O MIRABOLANTE MUNDO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES: UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA PROFESSORES DE FÍSICA OSMAR PEREIRA SILVA JÚNIOR Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia, no Curso de Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Orientadora: Profa. Dra. Ana Maria Osorio Araya Presidente Prudente Novembro de 2015 Faculdade de Ciências e Tecnologia Campus de Presidente Prudente O MIRABOLANTE MUNDO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES: UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA PROFESSORES DE FÍSICA OSMAR PEREIRA SILVA JÚNIOR Orientadora: Profa. Dra. Ana Maria Osorio Araya Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia, no Curso de Mestrado Nacional Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Aprovada por: ___________________________________________ Prof. Dr. ____________________________________________ Prof. Dr. ____________________________________________ Prof. Dr. Presidente Prudente Novembro de 2015 FICHA CATALOGRÁFICA S581m Silva, Osmar Pereira Junior O Mirabolante Mundo das Partículas Elementares : uma sequência didática para professores de física / Osmar Pereira Silva Junior. – Presidente Prudente: [s.n], 2015 viii, 77 f.: il. Orientadora: Ana Maria Osorio Araya Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia Inclui b ibliografia 1. Física de partículas elementares. 2 .Sequência didática. 3. Formação de professores. I. Araya, Ana Maria Osorio. II. Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia. III. O mirabolante Mundo das Partículas Elementares : uma sequência didática para professores de física. “O essencial é invisível aos olhos” O pequeno príncipe, Antoine de Saint-Exupéry AGRADECIMENTOS São tantas pessoas para agradecer em poucas linhas que a probabilidade de alguns ficarem anônimos e evidentes é muito grande. Desculpe desde já. Primeiramente, agradeço a Deus pela oportunidade de estar em um Universo com tantos seres e fenômenos fascinantes. Agradeço a toda minha família que nunca mediram esforços e sempre apoiaram. Um beijo especial a minha mãe Neusa, meu grande pai Osmar e meu querido irmão Luiz Paulo. Amo muito todos vocês. Não podia deixar de agradecer e dizer o orgulho e admiração que tenho de trabalhar com outros grandes professores que ultrapassam essa linha de amigos de trabalho e tornam-se amigos/irmãos como Guilherme, Heitor, Nicolas, Pai Léo, Mônica, Genilson, Jairo, etc. Alguns acabam virando mentores né Paulo Fiorato e Liliane? Queria agradecer aos professores e colegas do Mestrado de Física. Obrigados a todos vocês pela troca de experiências. Um agradecimento especial aos professores Moacir, professor João Ricardo, professora Clarissa e professor Angel por aceitarem o convite de ser banca da dissertação, auxiliando no melhoramento do trabalho. A todos meus alunos que ajudam e iluminam o meu caminho fazendo cada vez mais a entender como é apaixonante dar aulas. Aos meus amigos João, Leandro, Lucas, Nino e companhia por todos esses anos de companheirismo e fidelidade. Aos grandes amigos de Futebol que durante esse tempo é uma válvula de escape com sua alegria, muitas risadas e perna de paus. É muito bom fazer parte desse time. Agradeço de coração a professora Ana que teve muita paciência e disponibilidade para Orientar durante dos esses anos. Desculpe deixar você com cabelos brancos, mas ti considero com uma mãe. Não podia deixar de agradecer a pessoa que ficou do meu lado durante todo esse tempo, ajudando com seus conselhos, coerência, amizade, amor. Sou muito grato por tudo Lika. Termino agradecendo após algumas lágrimas a toda família Schrödinger que além de dividirmos teto, trocamos experiências, comidas, conhecimentos e momentos de dificuldades. Obrigado a todos vocês meninos. RESUMO A pesquisa “O mirabolante mundo das Partículas Elementares” tem como objetivo o desenvolvimento e aplicação de uma sequência didática sobre um tema da Física Moderna que se apresenta desafiador para os professores de Física. É um dos temas indicados na proposta curricular de ensino de F ísica do Estado de São Paulo, mas poucos dados se têm de como ensinar e qual metodologia é mais indicada para que se cumpra com o mínimo do indicativo das propostas de aulas contextualizadas, significativas e dinâmicas. A proposta envolve a construção de uma sequência didática contendo os requisitos apontados pelos pesquisadores da área, especialmente a construção do material e metodologias que auxiliem o professor em exercício e em formação inicial, na sua prática pedagógica sobre o tema Física de Partículas. Palavras-chave: Física de Partículas Elementares; Sequência didática; Formação de professores. ABSTRACT The research "The dazzling world of Elementary Particles" is aimed at the development and implementation of a didactic sequence about a topic of modern physics that presents challenging for teachers of physics. It is one of the themes identified in the proposed curriculum Physical education of the State of São Paulo, but few data have of how to teach and what methodology is best suited for that complies with the minimum indicative proposals contextualized lessons, meaningful and dynamic. The proposal involves the construction of a didactic sequence containing the requirements pointed out by researchers in the field, especially the construction of the material and methodologies that assist the teacher in exercise and initial training in their teaching on the topic Particle Physics. Keywords : Elementary Particle Physics; Didactic sequence; Teacher training; LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS FCT: Faculdade de Ciência e Tecnologia FMC: Física Moderna e Contemporânea FPE: Física de Partículas Elementares MP: Modelo Padrão NEF: Núcleo de Ensino de Física SD: Sequência Didática UNESP: Universidade Estadual Paulista SUMÁRIO INTRODUÇÃO 11 CAPÍTULO 1 – OS REFERENCIAIS TEÓRICOS 15 1.1) CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DE FÍSICA 15 1.2) PARTÍCULAS ELEMENTARES NO ENSINO DE FÍSICA 15 1.3) SEQUÊNCIA DIDÁTICA: MAIS QUE UMA SEQUENCIA DE AULAS 21 CAPÍTULO 2 – PERCURSO METODOLOGICO 23 2.1) UMA OLHADA NO SABER DOS PROFESSORES 23 2.2) UMA OLHADA NOS ALUNOS DA LICENCIATURA EM FÍSICA 24 2.3) TEMPO E CONTEÚDO DA SD: UM DESAFIO 25 2.4) CONSTRUÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA 26 2.5) APLICAÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA 27 2.5.1) Aula 1: Modelando Modelos e Escalando Escalas 27 2.5.2) 2°Aula: O mirabolante mundo das Partículas Elementares 28 2.5.3) 3°aula: A TV E O LHC 28 2.5.4) 4°Aula: Avaliação 29 CAPÍTULO 3- RESULTADOS, DISCUSSÕES E PRODUTO FINAL 30 3.2) Análise dos alunos da licenciatura 33 CONSIDERAÇÕES FINAIS 35 REFERENCIAIS 36 APÊNDICE A- ANÁLISE DOS PROFESSORES 39 APÊNDICE B – ANÁLISE DOS ALUNOS DA LICENCIATURA 42 APÊNDICE C - O MIRABOLANTE MUNDO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA PROFESSORES DE FÍSICA 45 Instruções 48 Introdução 49 1.1) O Big Bang: O possível início de tudo! 49 1.1.1) Proposta de atividade 1: 50 1.2) Números de Planck: valores do mundo primordial 51 1.2.1) Como é calculado o espaço e tempo de Planck? 51 1.2.2) Energia de Planck 52 1.2.3) Densidade de Planck 52 1.2.4) Temperatura de Planck 53 1.2.5) Proposta de Atividade 2: 53 1.3) As evidências do Big Bang 54 1.3.1) Expansão do Universo 54 1.3.2) Radiação Cós mica de fundo 56 1.3.3) Abundância de elementos leves 56 AULA 1: MODELANDO MODELOS E ESCALANDO ESCALAS 57 2.1) Atividade Prática 57 2.2) Parte II: Escalando Escalas 59 2.2.1) Proposta de Atividade 3 60 AULA 2: O MIRABOLANTE MUNDO DA FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES 63 3.1) Dos filósofos naturais ao bóson de Petter HIGGS 63 3.1.1) O Trio de Mileto 63 3.1.2) Saindo de Mileto 64 3.1.3) Os atomistas modernos 65 3.1.4) O descobrimento de novas partículas: ordem cronológica 67 3.2) Um pouco mais sobre Partículas Elementares 70 3.2.1) A organização do Modelo Padrão 70 3.3) Partículas elementares e as leis de conservação 73 3.3.1) Conservação da carga elétrica 74 3.3.1.1) Proposta de Atividade 4 75 3.3.2) Conservação de Energia 75 3.3.2.1) Proposta de Atividade 5 76 3.3.3) Conservação de Carga Cor 76 3.3.3.1) Proposta de Atividade 6 77 AULA 3: A TV E O LHC: O MUNDO EM TORNO DAS PARTÍCULAS 78 4.1) Tubo de Raios Catódicos 78 4.1.1) Simulador de tubo de raios catódicos 79 4.2) LHC: A máquina 79 4.3) Como podemos ver o que não podemos ver? 81 4.3.1) O ATLAS 81 4.3.2) O CMS 82 4.3.3) ALICE 83 4.3.4) O LHCb 83 4.4) Game do LHC 83 4.5) Atividade 7 : Buscando res postas 84 4.6) Qual o fato mais impressionante do Universo... 84 4.6.1) At ividade 8: Discutindo um pouco mais. 85 REFERÊNCIAS 85 11 INTRODUÇÃO Muitas pessoas questionam sobre como surgiu o Universo, será que o Universo realmente surgiu do Big Bang? Será que algum dia terá um fim? Essas questões, além de colocar em debate pensamentos religiosos e científicos, fazem refletir sobre qual a origem da vida e o papel da ciência nessas discussões. Esses questionamentos fizeram falta durante todo o meu ensino básico, o que me fez pensar “porque as portas para essas reflexões não foram abertas durante essa fase”? Sendo que deveria ser frequente esse tipo de discussão, principalmente na escola. Reflexões como a do Astrofísico Neil deGrasse Tyson que participou em um dos quadros da revista americana TIME, chamado “10 questions” (10 questões), no qual, foi questionado por um internauta sobre qual era “o fato mais impressionante do Universo”. Tayson, respondeu essa pergunta de maneira surpreendente e fantástica, a sua fala é pouca extensa, só que seria uma perda para o leitor resumir sua resposta, pois, cada palavra tem um fascínio, que está descrita logo em seguida: “O fato mais surpreendente é saber que os átomos que abrangem a vida na Terra — os átomos que formam o corpo humano — podem ser rastreados aos pontos que cozinharam elementos leves, transformando-os em elementos pesados em seus núcleos sob temperaturas e pressões extremas. Essas estrelas, as mais pesadas entre elas, tornaram-se instáveis em seus últimos anos. Elas entraram em colapso e então explodiram, espalhando suas enriquecidas entranhas pela galáxia — entranhas compostas de carbono, nitrogênio, oxigênio e todos os ingredientes fundamentais da vida em si.Tais ingredientes se tornaram parte de nuvens de gás que condensam, entram em colapso, formam a próxima geração de sistemas solares: estrelas com planetas em órbita, e tais planetas agora têm os ingredientes da vida em si. Então, quando eu olho para o céu à noite, eu sei que, sim, somos partes deste Universo, estamos neste Universo. Mas, talvez mais importante que esses dois fatos, é que o Universo está em nós. Quando penso nisso, olho para cima — muitas pessoas se sentem pequenas porque elas são pequenas e o Universo é grande, mas eu me sinto grande, pois meus átomos vieram dessas estrelas. Há um nível de conectividade. Isso é o que você realmente quer na vida: se sentir conectado, relevante, como um participante em acontecimentos e eventos ao seu redor. Isso é precisamente o que somos, simplesmente por estarmos vivos”. (Deil deGrasse Tayson, 2009). Quando assisti pela primeira vez a um vídeo adaptado com essa resposta de Tayson, contada pelo narrador e dublador Guilherme Briggs, muitas ideias que não se encaixavam em meus pensamentos começaram a fazer sentido, por exemplo, nossos 12 átomos ainda permaneceram um bom tempo no universo, como podemos ser grandes e pequenos ao mesmo tempo? Além disso, entendi o que significava a série que passava na televisão quando era adolescente, apresentada pelo também astrofísico Marcelo Gleiser, chamado “Poeira das Estrelas”, no qual, citava que somos vestígios de explosões estrelares. Além disso, percebi uma grande relação com o tema Física de Partículas Elementares (FPE), atual ramo da Física que procura responder “do que somos feitos?”, buscando entender o Universo. A relação com tema desta pesquisa vem desde 2009, quando comecei a fazer parte do Núcleo de Ensino de Física (NEF) da Faculdade de Ciências e Tecnologia - Presidente Prudente, um grupo que conta com a participação de professores do curso de Licenciatura em Física da FCT UNESP, alunos da graduação, professores da rede pública de ensino, e alguns colaboradores que estão na pós-graduação em outras universidades e que tem por intenção principal o estudo conjunto dos conteúdos e das metodologias, visando o ensino de Física Moderna e Contemporânea (FMC). Após essa convivência decidi pesquisar o tema mais profundamente o que resultou em uma exposição cientifica denominada “As pequenas grandes coisas do universo” que consta de alguns elementos interativos na forma de pôsteres apresentados em um espaço de ensino não formal e que foi o meu Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), apresentando em Dezembro de 2012. Dando continuidade na pesquisa em FPE, agora como aluno do Mestrado Profissional em Ensino de Física (MNPEF), procurei realizar uma abordagem diferente, inserindo distintas variáveis no trabalho, amparadas nas novas experiências que obtive no decorrer do meu percurso como professor de física, após a defesa do TCC. Esta experiência acompanhada de aprofundamento teórico possibilitou uma nova visão sobre o tema e principalmente sobre o ensino. Desta forma, o trabalho terá um foco direcionado para a formação de professores e não para a divulgação da FPE, pois, atualmente a FPE é uma realidade presente no Ensino Médio, está inserida em livros didáticos (mesmo de forma “tímida”) e faz parte do Currículo do Estado de São Paulo, 3°ano do Ensino Médio, segundo semestre. Em umas das oficinas ministradas junto ao NEF, oferecida a professores da Diretoria de Ensino de Santo Anastácio, tivemos a oportunidade de sentir a angústia dos professores em relação ao tema, alguns resultados mais específicos serão comentados em outro momento do trabalho. O que se pode adiantar é que a maior parte dos professores que participaram da oficina não tiveram FPE em sua formação em Física, 13 aliado a isto tem a falta de tempo para trabalhar o tema em sala de aula e o grau de dificuldade da FPE. Outro ponto que também deve ser colocado, é que no curso de Licenciatura em Física, da FCT UNESP de Presidente Prudente, o tema é citado no âmbito da curiosidade, não é trabalhado de maneira efetiva como parte das disciplinas da graduação e isto é uma realidade em diversas Universidades. Nesse contexto a proposta é trabalhar a metodologia para o ensino de FPE, desenvolvendo uma sequência didática (SD) que inclua diferentes ferramentas de ensino, os conhecimentos prévios dos alunos e os conhecimentos obtidos sobre FPE após aplicação da SD. O trabalho consta em duas partes principais, a respostas dos professores em serviço sobre o tema e o desenvolvimento da SD com os professores em formação inicial. Frente a o exposto a pergunta a ser respondida nesta pesquisa é: Como contribuir para o ensino de FPE com professores em formação? Frente a esta pergunta surgem os objetivos: Objetivo Geral Construir uma SD contendo dados e as ferramentas necessárias para que os professores possam utilizar com seus alunos. Para isto será confeccionado um site contendo indicativos de como construir uma sequência Didática detalhada, textos e links relacionados com o tema. Objetivos Específicos  Organizar conteúdos e metodologias necessárias ao entendimento da FPE.  Explicar e justificar os passos necessários para o desenvolvimento da SD e compartilhar as informações por meio de um site de fácil acesso com as informações sobre o tema, links, atualidades e história, material que pode ser utilizado em sala de aula. Para conseguir explorar todos esses aspectos, a pesquisa foi dividida em quatro capítulos: -O primeiro capítulo apresenta uma introdução aos apontamentos do governo sobre o ensino de física, apresenta a FPE desde seu início até o presente em um breve resumo da 14 história do desenvolvimento da FPE, citando alguns trabalhos importantes sobre o ensino do tema e os trabalhos dos pesquisadores, culminando com estudos sobre sequência didática e sua utilização para organizar e construir um aprendizado significativo para ser utilizado pelo futuro professor. – O segundo capítulo abordará a metodologia empregada para a confecção da sequência didática e a metodologia escolhida para o trabalho em cada um dos momentos que a compõem. - O capítulo três apresentara os resultados da aplicação da SD e do material confeccionado como contribuição à formação inicial dos futuros professores. - Finalmente no capítulo quatro se apresentam as conclusões deste trabalho. 15 CAPÍTULO 1 – OS REFERENCIAIS TEÓRICOS 1.1) CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DE FÍSICA Atualmente, os documentos que norteiam o sistema de ensino na organização e fundamentação dos projetos nas escolas são as Leis de Diretrizes e Bases (LDB), Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+) e o Currículo do Estado de São Paulo, no qual orientam o processo de ensino-aprendizagem no ensino médio, em particular no ensino de Física. Com estas diretrizes, os conteúdos de física passam a ter uma visão voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na realidade (SBF, 2015). Nas orientações dos PCN+ se destaca que o currículo está sempre em construção e deve ser compreendido como um processo contínuo que influencia positivamente a prática do professor. Com base nessa prática e no processo de aprendizagem dos alunos, os currículos devem ser revistos e sempre aperfeiçoados (BRASIL, 2000). A leitura dessas diretrizes foi importante para a pesquisa, pois, apontam a necessidade de atualização dos currículos e a inserção de temas atuais com o foco na formação de um cidadão que participe de forma ativa no meio que vive, assim pretendemos ter como base esses dois pontos descritos para elaboração da pesquisa e SD. No próximo tópico, falaremos sobre como foi inserido a FPE no Brasil e destacaremos alguns trabalhos que foram elaborados a partir dessa necessidade da atualização do currículo de Física. 1.2) PARTÍCULAS ELEMENTARES NO ENSINO DE FÍSICA O processo de inserção de Física Moderna e Contemporânea (FMC) no Brasil começou a ser discutida desde 1970, com trabalhos direcionados para as novas perspectivas curriculares (SANCHES, 2006). Em 1980, se consolidou como uma vertente de pesquisa, foi a partir desse período que os pesquisadores questionaram com maior intensidade os conteúdos tradicionalmente ensinados nas escolas. Segundo Sanches: 16 Esta área de pesquisa se desenvolveu principalmente após a década de 1980, no qual os pesquisadores começaram a constatar a desatualização dos currículos escolares em comparação com o progresso da Física. Esse panorama descontextualizado contribui para que os estudantes não conheçam a revolução que ocorreu na Física desenvolvida após o ano de 1900 e que explica os fenômenos presentes no cotidiano. Portanto, essa modalidade de pesquisa se concentra em desenvolver estratégias e metodologias para inserção desses tópicos no ensino de Física. (SANCHES, 2006, p. 18). Especialistas da área apontam a inserção da FMC como necessária, para que os jovens possam entender os fenômenos do seu cotidiano, colaborando para o exercício de sua cidadania. Como destaca Terrazzan: A tendência de atualizar-se o currículo de Física justifica-se pela influência crescente dos conteúdos contemporâneos para o entendimento do mundo criado pelo homem atual, bem como a necessidade de formar um cidadão consciente e participativo que atue nesse mesmo mundo (TERRAZZAN, 1992, p.210). Pesquisadores em ensino de Física chegaram à seguinte relação de tópicos de FMC que poderiam ser abordados no Ensino Médio, segundo apontado por Ostermann & Moreira (1998): Efeito fotoelétrico, átomo de Bohr, leis de conservação, radioatividade, forças fundamentais, dualidade onda-partícula, fissão e fusão nuclear, origem do Universo, raios-X, metais e isolantes, semicondutores, laser, supercondutores, partículas elementares, relatividade restrita, Big Bang, estrutura molecular e fibras ópticas. (OSTERMANN & MOREIRA, 2001, p.138). Um dos tópicos presentes nessa atualização é a Física de Partículas Elementares, mas, qual a importância do tema FPE? Além do envolvimento pessoal, já citado no inicio do trabalho, pretendemos destacar outros argumentos que descrevem a importância da FPE no mundo que vivemos. Começamos com uma entrevista da autora Beatriz Alvarenga, no qual, ela cita a importância do tema no currículo: Os conhecimentos dessa área possibilitam ao estudante certo aprofundamento dos estudos de Cosmologia, levando-o a uma visão mais racional do mundo em que vivemos, a discussões mais equilibradas sobre a origem e o fim do Universo, colaborando para afastamento das crendices e superstições, muito comuns entre os jovens. 17 O assunto pode ser tratado historicamente, com apresentação das diversas teorias que se sucederam, levando os alunos a perceberem que os conhecimentos científicos não são verdades absolutas (aspecto importante da visão atualizada das ciências). O sucesso das pesquisas nesta área, altamente dependentes das tecnologias avançadas, que possibilitaram várias descobertas, evidenciaram a interdependência entre o desenvolvimento dos conhecimentos científicos e tecnológicos, sem priorização de um deles (ALVARENGA, 2000). Os argumentos de Alvarenga são claramente identificados quando falamos sobre FPE. Tanto na elaboração das teorias sobre a constituição da matéria, desde a antiguidade e a explicação da constituição e formação do Universo, até a justificativa sobre o investimento em tecnologia para construção de novos equipamentos e aceleradores de partículas que contribuem para explicar a nossa existência. Podemos reforçar os argumentos de Alvarenga destacando um trecho do PCN+: [...] Ao mesmo tempo, evidenciam-se as relações entre o mundo das partículas elementares, assim como os métodos para investigá-lo, com o mundo das estrelas e galáxias. Lidar com modelos de universo permite também construir sínteses da compreensão física, sistematizando forças de interação e modelos microscópicos (SBF, 2015). É evidente a importância da FPE no mundo atual, principalmente para entender como a ciência está envolvida na sociedade e isso fica nítido nos argumentos de Beatriz Alvarenga e nas perspectivas curriculares. Mas, o que existe sobre o ensino do tema FPE? Qual a dificuldade ou não do ensino do tema? Tentaremos dar uma visão sobre os principais trabalhos sobre FPE publicados até agora. Os primeiros trabalhos sobre Física de Partículas voltado para o Ensino Médio foram escritos por Ostermann (1999) e novamente Ostermann junto a Cavalcanti em 2001. Esses trabalhos traziam algumas explicações teóricas sobre FPE direcionada para professores. Um desses trabalhos foi o pôster publicado na Revista “Física na Escola” volume 2, n. 1, 2001, (OSTERMANN, 2001), que contém o Modelo Padrão (MP) e algumas instruções de como trabalhar o pôster em sala de aula. O MP da física de partículas é um modelo teórico, ainda em construção, e que apresenta as forças fundamentais entre as partículas. Este modelo se encontra, na forma didática, no pôster apresentado na figura 1. 18 Figura 1- Modelo Padrão (Retirado de “Física na Escola” volume 2, n. 1, 2001) As maiores partes dos autores dos livros didáticos começaram a inserir a Física de Partículas Elementares por volta do ano 2000, geralmente nos últimos capítulos dos livros didáticos, procurando satisfazer as novas perspectivas educacionais. Segundo Siqueira (2006), em um trecho de sua dissertação: ...concluímos que a maioria dos livros tem a maior parte de seu conteúdo sendo trabalhado nos moldes tradicionais dos conteúdos já existentes neles, levando a uma descrição muito superficial da Física de Partículas Elementares, deixando de lado muitos aspectos importantes para a discussão dos conceitos, principalmente a fenomenologia tão rica dessa área. (Siqueira, 2006, pg 94-95). Podemos perceber que abordagem nos livros didáticos não foi satisfatória, tentando sanar apenas a necessidade do currículo, esquecendo-se de trabalhar os pontos principais da FPE. No ano 2002 Robert Gilmore publicou o livro “O mágico dos quarks: física de partículas ao alcance de todos.” O autor utiliza os personagens da obra “O mágico de Oz” para trabalhar de maneira descontraída conceitos de Física de Partículas Elementares, lembrando que no de 1998 Gilmore também já havia lançado o Livro 19 “Alice nos pais do quantum”, um livro que mistura fantasia e ciência de fácil leitura e que pode ser lido pelos alunos. Em 2006, a Física Maria Cristina Batoni Abdala, lançou o livro “O discreto charme das Partículas Elementares” que é referência para o Ensino de Física de Partículas Elementares no Brasil, inclusive é indicado pelo currículo do Estado de São Paulo. No seu livro Abdala, junto ao desenhista Sergio Kon, ilustrou as partículas de uma forma criativa, com uma leitura agradável, desde a ordem cronológica de descoberta das partículas até os mistérios do Universo. O livro fez tanto sucesso que a autora em parceria com TV Cultura, lançou um filme com o mesmo título do livro. A figura 2, apresenta a família das partículas elementares, com ilustrações de Sergio Kon, e retirada do livro. Podemos observar a classificação em: quarks (caixas verdes), léptons (caixas rosas) e bósons (caixas amarelas). Figura 2- Família das partículas elementares (Retirada do livro “O discreto charme das Partículas Elementares”) Foram também criados sites para divulgação do tema das Partículas elementares, como “Aventura das Partículas Elementares” e “Estrutura Elementar da Matéria” traduções de um site inglês, que contém questões podem ser trabalhadas em sala de aula. 20 A FPE teve grande impacto nas escolas quando passou a ser inserido como parte da Proposta Curricular do Estado de São Paulo, no quarto bimestre, do terceiro colegial, a partir do ano de 2008 (SÃO PAULO, 2008). Hoje, com as novas mudanças de organização do caderno, o tema encontra-se no segundo semestre da terceira serie do Ensino Médio, mas o conteúdo continua o mesmo desde 2008. O caderno esta dividido em seis situações de aprendizagem para serem trabalhadas em 10 aulas. As seis situações são descritas a seguir: A primeira consiste em uma pesquisa histórica sobre a concepção de matéria, que os alunos deverão realizar fora do horário de aula. A segunda busca problematizar o papel da ciência no Brasil por meio de reportagens da época que relatam a importância de César Lattes na descoberta do méson-pi. Na terceira, propõe-se uma atividade prática para discutir os métodos de análise de partículas em câmeras de bolhas. A quarta trabalha as reações possíveis em que uma partícula pode se transformar em outra, por meio do uso de linguagem científica. A quinta discute de uma maneira analítica a formação de partículas tendo como base os quarks. A sexta discute por meio de reportagens atuais os experimentos que vêm sendo realizados para o estudo das partículas em aceleradores. (SÃO PAULO, 2008, pg.9). Esse encaminhamento do caderno do professor propõe que o docente conduza os alunos com o objetivo de construírem as seguintes competências e habilidades: 1. Compreender processos de construção de ideias na ciência 2. Utilizar procedimentos e instrumentos de observação 3. Elaborar hipóteses, analisar e interpretar resultados experimentais. 4. Compreender e interpretar os processos de transformação das partículas sob o ponto de vista do seu significado e da sua linguagem cientifica. 5. Reconhecer a importância social da ciência no Brasil. 6. Debater e argumentar sobre aspectos da tecnologia de comunicação e informação atuais. (SÃO PAULO, 2008, pg.09). Pode-se ressaltar que o propósito do caderno se encaixa na proposta dos PCN’s que foca a formação de indivíduos críticos participantes da sociedade. Mesmo que nos últimos anos a quantidade de trabalhos sobre Partículas Elementares voltados para o ensino terem aumentado, baseando-se em algumas conclusões tiradas do TCC, vimos que são poucos os trabalhos testados em sala de aula. Isso é relatado por Fernanda Ostermann e Marco Antonio Moreira desde 2000: 21 “é reduzido o número de trabalhos publicados que encaram a problemática sob a ótica do ensino e, mais ainda, os que buscam colocar, em sala de aula, propostas de atualização.” (OSTERMANN & MOREIRA, 2000, p. 5) Ou seja, ainda não mudou em relação ao desenvolvimento de trabalhos com aplicação no ensino. Até o momento, vimos à necessidade de atualização do Currículo de Física e como o tópico FPE está totalmente imerso no que descreve os principais documentos que direcionam o Ensino. A partir disso, houve uma concentração de trabalhos desde pôster, livros de divulgação cientifica, livros didáticos e principalmente na proposta curricular do Estado de São Paulo. Entretanto, há falta de trabalhos voltados para a formação do professor. Nesse contexto, ressaltamos a importância do nosso trabalho devido aos objetivos almejados. Em seguida falaremos sobre o que é uma sequência didática deixando clara a sua importância na pesquisa. 1.3) SEQUÊNCIA DIDÁTICA: MAIS QUE UMA SEQUENCIA DE AULAS Uma sequência didática (SD) refere-se ao processo de construção organizado de ensino que leva em consideração o contexto histórico, referencial de ensino aprendizagem, público alvo e a relevância do conteúdo a ser aprendido. Segundo Méheut (2005) uma sequência didática apresenta quatro componentes básicos do ensino, que são: o professor, aprendiz, mundo material e o conhecimento cientifico. Assim, podemos concluir que a sequência didática de acordo com Pais (2002, apud GUIMARÃES; GIORDAN, 2011) “é formada por certo número de aulas planejadas e analisadas previamente com a finalidade de observar situações de aprendizagem, envolvendo os conceitos previstos na pesquisa didática” com finalidade de ter significado para o aluno. Segundo Zabala (1998), sequências didáticas são: “Um conjunto de atividades ordenadas, estruturadas e articuladas para a realização de certos objetivos educacionais, que têm um princípio e um fim conhecidos tanto pelos professores como pelos alunos (...)”(ZABALA,1998, p.18). O Ministério da Educação, por meio da Secretaria de Educação Básica, Diretoria de Apoio à Gestão Educacional (2012) apresenta a importância de organizar uma SD: 22 Ao organizar a sequência didática, o professor poderá incluir atividades diversas como leitura, pesquisa individual ou coletiva, aula dialogada, produções textuais, aulas práticas, etc., pois a sequência de atividades visa trabalhar um conteúdo específico, um tema ou um gênero textual da exploração inicial até a formação de um conceito, uma ideia, uma elaboração prática, uma produção escrita (BRASIL, 2012, p-21) A proposta aqui apresentada converge com as colocações dos referenciais apresentados, principalmente com as colocações da Secretaria de Educação Básica, pois:  Visamos trabalhar um conteúdo específico  São realizadas atividades práticas  Existe uma pesquisa individual e coletiva por meio da leitura de textos, atividades colaborativas e diferenciadas. As atividades que fazem parte da sequência são ordenadas de maneira a aprofundar o tema que está sendo estudado e são variadas em termos de estratégia: leituras, aula dialogada, simulações computacionais, experimentos, etc. Assim o tema será tratado durante um conjunto de aulas de modo que o aluno se aprofunde e se aproprie dos temas desenvolvidos. Segundo Zabala (1998) sequências didáticas são “um conjunto de atividades ordenadas, estruturadas e articuladas para a realização de certos objetivos educacionais, que têm um princípio e um fim conhecidos tanto pelos professores como pelos alunos (...)”(ZABALA,1998 P.18) As sequências didáticas (SD) contribuem com a consolidação de conhecimentos que estão em fase de construção e permitem que progressivamente novas aquisições sejam possíveis, pois a organização dessas atividades prevê uma progressão modular, a partir do levantamento dos conhecimentos que os alunos já possuem sobre um determinado assunto, conforme Brasil (2012, p.20). Então, qual o ponto de partida para fazer uma sequência didática que contemple conteúdos de FPE e esteja ao alcance dos professores de física? Isto será respondido no próximo capítulo. 23 CAPÍTULO 2 – PERCURSO METODOLOGICO Consideramos este capítulo, o mais importante do trabalho, pois nele tenta-se unir as ideias gerais colocadas no capítulo anterior. O intuito é pontuar os principais fatores que influenciaram o desenvolvimento da sequência didática. Primeiro falaremos sobre duas pesquisas prévias que foram realizadas que foram determinantes para escolha do público alvo e de como seria a estrutura da sequência didática. Na última parte do capítulo descreveremos a sequência didática e como foi sua aplicação junto aos alunos da licenciatura em Física da FCT UN ESP. 2.1) UMA OLHADA NO SABER DOS PROFESSORES Em 2014, tivemos a oportunidade de participar de uma oficina pedagógica realizada na Diretoria de Ensino de Santo Anastácio, cidade próxima a Presidente Prudente. Esta oficina foi solicitada pela Professora Coordenadora do Núcleo Pedagógico (PCNP) de física. O objetivo foi apresentar aos 20 professores participantes, possibilidades de ensinar Física de Partículas e obter dados sobre o estado do conhecimento deles frente aos desafios que apresenta o currículo do Estado de São Paulo sobre este tema. Foram elaboradas sete perguntas com o intuito de levantar os conhecimentos destes professores. As questões aplicadas se encontram na tabela a seguir, ressaltando que algumas questões apresentaram mais de uma alternativa. Orientação pedagógica sobre Física de Partículas QUESTIONÁRIO Prezados professores: este questionário tem por finalidade conhecer as concepções e as expectativas de vocês em relação à Orientação Pedagógica sobre Física de Partículas. Pedimos, por gentileza, que respondam as seguintes questões: 1. Qual a sua formação inicial? ( ) Física ( ) Química ( ) Biologia ( ) Matemática ( ) Outra 2. Qual foi seu contato com o conteúdo de “Física de Partículas”? ( ) a – Na Universidade/Faculdade ( ) b – Em um curso/oficina de formação continuada ( ) c - Por meio do currículo (livros didáticos e/ou cadernos SEE/SP) ( ) d – Nunca tive contato com o assunto/tema 3. Em sua opinião, a “Física de Partículas” esta associada com: ( ) a - A luz, pois ela é composta por “grãos de energia” 24 ( ) b – Com o núcleo do átomo ( ) c – Com o núcleo do átomo e o elétron ( ) d – Com o elétron, pois ele tem características corpusculares 4. Você já trabalhou ensinando o conteúdo de Física de Partículas? ( ) a – Não, pois não estava na ementa do curso ( ) b – Não, embora estava na ementa do curso, não deu tempo ( ) c – Sim, apenas os conceitos básicos, uma vez que é um conteúdo complexo ( ) d – Sim, cumpri o que estava no programa 5. Você considera importante a inserção do conteúdo de Física de Partículas no Ensino Médio? ( ) a - Não, pois é um conteúdo abstrato e que não faz parte do cotidiano do aluno ( ) b – Não, pois considero um tema muito difícil para professor/aluno ( ) c – Sim, mas considero outros conteúdos mais importantes ( ) d – Sim, acho que a Física de Partículas é fundamental para o aluno entender o mundo em que ele vive 6. Quais as dificuldades em ensinar Física de Partículas no Ensino Médio? ( ) a – Não há interesse dos alunos ( ) b – É muito difícil preparar as aulas ( ) c – O material didático é ruim ou inexistente ( ) d – É abstrato e não tem como fazer experiências em sala de aula 7. Qual sua expectativa em relação à Orientação Pedagógica sobre Física de Partículas? ( ) a – Conhecer mais sobre o assunto ( ) b – Buscar novas metodologias para se trabalhar em sala de aula ( ) c – Conhecer um pouco mais um dos conteúdos que faz parte currículo ( ) d – Cumpri as horas de participação, pois este conteúdo não me interessa Muito obrigado pela sua participação! Tabela 1- Questionário aplicado a professores da Diretoria de Ensino de Santo Anastácio 2.2) UMA OLHADA NOS ALUNOS DA LICENCIATURA EM FÍSICA A outra pesquisa realizada foi sobre os conhecimentos prévios de seis alunos do segundo ano da Licenciatura em Física da FCT UNESP de Presidente, durante a disciplina de Física III. Para isso, optamos por um questionário com 10 questões dissertativas (Tabela 2), simples e objetivas, contendo perguntas que abrangem várias situações dentro da Física de Partículas, como, pensamentos sobre a constituição da matéria, algumas leis de conservação, acelerador de partículas, etc. 25 “O mirabolante mundo das Partículas Elementares” Questionário: em busca dos conhecimentos prévios Por favor, responda brevemente as seguintes questões: 1-Do que somo feitos? 2-Quais principais teorias que existe e já existiu sobre a composição da matéria? Relate alguns pensamentos. 3- Qual o procedimento usado pelos cientistas na elaboração de teorias e modelos? O que precisa uma teoria para ser “aceita”? 4- Como a teoria do Big Bang descreve a criação do Universo? Segundo esse modelo qual a idade do Universo e como os cientistas estimam esse tempo? 5- Cite algumas conservações existentes em alguns fenômenos físicos. 6- Segundo o modelo atômico qual é a sua constituição? 7-Existe elementos “mais fundamentais”, existente no átomo? 8- Você já ouviu falar sobre modelo padrão?Em que lugar? Caso tenha ouvido, descreva brevemente o que você entendeu. 9- O que é necessário para acelerar elétron, por exemplo? 10- Qual o papel principal de investimos em tecnologias, experimentos, para sociedade? Será apenas curiosidade do ser humano, por exemplo , entender a “intimidade” do átomo e das galáxias? Muito obrigado pela participação Tabela 2- Questões dissertativas aplicadas aos alunos do segundo ano da Licenciatura em Física Com as informações das pesquisas prévias conseguimos definir qual seria o nosso público alvo, que até então era uma das primeiras dificuldades do trabalho, pois estávamos com dúvidas em trabalhar a SD no ensino médio, no curso de formação de professores oferecido pela Diretoria de Ensino ou no curso de Licenciatura em Física. Após algumas reflexões e análise das respostas dos questionários, optamos em direcionar a SD aos alunos do curso de Licenciatura em Física da FCT UNESP de Presidente Prudente, procurando consolidar o tema no curso, já que o conteúdo não se encontra nas disciplinas da grade curricular do curso. Outro motivo levado em consideração foi acreditarmos ser mais eficiente atuar na formação inicial dos professores do que ir continuamente aplicar a SD no EM, já que pela lógica esses futuros profissionais serão professores e poderão utilizar esse conhecimento adquirido em suas aulas. 2.3) TEMPO E CONTEÚDO DA SD: UM DESAFIO Uma das condições que foi levada em consideração na elaboração da sequência é o tempo para trabalhar o tema, junto a isso: “quais conteúdos que é importante ser 26 abordado para que sirva de base para formação inicial?”. Já que tanto na graduação como nas escolas, o tempo e o conteúdo são fatores limitados. Ou seja, pretendemos elaborar uma SD que concilie de forma efetiva conteúdos e metodologia em um curto intervalo de tempo. Procuramos também levar em conta as experiências vividas durante este tempo de pesquisa, participação em oficinas, lecionando, realizando leituras dos livros para a elaboração da sequência didática e principalmente tentando relaciona- la com o conteúdo do Caderno do Aluno do programa São Paulo Faz Escola, Currículo Oficial do Estado de São Paulo. 2.4) CONSTRUÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA A Sequência didática foi trabalhada na disciplina de Instrumentação em Ensino de Física com alunos do quarto ano do curso de Licenciatura em Física da FCT. A escolha dessa turma foi por alguns alunos terem participado do questionário prévio, disponibilidade de horário oferecida pelo professor da disciplina e a relação de alguns temas pertencentes ao conteúdo programático da disciplina de instrumentação com a Física de Partículas Elementares como, por exemplo, métodos científicos e Física Moderna. Após todo esse caminhar desenvolvemos a sequência didática em quatro encontros. Um esboço do que foi desenvolvido se encontra na tabela . N° e nome do Encontro Resumo do que foi Trabalhado Atividades realizadas Tempo de atividade Tempo de participação ativa dos estudantes 1° Encontro- “Modelando Modelos e Escalando Escalas” Discussão sobre a teoria do Big Bang e suas evidências, em seguida por meio de um experimento com microondas trabalhamos a dificuldade de montar um modelo e fechando o encontro foi possível debater a importância das escalas na análise dos fenômenos na física. Experimento da Pipoca e passeio nas escalas no site The Scale o f the Universe 2 (http://htwins.net/ scale2/lang.html) 2h:50min 1h:25min 2° Encontro- “O mirabolante mundo das Partículas Elementares” Foi realizada uma pesquisa dos principais pensamentos dos alunos sobre concepção da matéria, exploramos o modelo padrão das partículas elementares e as leis de conservação que permeia m as partículas. Pesquisa da linha do tempo sobre as leis e teorias de constituição da matéria. 2h:50min 1h 27 3° Encontro- “A TV e o LHC” Comparação sobre o funcionamento básico do LHC e a TV, em seguida, curiosidades, aspectos políticos sobre o LHC. Simulação do funcionamento da TV, Game do LHC e vídeo “qual o fato mais impressionante do Universo”. 2h:50min 1h 4°-Encontro- “Avaliação” Os alunos tiverem 1 hora para planejar uma sequência didática para apresentar. Apresentação de Seminários 2h:50min 2h Tabela 3- Conteúdo da sequência didática 2.5) APLICAÇÃO DA SEQUÊNCIA DIDÁTICA Em todos os encontros utilizamos apresentações no Power Point, só que eram utilizadas como forma de organização das aulas. Em seguida descrevemos um resumo de cada encontro e atividade realizada na SD. 2.5.1) Aula 1: Modelando Modelos e Escalando Escalas No primeiro encontro demos ênfase no que seria uma sequência didática e o que trabalharíamos durante os quatro encontros, quais eram os objetivos do trabalho, a importância da sequência didática para formação inicial e no ensino de Física de Partículas Elementares. Após essa visão geral, o diálogo teve como foco a teoria do Big Bang, esclarecendo que se tratava de uma teoria e por isso seria mais adequado falar sobre “possível início de tudo”. Continuando, foi decidido esboçar uma linha do tempo no quadro negro, onde, destacamos alguns intervalos de tempo importantes após o Big Bang, comentando as principais características desses intervalos e que as partículas estavam todas separadas nos primeiros instantes do Universo. No fim dessa introdução foi calculado o tempo, energia, densidade e temperatura do universo primordial finalizando com o cálculo da idade do Universo. Em seguida, foi analisado como é possível o homem saber de todos esses números, teorias, modelos, buscando fazer uma ligação com a próxima parte da aula, denominada “modelando modelos”. Para essa atividade prática, que foi denominada de acelerador de pipocas, os alunos foram separados em três duplas. Seguindo o roteiro 28 apresentado na tabela 3, após realizar esse experimento analisamos o que essa atividade colaborou na construção do conhecimento. Finalizando esta parte do primeiro encontro, explanamos o site sobre escala do universo, fazendo uma reflexão sobre como “podemos ser pequenos e grandes ao mesmo tempo”, a importância da análise das escalas no estudo da Física, sempre referindo a exemplos presentes na física, como a Mecânica de Newton e a Relatividade de Einstein. 2.5.2) 2°Aula: O mirabolante mundo das Partículas Elementares Na segunda aula, começamos resgatando a simulação das escalas, fazendo um passeio a partir da escala dos prótons, mostrando que a Física de Partículas inicia os estudos a partir dessa escala. Em seguida questionamos “como o homem chegou até esse conhecimento?”. A partir desse ponto concluímos que essa busca pelo entendimento da matéria vem desde a antiguidade com os primeiros filósofos da natureza. Nesse contexto, foram disponibilizados livros, computadores e uma lista com nomes dos principais filósofos e atomistas modernos. O intuito era que os alunos pesquisassem as ideias dos pensadores contidos nessa lista, no fim da atividade se fez uma exposição sucinta na lousa ou em slides desses pensadores. Após a apresentação dos alunos, foi colocado no quadro negro o nome de todas as partículas elementares, realizando uma explanação cronológica das partículas a partir da descoberta do elétron até o bóson de Higgs, no qual, comentamos as principais características das partículas que formam o Modelo Padrão. Para finalizarmos a aula, o último conceito trabalhado foram as leis de conservação que regem o mundo das partículas elementares, como carga elétrica, carga cor, energia e quantidade de momento. Nesse momento, foram realizados alguns cálculos e resolução de exercícios presentes no Currículo do Estado de São Paulo, quarto bimestre, do terceiro colegial. A aula foi finalizada pedindo para os alunos um resumo do segundo encontro. 2.5.3) 3°aula: A TV E O LHC Na terceira aula, foi trabalhado com os alunos de que temos ou tínhamos um acelerador de partículas em casa, o antigo televisor de tubo. Utilizando uma simulação 29 mostramos experimento digital o funcionamento do televisor de raios catódicos. Após essa demonstração começamos a falar do LHC, o maior acelerador de Partículas já arquitetado pelo homem na atualidade. Foram citadas as características técnicas do LHC e dos quatro detectores instalados no anel de 27 km que servira para desvendar alguns dos mistérios do Universo. Finalizamos a fala sobre o LHC trabalhado com os alunos um jogo virtual que descreve os conceitos básicos para o funcionamento do acelerador. Em seguida, foram realizados alguns exercícios que caíram em vestibulares tratando o tema Física de Partículas e por fim discutimos sobre a parte política do LHC com as perguntas “Será que todo esse investimento é necessário, com tantas pessoas vivendo com dificuldade extremas?” “Esse conhecimento é só para sanar a curiosidade humana?”. A última atividade da SD foi passar um vídeo sobre “qual o fato ma is impressionante do Universo” de Neil de Grasse Tayson” (o mesmo vídeo citado no início do trabalho), com intuito de fazer uma reflexão sobre a importância do tema. 2.5.4) 4°Aula: Avaliação No quarto e último encontro, procuramos avaliar a SD, no qual disponibilizamos o tempo de uma hora e meia para os alunos preparar uma SD e apresentar no final da aula destacando como poderia ser trabalhado o tema físico de partículas elementares no ensino médio, baseando-se no que foi apresentado nos três últimos encontros. . 30 CAPÍTULO 3- RESULTADOS, DISCUSSÕES E PRODUTO FINAL Na coleta de dados e no percurso da pesquisa utilizamos uma abordagem de pesquisa qualitativa de caráter exploratório já que o pesquisador estimula os participantes a pensarem e segundo Dalfovo et al (2008), é utilizada quando se busca percepções e entendimento sobre a natureza geral de uma questão, abrindo espaço para a interpretação. Também segundo Richardson (1989) “podemos partir do princípio de que a pesquisa qualitativa é aquela que trabalha predominantemente com dados qualitativos, isto é, a informação coletada pelo pesquisador não é expressa em números, ou então os números e as conclusões neles baseadas representam um papel menor na análise”. 3.1) Análise geral do professores O objetivo foi apresentar aos 20 professores participantes, possibilidades de ensinar Física de Partículas e obter dados sobre o estado do conhecimento deles frente aos desafios que apresenta o currículo do Estado de São Paulo sobre este tema. As respostas foram analisadas e são apresentadas por meio de gráficos das figuras 3 a 6. Questão 1: A primeira pergunta estava relacionada com a formação dos professores de física. A figura 3 apresenta o gráfico da análise das respostas. O resultado confirma algo recorrente nas escolas estaduais, no qual, a maior parte dos professores que lecionam aulas de física tem sua formação principal na 30% 5% 65% Figura3: Qual a sua formação inicial? Física Química Biologia Matemática 31 disciplina de matemática, como mostra o gráfico, 65% dos professores tem formação em matemática. Questão 2: A figura 4 apresenta um resultado importante, 40% dos professores tiveram contato com o tema por meio do currículo, ou seja, as diretrizes curriculares são importantes não só como uma diretriz curricular, mas também com um desafio para o professor se atualizar sobre temas da FMC. Os outros 40% dos professores tiveram contato com o tema na universidade, um resultado inesperado, pois, dificilmente cursos de graduação trabalham o tema em sua grade e quando trabalhado é de maneira superficial como curiosidade. Questão 3: As respostas dos professores em relação a associação do conhecimento sobre a FPE indica que podemos trabalhar a partir do conhecimento prévio da composição do átomo. Figura 5 Questão 4: A quarta pergunta estava relacionada com o ensino de FPE e as respostas, apresentadas no gráfico da figura 6, mostram por um lado a falta de tempo dos professores para preparar suas aulas e por outro lado novamente a importância das 40% 20% 40% Figura 4: Qual foi seu contato com o conteúdo de “Física de Partículas”? Na Universidade/Faculdade Em um curso/oficina de formação continuada Por meio do currículo (livros didáticos e/ou cadernos SEE/SP) Nunca tive contato com o assunto/tema 10% 90% Figura 5: Em sua opinião, a “Física de Partículas” esta associada com: A luz, pois ela é composta por “grãos de energia” Com o núcleo do átomo Com o núcleo do átomo e o elétron Com o elétron, pois ele tem características corpusculares 32 diretrizes curriculares como um desafio para o professor se atualizar sobre temas da FMC. Questão 5: Sobre a importância do tema para os professores, podemos observar no gráfico da figura 7 que 70% dos professores consideram o tema importante, mas os dados também mostram que 30% dos professores citam que tem outros temas importantes. Aqui chegamos a uma pergunta muito importante para os professores, quais os temas mais importantes a serem escolhidos para o ensino de física levando em conta o tempo que o professor tem para preparar e ensinar os diferentes temas da física? Questão 6: Na figura 8, apresentamos por meio do Gráfico, quais as dificuldades de ensinar FPE. 50% 30% Figura 6: Você já trabalhou ensinando o conteúdo de Física de Partículas? Não, pois não estava na ementa do curso Não, embora estava na ementa do curso, não deu tempo Sim, apenas os conceitos básicos, uma vez que é um conteúdo complexo 20% 10% 20% 70% Figura 7:Você considera importante a inserção do conteúdo de Física de Partículas no Ensino Médio? Não, pois é um conteúdo abstrato e que não faz parte do cotidiano do aluno Não, pois considero um tema muito difícil para professor/aluno Sim, mas considero outros conteúdos mais importantes Sim, acho que a Física de Partículas é fundamental para o aluno entender o mundo em que ele vive 8% 4% 59% Figura 8:Quais as dificuldades em ensinar Física de Partículas no Ensino Médio? Não há interesse dos alunos É muito difícil preparar as aulas O material didático é ruim ou inexistente É abstrato e não tem como fazer experiências em sala de aula 29% 33 São dados importantes, pois, indicam a necessidade de trabalhar o tema com os professores o que justifica ainda mais esta pesquisa. Esperamos que após os professores leiam este material, os 59% mudem a concepção de “é abstrato e não tem como fazer”. Questão 7: Em relação às expectativas da orientação pedagógica eles estão abertos para estudar novas metodologias, pois aproximadamente 54% dos professores gostariam de conhecer novas metodologias e 32% gostariam de conhecer mais sobre o tema. Esses dados foram importantes, pois, concluímos que a maior parte dos professores que estão dando aulas de Física tem a formação em Matemática com habilitação em Física, muitos aprenderam o tema na graduação e em cursos de capacitação de professores, assim, todos sabem que a FPE trata da composição interna do núcleo e interações com as partículas mediadoras. Vimos que 70% dos professores acham importante o tema só que apresentam pouco tempo para expor o tema. Fechando, concluímos que eles vieram no curso atrás de metodologia para explanar o tema em sala de aula. 3.2) Análise dos alunos da licenciatura No apêndice B se encontram as respostas dos alunos do curso. Da análise destas respostas podemos dizer que: - Não foi realizado um estudo sobre o tema FPE - Só um aluno reconhece que este tema é importante na formação dos alunos do ensino médio 54% 32% 14% Figura 9:Qual sua expectativa em relação à Orientação Pedagógica sobre Física de Partículas? Conhecer mais sobre o assunto Buscar novas metodologias para se trabalhar em sala de aula Conhecer um pouco mais um dos conteúdos que faz parte currículo Cumprir as horas de participação, pois este conteúdo não me interessa 34 - Eles conheciam o modelo padrão, mas não os fundamentos e história do surgimento dos modelos atômicos. - A maioria dos alunos colocaram que em uma teoria primeiro se faz a parte empírica e depois se escreve a teoria, o que não é verdade, principalmente nas pesquisas em FPE. - Das partículas elementares só tinham, conhecimento dos quarks, o que indica que em uma formação destes futuros professores poderíamos começar deste conhecimento para chegar aos outros elementos do modelo padrão. Da análise foi possível concluir que os alunos tinham apenas um conhecimento superficial do tema, isso, porque o professor da disciplina de Física III comentou na introdução da disciplina sobre o Modelo Padrão e as forças fundamentais. 3.3) Produto Final: A SD online Como já discutido as duas pesquisas anteriores foi de grande utilidade para definirmos publico alvo, conteúdos abordados, organização de aulas, ou seja, o formato da sequência didática que está no APÊNDICE. Finalmente como produto desta pesquisa se criou um site que contem todo o material, assim como os endereços e referencias. O Link segue abaixo: http://osmarpolo16.wix.com/mnpef Consideramos que este site é completo, não existe outro desta forma onde o professor poderá visitar e retirar as informações para sua aula. A sequência didática apresentada no site contem as atividades realizadas com os alunos do curso de Licenciatura em Física passo a passo o que facilitara o trabalho do professor. http://osmarpolo16.wix.com/mnpef 35 CONSIDERAÇÕES FINAIS Para concluir pretende-se utilizar esta sequência didática nas aulas de física do ensino médio e futuramente colocar no site outras informações relevantes ao tema. Os dados mostram o estado atual do conhecimento de professores e futuros professores sobre a importância da inserção FPE na formação inicial e em serviço de professores de física, pois se trata de um conteúdo obrigatório nos currículos, tanto do governo federal como do estadual. Observamos que o fato de não ter este conteúdo no currículo do curso de Licenciatura, acarreta consequências no Ensino Básico. Sobre a formação dos professores concluímos um fato que acontece no estado de São Paulo; a maior parte dos professores que ensinam física são formados em matemática e isto pode ser um indicativo forte sobre os problemas do ensino de física no ensino médio. Os professores mostram interesse no tema e gostariam de ter uma formação sobre o mesmo, mas também apontam a falta de tempo e a complexidade do tema para seles poder ensinar a física envolvida na FPE. Além disto, os professores indicam que na escolha dos temas a serem ensinados o tempo é fundamental, pois a prepara ção do tema implica em tempo para pesquisar o conteúdo e a metodologia. Sobre a SD aplicada aos alunos podemos dizer que foi de consenso geral a importância de se ter este material e a forma como foi trabalhada a SD nas aulas, alem disto eles utilizaram as chamadas Tecnologias da informação e Comunicação, TIC, durante o desenvolvimento da SD, foi possível verificar que estas tecnologias não são utilizadas durante o curso de licenciatura ou são utilizadas só esporadicamente. Para concluir pretende-se utilizar esta sequência didática nas aulas de física do ensino médio e alimentar o site com novas informações, pois esta dissertação é para compartilhar conhecimento e nos apropriar dele para nossas aulas. 36 REFERENCIAIS ABDALLA, Maria Cristina Batoni. O discreto charme das Partículas Elementares . São Paulo: Editora UNESP, 2006. ALVARENGA, Beatriz in: CARUSO, Francisco; SANTORO, Antonio. Do átomo grego à Física das interações fundamentais . Rio de Janeiro. AIAFEX, p.179-196, 2ª edição, 2000. ALVARENGA, Beatriz; MÁXIMO, Antônio . Curso de Física. 5ª ed., V.3. São Paulo: Scipione, 2000. BRASIL. Diretrizes e Bases da Educação Nacional. Lei nº 9.394/1996, de 20 de dezembro de 1996. Estabelece as diretrizes e bases da educação nacional. Diário Oficial da União. Brasília, DF, 23 dez. 1996. CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor; SANTORO, Alberto. Partículas elementares: 100 anos de descoberta. Manaus: Editora da Universidade Federal de Manaus, 2005. DALFOVO, Michael Samir; LANA, Rogério Adilson; SILVEIRA, Amélia. Métodos quantitativos e qualitativos: um resgate teórico. Revista Interdisciplinar Científica Aplicada, Blumenau, v.2, n.4, p.01- 13, Sem II. 2008 ISSN 1980-7031 MÉTODOS QUANTITATIVOS E QUALITATIVOS: UM RESGATE TEÓRICO GAARDER, J. O mundo de Sofia: romance da história da filosofia. JosteinGaarder; tradução João Azenha Jr. São Paulo: Companhia das Letras, 1995. GILMORE, Robert. Alice no país do Quantum: a Física Quântica ao alcance de todos. Rio de Janeiro: Jorge Zahar ed, 1998. GILMORE, Robert. O mágico dos Quarks : a física de partículas ao alcance de todos. Rio de Janeiro: Jorge Zahar, 2002. Física na Escola, v. 2, n. 1, 2001, Fernanda Ostermann Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS e-mail: fernanda@if.ufrgs.br Cláudio J. de H. Cavalcanti Centro Universitário La Salle, Canoas, RS e-mail: cjhc@if.ufrgs.br Um pôster para ensinar física de partículas na escola. LINO, A. Inserção de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio: a ligação entre teorias clássicas e modernas sob a perspectiva da aprendizagem significativa. 2010. Dissertação (Mestrado em Educação para a Ciência e a Matemática). Universidade Estadual de Maringá. Maringá, 2010. LOZADA,C. DE O; ARAÚJO.M.S.T.(2007).Física de Partículas Elementares no Ensino Médio: as perspectivas dos professores em relação ao ensino do modelo padrão. Anais do VII ENPEC, Florianópolis. MOREIRA, M.A. e MASINI, E.F.S. Aprendizagem Significativa: A teoria de David Ausubel. Editora Moraes: São Paulo, 1982. 37 OSTERMAN, F.; CAVALCANTI, C. J. H. Um pôster para ensinar física de partículas na escola. Física na escola. V. 02. N. 1. 2001. OSTERMANN, F. MOREIRA, M. A. Uma revisão bibliográfica sobre a área de pesquisa “Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio”. Revista Investigação em Ensino de Ciências do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, v. 05, n. 01, mar. 2000. Disponível em Acesso em 15/03/2010. PCNs+ Ensino Médio: orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Brasília: MEC, SEMTEC, 2002. PEREIRA, A. P.; OSTERMANN, F. (2009).Sobre o ensino de Física Moderna e Contemporânea: uma revisão da produção acadêmica recente. Investigações em ensino de Ciencias, v.14,n3.pp-393-420. RANDALL, LISA.Batendoà porta do céu: O bóson de Higgs e como a física moderna ilumina o universo. Lisa Randall; tradução Rafael Garcia-1ed. São Paulo: Companhia das Letras, 2013. RICHARDSON, Roberto Jarry. Pesquisa social: métodos e técnicas. São Paulo: Atlas, 1989. SÃO PAULO, Secretaria da Educação. Secretaria do Estado de São Paulo; Proposta Curricular do Estado de São Paulo: Física, ensino médio; São Paulo, 2008. SÃO PAULO, Secretaria da Educação. Secretaria do Estado de São Paulo; Caderno do professor: física, ensino médio – 3ª ´serie. v.2; São Paulo, 2014 SILVA JUNIOR, O. P. As pequenas grandes coisas do universo: conhecendo as Partículas Elementares por meio de uma exposição científica. Trabalho de Conclusão de Curso em Licenciatura em Física-FCT UNESP, São Paulo 2012. SIQUEIRA, M. R. P. Do Visível ao Indivisível: uma proposta de Física de Partículas Elementares para o Ensino Médio. Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências) - Universidade de São Paulo, São Paulo, 2006. TERRAZZAN, E. A. (1992) A inserção da física moderna e contemporânea no ensino de física na escola de 2° grau. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v. 9, n. 3, p. 209-214. Texto integral da Lei nº 9.394, de 20 de dezembro de 1996, que estabelece as diretrizes e bases da educação nacional. A LDB - Lei de Diretrizes e Bases nº 9.394 foi promulgada em 20 de dezembro de 1996. Sites http://www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN_FIS.pdf. Acesso em 16/11/2015 http://www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN_FIS.pdf.%20Acesso%20em%2016/11/2015 38 http://portal.inep.gov.br/web/saeb/parametros-curriculares-nacionais. Acesso em 16/11/2015 http://revistaescola.abril.com.br/fundamental-1/roteiro-didatico-sistema-numeracao decimal-1-2-3-anos-634993.shtml?page=5.5. Acesso em 16/11/2015 http://www.cpt.com.br/ldb/lei-de-diretrizes-e-bases-da-educacao-completa- interativa-e- atualizada#ixzz3rHV9u6xX. Acesso em 16/11/2015 http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/. Acesso em 16/11/2015 http://portal.inep.gov.br/web/saeb/parametros-curriculares-nacionais.%20Acesso%20em%2016/11/2015 http://portal.inep.gov.br/web/saeb/parametros-curriculares-nacionais.%20Acesso%20em%2016/11/2015 http://revistaescola.abril.com.br/fundamental-1/roteiro-didatico-sistema-numeracao%20decimal-1-2-3-anos-634993.shtml?page=5.5 http://revistaescola.abril.com.br/fundamental-1/roteiro-didatico-sistema-numeracao%20decimal-1-2-3-anos-634993.shtml?page=5.5 http://www.cpt.com.br/ldb/lei-de-diretrizes-e-bases-da-educacao-completa-interativa-e-atualizada#ixzz3rHV9u6xX http://www.cpt.com.br/ldb/lei-de-diretrizes-e-bases-da-educacao-completa-interativa-e-atualizada#ixzz3rHV9u6xX http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/ 39 APÊNDICE A- ANÁLISE DOS PROFESSORES São 7 perguntas respondidas por 20 professores . Há perguntas com mais de uma alternativa assinalada. Pergunta 01 Formação Inicial Física 06 Química 01 Biologia 0 Matemática 13 Pergunta 02 Onde ocorreu o primeiro contato com o conteúdo “Física de Partículas” Universidade/Faculdade 08 Cursos/Oficina de formação continuada 04 Por meio do currículo 08 Nunca teve contato 0 Pergunta 03 A “Física de Partículas” está associada com: A luz, pois é composta por grãos de energia 0 Com o núcleo do átomo 02 Com o núcleo do átomo e o elétron 18 Com o elétron, pois ele tem características corpusculares 0 40 Pergunta 04 Se já trabalharam ensinando o conteúdo “Física de Partículas” Não, pois não estava na ementa do curso 04 Não, embora estava na ementa do curso, não deu tempo 10 Sim, apenas os conceitos básicos 06 Sim, cumpri o que estava no programa 0 Pergunta 05 Considera importante a inserção do conteúdo de “Física de Partículas” no Ensino Médio Não, pois é um conteúdo abstrato e não faz parte do cotidiano do aluno 0 Não, considero o tema difícil para Professor/aluno 04 Sim, mas considero outros conteúdos mais importantes 02 Sim, pois é fundamental para o aluno entender o mundo em que ele vive 14 Pergunta 06 As dificuldades de ensinar “Física de Partículas” no Ensino Médio Não há interesse dos alunos 01 É muito difícil preparar as aulas 07 O material didático é ruim ou inexistente 02 É abstrato e não tem como fazer 14 41 experiências em sala de aula Pergunta 07 Expectativa em relação à orientação pedagógica sobre “Física de Partículas” Conhecer mais sobre o assunto 09 Buscar novas metodologias para se trabalhar em sala de aula 15 Conhecer melhor um dos conteúdos que faz parte do currículo 04 Cumpri as horas de participação, pois este conteúdo não me interessa 0 42 APÊNDICE B – ANÁLISE DOS ALUNOS DA LICENCIATURA Pergunta1: Do que somo feitos? pensamentos. Análise geral Um aluno comentou moléculas, um aluno teoria das cordas, dois alunos átomos e os outros dois quarks. Pergunta 2: Quais principais teorias que existi e já existiu sobre a composição da matéria? Relate alguns pensamentos. pensamentos. Análise geral Todos falaram sobre modelo atômico, duas dessas respostas falaram sobre Demócrito (Grécia antiga) e apenas um comentário sobre a teoria atual sobre partículas elementares. Pergunta 3: Qual o procedimento usado pelos cientistas na elaboração de teorias e modelos? O que precisa uma teoria para ser “aceita”? pensamentos. Análise geral A boa parte das respostas falava sobre ter uma hipótese, elaborar experimentos, observar, comprovar matematicamente e um comentário sobre falsificar teorias. Pergunta 4: Como a teoria do Big Bang descreve a criação do Universo? Segundo esse modelo qual a idade do Universo e como os cientistas estimam esse tempo? pensamentos. Análise geral Apenas comentaram da expansão do Universo e duas pessoas acertaram a idade no geral. Percebe- se que não fazem ideia de como é calculado esse tempo. 43 Pergunta 5: Cite algumas conservações existentes em alguns fenômenos físicos. Análise geral A maior parte falaram sobre a conservação de energia, massa e momento e um aluno falou sobre conservação de carga, cor. Pergunta 6: Segundo o modelo atômico qual é a sua constituição? Análise geral Um aluno falou sobre átomo e os outros de prótons, nêutrons e elétrons. Pergunta 7: Existem elementos “mais fundamentais” no átomo? Análise geral Dois disseram quarks (2), outros três falaram quarks, léptons e bósons e um aluno disse o que existe. Pergunta 8: Você já ouviu falar sobre modelo padrão?Em que lugar? Caso tenha ouvido, descreva brevemente o que você entendeu. pensamentos. Análise geral Um estudante não lembra e outro não explicou. Já os restantes falaram sobre a descrição da matéria e suas interações e provavelmente estudaram em Física 3 como curiosidade. Pergunta 9: O que é necessário para acelerar elétron, por exemplo? Análise geral Os alunos disseram acelerador de Partículas, campo elétrico, campo magnético e ddp. 44 Pergunta 10: Qual o papel p rincipal de investimos em tecnologias, experimentos, para sociedade? Será apenas curiosidade do ser humano, por exemplo, entender a “intimidade” do átomo e das galáxias? pensamentos. Análise geral Resumidamente comentaram sobre conforto, necessidade, curiosidade, saber para onde vamos e iremos. 45 APÊNDICE C - O MIRABOLANTE MUNDO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA PROFESSORES DE FÍSICA O mirabolante mundo das Partículas Elementares Uma sequência didática para professores de Física 46 “O mirabolante mundo das Partículas Elementares” Uma sequência didática para professores de Física MNPEF Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física “O mirabolante mundo das Partículas Elementares” Apresentação A atual área de conhecimento da Física que busca selecionar perguntas realizadas desde a antiguidade como “do que somos feitos?”, “qual nosso elemento fundamental?”, entre outras, é a Física de Partículas Elementares. Na busca de respostas, cientistas de varias nações trabalham no LHC (do inglês, Large Hadron Collider, ou Grande Colisor de Hádrons), a maior máquina construída nesse planeta, com o custo em torno de 9 bilhões de dólares, que conta com investimentos de vários países. Isso nos faz refletir: Todo esse investimento é valido? Será que descobrirão nossos blocos fundamentais? Toda essa investigação é só para sanar a curiosidade intrínseca pertencente ao ser humano? Em busca de explorar esse roteiro, nós do núcleo de Ensino de Física (NEF) da FCT UNESP de Presidente Prudente, procuramos agrupar vários anos de pesquisa na área de Ensino de Física de Partículas Elementares (FPE) em uma sequência didática que possa auxiliar os professores, futuros professores e curiosos na área de Física de Partículas Elementares a conhecer um pouco mais sobre esse Universo das Partículas Elementares. O trabalho está dividido em 5 partes, na Introdução falaremos do Big Bang cosmológico, relatando alguns dados importantes sobre essa teoria e suas evidências. No tópico Modelando Modelos e Escalando Escalas, trabalharemos em algumas atividades as dificuldades de montar um modelo e o “respeito” com a escala de atuação de algum fenômeno. No item Mirabolante Mundo é explorado o Modelo Padrão das Partículas Elementares, características das partículas e algumas leis que permeiam esse mundo. Na seção A TV e o LHC, buscamos fazer um paralelo com o funcionamento básico da TV para introdução do LHC, o maior acelerador de partículas da atualidade que se localiza no CERN (do francês, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, ou Organização Europeia para Pesquisa em Energia Nuclear) na fronteira entre Suíça e França, nessa parte não podíamos deixar de citar a contexto político e curiosidades desse grande experimento. Muito Obrigado e boa viagem nesse Mirabolante Mundo das Partículas Elementares. 48 Instruções Essa sequência didática foi proposta para se trabalhar em 3 aulas de 2 horas e 30 minutos, cabendo ao professor a escolha de abordagem conforme sua realidade. A avaliação pode ser feita através de apresentação de seminários, montagem de planos de aulas, provas objetivas, etc. Sugerimos que no primeiro dia se trabalhe a introdução e a aula sobre modelando modelos e escalando escalas. No segundo dia a aula sobre “O mirabolante Mundo das Partículas Elementares” e finalizando a sequencia na terceira aula sobre A TV e o LHC. Sempre no fim da aula tente adiantar o que ira ser desenvolvido no próximo dia e sempre retome o conteúdo já discutido nas aulas anteriores. O trabalho foi desenvolvido com base no caderno do Aluno da Proposta curricular do Estado de São Paulo (no qual, tempo previsto de trabalho são 10 horas), nos Livro “o Discreto Charme das Partículas Elementares” e o livro “Batendo à Porta do Céu”. 49 Introdução 1.1) O Big Bang: O possível início de tudo! Certo dia fui questionado em minhas aulas sobre qual era minha crença religiosa e sobre minha admiração pelo Big Bang. A minha resposta em resumo dizia que na forma que penso em Deus, a teoria do Big Bang não contradiz sua existência e os cientistas estão tentando decifrar a linguagem de Deus. Achei pertinente fazer esse comentário pessoal devido ao nome “Big Bang: o possível início de tudo”, assim, deixa claro que é só uma teoria, no caso, mais aceito pelo meio cientifico e sabemos que na ciência não existe verdade absoluta. Nesse contexto, como iremos falar de Física de Partículas Elementares, optamos por começar do começo, ou seja, do Big Bang, teoria no qual descreve a dinâmica das Partículas Elementares desde primeiros instantes. O Big Bang cosmológico explica a formação do Universo a partir de 10-43 s, conhecido como o tempo de Planck (falaremos com detalhes sobre esses valores no próximo item “Os números de Planck: valores do mundo primordial”). No tempo de 10-43 s o universo é uma “sopa cósmica” com energia na ordem de 1019 GeV, raio de 10-35 m, densidade de 1093 g/cm³ e temperatura de 1032 K. Nessas circunstâncias as partículas eram todas dissociadas, onde a simetria o equilíbrio térmico prevalece. De 10-36 s a 10-32 s, temos o período conhecido como era da inflação, nesse intervalo de tempo houve uma diminuição de energia para 1015 GeV (10.000 vezes menor), densidade de 1070 g/cm³ e temperatura aproximada de 1028 K. Cabe destacar que nessa era tinha-se a unificação das três forças fundamentais (forte, fraca e gravitacional) e nesse período inicia-se a assimetria da matéria e antimatéria e ainda não temos explicação porque o universo privilegiou a matéria. O período de 10-35 s até 10-12 s é conhecido como deserto fenomenológico por não sabermos noticia nesse intervalo de tempo. Algumas teorias acreditam que existiam partículas supersimétricas na ordem de 1012 eV (TeV). Um dos objetivos do LHC é estudar essa faixa, pois sua energia permite essa análise. 50 No tempo de 10-12 s há quebra da força eletrofraca, sendo dividida em força fraca e eletromagnética. Aos 10-6s, conhecida como fase da transição quark-hádron as partículas chamadas quarks se unem com os glúons (partícula mediadora da força forte) formando os hádrons, no qual os mais conhecidos são prótons e nêutrons. A temperatura do universo nesse instante era da ordem de 1013 K com energia de 1 GeV. No primeiro segundo o equilíbrio térmico desaparece, algumas partículas como neutrinos são independentes com temperatura reduzida para 1010 K e densidade de 5x105 g/cm³. Aos 60 segundos a temperatura é de 109 K, onde, elétrons e pósitrons são aniquilados, prótons e nêutrons ainda não são estáveis suficientes para formar os núcleos e temos um desequilíbrio de 76% de prótons e 24% de nêutrons. Quando o desequilíbrio chega a 13% de nêutrons e 87% de prótons (a cada sete prótons temos um nêutron) o que propiciou aos 3 minutos o inicio da nucleossíntese. No tempo de 3 minutos e 46 segundos houve a formação do deutério (hidrogênio pesado) e posteriormente de outros núcleos de elementos leves e estáveis. Os processos nucleares encerram aos 35 minutos e depois de 300 mil anos quando a energia é de 1 eV admite que o próton e elétron se unem formando o átomo de hidrogênio. Quando a temperatura cai para 20 K após um bilhão de anos estrelas e galáxias são formadas possibilitando, dentro de seus núcleos, a formação de outros elementos mais pesados que o hidrogênio. Aos 10 bilhões de anos há o surgimento do nosso sistema planetário quando a temperatura é de 3 K e finalmente é possível surgir à vida. OBS: Esse trecho sobre os períodos do Big Bang foi baseado no Livro “o Discreto charme das Partículas Elementares” da professora Drª Maria Cristina Batoni Abdala entre as páginas 276 e 289, caso, querer entender com mais detalhes esses intervalos de tempo recomendo que leiam esse trecho espetacular. 1.1.1) Proposta de atividade 1: 51  Montar uma linha do tempo destacando os principais períodos e acontecimentos sobre o Big Bang. Após essa viagem no tempo desde 10-43 s até o surgimento da vida, podemos comentar sobre alguns valores do mundo primordial. 1.2) Números de Planck: valores do mundo primordial Como vimos o Big Bang cosmológico relata o universo a partir do tempo de Planck de 10-43 s, onde este apresentava o comprimento de 10-35 m (conhecido com comprimento de Planck), no qual, as condições de pressão e temperatura eram extremas. Essa limitação de entendimento é devido à "obediência" as três constantes universais. Nosso próximo passo é comentar sobre esses valores de comprimento e espaço Planck. 1.2.1) Como é calculado o espaço e tempo de Planck? A expressão abaixo, que calcula o comprimento de Planck, relaciona as três constantes fundamentais da Física que envolvem conceitos de gravitação, mecânica quântica e relatividade. Sendo a constante gravitacional G = 6,67x10-11 Nm²/kg², a constante de Planck h = 6,63x10-34 J.s e a velocidade da luz c = 3x108 m/s substituindo na expressão, temos 52 OBS: Se fizermos análise dimensional, verificamos que a expressão nos fornece uma dimensão de comprimento. O valor encontrando representa o limite e caso algum dia esse limite for ultrapassado teremos uma quebra de Paradigma nas leis Físicas. Para calcularmos o tempo de Planck podemos usar a expressão clássica de velocidade V = S/t, realizando os cálculos obtemos: Outros valores que podemos mensurar utilizando o comprimento de Planck é a energia, densidade e temperatura no universo primordial. 1.2.2) Energia de Planck Utilizando a famosa equação da quantização de energia de Planck, E = hf, onde h é a constante de Planck com valor de 6,63x10-34 J.s e f a frequência da radiação que pode ser escrita através da equação fundamental da ondulatória f = c/ (velocidade da luz por comprimento de onda), temos que E = hc/ . No caso como = Planck encontramos: Transformando esse valor para eV (basta dividir por 1,6x10-19), obtemos que E  3x1028 eV 3x1019x109 eV 3x1019 GeV. Isso implica que a radiação emitida era da ordem de 1043 Hz (f = E/h). 1.2.3) Densidade de Planck A densidade pode ser calculada considerando que o Universo no Big Bang era uma esfera com raio de 4x10-35 m. Assim, temos: 53 A massa de Planck seria a massa do universo no tempo de 10-43 s, que pode ser determinada usando a também famosa equação de Einstein, E = mc², logo: Considerando π = 3, implica que a densidade é de: Veja que o valor da densidade é infinitamente alto. 1.2.4) Temperatura de Planck Para calcularmos a temperatura utilizaremos a lei de Wien, expressa pela equação T = σ/ , onde σ é a constante de Wien com valor de 2,898x10-3 mK, obtemos uma temperatura de: Essa temperatura é da ordem de 1026 vezes maior que a do sol. 1.2.5) Proposta de Atividade 2: Caso fossemos realizar esses cálculos com alunos do Ensino Básico, acho pertinente trabalharmos apenas com as ordens de grandezas. Com essas equações podemos calcular alguns valores de outros instantes baseados na energia, sendo uma atividade de fixação. 54 1.3) As evidências do Big Bang Após esses números, quais são as justificativas para acreditarmos no Big Bang? As três principais evidências do Big Bang são:  Expansão do Universo  Radiação cósmica de fundo  Abundância de elementos leves 1.3.1) Expansão do Universo Os primeiros passos para entendermos a expansão do Universo é através do efeito Doppler e a Lei de Hubble. O efeito Doppler grosso modo é um fenômeno ondulatório quando há variação de frequência devido ao movimento relativo entre uma fonte e observador, por ser um fenômeno pode ocorrer com ondas sonoras e a luz. Podemos perceber facilmente quando uma ambulância está se aproximando do local onde estamos e depois quando há o movimento de afastamento. Quando a ambulância está em movimento de aproximação ouvimos a frequência do som aumentar e no movimento de afastamento temos a percepção que o som vai “ficando” mais grave. A expressão que descreve esse fenômeno é dada por: Em relação à luz podemos verificar esse fenômeno em relação ao espectro de luz emitido pelas estrelas (uma espécie de impressão digital das estrelas) como também sabemos o espectro da luz visível vai dar cor vermelha à cor violeta, no qual, o vermelho apresenta a menor frequência (maior comprimento de onda) e o violeta a maior frequência (menor comprimento de onda). Faixa do espectro de luz visível. [1] 55 Seguindo o raciocínio, se as galáxias estivessem em um movimento de aproximação teríamos o desvio para as cores de maior frequência como o azul (blue shift). Entretanto, como sabemos que esse desvio ocorre para o vermelho, conhecido como red shift, significa que o universo está em expansão. Um grande astrônomo que contribuiu nos estudo de expansão do Universo foi o americano Edwin Powell Hubble, após um bom tempo observando quase duas dezenas de galáxias conclui que, “A velocidade de afastamento das galáxias é proporcional à sua distância”, ou seja, quanto maior a d istância das galáxias, maior será sua velocidade de afastamento. Com os valores adquiridos dessas observações Hubble plotou um gráfico de velocidade versus distância das galáxias em relação à Terra, ilustrado na figura a seguir. Dados observado por Hubble para calcular o valor da constante de Hubble. [2] Observe que alguns pontos estão um pouco dispersos, mas, mesmo assim Hubble traçou uma reta e consegui calcular o valor dessa inclinação da reta que passou a ser conhecida como constante de Hubble com valor de 64 km/seg/Mpc. Com o desenvolvimento dos telescópios os cientistas refizeram as observações e conseguiram refinar os dados chegando o valor atual da constante de 71 km/seg/Mpc, onde 1 pc = 3x1016 m. Além de Hubble elaborar sua lei, outro cálculo possível com seus dados é o da idade do Universo, usando a equação de velocidade média , como temos que a constante de Hubble , 56 sendo H=71km/seg/Mpc = = , Assim, , lembrando que um ano tem aproximadamente 3x10 7 s, temos que, . Esse valor calculado anteriormente é o valor aproximado, pois, o valor atual do universo é de 13,7 bilhões de anos. 1.3.2) Radiação Cósmica de fundo A radiação cósmica de fundo é uma espécie de herança do Big Bang. Segundo o livro “o discreto charme das partículas elementares” essa radiação foi liberada após a formação dos átomos de hidrogênio, onde esses fótons “passeiam” livremente no universo. A radiação cósmica de fundo apresenta um comprimento de onda de 7,35 cm e essa radiação é responsável pelo 1% do ruído da tela da TV. Para ler mais: “O discreto charme das Partículas Elementares”, páginas 265-269. 1.3.3) Abundância de elementos leves Olhando o gráfico abaixo podemos concluir que quase 98% do universo conhecido é composto por Hidrogênio e Hélio, os primeiros elementos criados na conhecida fusão primordial nos primeiros 3 minutos do Big Bang. 57 Gráfico com porcentagem dos elementos no Universo [3] Aula 1: Modelando Modelos e Escalando Escalas 2.1) Atividade Prática 2.1.2) Roteiro Experimental-Acelerador de pipocas Introdução Após essa introdução geral da teoria do Big Bang, contendo um pouco das partículas elementares, realizaremos uma atividade prática, no qual, tentaremos evidenciar as dificuldades encontradas pelos cientistas na busca de repostas sobre o universo. Esse experimento foi trabalhado em uma oficina de Física Partículas que aconteceu no ano de 2011, oferecido pelo Instituto de Física Teórica da UNESP (IFT), na ocasião ministrada pelo Professor Hélio Takai. Objetivos 58  Calcular o numero de pipocas estouradas no saco de pipoca.  Discutir os métodos utilizados Materiais necessários  Aparelho de microondas  Pipoca de microondas  Microfone de web cam  Computador  Aplicativo de áudio Audacity  Fones de ouvidos  Pen drive  Régua, lápis e borracha Procedimento Experimental Depois da organização dos grupos, coloquem a pipoca no microondas com o microfone fixado na parte externa da porta, ligue o tempo que o grupo achar necessário para estourar as pipocas, inicie o aplicativo de áudio Audacity simultaneamente ao aperta o botão de iniciar do microondas e pare o programa junto ao apitar final do microondas. Em seguida, coloque o arquivo no pen drive e se dirijam a bancada que contém o computador para realização da contagem dos milhos estourados. Observação: use todas as ferramentas disponíveis (mãos, aplicativos, fones de ouvidos). Anote todos os dados discutidos pelo grupo, para posterior discussão. Questões, resultados e discussões. 1-Faça uma tabela contendo o método utilizado e número de estouros detectados. 59 2-Como o grupo contou as pipocas? O que vocês consideraram um evento (estouro)? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 3-Qual método utilizado vocês obtiveram uma medida mais precisa? Por quê? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 4-Em que faixa de tempo teve uma maior frequência de eventos? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Roda de discussão: Agora iremos sentar em círculo e discutir alguns pontos chaves e dados desse experimento. 2.2) Parte II: Escalando Escalas Na ciência estamos repletos de exemplos sobre diferentes interpretações de fenômenos e isso não significa que uma teoria está errada ou certa. Por exemplo, as leis de Newton em nosso mundo explicam muito bem os acontecimentos, porém, em velocidades próximas da luz, sabe-se que surgem alguns outros fenômenos que são explicados pela teoria da relatividade de Einstein. Ou seja, não significa que as leis de Newton estão erradas e sim que existe uma escala de aplicação. 60 Um exemplo que deixa bem claro a interpretação através da escala, foi quando o renomeado físico nuclear George Gamow, acreditava que o nosso universo era formados por apenas três entidades fundamentais diferentes, os prótons, elétrons e nêutrons e que não apresentavam subdivisões e isso não quer dizer que ele estava certo ou errado e sim como o trecho descrito no livro Batendo à porta do céu: “Ele não enxergou longe o suficiente. Ou, para ser mais precisa, não enxergou perto o suficiente”. (Pg 131, Batendo à porta do céu, Lisa Randall). Então, como podemos concluir tudo depende da escala que estamos analisando. Não usamos essa análise apenas na física, até quando vamos para uma cidade desconhecida a primeira coisa que vemos é como chegar à cidade e depois que diminuímos a escala e vamos para o local que pretendemos ir. 2.2.1) Proposta de Atividade 3 Atividade 1: Pedir para os alunos entrar no site: http://htwins.net/scale2/lang.html, sobre a escala do universo. http://htwins.net/scale2/lang.html 61 O segundo passo é pedir para rolar a barra presente neste site para maior escala (lado direito) para ordem de grandeza de 1027m. Uma pergunta pertinente a fazer nessa parte é sobre porque o nosso universo observável é da ordem de 1026 m? Podemos responder facilmente dizendo que é a distância que a luz percorreu durante essa idade de aproximadamente 14 bilhões de anos. Lembrando que, 14x109 anos = 4,22x1017 s (cálculo já feito para calcularmos a idade do Universo), multiplicando esse resultado pela velocidade da luz (c=3x108 m/s), temos que, raio do universo é em torno de 1,27x1026 m. Continuando nossa viagem nas escalas do universo, podemos pedir para os alunos diminuírem as escalas e anotando algumas curiosidades que eles acharem interessantes. Paradas interessantes:  Na escala do tamanho do ser humano: Aqui pode ser discutido o porquê utilizar como o padrão metro para medirmos as coisas do nosso dia-a-dia.  Escala de 10-9 m: Pode-se comentar sobre a nanotecnologia tão presente nas novas tecnologias e mostrar alguns objetos do tamanho dessa escala.  10-10 m: escala dos átomos. 62  10-15 m: ordem de grandeza dos prótons e nêutrons, e o inicio da escala do estudo da física de partículas elementares. Pode-se também calcular qual a energia mínima para ser estudar essa escala. Atividade 2  Montar uma tabela com as partículas presentes a partir da escala de 10-15 m, anotando a ordem de grandeza. Exemplo: quark up e quark down 10-18 m Observações: 1) Pode-se ver que o limite dessa escala é o comprimento de Planck, já discutido anteriormente que as leis da física atuais só podem estudar até essa escala. 2)Outra observação importante é que existe um grande vazio da escala de 10 -24 m a 10-33 m, isso devido a não saber o que tem nesse intervalo, assim, pode existir outras partículas nessas escalas e isso saberemos com os avanços tecnológicos e outras teorias. 3)Quanto menor o comprimento de onda, mais energia precisamos para explorar (E = mc/ ) 63 Aula 2: O mirabolante mundo da Física de Partículas Elementares Antes de conhecermos as principais partículas elementares não podíamos deixar de “passear” sobre os principais pensamentos sobre a concepção da matéria. 3.1) Dos filósofos naturais ao bóson de Petter HIGGS 3.1.1) O Trio de Mileto Os primeiros pensamentos sobre a constituição da matéria, baseados na experiência e na razão (pois até então eram fundamentadas em explicações mitológicas), iniciou-se com os chamados “filósofos naturais”, na Grécia Antiga. O primeiro registro conhecido foi do filósofo Tales de Mileto, aproximadamente 585 a.C, que acreditava que o elemento primordial do qual a matéria estava constituída era a água. Segundo o livro Mundo de Sofia, “Talvez ele quisesse dizer que toda forma de vida surge na água e a ela retorna quando se desfaz (GAARDER, 1995, pg 45)”. Possivelmente Tales chegou a esse pensamento observando as transformações de fases da água. Outro filósofo de Mileto, do mesmo período, é Anaximandro que sugeriu que nossa essência era uma substância que não era natural, mas sim algo indefinido, ilimitado (infinito) e que na separação do “infinito” surgiu o frio (ar), o quente (fogo), o úmido (água) e o seco (terra), em que um dia voltaria ao ilimitado que é eternal. Mantendo nossa atenção ainda em Mileto, outro filosofo que viveu aproximadamente em 526 a.C, chamado Anaxímenes, que possivelmente conhecia as ideias de Tales sobre a água, acreditava que toda a matéria foi formada em um movimento cíclico, e que ela é composta de um único elemento ilimitado, eterno, mas determinado: o ar. Segundo Anaxímenes, caso condensasse o ar ele viraria água (esse pensamento é visto varias vezes em nosso cotidiano, por exemplo, quando chove e o ar condensa). Na ótica de Anaxímenes, todos os outros elementos (água, fogo e terra) surgiram do ar. Cabe observar que o trio de filósofos de Mileto confiava que só uma substância era fundamental e que “gerava” todos os outros elementos, acreditando assim nas transformações de uma substância em outra totalmente diferente. 64 3.1.2) Saindo de Mileto Esse raciocínio de transformação de elementos divergia dos pensamentos de outro grande pensador que viveu por volta de 480 a.C em Eleia, chamado Parmênides. Ele foi um dos filósofos que defendia que “tudo que existe sempre existiu e que nada pode surgir do nada”. Outro grande filósofo que viveu na mesma época de Parmênides, porém com pensamentos opostos, chamado Heráclito (535 - 475 a.C) de Éfeso, pregava a realidade dinâmica do mundo sob a forma de fogo, com chamas vivas e eternas, governando o constante movimento dos seres “tudo flui”, acreditando que o Universo estava sempre se transformando. O filósofo natural que deu um novo rumo a essa discussão sobre a natureza ser algo mutável ou não, foi Empédocles (494-434 a.C) que achava que as duas linhas de pensamentos tinham certa razão, mesmo sendo contrárias. O trecho do livro “O Mundo de Sófia” deixa clara a nova visão: “Empédocles chegou à conclusão de que a noção de um único elemento primordial tinha que ser refutada. Nem a água nem o ar, sozinhos podiam se transformar num buquê de rosas ou numa borboleta. Para a natureza, portanto, seria impossível produzir alguma coisa a partir de um único elemento básico”. (GAARDER, 1995, pg 49). Empédocles sugeriu que a natureza então tivesse quatro elementos básicos a terra, água, ar e fogo nomeados por ele de “raízes”. Continuando o “passeio” não se pode deixar de falar de Anaxágoras (500-428 a.C), que não aceitava a ideia dos quatro elementos por não perceber que esses elementos pudessem se transformar em cabelos, osso e pele. Anaxágoras acreditava que a natureza era constituída por partes pequenas chamadas por ele de “gérmens” ou “sementes”. Um pequeno trecho que mostra o pensamento de Anaxágoras está citado logo em seguida: Anaxágoras achava que a natureza era composta por uma infinidade de partículas minúsculas, invisíveis a olho nu. Tudo pode ser dividido em partes ainda menores, mas mesmo na menor das partes existe um pouco de tudo. Assim, se pele e cabelo não podem surgir de alguma 65 outra coisa, então eles devem estar presentes também no leite que bebemos e nas comidas que comemos. (O Mundo de Sofia, 199, pg 51). Demócrito de Abdera (460-370 a.C) constuiu uma hipótese mais elaborada sobre a composição da matéria, que até certo ponto é semelhante ao pensamento de Anaxágoras, e batizou essa partícula de átomo que em grego significa “indivisível”, aparecendo então, com uma frente filosófica chamada de visão atomista. Demócrito em sua ideia evidenciava a concordância com pensamentos de Parmênides, dizendo que esses “tijolos” que formam a matéria eram imutáveis, só que a natureza apresentava uma diversidade de átomos e essa diferença se devia ao seu formato. Alguns séculos depois, sem duvidas um dos mais influentes filósofos da história chamado Aristóteles (384- 322 a.C) de Estagira, discípulo de Platão, também se preocupou em estudar os constituintes fundamentais da natureza. Segundo ele, a matéria que forma a Terra e todos os corpos, exceto o espaço e a lua (são formados pelo éter), é formada de quatro elementos básicos: terra, água, ar e fogo, retomando a idéia de Empédocles. Segundo ele, cada elemento tem suas propriedades, sendo assim os pássaros são formados basicamente de ar, porque nele está, por isso, tem sua mesma densidade; então, os peixes são basicamente água e os humanos, são fisicamente terra e água, assim como tantas outras coisas. A ideia de Aristóteles sobre a composição da matéria perdurou por mais de dois milênios. 3.1.3) Os atomistas modernos Em 1803, John Dalton (1766-1844) retornou com a ideia atomista, só que com uma visão moderna da teoria atômica, isso devido à evolução da ciência e aos cientistas. Para Dalton, o átomo era uma minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível, indivisível e sem carga. Em 1897, Joseph John Thomson (1856-1940), trabalhando em experimentos de raios catódicos, mediu o desvio dos feixes liberado quando aquecido o filamento, concluiu que a razão da carga sobre a massa não dependia dos materiais utilizados, apontando que todos os materiais tinham um fragmento em comum, denominado 66 elétron que foi a primeir