAL
Nome: ______________________________________________________________
Desenhe no quadro abaixo, os fenômenos identificados durante a atividade
experimental.
APÊNDICE (E): REGISTRO DA ATIVIDADE
EXPERIMENTAL
Nome:__________________________________________________________
Apresente hipóteses da origem e sobre os fenômenos identificados durante a atividade
experimental.
APÊNDICE (F): TEXTO SOBRE A DESCOBERTA DOS RAIOS
CÓSMICOS
Fonte:http://cds.cern.ch/journal/CERNBulletin/2011/18/News%20Articles/1345733.
s Raios Cósmicos são partículas subatômicas extremamente energéticas que
atingem a atmosfera do nosso planeta, vindas de todos os cantos do universo. Em
sua maioria são prótons (90%), partículas alfa (9%) e o restante são núcleos
atômicos pesados.
Partículas vindas do espaço que interagem de várias formas com o nosso planeta,
sendo responsáveis pela formação das Auroras Boreais. Isso acontece devido muitos destas
partículas cósmicas serem provenientes do sol, resultado das suas violentas explosões que
acabam interagindo com o campo magnético terrestre. As partículas entram em contato com
os gases da ionosfera (camada acima de 80 km de altitude) originando o fenômeno.
Os Raios Cósmicos ao atingirem o topo da atmosfera terrestre, em sua grande maioria,
os prótons com velocidade próxima à da luz, possuem elevadas energias, sendo denominados
de Raios Cósmicos primários. Ao interagirem a atmosfera (átomos que a compõem)
produzem novas partículas e outras sofrem decaimento se transformando novamente, assim
são denominadas de Raios Cósmicos secundários. Um único próton incidindo no topo da
atmosfera gera uma reação em cadeia de bilhões de partículas que chegam ao solo em uma
área de até dezenas de km2. O resultado desta interação da radiação primária com a atmosfera
é análogo ao de uma cascata, neste caso, uma cascata de partículas conhecida como Chuveiro
Aéreo Extenso (CAE)
A detecção e descrição da evolução do CAE são costumeiramente realizadas por
detectores e uso de simulações computacionais que auxiliam para a melhor compreensão dos
dados. No Observatório Pierre Auger, considerado um dos principais referências em detecção
de Raios Cósmicos, é utilizado dois tipos de detectores, telescópios de superfícies e
telescópios de fluorescência. Os dados de ambos os detectores são cruzados, dessa forma
elaboram a trajetória e energias das partículas que formam o CAE
O
A câmara de nuvens também se trata de um método usado para detecção de Raios
Cósmicos. Foi desenvolvida em 1911 pelo físico Charles Wilson na Universidade de
Cambridge. A câmara de nuvens trata de um recipiente fechado contendo vapor super-
resfriado de água ou álcool. No qual é condensado em torno da passagem de um feixe de
partículas carregadas, proveniente de Raios Cósmicos. Os traços deixados por essas partículas
são visíveis a olho nu na forma de condensação do vapor em forma líquida, possibilita a
visualização/registro da trajetória que a partícula deixou na linha de condensação
Figura 1: Pósitron, partícula detectada na Câmara de Nuvens.
Fonte: https://www.sprace.org.br/divulgacao/noticias/vendo-particulas-subatomicas
Esse aparato experimental foi o primeiro detector com a capacidade de mostrar os
traços produzidos pelas partículas subatômicas, corroborando na investigação da radiação e
das partículas elementares. Sua grande conquista foi possibilitar a detecção do pósitron (figura
1) em 1932 pelo físico Carl Anderson. Aparato experimental que ainda tem sido utilizado para
pesquisa de partículas elementares, estudo de interações de partículas carregadas com a
matéria e Física Nuclear na atualidade.
.
Referências:
AGUIAR, R. Vendo partículas subatômicas. 2013. SPRACE São Paulo Research and Analysis Center. Disponível em:
<https://www.sprace.org.br/divulgacao/noticias/vendo-particulas-subatomicas.>. Acesso em: 29 de out. de 2016.
BUSTAMANTE, M. C. A descoberta dos raios cósmicos ou o problema da ionização do ar atmosférico. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 35, n. 2, 2013.
Breve Histórico de César Lattes, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. Disponível em: < http://www.cbpf.br/Staff/Hist_Lat.html >. Acesso em: 02 de nov.
2016.
LAGANÁ, C. Estudo de raios cósmicos utilizando a câmara de nuvens de baixo custo. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 3, nov. 2011.
LAGO, B. Estudo dos raios cósmicos galácticos com o observatório Auger. 2007. 67f. Dissertação (Mestrado)- Instituto de Física, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007.
PINHEIRO, L. A. A câmara de nuvens: uma abordagem integrada entre a física clássica e a física moderna. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 32, n. 2, p.
517- 528, 2015.
SARAN, M.C.B. Astrofísica de partículas na sala de aula-uma sequência de ensino e aprendizagem sobre raios cósmicos para o ensino médio. 2012. 131 f.
Dissertação (Mestrado), Universidade de São Carlos, São Paulo, 2012.
STEINKIRCH, M. V. O Modelo Padrão. Instituto de Física da USP. 2010. Disponível em:< http://www.astro.sunysb.edu/steinkirch/reviews/sm07.pdf >. Acesso
em 14 de dez. 2016.
VALE, A. L.; SOUSA, C. M. G. A importância do estudo dos raios cósmicos: o método de detecção do observatório Pierre Auger. Curso de Física da
Universidade Católica de Brasília, DF. Disponível em:
<https://www.ucb.br/sites/100/118/TCC/1%C2%BA2012/AImportandiadsRaiosCosmicosOmetododedete.pdf>. Acesso em: 19 de set. de 2016.
APÊNDICE (G): ETAPAS PARA DESENVOLVIMENTO DO
MÉTODO COOPERATIVO DE APRENDIZAGEM JIGSAW
Método Cooperativo de Aprendizagem jigsaw
1ª etapa: A distribuição dos grupos de base e a função de cada integrante do grupo.
Formação de quatro grupos de alunos e atribuição de uma função para cada integrante: um
redator, um mediador, um relator e um porta-voz.
2ª etapa: Apresentação da pergunta para ser inicialmente discutida entre os integrantes
do grupo de base.
Como detectar as partículas que vêm do espaço?
3ª etapa: Formação de quatro grupos de especialistas, entrega dos textos e perguntas
para a especialização. Pergunta para especialização:
Qual o comportamento característico do fenômeno em estudo? Este
fenômeno foi detectado no experimento?
A formação dos quatro grupos de especialistas (α, β, γ e δ), consiste que cada
integrante do grupo de base se torna um especialista, faça a entrega da subdivisão do artigo
para cada aluno do grupo. Recomenda-se o uso da subdivisão feita por Laganá (2011), no qual
em seu artigo faz uma classificação e análise dos fenômenos presentes no detector de Raios
Cósmicos/Câmara de Nuvens. De tal modo que os alunos do grupo de especialistas α fiquem
com o tópico, Partículas de baixa energia, os especialistas do grupo β fiquem com a
subdivisão, Elétrons de ionização, o grupo de especialistas γ fiquem com o tópico, Prótons, e
os especialistas δ fiquem com a subdivisão, Partículas de alta energia.
4ª etapa: Retorno dos alunos aos grupos de base, socialização dos conteúdos pelos
especialistas e discussão da pergunta inicial pelos alunos e solução para a questão final.
Escolha quatro desenhos distintos e os analise com base nas discussões
dos especialistas. Faça a descrição dos rastros das partículas detectadas.
Qual/quais partícula (s) foi/foram detectada (s)?
5ª etapa: Apresentação oral dos relatores de cada grupo, entrega das respostas dos
grupos a respeito da questão final no formato de um texto com objetivo de sistematizar o
conhecimento.
APÊNDICE (H): QUESTIONÁRIO FINAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física-UFGD/SBF
Questionário Final
Nome:_____________________________________________________________
Prezado (a),
Este questionário tem por finalidade identificar seu conhecimento a respeito da temática
Radiação Cósmica e obter a sua avaliação sobre a Atividade Experimental Investigativa.
1) Os átomos são as partículas constituintes de toda matéria existente, mas o que
constitui os átomos?
2) Dê exemplos de partículas elementares, como elas estão organizadas no Modelo
Padrão, quais são as interações fundamentais e as suas partículas mediadoras?
3) Descreva sobre os Raios Cósmicos e quais foram as partículas que você observou no
Detector Caseiro de Radiação Cósmica?
4) Relate sobre as atividades desenvolvidas em sala com a temática Radiação Cósmica.
Houve contribuição para sua aprendizagem? Justifique. Destaque os pontos positivos e
negativos destas aulas e dê sua sugestão.