Snef2007

Física no Ensino Médio: a orientação curricular do estado do Rio de Janeiro Carlos Eduardo Aguiar Instituto de Física - UFRJ XVII SNEF, São Luís, 2007

Projeto de reorientação curricular Convênio entre a Secretaria de Estado de Educação do RJ e a UFRJ. 2004: Elaboração. Discussão com professores da rede estadual (~1000 participantes). 2005: Implementação preliminar. Avaliação. Cursos de atualização para professores regentes (~1000 inscritos). 2006: Implementação definitiva.

Áreas http://www.ccmn.ufrj.br

Orientação curricular para Física Alguns dados: Cerca de 700 professores de Física nas 1600 escolas da rede estadual. Inexistência de orientação curricular estadual desde a LDB.

Por que estudar Física na escola média? Entender melhor o mundo natural e tecnológico que nos cerca. Compreender a natureza do conhecimento científico. Familiarizar-se com linguagens e procedimentos essenciais aos processos produtivos modernos.

Mais precisamente: Conhecer conceitos e princípios da Física. Usá-los para explicar fenômenos naturais e entender o funcionamento de máquinas e aparelhos. Conhecer a definição operacional e o significado das grandezas físicas mais importantes, e familiarizar-se com suas unidades. Identificar essas grandezas em situações concretas. Reconhecer que a definição de uma grandeza física não é arbitrária, mas tem raízes em experiências e idéias prévias, e é justificada por sua utilidade. Estar familiarizado com procedimentos básicos de medida e registro de dados, e com os instrumentos de medida mais comuns. Compreender que a medida de uma grandeza física tem sempre um grau de incerteza, e ser capaz de estimar este erro em situações simples. Ser capaz de estimar o valor de grandezas físicas em situações práticas. Saber ler e interpretar expressões matemáticas, gráficos e tabelas. Ser capaz de descrever uma relação quantitativa nessas formas, e de passar de uma representação para outra. Compreender como modelos simplificados podem ser úteis na análise de situações complexas. Reconhecer que teorias científicas devem ser consistentes com evidências experimentais, levar a previsões que possam ser testadas, e estar abertas a questionamento e modificações. Compreender em que sentido os princípios da Física são provisórios e mutáveis. Perceber como esses princípios são aperfeiçoadas e estendidas em um processo de aproximações sucessivas. Reconhecer que explicações sobre o mundo natural baseadas em crenças pessoais, fé religiosa, revelação mística, superstições, ou autoridade podem ter utilidade pessoal e relevância social, mas não são explicações científicas. Compreender que os métodos da Ciência não são os únicos que devem ser usados para explorar os múltiplos aspectos do mundo em que vivemos. Reconhecer o papel que a Filosofia e as Artes desempenham na descoberta e interpretação de universos tão importantes ao ser humano quanto o dos fenômenos físicos. Ser capaz de comunicar de forma precisa e eficiente o resultado de suas atividades relacionadas à Física.

Recomendações Enfatizar a compreensão de conceitos e a aplicação destes a situações concretas. Desestimular a memorização de fórmulas e sua utilização repetitiva em exercícios. Ensinar com base no que os alunos já sabem. O conhecimento dos estudantes deve crescer de forma lógica e ordenada, tornando-se mais profundo, e não apenas mais extenso, a cada passo. Reconhecer as concepções sobre o mundo natural que os estudantes já trazem ao entrar na escola, e explicitar possíveis conflitos com os conceitos e princípios físicos que se deseja ensinar. Introduzir conceitos abstratos a partir da análise de situações concretas. Realizar demonstrações em sala de aula e (se possível) atividades de laboratório. Utilizar computadores em simulações e como ferramenta de modelagem matemática. Utilizar sistematicamente um livro-texto, que não deve ser apenas uma coleção de fórmulas e problemas retirados de exames vestibulares. Utilizar recursos da Internet como material de estudo complementar. Articular o ensino de Física, Matemática, Química e Biologia, integrando essas disciplinas no estudo de problemas concretos. Dar uma perspectiva histórica ao desenvolvimento da Física. Estimular os estudantes a comunicar, em diferentes formas e mídias, o resultado de suas atividades relacionadas à Física. Utilizar revistas especializadas em ensino de Física, como a Física na Escola , a Revista Brasileira de Ensino de Física e o Caderno Brasileiro de Ensino de Física .

Recomendação fundamental Mais : compreensão de conceitos discussão de fatos cotidianos e demonstrações práticas Menos : memorização de fórmulas realização repetitiva de exercícios pouco relevantes

Estrutura curricular 1 a Série Temperatura e Calor (~60%) Ótica (~40%) 2 a Série Mecânica (100%) 3 a Série Eletricidade e Magnetismo (~60%) Ondas (~40%)

Por que Mecânica na 2 a série? Conceitos básicos conflitantes com o senso comum. Matemática sofisticada Taxas de variação (cálculo diferencial e integral) Vetores

Por que Mecânica na 2 a série? Colocar a mecânica newtoniana no início do curso de Física cria grandes dificuldades aos alunos. Isso freqüentemente impede que eles tenham uma visão ampla da Física, já que muitos não percebem que outros tópicos (por exemplo, calor e temperatura, som, luz, elasticidade) não exigem tanta capacidade de abstração quando tratados de forma elementar. Para remover esse obstáculo, coloquei a mecânica newtoniana no final do texto. Robert Karplus – Introductory Physics

Mecânica no PSSC A ordem dos conteúdos violava as sagradas tradições canônicas: a mecânica newtoniana sempre vinha no início de um livro-texto de Física, mas no PSSC ela só aparecia na segunda metade do livro. “Foi como colocar o Gênese depois das Crônicas”, pensei. A Mecânica é difícil; seus conceitos são contra-intuitivos e estão apoiados em matemática vetorial. Os autores do PSSC concluíram que a Mecânica não é lugar para um aluno iniciar seus estudos de Física. John Rigden – PSSC: 50 Years Later

Por que Física Térmica e Ótica na 1 a série? Fáceis de relacionar a experiências cotidianas. Grande número de demonstrações simples. Matemática relativamente acessível. Vantagens de ensinar Física Térmica antes da Mecânica: Energia não é apresentada como um conceito mecânico. Temperatura não é vista como uma quantidade mecânica; fuga do “ T proporcional à energia cinética média das moléculas”.

Física Moderna Por que incluir Física Moderna? Visão de mundo (é mais estranho do que podemos imaginar). Compreensão da natureza da Ciência e do progresso científico. Por que não foi incluída? Falta de tempo (2 horas por semana). Só entraria com o sacrifício de tópicos essenciais à compreensão da própria Física Moderna. Se houvesse mais tempo: Relatividade (especial) Tema “popular”. É relativamente fácil entender o que deu errado na Física pré-relativística (vento de éter, adição de velocidades). Matemática simples. Ótimo exemplo do que ocorreu com a Física no Séc. XX.

Física Quântica Por que é mais difícil incluir a Física Quântica? Não é fácil descrever o que deu errado na Física Clássica. Quadro conceitual confuso (velha teoria quântica) ou muito abstrato (teoria de Schroedinger-Heisenberg-Born). Facilidade com que se transforma em mais um formulário a ser decorado para o vestibular: E = h  , L = n ħ , ...

Um exemplo dos vestibulares UFJF – 2006 37. Em 1905, Einstein postulou a quantização da energia da radiação, isto é, que a energia radiante é concentrada em pacotes, que foram chamados, mais tarde, de fótons. Considere que um fóton tem energia Eo e um elétron tem energia cinética com o mesmo valor. Sendo h a constante de Planck; c , a velocidade da luz no vácuo e m , a massa do elétron, quais são, respectivamente, os comprimentos de onda do fóton e do elétron? a) hc/Eo e h(2mEo) 1/2 b) hc/Eo e h/(2mEo) 1/2 c) Eo/hc e h/(2mEo) 1/2 d) Eo/hc e h(2mEo) 1/2 e) h/(2mEo) 1/2 e hc/Eo

Curso de atualização para professores Realizado em 2005. Produção de material didático pelos próprios cursistas, publicado e distribuído nas escolas da rede estadual. Física:  Professores de todo estado, turmas no Rio e em Campos.  100 inscritos, 40 professores cursaram efetivamente, 30 produziram material didático.

Material didático http://www.ccmn.ufrj.br

Equipes responsáveis (Física) Orientação curricular Carlos Eduardo Aguiar (UFRJ) Eduardo Gama (I.E. Carlos Pasquale / Pedro II) Sandro Costa (C.E. Ismael Branco) Curso de atualização de professores regentes Marta Barroso (UFRJ, coordenadora) Marcelo Massunaga (UENF) Ana Maria Breitschaft (UFRJ) Antônio Carlos Santos (UFRJ) Tatiana da Silva (UFRJ)

Temperatura e Calor Temperatura; termômetros; escalas termométricas. Dilatação térmica. Calor e energia interna. Transferência de calor: condução, convecção, radiação. Calor específico. Calor latente e mudança de fase. Trocas de calor e equilíbrio térmico. A equação de estado dos gases ideais. Interpretação molecular da pressão e temperatura dos gases. Trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica. *

Ótica Emissão, propagação, reflexão e absorção da luz. Raios de luz; sombra. A lei de reflexão da luz. Formação de imagem por um espelho plano. Espelhos curvos. * A velocidade da luz; índice de refração. Refração; a lei de Snell. Formação de imagens por refração. Reflexão interna total. Dispersão; luz branca. Lentes. * O olho humano; defeitos de visão. * Instrumentos óticos. *

Mecânica A descrição do movimento Forças Força e movimento Conservação da energia Conservação da quantidade de movimento * Hidrostática *

Eletricidade e Magnetismo A carga elétrica. Materiais condutores e isolantes. Força e campo elétrico. Corrente elétrica. Diferença de potencial. A lei de Ohm; resistência elétrica. Baterias e outras fontes de tensão elétrica; força eletromotriz. Circuitos simples. Potência; o efeito Joule. Ímãs e campo magnético; linhas de campo; o campo magnético terrestre. A experiência de Oersted; eletroímãs. Força magnética sobre uma corrente; motores elétricos. * Indução eletromagnética; geradores elétricos e transformadores. *

Ondas Ondas mecânicas e eletromagnéticas. Velocidade de propagação. Freqüência e comprimento de onda. Princípio da superposição e interferência. Ondas estacionárias. * Reflexão e refração de ondas. Difração. Natureza ondulatória da luz. O espectro eletromagnético. A velocidade do som. Som: intensidade, altura e timbre. Escalas musicais. Ultrasom. Instrumentos musicais. * Efeito Doppler. *

Espelhos curvos. * Lentes. * O olho humano; defeitos de visão. * Instrumentos óticos. * 1 a Série Dispersão; luz branca. 30 Reflexão interna total. 29 Formação de imagens por refração. 27-28 Refração; a lei de Snell. 25-26 A velocidade da luz; índice de refração. 24 Formação de imagem por um espelho plano. 22-23 A lei de reflexão da luz. 21 Raios de luz; sombra e penumbra. 20 Emissão, propagação, reflexão e absorção da luz. 19 Trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica. * 17-18 A equação de estado dos gases ideais. Interpretação molecular da pressão e temperatura dos gases. 13-14-15-16 Trocas de calor e equilíbrio térmico. 11-12 Calor latente e mudança de fase. 10 Calor específico. 8-9 Transferência de calor: condução, convecção, radiação. 6-7 Calor e energia interna. 5 Dilatação térmica. 3-4 Temperatura; termômetros; escalas termométricas. 1-2 Conteúdo Semana

Movimento circular. * Gravitação universal. * Movimento oscilatório. * Impulso. Quantidade de movimento. A 3a lei de Newton e a conservação da quantidade de movimento. * 2 a Série Empuxo e o princípio de Arquimedes. * 29-30 O princípio de Pascal. * 28 Pressão em fluidos. * 26-27 Conservação da energia mecânica. 25 Energia potencial. 24 Energia cinética. 23 Trabalho e potência. 22 Movimento sob uma força constante; projéteis. 20-21 Movimento de uma partícula livre. 18-19 As leis de Newton. O conceito de massa. 15-16-17 Equilíbrio. 13-14 Ação e reação. 12 Exemplos: forças de contato, peso, forças eletromagnéticas. 10-11 A soma de forças. 8-9 Intensidade, direção e sentido das forças. Vetores. 6-7 Representações gráficas do movimento. 4-5 Velocidade e aceleração. 2-3 Posição e tempo; trajetória. 1 Conteúdo Semana

3 a Série Força magnética sobre uma corrente; motores elétricos. * Indução eletromagnética; geradores elétricos e transformadores. * Instrumentos musicais. * Efeito Doppler. * Intensidade, altura e timbre. Escalas musicais. Ultrasom. 29-30 A velocidade do som. 28 O espectro eletromagnético. 26-27 Natureza ondulatória da luz. 24-25 Difração. 23 Reflexão e refração de ondas. 22 Ondas estacionárias. * 21 Princípio da superposição e interferência. 20 Freqüência e comprimento de onda. 19 Velocidade de propagação. 18 Ondas mecânicas e eletromagnéticas. 17 A experiência de Oersted; eletroímãs. 15-16 Ímãs e campo magnético; linhas de campo; o campo magnético terrestre. 13-14 Potência; o efeito Joule. 11-12 Circuitos simples. 8-9 Baterias e outras fontes de tensão elétrica; força eletromotriz. 7 A lei de Ohm; resistência elétrica. 6 Diferença de potencial. 5 Corrente elétrica. 4 Força e campo elétrico. 3 A carga elétrica. Materiais condutores e isolantes. 1-2 Conteúdo Semana

Programas de Exames Vestibulares

FÍSICA – Programa do exame vestibular da UFRJ O objetivo da prova de Física é testar o candidato quanto à compreensão das suas leis fundamentais e às aplicações dessas leis em diversas situações do cotidiano, com obtenção de resultados quantitativos. Parte 1 - Grandezas físicas, medidas e relações entre grandezas Identificação das grandezas relevantes e mensuráveis e sua natureza escalar ou vetorial. Operações sobre essas grandezas. Medidas dessas grandezas e suas limitações; ordens de grandeza; algarismos significativos. Sistemas coerentes de unidades. Sistema internacional. Inter-relações entre grandezas: Leis Físicas. Dimensões das grandezas físicas - análise dimensional. Parte 2 - Mecânica da partícula Conceito de partícula. Cinemática escalar e vetorial. Conceitos (intuitivos) de massa (aceitar-se-á, sem discussão, a identidade entre massa inercial e massa gravitacional) e de força. Referencial inercial: forças que agem sobre uma partícula; composição de forças. Leis de Newton; conservação do momento linear reconhecendo seu caráter vetorial; colisões unidimensionais. Interação gravitacional; Lei de força; queda dos corpos e movimento dos projéteis em um campo gravitacional uniforme; movimento dos planetas e dos satélites em órbitas circulares. Trabalho de uma força F constante. Energia cinética. Teorema do trabalho-energia. Conceito de força conservativa e energia potencial associada. Aplicações no caso de forças elástica e gravitacional. Energia mecânica e sua conservação em sistemas onde só forças conservativas realizam trabalho. Potência de uma força (P = F.v).

Parte 3 - Sistemas de muitas partículas (sólidos, líquidos e gases) Centro de massa de um sólido. Estática do sólido; momento de uma força; momento resultante; condições de equilíbrio de um corpo rígido. Massa específica; densidade. Conceito de pressão. Líquidos em equilíbrio no campo gravitacional uniforme: Lei de Stevin. Princípios de Pascal e de Arquimedes. Equilíbrio dos corpos flutuantes. Estática dos gases perfeitos. Processos quasi-estáticos ou reversíveis (isotérmico, isobárico, isométrico). Equação de estado dos gases perfeitos. Atmosfera terrestre-pressão atmosférica. Equilíbrios térmicos e lei zero da termodinâmica. Conceito macroscópico de temperatura; escalas Celsius e Kelvin e escalas arbitrárias. Dilatação térmica dos líquidos e sólidos. Calor específico; calorimetria; mudanças de estados físicos; calor latente de mudanças de estado e influência da pressão na mudança de estado. Transformação de energia mecânica em energia térmica pelas forças de atrito (tratamento fenomenológico e macroscópico). Princípio geral da conservação de energia. 1o Princípio da Termodinâmica. Calor e trabalhos envolvidos nos processos termodinâmicos. Energia interna de um gás perfeito. Análise energética dos processos isobárico, isotérmico, isométrico e adiabático.

Parte 4 - Fenômenos Ondulatórios – Ótica Conceito de onda. Classificação quanto à natureza e quanto à vibração. Propagação de uma onda periódica num meio não dispersivo; elementos da onda e equação fundamental (v=lf). Propagação de um pulso em um meio não dispersivo unidimensional; reflexão, refração e superposição. Princípio da superposição. Aplicações com ondas senoidais. Ondas estacionárias. Ondas em mais dimensões (como, por exemplo, ondas na superfície de um líquido, aplicações simples com ondas sonoras), reflexão e refração de ondas planas. Difração (abordagem qualitativa). Modelo ondulatório da luz, luz branca; dispersão; luz monocromática; Velocidade de propagação. Índice de refração de um meio. Ótica geométrica; hipóteses fundamentais; raio luminoso - Leis de reflexão e da refração; reflexão total; objetos e imagens reais e virtuais em espelhos planos e esféricos e em lentes delgadas (aproximadamente de Gauss). Instrumentos óticos simples (lupa, luneta, microscópio e telescópio), e a ótica do olho humano.

Parte 5 - Eletricidade e Magnetismo Constituição da matéria - Elétron, próton, nêutron. Condutores e isolantes. Processos de eletrização. Lei de Coulomb. Campo e potencial elétrico; conceitos fundamentais. Campo e potencial associados a uma carga puntiforme - Princípio da superposição. Campo uniforme; superfícies equipotenciais de um campo uniforme; diferença de potencial entre dois pontos do campo; movimento de uma carga em um campo uniforme. Geradores; corrente elétrica; resistores lineares: Lei de Ohm; associações de resistores em série e em paralelo; energia e potência; efeito Joule; Lei de Joule. Circuitos elementares (amperímetro e voltímetro ideais). Força magnética sobre uma carga pontual. Campo magnético. Campo magnético de um ímã. Campo terrestre e bússola. Lei de Ampère, Lei de Indução de Faraday (visão fenomenológica).

O que é um currículo? Currículo : Plano estruturado de ensino-aprendizagem contendo: Identificação de saberes relevantes a uma dada cultura e sociedade. Detalhamento dos resultados educacionais esperados. Planejamento de atividades, com sugestão de ordenamento. Processos de avaliação.

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