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Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Mestrado Nacional Profissional Sociedade Brasileira de Física CADERNO DO PROFESSOR DE FÍSICA EFEITO FOTOELÉTRICO: UMA ABORDAGEM A PARTIR DO ESTUDO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS Júlio César Cabral Antonio dos Anjos Pinheiro da Silva Antônio Marcelo Martins Maciel LAVRAS – MG 2015 Júlio César Cabral Antonio dos Anjos Pinheiro da Silva Antônio Marcelo Martins Maciel EFEITO FOTOELÉTRICO: UMA ABORDAGEM A PARTIR DO ESTUDO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS Unidade Didática desenvolvida como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ensino de Física, no Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física da Universidade Federal de Lavras, fazendo parte da dissertação de mestrado com o mesmo título, disponível em: <http://lite.dex.ufla.br/MNPEF>. LAVRAS – MG 2015 3 Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema de Geração de Ficha Catalográfica da Biblioteca Universitária da UFLA, com dados informados pelo(a) próprio(a) autor(a). Efeito Fotoelétrico : uma abordagem a partir do estudo de circuitos elétricos / Júlio César Cabral, Antonio dos Anjos Pinheiro da Silva, Antônio Marcelo Martins Maciel. – Lavras : UFLA, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, 2015. 51 p. : il. (Caderno do Professor de Física ; v. 1, n. 3) Produto Educacional do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física. Bibliografia. 1. Física moderna e Contemporânea. 2. Efeito Fotoelétrico. 3. TIC's I. Cabral, Júlio César. II. Silva, Antonio A.P. III. Maciel, Antônio M.M. IV. Universidade Federal de Lavras. V. Série. CDD – 537 A G R A D E C I M E N T O S. A Escola Estadual Nossa Senhora de Guadalupe por permitir a realização e desenvolvimento desse trabalho. Aos estudantes do terceiro ano (turmas 2014 e 2015) por terem participado e colaborado no desenvolvimento desse material. Ao professor Dr. Jorge Simões de Sá Martins por permitir o uso dos vídeos que deram origem à Teoria do Efeito Fotoelétrico da parte do professor. Lista de figuras Figura 2.1: Aparato experimental semelhante ao usado por Lenard para estudar o efeito fotoelétrico. ..............................................................................................................................................................3 Figura 2.2: Ilustração o processo de absorção de energia para ocorrer o efeito fotoelétrico, de acordo com o entendimento da física clássica..................................................................................................4 Figura 2.3: Possíveis trajetórias descritas pelos elétrons para o caso de um potencial nulo................4 Figura 2.4: Possíveis trajetórias dos elétrons para o caso de um potencial positivo............................5 Figura 2.5: Gráfico Corrente versus diferença de potencial.................................................................5 Figura 2.6: Possíveis trajetórias dos elétrons para o caso de um potencial negativo...........................6 Figura 2.7: Quando o potencial atinge o valor de corte a corrente elétrica cessa................................6 Figura 2.8: Gasto energético para ejeção de elétrons próximos e distantes da superfície do material.7 Figura 2.9: Gráfico Corrente versus diferença de potencial para dois valores de intensidade da fonte luminosa...............................................................................................................................................8 Figura 2.10: Potencial de corte independente da intensidade da fonte de radiação.............................9 Figura 3.1: Potencialidades do Experimento Investigativo................................................................11 Figura 3.2: Esquema do circuito do experimento...............................................................................12 Figura 3.3: Montagem do experimento..............................................................................................12 Figura 4.1: Janela de simulações do PhET disponíveis na internet....................................................23 Figura 4.2: Tela do Simulador do Efeito Fotoelétrico do PhET.........................................................24 Figura 4.3: Escolha do material do cátodo.........................................................................................27 Figura 4.4: Diferença de potencial e amperímetro.............................................................................27 Figura 4.5: Gráfico Corrente x Tensão da bateria...............................................................................29 Figura 4.6: Controle do comprimento de onda da luz........................................................................33 Figura 4.7: Controle da diferença de potencial e amperímetro..........................................................33 Lista de tabelas Tabela 4.1: Valores de comprimento de onda, frequência e energia da radiação...............................25 Tabela 4.2: Valores de comprimento de onda, frequência da radiação e potencial de corte - Sódio..32 Tabela 4.3: Valores de comprimento de onda, frequência da radiação e potencial de corte - Magnésio............................................................................................................................................34 Sumário 1.Apresentação................................................................................................................................1 1.1.Teoria do Efeito Fotoelétrico............................................................................................1 1.2.Parte do professor.............................................................................................................1 1.3.Parte do Aluno..................................................................................................................2 1.4.Tutorial.............................................................................................................................2 1.5.De professor para professor..............................................................................................2 2. Teoria do Efeito Fotoelétrico.......................................................................................................3 2.1.Postulados de Einstein para o Efeito Fotoelétrico............................................................9 3.Parte do professor.......................................................................................................................11 3.1.Experimento Investigativo..............................................................................................11 3.2.Orientações ao Professor................................................................................................13 3.2.1.Orientações Gerais..................................................................................................13 3.2.2.Orientações Específicas..........................................................................................14 3.2.3.Roteiro de Atividades do Alunos............................................................................14 Tópico I – Natureza da Luz....................................................................................................14 Tópico II – O Efeito Fotoelétrico...........................................................................................14 Tópico III – Energia dos Fótons.............................................................................................15 Tópico IV – Conceitos Fundamentais....................................................................................16 Tópico V – Gráficos...............................................................................................................16Tópico VI – Fundamentos Matemáticos.................................................................................16 Tópico VII – Relacionando os Conceitos...............................................................................17 3.3.Habilidades.....................................................................................................................17 4.Parte do Aluno............................................................................................................................18 4.1.Tópico I - Natureza da Luz.............................................................................................19 Introdução...............................................................................................................................19 4.2.Tópico II – O Efeito Fotoelétrico...................................................................................22 4.3.Tópico III – Energia dos fótons......................................................................................23 4.4.Tópico IV – Conceitos Fundamentais............................................................................26 4.5.Tópico V – Gráficos.......................................................................................................29 4.6.Tópico VI – Fundamentos Matemáticos........................................................................32 4.7.Tópico VII – Relacionando os conceitos - (Avaliação)..................................................35 5.Tutorial.......................................................................................................................................38 6.De Professor para Professor.......................................................................................................41 7.Considerações Finais..................................................................................................................43 1. Apresentação No intuito de fazer a inserção de tópicos de física moderna no ensino médio, as tarefas constantes desse Roteiro de Atividades têm como objetivo trabalhar o tópico Efeito Fotoelétrico. Tal tópico foi escolhido, baseado na sua fenomenologia considerada um dos marcos do nascimento da Física Moderna, apresentando uma formulação matemática relativamente simples e compatível com o perfil do estudante do ensino médio e ainda, apresentando diversas aplicações tecnológicas. Atualmente os livros didáticos contemplam tópicos de física moderna e contemporânea, sendo o Efeito Fotoelétrico um deles. Dessa forma o Roteiro de Atividades, que teve como ponto de partida uma pesquisa com professores que lecionam a disciplina de Física, pode ser um bom complemento ao livro adotado na escola.. O objetivo do Roteiro de Atividades é justamente trazer um material de apoio, que atenda ao professor e também aos alunos. Este material está dividido em cinco partes: • Teoria do Efeito Fotoelétrico. • Parte do professor. • Parte do Aluno. • Tutorial. 1.1. Teoria do Efeito Fotoelétrico Tem como objetivo fazer o estudo da fenomenologia do Efeito Fotoelétrico, abordando os conceitos do tema segundo a Física Clássica e posteriormente as explicações de acordo com a Física Moderna e Contemporânea. O texto foi organizado para atender você, professor e também aos seus alunos. 1.2. Parte do professor A parte do professor foi pensada com o objetivo de atender tanto aos professores com formação específica em física, bem como aqueles com formação em áreas afins e que lecionam física. Nesta seção o professor conta com o detalhamento de um experimento investigativo, que pode ser usado como forma de inserção do tema. O experimento investigativo consiste de um 1 circuito elétrico simples, onde o aluno seja capaz de relacionar o brilho de um LED à incidência de uma radiação extra, por meio de um componente LDR. Apresenta ainda, orientações gerais e específicas no sentido de informar como e quando executar o roteiro, bem como as principais habilidades que devem ser trabalhadas com os alunos. O roteiro propõe uma avaliação e ainda sugere outras formas de avaliação que o professor poderá usar, ou ainda, adaptar para a sua turma/escola. Esta avaliação se encontra disponível no material relativo ao aluno. 1.3. Parte do Aluno O roteiro propõe tarefas na forma de atividades orientadas, usando o Laboratório Virtual do PhET sobre o Efeito Fotoelétrico. Tais atividades possibilitam ao aluno desenvolver as habilidades propostas no roteiro e ainda potencializar algumas que já possuem. Para dar suporte ao aluno, o Roteiro de Atividades indica uma série de vídeos que tratam da natureza da luz, seja como partícula ou como onda e ainda da dualidade da matéria. Em seguida o roteiro faz uso da teoria do Efeito Fotoelétrico (capítulo 2), onde é evidenciado o cálculo da energia do fóton, a obtenção do valor da constante de Planck e a função trabalho de um dado material. Fechando a parte do aluno, o roteiro traz uma avaliação que pode ser usada como verificação dos conceitos básicos estudados ou como avaliação de todo o processo. 1.4. Tutorial O tutorial tem como objetivo auxiliar no uso do simulador, uma vez que podemos ter professores e alunos que não possuem habilidades em utilizar essas mídias. 1.5. De professor para professor Traz algumas informações e sugestões que foram coletadas durante as aplicações das atividades. Professor, o objetivo do roteiro não é ensinar a você como ministrar suas aulas, tampouco dar uma receita de como proceder no desenvolvimento das mesmas, e sim auxiliá-lo. Espero que goste e se sinta à vontade em fazer uso deste material como complemento no desenvolvimento de suas atividades docentes. 2. Teoria do Efeito Fotoelétrico O Efeito Fotoelétrico foi descoberto por Heinrich Hertz, em 1887, quando investigava a natureza eletromagnética da luz. Em 1888, Phillip Lenard realizou uma experiência para estudar o Efeito Fotoelétrico. Durante a realização da experiência Lenard pode verificar pontos que concordavam ou não com a teoria clássica. O dispositivo usado por Lenard, para analisar o efeito, consistia em um tubo com gás rarefeito, duas placas, o catodo que recebe a luz e o anodo que capta os elétrons ejetados, ambas ligadas a uma bateria com potencial regulável. O experimento possibilitou a Lenard estudar a corrente elétrica indicada no amperímetro através de um aparato semelhante ao mostrado na figura 2.1. Na ausência de luz (radiação eletromagnética) a indicação do amperímetro é nula, e na presença de luz é verificada uma indicação de corrente. Essa corrente elétrica, depende da intensidade luminosa, o que é esperado, pois se mais energia chega ao catodo, mais elétrons são ejetados, portando maior será o valor da corrente. O amperímetro indicava instantaneamente uma corrente elétrica ao se iluminar o catodo pela luz, tal fato não era esperado e nem explicado classicamente. Pela teoria clássica, ao se iluminar o material, o campo elétrico da radiação, aumentaria a vibração dos elétrons que, após um intervalo de tempo relativamente longo, adquiririam energia para escapar do material como ilustra a figura 2.2. 3 Figura 2.1: Aparato experimental semelhante ao usado por Lenard para estudar o efeito fotoelétrico. De acordo com os resultados observados no experimento para que os elétrons fossem ejetados, a luz deveria ter uma frequência mínima. Para que a corrente fosse diferente de zero, a frequência da luz deveria ser maior ou igual a essa frequência de corte ( f 0 ), que dependeda natureza do material de que é composto o catodo. A existência de uma frequência de corte típica de cada material também não era explicada classicamente. No dispositivo de Lenard mostrado na figura 2.3, a fonte tem como objetivo “orientar” os elétrons ejetados pelo catodo, uma vez que os mesmos adquirem trajetórias diversas. Para ΔV=0 alguns elétrons nem chegam ao anodo. Para um ΔV >0 , os elétrons são direcionados para o anodo devido à força elétrica gerada pelo campo elétrico entre as placas. Dessa forma verifica-se um aumento da corrente elétrica, pois mais elétrons chegarão ao anodo. No entanto, após curto intervalo de tempo a corrente não mais Figura 2.2: Ilustração o processo de absorção de energia para ocorrer o efeito fotoelétrico, de acordo com o entendimento da física clássica. Figura 2.3: Possíveis trajetórias descritas pelos elétrons para o caso de um potencial nulo. aumenta atingindo um regime estacionário. Mantendo constante a intensidade da luz, sendo f > f 0 , podemos representar a situação descrita acima através do gráfico, a seguir. Após um determinado intervalo de tempo, a quantidade de elétrons ejetados pelo catodo é constante. Logo, a corrente verificada no amperímetro não se altera como mostra a figura 2.5. Invertendo a diferença de potencial, isto é, fazendo ΔV <0 , no interior do tubo surge uma força elétrica contrária ao movimento dos elétrons que tende a inverter seu movimento, isto é, arrastando-os de volta ao catodo. 5 Figura 2.4: Possíveis trajetórias dos elétrons para o caso de um potencial positivo. Figura 2.5: Gráfico Corrente versus diferença de potencial. Neste caso observa-se que uma fração dos elétrons, aqueles mais energéticos, pode chegar ao anodo, embora a maioria não. Com isso a intensidade da corrente elétrica registrada no amperímetro é reduzida. No entanto, ajustando o potencial retardador para um valor crítico V 0 , verifica-se que a corrente elétrica no amperímetro vai a zero, indicando que nenhum elétron consegue chegar ao anodo. Com isso podemos perceber que quando V assume o valor V=V 0 nem mesmo os elétrons mais energéticos rompem a barreira adversa chegando ao anodo, conforme indicado na figura 2.7. Para os elétrons escaparem do metal, a radiação incidente (luz) deve fornecer a eles um valor mínimo de energia Emin , de tal forma que ao absorver essa energia eles sejam capazes de romper a barreira atrativa imposta pelas cargas positivas do material. O valor mínimo dessa energia Figura 2.6: Possíveis trajetórias dos elétrons para o caso de um potencial negativo. Figura 2.7: Quando o potencial atinge o valor de corte a corrente elétrica cessa. denomina-se função trabalho ( φ ). Se Emin>φ alguns elétrons próximos à superfície do metal serão ejetados com uma energia cinética definida pela diferença entre a energia recebida e a energia gasta pelo processo de extração do elétron no metal, isto é, K max=E−Δ E , (2.1) onde K é a energia cinética, E é a energia proveniente da radiação incidente e Δ E a energia dispendida para o elétron sair do metal. Para os elétrons próximos à superfície do metal essa energia mínima corresponde à função trabalho do metal. Logo a máxima energia cinética adquirida pelos elétrons de valência é dada por: K max=E−φ , (2.2) Para a ejeção de elétrons afastados da superfície a energia a ser transferida ao material hospedeiro deve ser maior que a função trabalho, conforme sugerido pela figura 2.8. Dessa forma fica claro o fato de existir um potencial de corte onde não mais se verifica a presença de corrente elétrica. Ao se inverter o potencial ( ΔV <0 ) os elétrons ejetados do material são freados perdendo energia cinética. Pelo princípio de conservação a energia perdida é convertida em energia potencial, 7 Figura 2.8: Gasto energético para ejeção de elétrons próximos e distantes da superfície do material. uma vez que os elétrons estão submetidos a uma diferença de potencial. A energia potencial associada a uma carga imersa em um campo elétrico é dada pelo produto da carga pela diferença de potencial correspondente. No caso da diferença de potencial ser o potencial de corte visto na figura 2.7 a energia potencial associada a essa configuração é dada por, E '=eV 0 , (2.3) onde E' é a energia perdida pelos elétrons mais energéticos que também corresponde a energia cinética máxima, K max=eV 0 . (2.4) Logo o potencial de corte pode ser expresso como: V 0= K max e . (2.5) A equação 2.5 em nada contraria a teoria clássica, bastando para o seu entendimento a conservação da energia, no entanto se a fonte produzir um potencial mais negativo que V 0 nenhum elétron alcançará o anodo. Até então a intensidade luminosa foi mantida constante. Agora, repetindo a experiência para outro valor da intensidade luminosa, como por exemplo, 2I, e ajustando o potencial da fonte para ΔV=0 , verifica-se um aumento na corrente elétrica, em relação à intensidade anterior, conforme apontado na figura 2.9. A curva verde no gráfico da figura 2.9 representa a corrente elétrica para a experiência inicial. Podemos verificar que, no presente caso, a intensidade da corrente elétrica será o dobro da corrente anterior. Invertendo a diferença de potencial espera-se que o potencial de corte seja Figura 2.9: Gráfico Corrente versus diferença de potencial para dois valores de intensidade da fonte luminosa. diferente do anterior, uma vez que os elétrons estão recebendo mais energia neste caso de dupla intensidade 2IR . No entanto, para a surpresa geral é observado o mesmo valor para o potencial de corte V 0 , independente das intensidades, conforme a figura 2.10 ilustra, fato que a teoria clássica não consegue explicar. 2.1. Postulados de Einstein para o Efeito Fotoelétrico As previsões da teoria clássica para o Efeito Fotoelétrico indicavam que: deveria ocorrer um intervalo de tempo entre a incidência da luz e a ejeção dos elétrons, sendo esse tempo dependente da intensidade da luz; a intensidade da energia cinética deveria aumentar com a intensidade da luz; a emissão de elétrons não seria dependente da frequência da luz incidente e que o potencial de corte deveria ser mais negativo com o aumento da intensidade da luz. Entretanto, ao estudar a radiação do corpo negro, Max Planck, em 1900, propôs que a interação da radiação com a matéria deveria ser quantizada e assumiria valores que seriam múltiplos inteiros de um quantum. Einstein, ao tomar conhecimento das teorias de Planck, em 1905 e na tentativa de explicar o Efeito Fotoelétrico propôs alguns postulados: a) Além da troca de energia entre a radiação e a matéria ser quantizada, a luz também seria quantizada. A esse conjunto de grânulos se deu o nome de quanta, que mais tarde seriam denominados de fótons. A cada quantum se atribui uma energia E = hf, onde h é a constante da natureza chamada de constante de Planck e f a frequência da luz. b) A interação entre fóton-elétron se dá de forma integral, isto é, toda energia de um fóton é transferida na sua totalidade ao elétron. c) Cada elétron recebe a energia de somente um único fóton e a interação ocorre aos pares. 9 Figura 2.10: Potencial de corte independente da intensidade da fonte de radiação. De acordo com a proposta de Einstein, basta que apenas um fóton, com frequência maior que a de corte ( f > f 0 ) encontre um elétron, pois um único fóton possui energia suficiente para “vencer” a função trabalho do material, sendo essa energia transferida imediatamente. Com isso o fato de haver uma frequência mínima ( f 0 ) para que elétrons sejam emitidos, também ganha uma explicação. Se E=hf >φ oselétrons que estão próximos da superfície do metal já podem ser extraídos do metal, caso E=hf <φ nenhum elétron é ejetado. Dessa forma podemos estimar qual deve ser a mínima frequência para que ocorra o Efeito Fotoelétrico, conhecendo a função trabalho do metal. Esta energia é dada por: hf 0=φ (2.6) Para qualquer frequência maior que f 0 , o elétron adquire energia maior que a função trabalho sendo ejetado. Nesse caso a dependência da função trabalho com o material também fica explicada, pois existem materiais onde os elétrons estão mais ligados ou menos ligados. Logo a energia necessária deve ser maior ou menor. Classicamente a equação 2.5 é válida. O fato não explicado era o potencial de corte ser o mesmo para intensidades diferentes (figura 2.10). Segundo os postulados de Einstein, um elétron recebe a energia de um único fóton da luz incidente, dessa forma a equação 2.5 pode ser reescrita como: V 0= hf−φ e (2.7) A equação 2.7 mostra que o potencial de corte não depende da intensidade da radiação da luz. Lembrando que cada elétron recebe a energia de apenas um fóton, a intensidade da luz não influencia no valor do potencial de corte. A intensidade da luz tem papel relevante somente na quantidade de elétrons ejetados, que influencia a intensidade da corrente. Substituindo a equação 2.6 na equação 2.7, temos: V 0= h e ( f − f 0) (2.8) De acordo com essa equação, Einstein mostra que o potencial de corte depende apenas da frequência de iluminação, fato comprovado experimentalmente por Millikan, onze anos depois das proposições de Einstein. 3. Parte do professor 3.1. Experimento Investigativo O experimento investigativo ou motivador é mais um recurso para auxiliar o professor no desenvolvimento de suas aulas. Não quer dizer que o mesmo deverá ser usado sempre. Tal recurso conta com algumas potencialidades como podemos ver na figura 3.1. Com isso, no intuito de despertar o interesse dos alunos e aguçar sua curiosidade, ao se trabalhar o experimento investigativo, o professor pode incentivar os alunos a investigar o que ocorre no decorrer de sua execução e, por meio de perguntas, levá-los a expressar as suas ideias prévias na tentativa de explicar o funcionamento do experimento (SILVA, 2014). Assim o professor pode, através da interação dos alunos com o experimento, explicar a sua fenomenologia e orientar na construção do conhecimento. O experimento investigativo do Efeito Fotoelétrico está apresentado no circuito da figura 3.2. 11 Figura 3.1: Potencialidades do Experimento Investigativo. O componente LDR (Resistor Dependente da Luz) é um componente cuja resistência varia de acordo com a intensidade da luz que nele incide. O LDR é construído a partir de material com elevada resistência elétrica. Quando a luz, que ilumina o LDR, tem uma frequência f suficiente, ocorre a absorção dos fótons pelos elétrons na banda de valência do material. Estes elétrons são promovidos para a banda de condução reduzindo a resistência do material e aumentando sua condutividade. No experimento é usado um aparelho de controle remoto ou laser como fonte emissora de radiação eletromagnética. Assim, o LDR absorve o sinal da radiação emitida pelo controle remoto ou Laser produzindo um acréscimo tanto na corrente elétrica como na diferença de potencial no circuito. As caixas de som, que são ligadas em paralelo ao resistor, captam esta diferença de potencial gerada pela corrente, emitindo um som característico, que depende da frequência da radiação do controle remoto ou laser. O LED presente no circuito serve para verificar que o circuito está fechado e sendo percorrido por uma corrente elétrica inicial. É possível verificar Figura 3.2: Esquema do circuito do experimento. Figura 3.3: Montagem do experimento. o acréscimo de corrente, observando o aumento de intensidade no brilho do LED. 3.2. Orientações ao Professor 3.2.1. Orientações Gerais ● Caso o professor não tenha qualquer familiaridade com os laboratórios virtuais do PHET, sugere-se uma leitura preliminar do tutorial disponível no roteiro. Recomenda-se também esta leitura mesmo para aqueles professores que já são usuários destes laboratórios. ● Grande parte das escolas públicas ainda não dispõem de um número suficiente de computadores para atender integralmente às demandas de cada turma. Assim, sugere-se que o professor incentive seus alunos à leitura do tutorial, considerando que parte das atividades do roteiro poderá ser realizada fora do âmbito da escola. 13 No momento da apresentação do experimento, caso você realmente decida reproduzi-lo, é interessante que se faça algumas perguntas no intuito de explorar os conhecimentos prévios dos alunos. Por exemplo: 1. Como as luzes dos postes de iluminação pública acendem e apagam? 2. O que faz uma porta de um shopping ou aeroporto abrir na presença de uma pessoa? 3. Como é possível contar o número de pessoas que passam por um determinado local, de forma automática? Através das perguntas, você professor, pode criar uma situação problema, que pode motivar e incentivar os alunos a apresentar ideias, debater com os colegas de classe e ainda levantar novas hipóteses e possibilidades. Um esquema da explicação do sistema de iluminação pública pode ser acessado em: http://www.unifal-mg.edu.br/sspibid/sites/default/files/file/S02790.pdf ● Sugere-se que o desenvolvimento do conteúdo enfatizado no roteiro seja realizado após o professor ter desenvolvido os conceitos de eletrodinâmica. Na ocasião o professor poderá discutir limitações da física clássica e introduzir os conceitos pertinentes à interpretação do modelo dual da radiação (onda-partícula). ● O professor deverá trabalhar com os alunos as atividades orientadas do PhET após ter apresentado o experimento investigativo e ter introduzido o Efeito Fotoelétrico, através de aulas expositivas. ● Recomenda-se, preliminarmente, que o professor execute as atividades orientadas propostas ao aluno com objetivo de tomar ciência das peculiaridades, das possibilidades e possíveis dificuldades de cada uma delas. 3.2.2. Orientações Específicas As orientações a seguir são apenas sugestões de como deve ser desenvolvido o Roteiro de Atividades. No entanto, professor, fique livre para adaptá-lo à realidade de sua turma. 3.2.3. Roteiro de Atividades do Alunos O Roteiro de Atividades do aluno é composto por sete tópicos. As orientações e sugestões de cada etapa estão descritas a seguir. Tópico I – Natureza da Luz Tem como objetivo discutir a natureza da luz através de uma série de vídeos. Sugestão: Dentro de seu planejamento, no momento em que introduzir os conceitos de corrente elétrica, será oportuno trabalhar esse tópico. Como as tarefas serão realizadas pelos alunos como atividade extraclasse, incentive-os a fazer anotações dos conceitos descritos nos vídeos. As anotações sobre dúvidas, curiosidades também são importantes. A duração desta etapa será a mesma que consta em seu planejamento. Separe alguns minutos das aulas seguintes para esclarecer dúvidas e dar novas orientações se necessário. Fica a seu critério recolher o material de cada etapa antes de prosseguir com as seguintes. Tópico II – O Efeito Fotoelétrico O texto tem como objetivo fazer o estudo de sua fenomenologia. Sugestão: Peça aos alunos que façam a leitura prévia da teoria, marcando pontos importantes no texto a eles direcionado. Através da leitura entorno do tema dúvidas certamente surgirão. Nesse momento você poderá fazer uma aula expositiva, usando o texto da introdução teórica constante neste material (capítulo 2). Trabalhea relação entre comprimento de onda e frequência, energia de um fóton e o conceito de energia cinética e a sua dependência com a energia da luz incidente. A duração desta etapa tem como sugestão uma aula de 50 minutos, mas caso você julgue importante e necessário, o assunto pode ser retomado em outra aula. Tópico III – Energia dos Fótons Tem como objetivo coletar valores de comprimento de onda através do simulador do PhET. Em seguida determinar a frequência da radiação correspondente a esse comprimento de onda e também calcular a energia dos fótons em unidades de joule e elétron-volt. Atenção: Lembre aos alunos, que a ordem de grandeza da frequência é de 1014 Hz. Sugestão: Essa etapa pode ser feita na escola. No entanto, se nela não houver laboratório de informática, mas contar com recursos multimídia, faça você as escolhas dos comprimentos de ondas, usando o simulador do PhET (links nos textos dos alunos) solicitando que os alunos executem procedimentos para os cálculos das frequências e energias. Se isso também não for possível, a atividade pode ser deixada como tarefa de casa. Reserve alguns minutos da aula seguinte para tirar dúvidas. Caso a tarefa seja feita em casa, a sugestão é que a parte III seja disponibilizada para os alunos no momento que se começar os conceitos de energia, potência elétrica e lei de Ohm. O tempo de duração desta etapa será o mesmo que você planejou para os tópicos de energia e potência elétrica e lei de Ohm. Nesse ponto o aluno já sabe (ou deveria saber) os conceitos básicos sabre a natureza da luz, calcular a energia de um fóton, relacionar a energia em joules e elétron-volts, relacionar o comprimento de onda e a frequência. Considerando que o intuito do trabalho é introduzir o Efeito Fotoelétrico a partir dos estudos de circuitos elétricos, após explicação dos conceitos relacionados ao tópico, o professor pode apresentar aos alunos o experimento investigativo. Sugestão: O professor pode começar por um experimento “mental” mostrando um circuito composto por uma fonte, uma lâmpada e uma resistência variável. O experimento mental consiste em questionar os alunos sobre o que irá acontecer com o brilho da lâmpada ao se modificar o valor da resistência. É esperado que os alunos sejam capazes de dar respostas corretas e coerentes. Após o experimento mental, apresente o circuito do experimento investigativo, mostrando que no lugar da lâmpada temos um LED (Diodo 15 Emissor de Luz) e em substituição ao resistor variável temos um LDR (Resistor Dependente de Luz). Peça aos alunos para relatar o que se espera ao incidir luz sobre o LDR. Use duas canetas laser, por exemplo, verde e vermelha. Faça o confronto das respostas dadas pelos alunos com o que foi observado. Como sugestão, os alunos podem fazer uma pesquisa sobre as aplicações do Efeito Fotoelétrico no seu cotidiano. Tópico IV – Conceitos Fundamentais Após a realização do experimento investigativo, será disponibilizada aos alunos a parte do Roteiro de Atividades correspondentes aos conceitos fundamentais. Sugestão: É desejável que esta etapa seja feita na escola, caso não seja possível seguir as mesmas orientações do Tópico III. Reserve sempre um tempo da aula para esclarecimentos de dúvidas. Peça aos alunos para relatar os procedimentos, as dúvidas e principalmente as suas conclusões, pois estes dados são as suas referências para discutir os conceitos estudados. O tempo de duração dessa etapa se feita na escola deve ser de duas aulas de 50 minutos. Se feita em casa, você pode estipular um tempo de três a quatro dias. Tópico V – Gráficos Nesse tópico o objetivo proposto é a verificação de que o potencial de corte para um mesmo material é constante. A observação e a coleta de dados são de grande importância nessa etapa. Sugestão: Incentive os alunos a fazer o relato de todos os procedimentos sugeridos no roteiros de atividades bem como, das suas conclusões. Ainda, como sugestão esta atividade pode ser feita na escola ou como tarefa de casa. Dê um tempo de três a quatro dias para o aluno realizar a tarefa. Use um tempo das suas aulas entre a entrega da atividade e o prazo final para discutir com os alunos as dúvidas, dificuldades e os conceitos importantes. Tópico VI – Fundamentos Matemáticos Aqui o objetivo central e a determinação do valor da constante de Planck e do valor da função trabalho do material, por meio de tarefas experimentais realizadas no simulador do PhET. Como sugestão, você pode trabalhar em conjunto com o professor de matemática, pois nesta etapa os alunos deverão coletar dados, construir gráficos e relacionar os dados coletados com uma função. Esta etapa pode ser feita na escola ou como tarefa de casa, ficando a seu critério o prazo de duração da mesma. Deixe claro para os alunos a importância de se fazer uma boa coleta dos dados, pois assim, os gráficos esboçados terão uma confiabilidade maior possibilitando uma melhor interpretação. Chame a atenção dos alunos, novamente, para a ordem de grandeza da frequência que é de 1014 Hz. Caso seja necessário faça revisões com seus alunos da função do primeiro grau evidenciando os coeficientes, angular e linear, e ainda as relações trigonométricas básicas (seno cosseno e tangente). Mais uma sugestão: você pode sugerir aos alunos que refaçam os gráficos esboçados por eles usando uma planilha eletrônica ou softwares específicos para esse fim. Uma alternativa aos software pagos, temos a LibreOffice (livre e gratuito) que pode ser obtido em: https://pt-br.libreoffice.org/. Em relação aos programas proprietários, temos o SciDAVis que é gratuito e com diversos recursos. O SciDAVis pode ser baixado em: http://sourceforge.net/projects/scidavis/. Tópico VII – Relacionando os Conceitos O objetivo proposto nesse tópico é o de verificar a compreensão dos conceitos básicos relativos ao Efeito Fotoelétrico, por parte dos alunos. Esta etapa deve ser feita em uma aula de 50 minutos. Como sugestão, a atividade pode ser feita em grupos de cinco alunos. Explique aos alunos as etapas que eles deverão cumprir nesta aula, que são: montagem do mapa de conceitos e posterior apresentação. Após explicar a tarefa distribua o material aos alunos, não esquecendo de que cada etapa tem um tempo para sua realização. Após o término da montagem do mapa, registre por meio de foto (celular ou câmera fotográfica) o trabalho de cada grupo. Use o tempo restante para discutir as relações entre os conceitos (mapas) de cada grupo. Caso queira avaliar em pontos cada etapa fique à vontade, mas o interessante é fazer uma avaliação atitudinal, procedimental, isto é, avaliando o interesse, envolvimento e o desenvolvimento dos alunos no trabalho. 3.3. Habilidades De forma geral, os estudantes, devem compreender o Efeito Fotoelétrico e suas aplicações. O que implica: ● Conhecer os conceitos de fóton e de quantum. ● Saber calcular a energia de um quantum. ● Saber que a luz possui natureza dual: onda ou partícula. ● Compreender o Efeito Fotoelétrico e a função trabalho dos metais. 17 ● Compreender o funcionamento de uma célula fotoelétrica. ● Coletar e relacionar dados e informações de gráficos e tabelas. 4. Parte do Aluno Caro estudante, as atividades que se seguem foram pensadas com o intuito de facilitar o desenvolvimento do estudo do Efeito Fotoelétrico. É esperado que durante o desenvolvimento das atividades, você se sinta livre para: pensar, questionar, fazer hipóteses e verificar resultados. Esperamos ainda que a aprendizagem seja significante para você. Em caso de dúvidas em alguma parte do trabalho, fale com seu professor.Bons estudos. Os autores. 4.1. Tópico I - Natureza da Luz Aluno: Turma: Leia a tirinha a seguir. Faça alguns comentários, sobre o que você entende sobre a dualidade da luz. Introdução Até o início do século XIX, o modelo que explicava a natureza da luz era a de Isaac Newton, no qual a luz era considerada um feixe de partículas emitidas por uma fonte luminosa, e que estimulavam a visão ao incidir sobre o olho. Com essa teoria Newton pode explicar alguns fenômenos como a reflexão e a refração. A sequência de vídeos a seguir pertence a uma série didática produzida em 1984 para a TV educativa pública da província de Ontário, no Canadá, TVO. O objetivo dos vídeos é prover informações iniciais e importantes sobre o assunto que será tratado no presente Roteiro de Atividades. 19 A primeira demonstração da natureza ondulatória da luz foi proposta por Thomas Young, em 1801, que além de explicar os fenômenos de reflexão e refração, ainda explicava a interferência. Outros desenvolvimentos foram feitos sobre a natureza da luz, até que em 1873, o trabalho mais importante sobre a luz foi proposto por Maxwell, onde o mesmo afirma que a luz era uma onda eletromagnética com alta frequência. Embora a teoria clássica da eletricidade e do magnetismo fosse capaz de explicar a maior parte das propriedades da luz, algumas experiências posteriores não podiam ser explicadas pelo modelo ondulatório, como é o caso do Efeito Fotoelétrico, descoberto por Hertz. Em 1905, Einstein propôs uma explicação para este efeito, com base nas proposições de Max Planck, que assumia a quantização da luz, ou seja a energia da onda era distribuída em pequenos pacotes de energia, os fótons. Saiba mais … No vídeo: Dualidade Onda-Partícula – 1/6 - O modelo de Partículas disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=rqwKPJ3wluI> Saiba mais … Nos vídeos: Dualidade Onda-Partícula – 2/6 - O modelo ondulatório disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=MnpWyXa5l6Y> Dualidade Onda-Partícula – 3/6 – O modelo eletromagnético disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=Glhqp5c3cBE> Faça um breve relato dos conceitos apresentados nos vídeos. Caso tenha dúvidas, anote-as para serem discutidas juntamente com o professor. 21 Saiba mais … Nos vídeos: Dualidade Onda-Partícula – 5/6 - Fótons disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=gMbBk6tvEEs> Dualidade Onda-Partícula – Dr. Quantum disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=2NuLa29WKnI> 4.2. Tópico II – O Efeito Fotoelétrico Professor nesta etapa da atividade você deve disponibilizar para seus alunos o texto sobre a Teoria do Efeito Fotoelétrico, constante do capítulo 2 deste material. 4.3. Tópico III – Energia dos fótons Aluno: Turma: Vamos, a partir de agora, usar um recurso computacional, os simuladores do PhET. São diversos simulações disponíveis de forma gratuita. 23 Veja também … Na internet: As simulações disponíveis no site do PhET. disponível em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/category/new> Figura 4.1: Janela de simulações do PhET disponíveis na internet. Como o nosso estudo consiste em explorar os conceitos e a fenomenologia do Efeito Fotoelétrico, vistos nos vídeos e na teoria, usaremos o simulador "Efeito Fotoelétrico" que pode ser acessado no endereço a seguir: Antes de começar os estudos, dedique alguns minutos para explorar a simulação: Do estudo de física ondulatória sabemos que a velocidade de uma onda é dada pela equação c=λ f (3.4) onde λ é o comprimento de onda e f a sua frequência. No vácuo, a luz se propaga com velocidade constante e igual a c = 3.108 m/s. De acordo com as proposições de Einstein, a luz é composta por pequenos pacotes de energia, os fótons. A energia de cada pacote é dada por E = hf, onde h é a constante de Planck e f a frequência. Lembrando que no sistema de unidades, a energia e dada em Vamos usar … Na internet: As simulações disponíveis no site do PhET, em Português. disponível em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/photoelectric> Figura 4.2: Tela do Simulador do Efeito Fotoelétrico do PhET. joule (J). No entanto, no estudo de alguns tópicos da física, a energia pode ainda ser expressa em elétron-volt (eV). Um elétron-volt é quantidade de energia adquirida por um elétron, no vácuo, ao ser acelerado por uma diferença de potencial elétrico de um volt. a) Complete a tabela abaixo, usando o simulador, com alguns valores de comprimento de onda, de acordo com as cores, movendo o cursor do espectro de cores. (Lembre-se que 1nm é igual a 10-9 m). Tabela 4.1: Valores de comprimento de onda, frequência e energia da radiação. Cor da luz Comprimento de Onda (10-9m) Frequência (1014 Hz) Energia (J) Energia (eV) 1 Vermelho 2 Amarelo 3 Verde 4 Azul 5 Violeta 6 UV b) Usando a equação f = cλ , complete a tabela com as frequências para cada comprimento de onda que você escolheu. c) Usando a equação E=h. f , complete a tabela com as energias usando cada frequência calculada. (use: h = 6,6.10-34 J.s) d) De acordo com os valores do comprimento de onda e frequências (tabela item a), estabeleça uma relação entre eles. e) Sabendo que 1eV = 1,6.10-19 J, complete a tabela com os valores de energia, em joules e elétron- volt, para cada valor de frequência encontrada na tabela do item ª 25 4.4. Tópico IV – Conceitos Fundamentais Aluno: Turma: a) Selecione o Sódio em Alvo (material) depois marque: Mostre apenas os elétrons mais energéticos, como na figura 3.4. Aumente o potencial para o seu valor máximo (8,00V) como a mostra a figura 3.5. Vamos usar … O simulador: Dedique alguns minutos para explorar a simulação "Efeito Fotoelétrico" do PhET. disponível em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/photoelectric> Saiba mais … No applet: onde são apresentadas informações complementares sobre o Efeito Fotoelétrico, e ao fim da apresentação, é proposto um desafio para testar conhecimentos adquiridos. disponível link abaixo: http://ambiente.educacao.ba.gov.br/fisicaecotidiano/conteudos/view/efeito-fotoeletrico_view.html Retirado de: Projeto de Conteúdos Digitais A Física e o Cotidiano Sala de Jogos: Efeito Fotoelétrico (O Trabalho da Luz) Secretaria da Educação - Governo da Bahia Quando um material condutor é submetido a uma diferença de potencial verifica-se a presença de uma corrente elétrica. Com as configurações feitas no simulador, não é percebida uma corrente elétrica. Faça algumas considerações para o não surgimento da corrente elétrica. b) No caso anterior não consideramos a interação da radiação (luz) com o material. Aumente a intensidade da Luz para 100%. Em seguida coloque o cursor do comprimento de onda na posição IV (infravermelho). Configure a fonte para um potencial nulo (0,00V). Agora, mova o cursor do comprimento de onda, lentamente para a esquerda, varrendo todo o espectro disponível para a radiação. i. Observe o ponto em que o catodo (Sódio) começa a emitir elétrons, anote o valor do comprimento de onda e o valor da corrente elétrica. (Essa emissão de elétrons pelo Sódio é o efeito o fotoelétrico, que ocorreu pela interação da Luz com o material). ii. Repita o item anterior para o potencial máximo (8,00V). Houve mudança na intensidade da corrente elétrica? Comente sua resposta. iii. Como se pode explicar o fato do material ejetar elétrons a partir de um comprimento de onda específico? iv. Escolha um valor de comprimento de onda onde se perceba o Efeito Fotoelétrico. Faça suas considerações para o que se observa, quando se altera a intensidadeda luz (Entre 0% e 100%). 27 Figura 4.3: Escolha do material do cátodo Figura 4.4: Diferença de potencial e amperímetro v. Qual é a diferença entre as situações, de potencial nulo e potencial máximo, em relação ao movimento dos elétrons? A energia cinética dos elétrons é diferente em cada caso? vi. Qual é a relação entre o comprimento de onda da radiação e a energia cinética dos elétrons? Altere o valor do comprimento de onda para verificar. Relate suas conclusões. c) Repetir as questões anteriores considerando que o material do catodo pode ser alterado, por exemplo: Zinco, Cobre, Platina, Cálcio e Magnésio. Observe que todos são metais, então qual seria a diferença em cada caso? 4.5. Tópico V – Gráficos Aluno: Turma a) Escolha em Alvo (material) o Sódio, coloque 400nm para o comprimento de onda, em seguida aumente a intensidade da luz para 30%. Em gráficos marque a opção: Corrente x Tensão da bateria, como mostra a figura 4.5. Aumente o zoom clicando na lupa com o sinal de mais (Duas vezes). i) Mova o cursor da bateria até 8,00V. Verifique a intensidade da corrente elétrica no gráfico e também no amperímetro (Ao lado da bateria). Anote o valor da corrente elétrica. 29 Vamos usar … Na internet: Acesse a simulação do "Efeito Fotoelétrico" do PhET. disponível em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/photoelectric> Figura 4.5: Gráfico Corrente x Tensão da bateria ii) Faça suas considerações, caso a intensidade da luz seja aumentada para 60%. iii) Volte o cursor da bateria para 0,00V. Verifique suas considerações aumentando para 60% a intensidade de luz. (Faça também para outros valores, tais como 80% e 100%). Anote os valores encontrados. (Você pode fazer uma cópia do seu gráfico, para cada etapa, clicando na máquina fotográfica! Será útil na confecção do relatório.) iv) Repita os procedimentos acima, para outros materiais. (Coloque valores para o comprimento de onda, que possibilite ocorrer o Efeito Fotoelétrico). b) O potencial de corte V 0 de um material é o valor que a bateria deve assumir, para que a corrente de elétrons seja nula. A teoria clássica prevê que, ao se aumentar a intensidade da luz, a corrente fotoelétrica também aumenta, como verificamos no item anterior. No entanto como fica o potencial de corte nessa situação? i) Escolha em Alvo (material) o Sódio. (Como na figura 3.4). Em gráficos marque a opção: Corrente x Tensão da bateria. (Como na figura 3.6). Aumente o zoom clicando na lupa com o sinal de mais (Cinco vezes). Mova o cursor de intensidade luminosa para 50%. Verifique o valor da intensidade da corrente elétrica. Mova lentamente o cursor da bateria, para o lado negativo da bateria, observando o momento em que a corrente elétrica torna-se nula. (Este potencial é o valor do potencial de corte do material). Volte o cursor na bateria para 0,00V. Mova o cursor de intensidade luminosa para 100%. Verifique o valor da intensidade da corrente elétrica. Movimente o cursor da bateria, para o lado negativo da bateria, observando o momento que a corrente elétrica torna-se nula, como feito anteriormente. ii) Faça um esboço do gráfico que foi gerado pelo PhET, para a situação da intensidade da radiação em 50% e intensidade em 100%. (Você deve obter um gráfico semelhante ao da figura 3.1 visto na teoria do Efeito Fotoelétrico). Qual sua conclusão a respeito do potencial de corte? Gráfico para intensidade da radiação em 50%. Gráfico para intensidade da radiação em 100%. 31 4.6. Tópico VI – Fundamentos Matemáticos Aluno: Turma: A equação abaixo relaciona o potencial de corte V 0 para um dado material com a frequência f da radiação e a função trabalho φ , onde e é a carga do elétron (em módulo: 1,6.10-19 C) e h é uma constante da natureza, conhecida como constante de Planck. V 0= h e f− φ e (4.1) a) Considere os valores de comprimento de onda dados pela tabela abaixo: Tabela 4.2: Valores de comprimento de onda, frequência da radiação e potencial de corte - Sódio. Comprimento de Onda (10-9m) Frequência (1014 Hz) Potencial de Corte (V) 1 546 2 447 3 375 4 301 5 218 i) Usando a relação f = cλ onde c = 3.10 8 m/s, calcule as frequências para cada comprimento de onda, completando a tabela. (Note que a frequência está em um fator de 1014 Hz. Considere apenas três casas decimais no seu resultado.) Vamos usar … Na internet: Acesse a simulação do "Efeito Fotoelétrico" do PhET. disponível em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/photoelectric> ii) Escolha em Alvo (material) o Sódio, aumente a intensidade da luz para 100%. Altere o cursor do comprimento de onda para os valores dados na tabela 4.2 (vamos usar um valor de cada vez). Modifique o valor da fonte, até o momento em que a corrente elétrica tenha intensidade nula (zero). (Observe que o potencial é negativo). Complete a tabela com os valores do potencial de corte encontrados para cada comprimento de onda dado na tabela 4.2. iii) Nesse momento nossa tabela já está completa. Agora usando os dados da tabela 4.2 esboce um gráfico do potencial de corte (considere o valor em módulo) em função da frequência. Verifique se há uma relação do gráfico que você esboçou com a equação 4.1, identificando os elementos que você reconhecer. (Lembre da equação de 1º grau, estudada na matemática). Gráfico 33 Figura 4.6: Controle do comprimento de onda da luz Figura 4.7: Controle da diferença de potencial e amperímetro iv) Com os dados de seu gráfico, obtenha o valor da constante de Planck. v) Usando a equação 4.1, obtenha o valor da função trabalho para o Sódio. b) Considere os valores de comprimento de onda dados pela tabela abaixo: Tabela 4.3: Valores de comprimento de onda, frequência da radiação e potencial de corte - Magnésio. Comprimento de Onda (10-9m) Frequência (1014 Hz) Potencial de Corte (V) 1 339 2 301 3 257 4 210 5 160 i) Repita todos os passos do item a, no entanto escolha o Magnésio em Alvo (material). 4.7. Tópico VII – Relacionando os conceitos - (Avaliação) Aluno: Turma: a) De posse do material que foi entregue pelo professor, discuta com os integrantes do grupo sobre as relações entre os conceitos. Em seguida relacione os conceitos. Vocês terão vinte minutos para realizar esta tarefa. b) Eleger um integrante do grupo para apresentar as relações entre os conceitos para os demais alunos da classe. c) O tempo restante será para discussões sobre os mapas que foram apresentados. Professor(a) caso seja necessário um segundo momento de debates poderá ser criado. 35 Figura 3.10: Exemplo de mapa conceitual. Pode ser disponibilizado aos alunos. Figura 3.11: Descrição das peças importante do mapa conceitual. Para a montagem dos kits de avaliação: Imprimir a próxima folha em quantidade suficiente para os grupos de alunos. Recortar as peças. Instruir os alunos para a montagem do mapa de conceitos. 37 5. Tutorial PhET – Physics Education Tecnology, disponibiliza simulações em Física, Biologia, Química e Matemática, oferecendo uma gama de tópicos dessas disciplinas. Os simuladores podem ser usados on line ou ser feito o download do instalador para que o mesmo possa ser usado sem a necessidade de conexão com a internet. Figura 4.1: Tela do Simulador do Efeito Fotoelétrico do PhET. Instalação do Java … O computador deve ter o Java instalado e atualizado. Baixe o instalador em: <https://www.java.com/pt_BR/> Fique à vontade para explorar outros simuladores em física, no entanto nosso objetivo é explorar os elementos que compõe o simulador do Efeito Fotoelétrico. Fonte de Luz: Fonte de radiaçãoluminosa. Pode ser usada para mostrar a luz como um contínuo ou em fótons. Para mostrar os fótons, use o menu Opções – Mostre os fótons. Intensidade: Regula a intensidade da radiação luminosa (ou dos fótons) emitida pela fonte. Podendo variar de 0 a 100%. Espectro da Radiação: Apresenta os comprimentos de onda, do infravermelho (850nm) até ultravioleta (100nm). Para selecionar um comprimento de onda específico, use o cursor de comprimento de onda da luz. Lembre-se: 1nm = 10-9 m. Catodo: Placa metálica, que pode ser de diferentes materiais metálicos selecionados na opção Alvo(material). Anodo: Placa metálica, que recebe os elétrons ejetados pelo Catodo. Alvo (material): Disponibiliza opções de materiais do Catodo, tais como: Sódio, Zinco, Cobre, Platina, Cálcio e Magnésio. No simulador, em inglês, do Efeito Fotoelétrico, ainda é possível usar um material desconhecido, identificado por (?????). O mesmo pode ser acessado em: http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric 39 Simuladores … Simulador do Efeito Fotoelétrico do PhET, em Português. Pode se acessado em: <https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/photoelectric> Fotoelétrons: São os elétrons, em movimento, ejetados através da interação da luz com o metal do catodo. O número de elétrons que passa pelo circuito elétrico, devido a ocorrência do Efeito Fotoelétrico é chamada de corrente elétrica. Fonte (ddp): Ajusta o potencial da fonte, para que os elétrons ejetados do catodo, sejam orientados em direção ao anodo. Serve ainda, como ajuste do potencial de corte, onde não mais se verifica corrente elétrica no amperímetro. Amperímetro: Mostra o valor da corrente fotoelétrica, quando se verifica o Efeito Fotoelétrico. Gráficos: Disponibiliza opções gráficas para a análise do Efeito Fotoelétrico que são as seguintes: Corrente x Tensão da Bateria: Representa a variação da corrente elétrica em função do valor assumido pela bateria. Para potenciais negativos, auxilia na determinação do potencial de corte. Corrente x Intensidade da Luz: Representa a variação da corrente elétrica em função da intensidade luminosa incidente. Energia do elétron x frequência da luz: Representa a variação da energia dos fótons de acordo com a variação da frequência da luz. Atenção: No simulador, o que se controla é o comprimento de onda, mas lembre-se: f = cλ 6. De Professor para Professor Professor este é o momento de troca de informações e experiências. Foi lhe apresentado uma sugestão de atividades que faz o estudo da luz como partícula e como onda; a dualidade onda partícula e o Efeito Fotoelétrico, fazendo uso de diversos vídeos, applets e o simulador do PhET. Durante a aplicação da proposta foram várias as dificuldades e os problemas enfrentados. Falta de computadores para todos os alunos no laboratório da escola foi um problema que surgiu antes da aplicação da atividade, impossibilitando a realização da tarefa como ela tinha sido pensada inicialmente. Fiz a atividade como demonstração. Com isso as dificuldades que os alunos poderiam ter em relação ao simulador do Efeito Fotoelétrico foram minimizadas. Não se preocupe se sua escola não tiver laboratório de informática, ou sala com recursos multimídia, ainda dá para trabalhar as atividades do roteiro! As demais atividades que também seriam feitas na escola, foram realizadas como tarefa extraclasse. A partir desse ponto, a cada encontro eram reservados dez minutos da aula para troca de informações, tirar dúvidas e auxiliar os alunos. Nesses momentos de auxílio, ficaram evidentes algumas dificuldades por parte dos alunos, não vou relatar todas e sim as que considero mais pertinentes. Muitos alunos têm dificuldades em relatar suas observações, mesmo entendendo o conceito estudado. Por mais simples ou complexa que seja a observação, incentive os seus alunos a fazer o relato delas, mesmo que seja para dizer: “não sei...”, “não compreendi tal coisa...”, “achei legal, pois percebi que...”. Com isso você pode avaliar o quanto os alunos estão se importando com a atividade e também avaliá-la. Quando o aluno escreve algo, você acaba percebendo o que ele sabe e o que não sabe. Os alunos também apresentam dificuldades em relacionar grandezas, como é o caso da frequência e do comprimento de onda. Chame a atenção sempre que possível para a relação existente entre essas grandezas. Se a energia depende da frequência, depende também do comprimento de onda. Lembre que, no simulador do PhET, o que se manipula é o comprimento de onda! Relacionar dados em gráficos e tabelas foi outra dificuldade encontrada pelos alunos. Fica aqui uma sugestão de trabalho em conjunto com o professor de matemática, mas caso não seja possível faça um breve revisão, com os alunos, de como esboçar (plotar, representar, etc.) um gráfico e como extrair informações dele, tais como o coeficiente angular de uma reta. Faça também, uma pequena revisão das relações trigonométricas no triângulo retângulo, pois nos fundamentos matemáticos a inclinação da reta é numericamente igual a tangente desse ângulo. Uma proposta que 41 não foi aplicada, e que pode funcionar nessa etapa é solicitar que os alunos façam a coleta dos dados e informações para que o gráfico seja feito em sala de aula. (Sugestão de uma aluna). Professor você deve reforçar a importância de se colocar as grandezas e as unidades dessas grandezas nos eixos do gráfico, para uma melhor clareza e compreensão das relações existente entre elas, e ainda na obtenção correta dos valores derivados dessa relação. Outro fator importante que merece destaque é a avaliação. Você pode avaliar o aluno com base na dedicação, empenho e zelo em fazer as atividades, ou seja uma avaliação atitudinal. Caso sua escola tenha avaliação regular (avaliação bimestral) você pode usar questões sobre o Efeito Fotoelétrico nesta avaliação. Você ainda pode usar a atividade que se encontra no tópico 3.7 como forma de avaliação ou para reforçar os conceitos trabalhados., ou ainda fazer uso da avaliação que consta nos anexos deste trabalho. Ainda nos anexos está disponível uma planilha eletrônica, que lhe auxiliará na tabulação e correção das provas. A planilha possibilita gerar relatórios de erros e acertos, saber quais alunos erram determinada questão. Saber tais informações se torna importante na hora de retomar os conceitos ou habilidades que os alunos não se saíram bem. Professor, realize as atividades do roteiro antes de fazer uso delas. Faça as tarefas como elas estão dispostas, caso perceba que alguma parte do roteiro pode ser trabalhada em outro momento, fique a vontade para fazer as devidas mudanças, pois o conhecimento da realidade da sua escola e das suas turmas é você quem domina. Lembrando, este roteiro é uma sugestão de atividades, podendo ser mudado e adaptado a qualquer momento. Use o desafio como escada para novas descobertas e aprendizados. Termino com uma pequena fala de Albert Einstein: “A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original.” 7. Considerações Finais Queremos agradecer-lhe professor(a) pela confiança depositada neste material, lembrando que o mesmo apresenta uma proposta de trabalho, no que se refere ao estudo do Efeito Fotoelétrico. Esperamos que, com o auxílio deste material, suas aulas sejam significante para você e especialmente para seus alunos. Caso tenha alguma sugestão de melhoria para este trabalho, a mesma será bem-vinda, e poderão ser enviadas para: alunosdojulio@hotmail.com 43 Referências Efeito Fotoelétrico: Experiência de Philipp Lenard. Disponívelem: <https://www.youtube.com/watch?v=zQ8az4za-pg> . Acesso em : 05 de maio de 2014. Efeito Fotoelétrico: Função Trabalho. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=n- jOh0Qr2tQ> . Acesso em : 05 de maio de 2014. Efeito Fotoelétrico: Postulados de Einstein. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch? v=gYTUfq5_z7M> . Acesso em : 05 de maio de 2014. SILVA, L.F.; ASSIS, A. Física Moderna no Ensino Médio: Um Experimento para abordar o Efeito Fotoelétrico. Disponível em: <https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175- 7941.2012v29n2p313> . Acesso em: 12 de maio de 2014. VILELA, Ezequiel Figueiredo et al. Uma proposta para o Ensino do Efeito Fotoelétrico. Disponível em: <http://www.unifal-mg.edu.br/sspibid/sites/default/files/file/S02790.pdf> . Acesso em: 12 de maio de 2014. 1. Apresentação 1.1. Teoria do Efeito Fotoelétrico 1.2. Parte do professor 1.3. Parte do Aluno 1.4. Tutorial 1.5. De professor para professor 2. Teoria do Efeito Fotoelétrico 2.1. Postulados de Einstein para o Efeito Fotoelétrico 3. Parte do professor 3.1. Experimento Investigativo 3.2. Orientações ao Professor 3.2.1. Orientações Gerais 3.2.2. Orientações Específicas 3.2.3. Roteiro de Atividades do Alunos Tópico I – Natureza da Luz Tópico II – O Efeito Fotoelétrico Tópico III – Energia dos Fótons Tópico IV – Conceitos Fundamentais Tópico V – Gráficos Tópico VI – Fundamentos Matemáticos Tópico VII – Relacionando os Conceitos 3.3. Habilidades 4. Parte do Aluno 4.1. Tópico I - Natureza da Luz Introdução 4.2. Tópico II – O Efeito Fotoelétrico 4.3. Tópico III – Energia dos fótons 4.4. Tópico IV – Conceitos Fundamentais 4.5. Tópico V – Gráficos 4.6. Tópico VI – Fundamentos Matemáticos 4.7. Tópico VII – Relacionando os conceitos - (Avaliação) 5. Tutorial 6. De Professor para Professor 7. Considerações Finais
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