Roteiro da Aula 2.

Astronomia, ciência da luz

Objetivos:

Demonstrar a importância da luz para o estudo da Astronomia; descrever a luz como radiação

eletromagnética e abordar sua natureza ondulatória; introduzir o conceito de espectro eletromagnético;

introduzir os conceitos de radiação térmica e corpo negro; capacitar o aluno para compreender a origem

da luz emitida pelas estrelas e as suas diferentes cores.

Instrumentos:

Imagens astronômicas, apresentação de computador, applet PhET.

Desenvolvimento:

A aula sobre luz, que a aborda como fonte de informação, tem três pilares fundamentais: a luz

como onda, o espectro eletromagnético e a emissão térmica. Trata-se, portanto, de uma aula com

conteúdo bem definido de Física ensinada no Ensino Médio, mas que adota uma abordagem aplicada à

Astronomia.

Inicia-se a aula com uma imagem do aglomerado aberto de estrelas conhecido por “Caixinha de

Joias”, cujo nome de catálogo é NGC4755, e que contém estrelas mais azuladas e também mais

avermelhadas. O questionamento sobre a diferença visível entre as estrelas de um mesmo sistema é o

ponto de partida da discussão, mostrando que a informação que obtemos dos astros vem sob a forma de

luz e, portanto, é preciso buscar conhecê-la em seu âmago.

Dessa discussão vem a apresentação do que pode-se entender por luz – uma onda

eletromagnética. Apresenta-se então as características das ondas, tais como a frequência, o comprimento

de onda e a velocidade de propagação, discorrendo brevemente sobre cada uma dessas características. A

parte mais complexa da discussão sobre propriedades ondulatórias talvez seja explicar a origem das

ondas eletromagnéticas. Sugerimos que apresente-se a ideia da seguinte forma: as ondas

eletromagnéticas se originam de um campo elétrico e um campo magnético que oscilam

perpendicularmente entre si. Provavelmente essa afirmativa não signifique muito para os estudantes,

então é preciso explorá-la, explicitando a origem de tais campos. Uma forma de fazê-lo seria dizer que as

cargas elétricas, por existirem, modificam o espaço ao seu redor eletricamente. Chama-se essa

modificação gerada pela existência de cargas elétricas de campo elétrico. É necessário expor que um

campo elétrico variável (oriundo, por exemplo, de uma carga oscilando) produz um campo magnético,

também variável e que essa afirmação tem uma reciproca. Ou seja, um campo magnético variável produz

um campo elétrico, também variável. Então, nessa relação de causa e consequência sucessivas, surge a

radiação eletromagnética.

A partir daí, a explicação do espectro eletromagnético e da emissão térmica é uma decorrência.

Pode-se iniciar essa conversa explicando o conceito de frequência não relacionado com a física, mas

questionando aos alunos, por exemplo a frequência com que vão a um determinado lugar, ou a

frequência com que cortam o cabelo, etc. E e da definição de frequência que vem a noção de que cada

frequência de oscilação dos campos elétrico e magnético produzirá uma onda diferente e que o conjunto

de todas as ondas possíveis é o espectro eletromagnético. Consideramos fundamental estabelecer a

relação entre frequência e comprimento de onda e discorrer sobre o fato de que apenas uma parte muito

pequena no espectro eletromagnético sensibiliza o olho humano. Fazendo uma analogia, é como se

fôssemos a um zoológico e só pudéssemos ver algumas determinadas espécies, mas soubéssemos que

existem muitas outras.

A explicação para a emissão térmica é uma primeira ideia sobre o porquê de as estrelas emitirem

luz e é inevitável dar uma definição ao conceito de temperatura para tal. Dizer que a temperatura é a

medida do grau de agitação da partículas que compõem um corpo ou uma substância é bastante

razoável. Disso pode-se explorar a questão dessa agitação ser equivalente à oscilação de cargas elétricas.

Logo, quanto maior for a temperatura de um corpo ou substância, mais agitadas estarão as partículas

que o compõem e, portanto, maior seria sua frequência de oscilação. É imprescindível expor a questão de

que todos os corpos emitem radiação eletromagnética, no entanto só podemos captar com nossos olhos a

radiação emitida por corpos que emitem radiação eletromagnética dentro da faixa do visível e que a

emissão dessa radiação em especial depende da temperatura do corpo. Pode-se dar o exemplo tradicional

do ferro sendo aquecido até ficar incandescente.

A introdução do conceito de corpo negro vem a seguir, quando se apresenta as curvas de emissão

de radiação por um corpo negro para diversas temperaturas e explorando-se o applet do programa PhET

da Universidade do Colorado, dos Estados Unidos, que traduz o corpo negro em uma lâmpada

incandescente. É muito importante dar ênfase à curva de emissão de um corpo negro à temperatura do

Sol para que seja possível explicar por que só podemos ver uma parte ínfima do espectro

eletromagnético. É interessante abordar a ideia de que uma vez que nossa forma de vida surgiu e evoluiu

na superfície desse planeta – que orbita essa estrela em especial cujo máximo de emissão está na região

do visível – é natural que a nossa visão seja restrita a esse intervalo de comprimentos de onda.

A sequência da aula é a explicação do funcionamento dos filtros e, para tal, cabe esclarecer a

necessidade de tais dispositivos. Uma vez que cada espécie de radiação eletromagnética está associada a

processos físicos mais ou menos energéticos e obter informações sobre determinada faixa do espectro

eletromagnético pode ser útil para a compreensão desses processos.

Por fim, vem a atividade de diferenciação de imagens do mesmo objeto obtidas com diferentes

filtros. Para as imagens que selecionamos há explicações bastante satisfatórias em suas fontes que são

mencionadas na apresentação da aula e também no roteiro da parte dedicada aos alunos.

Referências:

Para saber um pouco mais sobre os tópicos do curso, recomendamos a visita aos seguintes sítios

internet:

• Galeria de imagens do Telescópio Espacial Hubble

• Álbum de fotos do Telescópio Espacial Chandra

• Artigos do sítio internet do Telescópio Espacial Spitzer

• Texto de divulgação sobre Luz e Cor da UFRJ

• Simulações computacionais do PhET