confecção de um kit didático para o ensino de óptica - PRAC

TÍTULO: CONFECÇÃO DE UM KIT DIDÁTICO PARA O ENSINO DE ÓPTICA
PARA OS ALUNOS DO ENSINO MÉDIO.
AUTORES: Pedro Luiz do Nascimento ([email protected]); Moisés Pereira Ribeiro
Júnior ([email protected]); Francelino Freitas Carvalho ([email protected])
INSTITUIÇÃO: Universidade Federal de Campina Grande - UFCG
ÁREA TEMÁTICA: Educação
(OBJETIVO) A partir das atividades desenvolvidas na disciplina de Laboratório
de Óptica, Eletricidade e Magnestismo, na Universidade Federal de Campina Grande,
observou-se que o projeto de um Kit didático para experiências de óptica no ensino
médio seria de grande utilidade para os mesmos, facilitando tanto a vida dos professores
ao ensinar, como para os alunos que participam mais ativamente do processo de ensinoaprendizagem. O objetivo é fundamentar os conhecimentos teóricos através de
experimentos práticos voltados para a aplicação de tais conceitos.
(METODOLOGIA) Um guia contento o assunto teórico e os procedimentos
dos experimentos e o Kit propriamente dito, compõem esse material. Os pontos fortes
deste, são: a simplicidade em montar os projetos (experimentos) e a praticidade de
manuseio. Essas facilidades fazem desse Kit, um bom acessório para ser adotado nas
escolas particulares e públicas. Foi implementado no formato de uma maleta.
O guia dá todos os passos necessários à boa realização experimental, sendo que,
antes de cada série de experimentos, é dada uma breve revisão teórica sobre o assunto
tratado. Dessa forma, o aluno terá subsídios para conduzí-los de forma clara e didática.
Uma observação a ser feita é que esse material não é a palavra final sobre esses temas,
outras fontes de pesquisa devem ser utilizadas, uma vez que ele foi concebido para
complentar a temática teórica dada pelo professor. Logo em seguida, são abordados os
objetivos, os materiais do experimento e em seguida, a parte experimental propriamente
dita. São realizados experimentos de:
REFLEXÃO E SUAS LEIS:
1. ESPELHOS PLANOS. Neste caso, o objetivo é fazer com que o aluno, após
a realização deste experimento, seja capaz de:
Identificar e/ou descrever as leis da reflexão;
Utilizar conhecimentos sobre espelhos planos e suas equações;
Concluir que o raio refletido está contido no plano formado pelo raio incidente e
pela normal (À superfície de separação dos dois meios) no ponto de Incidência.
MATERIAL UTILIZADO:
Fonte de luz (laser-point); Espelho plano; Transferidor 180º.
MONTAGEM:
A seguir, vem a montagem a ser feita.
Monte o experimento conforme próxima figura:
Espelho
Papel
Transferidor
São dadas: a teoria sobre o assunto e como proceder com o experimento que não
serão mencionados aqui por indisponibilidade de espaço, assim como a maioria dos
procedimentos experimentais propriamente ditos ao longo desse resumo. Exceção será
dada, quando o conteúdo for pequeno.
São dadas definições de ângulo de Incidência, ângulo de Reflexão, ponto de
incidência...
Continuando, complete o quadro abaixo para os seguintes ângulos de incidência:
Ângulo de incidência ( i )
Ângulo de reflexão ( r )
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
No final deste experimento são feitos alguns questionamentos para fixação do
conteúdo: Com base nos valores do quadro anterior, como você relacionaria o ângulo de
incidência com o ângulo de reflexão? Conforme suas observações, procure verificar a
validade da seguinte afirmação: “o raio incidente, a reta normal (no ponto de incidência)
e o raio refletido, estão contidos num mesmo plano”. Verifique o que acontece ao raio
refletido, quando o raio incidente é normal à superfície refletora (está contido na reta
Normal). Neste caso, qual o ângulo entre o raio incidente e raio refletido?
2. A FORMAÇÃO DA IMAGEM NUM ESPELHO PLANO: Neste caso, o
objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de:
Conceituar uma imagem virtual;
Reconhecer que a imagem, num espelho plano, é virtual e que:
(a) Tem o mesmo tamanho do objeto;
(b) É simétrica ao objeto (lado esquerdo é o lado direito da imagem e viceversa).
(c) Está afastada do espelho à mesma distância que o objeto se encontra.
MATERIAL NECESSÁRIO:
Um objeto qualquer; Um espelho plano; Uma folha milimetrada.
MONTAGEM:
espelho
Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do
mesmo. Como já foi mencionado, não será dado o escobo do procedimento por falta de
espaço.
A seguir são feitos alguns questionamentos: Como você relaciona o tamanho do
objeto com o tamanho da imagem, num espelho plano? Em relação à superfície
espelhada, onde se forma a imagem (na frente ou atrás do espelho)? Classifique esta
imagem quanto a Virtual ou Real, conceituando cada tipo.
3. NÚMERO DE IMAGENS ENTRE DOIS ESPELHOS PLANOS QUE
FORMAM UM ÂNGULO “ALFA” ENTRE SI; Neste, o objetivo é fazer com que o
aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de concluir sobre a validade da
expressão: N (numero de imagens) = (360 / α ) - 1, para o número de imagens possíveis
entre dois espelhos que formam um ângulo α entre si.
MATERIAL NECESSÁRIO:
Uma vela, ou outro objeto qualquer; Dois espelhos planos; Pedaços de fita
adesiva; Uma folha de papel; Transferidor.
MONTAGEM:
Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do
mesmo.
É pedido para ser observado o nº de imagens para cada caso e preencha a tabela
a seguir.
Ângulo de abertura entre os espelhos
Número de imagens obtidas
30º
45º
60º
72º
90º
A seguir são feitos alguns questionamentos: Com base nos valores da tabela
acima, verifique a validade da expressão: N (numero de imagens) = ( 360 / α )-1, onde
α é o ângulo entre os espelhos.
4. ESPELHOS ESFÉRICOS (CÔNCAVO E CONVEXO): Neste, o objetivo
é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de determinar,
a partir de um espelho esférico, as cotas de identificação dos seguintes elementos:
Centro de curvatura(c);
Vértice do espelho(v);
Eixo principal(EP);
Eixo secundário(ES);
Abertura do espelho(θ).
MATERIAL:
Uma régua; Um lápis; Uma fonte de luz tipo laser; Folha de papel milimetrado;
Espelho côncavo e espelho convexo.
MONTAGEM:
Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do
mesmo.
5. REFRAÇÃO(dióptro): Neste, o objetivo é fazer com que o aluno, após a
realização deste experimento, seja capaz de:
Conceituar dióptro;
Identificar e conceituar raio incidente, raio refletido, raio refratado, ponto de
incidência, ângulo de incidência e ângulo de refração;
Enunciar a primeira lei de refração;
Enunciar a segunda lei de refração;
Determinar e interpretar, fisicamente, o índice de refração absoluto;
Determinar e interpretar, fisicamente, o índice de refração relativo;
Determinar e conceituar o ângulo de refração.
Conceituar refração.
MATERIAL:
Uma fonte de luz tipo laser-point; Folha de papel; Transferidor; Dióptro.
É dada uma fundamentação teórica:
Lembramos que: a maior velocidade alcançada pela luz é de 299.762 Km/s (no
vácuo) e que para fins didáticos, consideraremos “c” igual a 300.000 Km/s. Ao penetrar
em qualquer outro meio, a velocidade da luz será menor do que “c” e representada por
“v”. Chamamos de índice de refração absoluto do meio penetrado pela luz, a razão entre
a velocidade que a mesma adquire neste meio.
n = c / v (observe que n é adimensional)
Ao fenômeno da luz variar sua velocidade, ao passar de um meio para outro
(com refrigências diferentes), chamamos de “refração da luz”.
O conjunto de pontos que determinam a superfície de separação entre dois
meios, que permitem a passagem da luz, á chamado dióptro.
O fenômeno de refração pode ser estudado utilizando-se um bloco de acrílico
com formato semi-circular. Este componente é conhecido como dióptro convergente.
Fazendo-se uma incidência de luz no dióptro de acordo com a figura abaixo, pode-se
notar que o raio de luz sofre um desvio em sua trajetória ao atingir a superfície plana
MONTAGEM:
Faça a montagem conforme a figura abaixo:
transferidor
dióptro
Fonte de luz
Após seguir todos os passos (do guia), aplique a lei de Snell (nar Sen(i)= nac Sen
(r) ) e obtenha o valor do índice de refração do acrílico. Para organizar melhor o
trabalho, monte uma tabela como ilustrada abaixo:
Verifique a validade das expressões: “ao passar de um meio menos denso para
outro mais denso, geralmente o raio refratado se aproxima da Normal”.
“o raio incidente, à normal (no ponto de incidência) e o raio refratado, se
encontram sobre um mesmo plano”. (Conhecida como a primeira lei da Refração).
Reconhecendo “i” como ângulo de incidência e “r” como ângulo de refração,
complete o quadro abaixo para as situações apresentadas:
I
Sen i
r
Sen r
n=sen i / sen r
10º
20º
30º
40º
50º
Observe que sen i / sen r é constante. Esta constante é conhecida como índice de
refração relativo do meio 2 em relação ao meio 1 (n2,1=n).
Verifique que n2,1=n2/n1, onde n1 = 1 e n2 é o índice de refração do acrílico, logo:
sen i / sen r = n
Esta relação foi estabelecida, experimentalmente por Snell e Descartes
(individualmente) e reconhecida como a 2ª lei da refração.
Determine o índice de refração do acrílico em relação ao ar.
6. EXPERIMENTO DE LENTE BICONVEXA: Nesta parte do experimento,
o objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste, seja capaz de determinar o
foco de uma lente delgada biconvexa e compreender o conceito de imagem.
MATERIAL UTILIZADO:
Lente biconvexa; Fonte de luz (vela); Anteparo; Régua milimetrada; Acessórios.
MONTAGEM:
Determinação do foco:
Faça incidir raios de luz paralela a lente, isto é, paralelo ao eixo principal. Esses
raios convergem em um ponto, o qual é denominado de foco.
Estudo da imagem:
a)Objeto situado entre o centro e o foco:
1. Fixe a lente biconvexa e varie a fonte de luz (vela) em relação a lente.
2. Procure obter sua imagem com maior nitidez no anteparo.
3. Meça e anote as distâncias da fonte de luz a lente, e da lente ao anteparo.
4. Repita os itens 1, 2 e 3 várias vezes.
b) Objeto situado depois do centro:
1. Fixe a lente biconvexa e varie a fonte de luz (vela) em relação a lente.
2. Procure obter sua imagem com maior nitidez no anteparo.
3. Meça e anote as distâncias da fonte de luz a lente, e da lente ao anteparo.
4. Repita os itens 1, 2 e 3 várias vezes.
7. LENTES ESFÉRICAS: Nesta parte, o objetivo é fazer com que o aluno,
após a realização deste experimento, seja capaz de:
Identificar e classificar as lentes fornecidas;
Determinar a distância focal, classificando-a,
Verificar como a imagem através de uma lente convergente muda suas
características de acordo com a distância entre o objeto e a lente;
MATERIAL UTILIZADO:
Duas fontes de luz; Lente de bordas finas; Lente de bordas larga.
MONTAGEM:
Neste ponto do experimento, é dado o procedimento para a boa realização do
mesmo.
8. LÂMINA DE FACES PARALELAS: Nesta parte do experimento, o
objetivo é fazer com que o aluno, após a realização deste experimento, seja capaz de:
conhecer e entender como ondas eletromagnéticas são transportadas por Guias de ondas
e Fibras ópticas.
MATERIAL UTILIZADO:
Lâmina de faces paralelas; Fonte de luz; Transferidor; Folha de papel em
branco; Guia de onda; Fibra óptica.
MONTAGEM: Coloca-se a lâmina sobre uma folha de papel em branco,
desenha-se o seu contorno e faz-se incidir sobre uma das faces um raio de luz de acordo
com a figura abaixo: Meça os ângulos I1 e I2.
Retira-se a lâmina e a fonte de luz e completa-se a trajetória da luz, como indica
a figura anterior.
Medindo-se os ângulos i e r e aplicando a lei de Snell obtém-se o índice de
refração do vidro (Lembre-se que o índice de refração do ar é 1).
9. EXPERIMENTO COM LÂMINAS DE FACES PARALELAS FINAS
(GUIA DE ONDAS ): Coloque uma fonte de luz em uma das extremidades do guia de
onda (tudo sobre uma folha de papel em branco), e verifique que a luz (devido ás
reflexões totais internas sucessivas), acaba saindo na outra extremidade. Explique o
efeito observado.
10. EXPERIMENTO COM FIBRA ÓPTICA: Coloque uma fonte de luz, em
uma das extremidades da fibra óptica fornecida e verifique se a luz sai na outra
extremidade. Explique este comportamento da luz, quais os princípios físicos
envolvidos.
11. CÂMARA ESCURA DE ORIFÍCIO:
Denomina-se câmara escura toda caixa de paredes opacas com um pequeno
orifício, pelo qual penetram os raios luminosos provenientes de uma fonte de luz.
Esses raios atravessam o orifício e atingem a parede oposta formando uma
imagem invertida. A face oposta àquela que contém o orifício é constituída de material
translúcido, por exemplo, vidro fosco. O fenômeno descrito é a base de funcionamento
das câmaras fotográficas. Colocando um material sensível à luz na parede oposta ao
orifício e um obturador no lugar do orifício, para controlar a entrada de luz, obteremos
uma máquina fotográfica rudimentar.
12. SOMBRA E PENUMBRA:
Sombra: É a região do espaço que não recebe a luz direta da fonte.
Penumbra: É a região do espaço que recebe apenas parte da luz direta da fonte.
São realizadas algumas experiências simples para mostrar o princípio da
penumbra e da sombra.
13. COMBINAÇÕES DE CORES:
1. Ligue as lâmpadas da caixa fornecida, uma de cada vez e observe as cores;
2. Ligue duas as duas e descreva a cor que está sendo visualizada no anteparo;
3. Repetir as combinações que foram observadas;
4. Ligue as três lâmpadas simultaneamente descreva a cor observada. Descreva suas
conclusões.
(RESULTADOS)
Foi realizada uma atividade com professores de física da rede
estadual da Paraíba chamado Pró-Ciências e o referido experimento mostrou-se eficaz
no que diz respeito ao objetivo a que se propõe. Neste projeto, os professores passaram
por um processo de atualizações de conhecimentos teóricos e práticos para que
pudessem ministrar suas aulas de forma mais eficiente.
(CONCLUSÃO)
Esse material possibilita um melhor aproveitamento quanto à
compreensão de fenômenos físicos relacionados à óptica. Devido à sua simplicidade de
manuseio, poderá ser levado à sala de aula.
Com esse material, o professor terá condições de propor novos tipos de
experimentos aos alunos.
Mediante os resultados apresentados, constata-se que a utilização desse Kit
Experimental propicia ao educando, práticas que o colocam em contato direto com a
realidade física.
BIBLIOGRAFIA:
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FIOLHAIS, Carlos; Física Divertida, Lisboa, 1ª edição, gradiva, 1991.
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