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    PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

    Curso de Licenciatura em Física

    Clóvis Güerim Vieira

    ABORDAGEM DA DINÂMICA DE PARTICULAS ELEMENTARES ATRAVÉS DE

    UM JOGO DE CARTAS

    Belo Horizonte

    2015

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    Clóvis Güerim Vieira

    ABORDAGEM DA DINÂMICA DE PARTICULAS ELEMENTARES ATRAVÉS DE

    UM JOGO DE CARTAS

    Monografia apresentada ao curso deLicenciatura em Física da PontifíciaUniversidade Católica de Minas Gerais, comorequisito parcial para obtenção do título delicenciado em Física.

    Orientador: Prof. Dr. Lev Vertchenko

    Belo Horizonte2015

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    Three quarks for Muster Mark!

    Sure he hasn't got much of a bark. And sure any he has it's allbeside the mark. (JOYCE, 1939) 

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    RESUMO

    Neste trabalho foi elaborado um modelo de aula que permite que o professor defísica do ensino médio insira o tema “Física de Partículas” em seu cronograma

    escolar. O modelo sugere o uso de um jogo didático de cartas para o ensino e foi

    aplicado em uma turma de segundo ano de uma escola em Belo Horizonte. Os

    alunos foram submetidos a dois questionários; antes e logo depois do jogo de

    cartas. Para dar início a tarefa houve a exibição de um vídeo seguido de uma breve

    explanação oral a fim de elucidar alguns conceitos pertinentes ao tema. A análise

    das respostas dadas pelos alunos permitiu inferir que antes dessa atividade eles

    acreditavam que os constituintes fundamentais do átomo eram os  prótons, nêutrons 

    e elétrons, sem, no entanto saber que estes constituintes, com exceção do elétron,

    não são fundamentais. Representavam o átomo como o modelo proposto por Bohr e

    não conheciam o modelo atômico atual. Depois de interagirem com o jogo já

    estavam usando jargões da física de partículas como “quarks” , “léptons” , “bósons” ,

    “matéria escura”  e “energia escura”  para desenvolver as respostas do segundo

    questionário. Será também apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre o

    Modelo Padrão e as forças fundamentais da natureza, da mesma forma como foi

    disponibilizado aos alunos durante a aula.

    Palavras-chave: Ensino Médio. Física de Partículas. Modelo Padrão. Jogo de cartas. 

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    ABSTRACT

    In this paper we made a class plan that allows high school physics teacher introduce

    the theme "Particle Physics" in their school schedule. The plan suggests the use of

    an educational game for teaching. It was applied in a class of second year of a

    school in Belo Horizonte. Students were submitted to two questionnaires; before and

    immediately after the card game. To start the task was displayed a video followed by

    a brief oral explanation in order to clarify some relevant concepts about the topic. The

    analysis of the answers given by the students allowed to infer that before this activity

    they believed that the fundamental constituents of the atom were the protons,

    neutrons and electrons, without, however know that these constituents, except for the

    electron, are not fundamental. They represented the atom as the model proposed by

    Bohr and didn’t know the current atomic model.  After interacting with the game were

    already using jargons of particle physics as "quarks", "leptons", "bosons", “dark

    matter ” and “dark energy” to develop the second questionnaire. Also will made a brief

    literature review on the standard model and the fundamental forces of nature, just as

    was presented to students during the class.

    Keywords: high school. Particle Physics. Standard Model. Cards game.

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    SUMÁRIO

    1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 7

    1.1. Justificativa ................................................................................................ 101.2. Objetivos ..................................................................................................... 10 

    2. O JOGO .............................................................................................................. 11

    2.1. As cartas léptons  ....................................................................................... 12

    2.2. Cartas de anti-partículas dos léptons  ...................................................... 13

    2.3.  As cartas quarks  ........................................................................................ 14

    2.4. As cartas bósons  ....................................................................................... 16

    2.5. Dado das forças fundamentais ................................................................. 16

    2.6. Dado das partículas não elementares ...................................................... 17

    2.6.1.  Baryons  ................................................................................................ 18

    2.6.2.  Mésons  ................................................................................................. 18

    2.7. Formas de jogar ......................................................................................... 19 

    3. ABORDAGEM DIDÁTICA .................................................................................. 19

    3.1. Modelo de Aula ........................................................................................... 203.1.1.  A or igem do estu do de Físic a de Partícu las  ..................................... 20

    3.1.2.  O Mod elo Padrão e as in terações fun dam entai s  .............................. 22

    3.2. Elaboração dos questionários .................................................................. 23

    3.3. Aplicação do Modelo de Aula ................................................................... 25 

    4. ANÁLISE DOS DADOS ..................................................................................... 26

    4.1. Análise do questionário 1 .......................................................................... 264.1.1.  P1Q1   ..................................................................................................... 27

    4.1.2.  P2Q1   ..................................................................................................... 28

    4.1.3.  P3Q1   ..................................................................................................... 28

    4.1.4.  P4Q1   ..................................................................................................... 29 

    4.2. Análise do questionário 2 .......................................................................... 29

    4.2.1.  P1Q2   ..................................................................................................... 30

    4.2.2.  P2Q2   ..................................................................................................... 304.2.3.  P3Q2   ..................................................................................................... 31

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    4.2.4.  P4Q2   ..................................................................................................... 31 

    REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 35 

    APÊNDICE A  – PÔSTER DE FÍSICA DE PARTÍCULAS ......................................... 38 

    APÊNDICE B  – MATERIAL DE APOIO ................................................................... 39 

    APÊNDICE C  – QUESTIONÁRIOS .......................................................................... 40

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    1. INTRODUÇÃO

     Atualmente é crescente o desenvolvimento de propostas para

    atualização do currículo de física voltadas ao ensino médio. Parte delas é

    sobre a inclusão de tópicos de física moderna e contemporânea (FMC) na

    grade de ensino e podemos citar Ostermann e Cavalcanti (2001), Balthazar e

    Oliveira (2010), Vidal e Manzano (2010), Neto (2011) e Oliveira (2012) como

    textos que apresentam tais propostas, especialmente em relação ao ensino

    de física de partículas e interações fundamentais da matéria.

    Os motivos apresentados por muitos autores que defendem a inserçãodeste tema no currículo escolar partem dos princípios norteadores da

    educação nacional que contemplam, entre outras coisas, o ensino

    contextualizado e próximo da realidade do aluno, favorecendo o diálogo entre

    a física ensinada nas escolas e a tecnologia.

    Não é difícil perceber, portanto, a importância do ensino de Física de

    Partículas, uma vez que é usada em aceleradores de partículas que possuem

    variadas aplicações na área médica, em usinas nucleares, dentre outrastecnologias que, apesar de não estarem diretamente relacionadas ao

    cotidiano do aluno, se aproximam deste através da mídia.

     A inclusão de tópicos relacionados à física moderna e contemporânea

    nos currículos escolares nacionais é um desafio a ser superado. Existe uma

    grande concentração de publicações que apresentam temas de FMC, em

    forma de divulgação, ou como bibliografia de consulta para professores do

    ensino médio.

    Em contrapartida, existe uma escassez de trabalhos sobre concepções

    alternativas de estudantes acerca de tópicos de FMC, bem como pesquisas

    que relatem propostas testadas em sala de aula com apresentação de

    resultados de aprendizagem (OSTERMANN, 2011).

     A Física de Partículas é um item da FMC que vêm ganhando destaque

    na mídia nos últimos anos. Podemos citar a descoberta do Bóson de Higgs e,posteriormente, a técnica de fotografia quântica desenvolvida pela pós-

    doutoranda mineira, Gabriela Barreto, como dois exemplos que foram

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    amplamente abordados recentemente em jornais e revistas. O entusiasmo

    dos estudantes em aprender, na própria escola, assuntos que leem em

    revistas de divulgação, em jornais ou na internet, justifica definitivamente a

    necessidade de atualização curricular (OSTERMANN, 2001).

    Ostermann (2001) destaca ainda:

    “Uma grande potencialidade deste tema é a oportunidade que esteoferece para a compreensão do processo de produção do conhecimentocientífico. Os vários episódios históricos envolvendo o avanço desta área depesquisa mostram o quanto físicos teóricos e experimentais uniram esforçosna busca de uma compreensão maior da natureza da matéria. Foram

    necessários grandes investimentos tecnológicos para que se chegasse aomodelo padrão atual. O caráter construtivo, inventivo e não definitivo doconhecimento também pode ser ilustrado, a partir de uma leitura históricadessa fascinante área da Física (Orsterman, 2001, p.434).” 

    Entende-se que este é um tema de certo grau de complexidade e que a

    boa formação enquadra a estruturação correta de conceitos físicos e a

    assimilação destes por parte do educando. A utilização de atividades

    alternativas dentro da área de Física que permitam ao aluno interagir com o

    colega, levantar hipóteses, questionar e interpretar informações, é chamada

    de interação sócio-construtivista, termo utilizado por Lev Vigotski (1989),

    psicólogo russo, que acreditava que os conceitos científicos não deveriam ser

    transmitidos de forma meramente expositiva aos alunos, pois o resultado

    pode ser um aprendizado vazio e infrutífero.

    Essa interação possibilita ao discente construir seu conhecimento de

    maneira autônoma. O professor deve orientar corretamente o aluno duranteas aulas a fim de conduzi-lo a alcançar a ideia implícita no conteúdo

    abordado.

    Para Ausubel (1963), aprender significativamente é ampliar e

    reconfigurar ideias que já existem na estrutura mental, relacionando

    conteúdos e consolidando o conhecimento. Dessa forma, ensinar significa

    considerar o conhecimento prévio e estimular o aluno a relacionar este

    conhecimento com o que está sendo aprendido.

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    Nardi et al (2004) defende que no espaço da aprendizagem existe uma

    necessidade de pluralismo de alternativas e perspectivas teórico-práticas

    dentro do campo de ensino e aprendizagem das Ciências. Para estes autores

    qualquer modelo interpretativo ou norteador da ação educativa que exclua as

    alternativas plausíveis é empobrecedor da realidade.

    Com base nesses argumentos, discute-se a importância do jogo

    didático na educação. Segundo Macedo (2005):

    “[...] consideremos que um jogo sempre supõe um desejo, um querer,

    um vencer. Às vezes, ficamos muito do lado do perdedor, ou seja, do que édesagradável, perigoso e incompetente no jogo. O interessante, aocontrário, é se perguntar como um jogador pode, também, ter experiênciasconstrutivas, ou seja, construir recursos que o fortaleçam para enfrentar o jogo, que lhe possibilitem a vitória, ou, pelo menos, perceber que esteveperto dela à medida que demonstrou possuir muitos dos fatores queconcorriam para o sucesso, mas não todos, ou não com a coordenaçãonecessária para vencer o desafio (Macedo, 2005, p.13).” 

    O uso de jogos é uma alternativa que permite, além da

    contextualização com o mundo que cerca o aluno, a utilização deconhecimentos e ideias pré-concebidas. Segundo Neves & Pereira (2006):

    “[...] uma das características mais importantes dos jogos é a suaseparação da vida cotidiana, constituindo-se em um espaço fechado comregras próprias definidas, mas mutáveis, onde os participantes atuam deforma descompromissada em uma espécie de “bolha lúdica”, que, durante o jogo, não tem consequências no mundo exterior; porém, essa experiênciaenriquecedora é absorvida pelos participantes e podem refletir no mundoexterior de maneira muito positiva. (p.98)” 

     A partir do momento em que a diversão se torna aprendizagem e

    experiências cotidianas, o jogo no contexto do ensino destaca-se como um

    recurso interessante, conforme Lopes (1999) afirma:

    “É muito mais eficiente aprender por meio de jogos e, isso é válidopara todas as idades, desde o maternal até a fase adulta. O jogo em si,possui componentes do cotidiano e o envolvimento desperta o interesse do

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    aprendiz, que se torna sujeito ativo do processo, e a confecção dos próprios jogos é ainda muito mais emocionante do que apenas jogar. (p. 23).” 

    Com base nos pilares apresentados foi elaborado este trabalho queconsistiu na aplicação de um jogo didático baseado no tema Física de Partículas,

    aplicado em turmas do ensino médio em escolas da rede pública do município de

    Belo Horizonte e, posteriormente, na analise e interpretação dos resultados

    obtidos.

    1.1. Justificativa

    Os jogos didáticos, quando bem aplicados, estimulam a participação

    dos alunos e propiciam a melhor assimilação de um determinado conteúdo.

    De acordo com Pereira (2008): “o jogo é uma atividade rica e de grande efeito

    que responde as necessidades lúdicas intelectuais e afetivas, estimulando a

    vida social e representando, assim, importante contribuição na

    aprendizagem”. Os jogos didáticos possuem grande potencial como

    ferramenta alternativa de ensino, por permitir a interação entre sujeito e meio,

    é um importante recurso para a formação de conhecimento.

    Sendo assim, buscou-se desenvolver um jogo que auxiliasse o ensino

    de física de partículas, com o objetivo de apresentar aos alunos de ensino

    médio os conceitos básicos e fundamentais sobre o tema.

    Por ser um assunto pouco abordado na educação básica, optou-se por

    realizar este tipo de abordagem, no intuito de gerar maior interação do aluno

    com o objeto de estudo, além de estimular a assimilação de conceitos

    importantes de forma autônoma.

    1.2. Objetivos

      Apresentação de uma aula teórica sobre física de partículas para

    turmas de ensino médio do município de Belo Horizonte;

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    O jogo é constituído por um deck de 240 cartas e dois dados; um de

    forças fundamentais e outro com algumas partículas não elementares. Em

    cada carta há uma descrição da partícula fundamental constando o nome, a

    carga, a massa de repouso, o spin, a categoria (lépton, quark ou bóson) e o

    símbolo de cada uma (ver figura 2)

    Figura 2  – Carta de Partícula Fundamental

    Fonte: Araújo, 2014

    2.1. As cartas léptons  

    Léptons são partículas leves em termos de massa, não possuem estrutura

    interna e podem ou não possuir carga e, junto com os quarks, são os

    elementos básicos que constituem a matéria.

    Tanto os quarks quanto os léptons obedecem ao princípio de exclusão

    de Pauli, que basicamente diz que é impossível existir duas partículas com

    um mesmo estado quântico. Por exemplo, se dois elétrons possuem os

    números quânticos iguais, então certamente o numero de spin

     será diferente. Dessa forma os léptons e os quarks são classificados como

    férmions.

    No jogo existem 6 cartas léptons; o muon, o elétron, o tau  e seus

    respectivos neutrinos:

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    Figura 2.1  – Cartas léptons

    Fonte: Araújo, 2014

    2.2. Cartas de anti-partículas dos léptons  

    Para cada férmion existente no Modelo Padrão existe uma partícula

    correspondente, bastante similar, com as mesmas propriedades, exceto a

    carga, que é oposta. Esta partícula correspondente é chamada de anti-

    partícula. As anti-partículas dos léptons  podem ser escritas adicionando o

    sinal da carga sobrescrita à letra que o representa.

    Por exemplo, o pósitron, anti-particula do elétron, pode ser escrito

    como . O neutrino não tem carga elétrica, tem um sabor, então o anti-

    neutrino possui um sabor oposto.

    “Sabor” e “cor” são palavras usadas na física de partículas que não

    possuem o significado de uso comum, são termos usados para indicar um tipode carga que não é de origem elétrica.

    . No jogo o símbolo é escrito colocando uma barra sobre o símbolo que

    representa a partícula, como indicado na figura 2.2.

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    Figura 2.2  – Anti-partículas dos léptons

    Fonte: Araújo, 2014

    2.3. As cartas quarks

    Quarks são partículas que possuem cor e sabor, seus correspondentes

    anti-quarks possuem cores e sabores opostos. Essas partículas estão

    confinadas, interagindo fortemente entre si.

    Não é possível observá-los de forma isolada, mas sim em

    combinações. Tais combinações podem resultar em outras partículas

    chamadas de hádrons que podem ser fermiônicos, compostos por três quarks

    (baryons), bosônicos ou mesônicos (compostos por um par de quark   e anti-

    quark ). Na natureza são observados os compostos fermiônicos como prótons

    e nêutrons.

    O jogo é composto por 6 quarks (top, up, bottom, down, strange e 

    charm) e seus respectivos anti-quarks.

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    Figura 2.3.1  – Cartas quarks  

    Fonte: Araújo, 2014

    Figura 2.3.2  – Cartas ant i-quarks  

    Fonte: Araújo, 2014

    Como cada quark  possui um estado de cor regido pela cromodinâmica

    quântica (QCD), optou-se por imprimir cada carta quark   em três cores

    distintas: vermelho azul e verde. Para as cartas anti-quarks serão usadas as

    anti-cores: ciano, amarelo e magenta. O estado neutro é alcançado utilizando-

    se a combinação dessas cores cuja superposição resulta em branco.

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    2.4. As cartas bósons  

     A maior diferença entre bósons  e férmions  é que os bósons  não

    obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Bósons são conhecidos como

    partículas de calibre, responsáveis pelas interações fundamentais.

    O fóton é responsável pelas interações eletromagnéticas em nível de

    campo, as interações fortes são regidas pelos glúons  e as fracas pelos

    bósons W e Z. A principal diferença entre as interações eletromagnéticas e

    fortes é o fato de que as partículas responsáveis por essa primeira interação

    estarem sempre confinadas.

    O jogo é composto por cinco cartas bósons: o fóton, o glúon, os bósons 

    W e Z e o bóson de Higgs.

    Figura 2.4  – cartas bósons  

    Fonte: Araújo, 2014

    2.5. Dado das forças fundamentais

    Cargas (ou interações) fracas estão associadas aos sabores de quarks e

    léptons, cargas fortes (ou interações fortes) estão associadas a cores de

    quarks e glúons. O jogo é composto pelo dado de forças fundamentais (forte,

    fraca e eletromagnética), o qual deverá ser lançado para determinar alguma

    interação entre as cartas que representam as partículas.

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    Toda força na natureza ( ) é regida por interações

    fundamentais. No Modelo Padrão, as partículas experimentam uma interação

    se, e somente se, houver carga de alguma origem (elétrica, de cor ou de

    sabor) associada a essa interação. A força da gravidade não está inclusa

    neste modelo, pois as interações gravitacionais em escala subatômica são

    praticamente desprezíveis.

    Figura 2.5  – Dado de forças fundamentais

    Fonte: Araújo, 2014

    2.6. Dado das partículas não elementares

    Partículas não elementares são compostas pelas partículas atualmenteconsideradas fundamentais, ou seja, quarks  e léptons. Algumas partículas

    possuem uma existência muito efêmera, mas dão pistas sobre como o

    universo deveria ser no momento do Big Bang . Na natureza encontram-se os

    prótons e os nêutrons que, juntamente com os elétrons, formam os átomos

    que conhecemos.

    O dado de partículas não elementares é composto pelo  próton, o nêutron,

    os mésons e , e os bárions lambda () e ômega ( ). 

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    Figura 2.6  – Dado de partículas não elementares

    Fonte: Araújo, 2014

    2.6.1. Baryons

    Prótons e nêutrons são exemplos de baryons. Todos os hadrons que sãoformados por três quarks e possuem spin fracionário é chamado de baryon, a

    composição do próton é , dois quarks up  e um down, essa álgebra é a

    chamada SU(3).

    2.6.2. Mésons

    Hádrons  que são formados por um quark   e um anti-quark   são

    chamados de mésons. Quando possuem um número inteiro de spin também

    são tratados como bósons. As cores de quark  e anti-quark  são combinadas

    para que se forme um estado de cor neutro.

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    2.7. Formas de jogar

    O jogo é bastante versátil por permitir que o professor invente uma forma

    de jogar. É possível, por exemplo, dividir a sala em grupos, distribuir um bolo

    de cartas para cada um e pedir para que formem báryons. O grupo que

    obtiver a partícula de maior massa bariônica será o vencedor, conforme

    sugerido pelo criador do jogo.

    Ou ainda é possível formar grupos de alunos, distribuir as cartas

    igualmente e deixar cada grupo responsável por formar uma interação

    fundamental. Quando as cartas acabarem, ganha o grupo que possuir o maior

    número de interações diferentes.

    O professor pode ainda separar a sala em grupos, fazer a distribuição de

    cartas e jogar o dado de partículas não elementares. O grupo que conseguir

    formar primeiro a partícula indicada no dado, através da união das cartas de

    partículas elementares, ganha a rodada. O professor também pode jogar o

    dado de forças fundamentais para validar a interação efetuada pelo grupo.Enfim, para jogar, basta ser criativo.

    3. ABORDAGEM DIDÁTICA

     Após a escolha do jogo, foram propostas metodologias de abordagem

    sobre o tema para uma sala de ensino médio que ainda não teve contato com

    tópicos de física moderna. Optou-se por utilizar o pôster (ver em apêndice A)desenvolvido pela Dra. Fernanda Ostermann do Instituto de Física da

    Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como material de apoio para aula

    e o vídeo “Licenciatura em Ciências: Partículas Elementares” produzido para

    o Curso de Licenciatura em Ciências da USP / Univesp TV, disponível no link:

    https://www.youtube.com/watch?v=bpK4bDAm58s. 

    O pôster é dividido em três setores. O primeiro mostra quais as partículas

    fundamentais no universo, incluindo o gráviton que ainda não foi observadoexperimentalmente. O segundo setor trata das quatro interações

    https://www.youtube.com/watch?v=bpK4bDAm58shttps://www.youtube.com/watch?v=bpK4bDAm58shttps://www.youtube.com/watch?v=bpK4bDAm58s

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    fundamentais da natureza, ou quatro forças fundamentais: força fraca, força

    forte, eletromagnética e gravitacional. No terceiro setor, aparecem três

    quadros que ilustram a estrutura atômica segundo o Modelo Padrão, o

    decaimento beta do nêutron e a aniquilação de um par quark-antiquark .

    O vídeo faz uma abordagem didática sobre a estrutura dos átomos em sua

    forma mais elementar, sobre a origem cosmológica do universo e também

    sobre o uso de aceleradores de partículas para se descobrir novas partículas.

    Foi confeccionado também um material de apoio (ver em apêndice B) para

    melhor orientação dos alunos durante a aula.

    3.1. Modelo de Aula

     A proposta de aula consiste na aplicação de dois questionários, ao início e

    ao final da aula, para que os alunos respondam-nos. Após isso, deve-se

    passar o vídeo “Licenciatura em Ciências: Partículas Elementares” e ao

    término discutir conceitos básicos sobre a origem do estudo da Física de

    Partículas o Modelo Padrão e as interações fundamentais.

    3.1.1. A o rig em do es tu do de Físi ca de Partícu las

    Um dos primeiros experimentos físicos a utilizar partículas foi realizado

    por Ernest Rutherford em 1911. Seu experimento consistia em disparar

    partículas alfa sobre uma fina lâmina de ouro. Rutherford observou que parte

    das partículas estava sendo desviada e a outra era desviada além daquilo

    que se era esperado caso a carga positiva estivesse uniformemente

    distribuída pelos átomos de ouro. A partir disso ele concluiu que o átomo é, na

    verdade, constituído por grande espaço vazio entre um núcleo de cargas

    positivas e orbitais eletrônicos bem definidos.

     A ideia de elétrons orbitando ao redor de um núcleo positivo era

    análoga à ideia heliocêntrica do sistema solar. Contudo, se o elétron possui

    movimento, evidentemente ele emite radiação, o que significa também que

    ele deveria perder energia e cair para o núcleo, porém isso não acontece. As

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    órbitas são estados quantizados de energia, o elétron em seu nível mais

    fundamental possui uma energia mínima, ou seja, ele nunca cai para o

    núcleo.

    Em 1935, Hideki Yukawa, físico japonês, publicou um trabalho que

    versava sobre a explicação das forças nucleares de curto alcance que agiam

    nos núcleons (prótons e nêutrons). Era sabido que o motivo das forças

    eletromagnéticas terem alcance tão longo podia ser entendido em termos de

    campos. Esta interação é regida pela troca de fótons entre partículas com

    carga elétrica. Yukawa demonstrou também que esse longo alcance era

    atribuído à inexistência da massa do elétron (ENDLER, 2010).

     A cosmologia é um estudo que também abrange a área de física de

    partículas, se formos pensar no princípio do universo, no período de tempo

    mais curto que se pode conceber,  , havia apenas um tipo de partícula

    elementar e um tipo de força. Podemos pensar, de forma análoga, como um

    ponto muito denso e quente (a uma temperatura de ).

    No final desse instante a gravidade se separa das outras forças e em

    s a força forte se separa e há uma quebra de simetria espontânea. A

    gravidade passa a atuar de forma repulsiva (Kepler, 2014) inicia-se então a

    inflação. Surgiram os seis tipos de quarks, e depois que as forças eletrofraca

    e eletromagnética se separam. Passa-se a existir quatro forças. Nesta altura

     já haviam se formado os seis tipos de léptons. Essas novas partículas deram

    origem a todas as outras partículas que existem.

    Frente ao estudo da Física de Partículas, o Modelo Padrão é o que melhor

    explica a estrutura fundamental da matéria e as forças de interação entre as

    partículas fundamentais que a compõem. Este modelo propõe a existência de

    seis tipos de quarks e seis tipos de léptons  e que a combinação destes

    formaria a matéria como conhecemos (HELEN,1989).

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    3.1.2. O Model o Padrão e as in terações fu nd ament ais

    O estudo da interação entre as partículas em regime relativístico deu

    origem à teoria quântica de campos (TQC) que combina a Mecânica Quântica

    Não-Relativística com a Teoria da Relatividade Especial. Basicamente as

    partículas elementares interagem entre si através de campos, a essa

    interação, damos o nome de força.

    Existem quatro tipos de forças: A força nuclear forte, que trata da

    interação entre quarks  e glúons  é regida pela cromodinâmica quântica ou

    QCD, a força eletromagnética que é a responsável pela interação entrecargas elétricas é regida pela eletrodinâmica quântica ou QED, a força

    nuclear fraca que é responsável por manter os  prótons e os nêutrons coesos

    em um núcleo atômico, é regida pela Quantum Flavordynamics ou QFD e, por

    último, a força gravitacional, a de mais fraca magnitude, é regida pela

    gravitação (que não faz parte do Modelo Padrão).

    Cada interação possui uma intensidade, um alcance e uma seção de

    choque que é, basicamente, uma área onde é mais provável que colisõesentre feixes de partículas ocorram, quanto maior a área, mais forte é a

    interação (ver na tabela 3.1.2).

    Tabela 3.1.2 - Tipos de Interações

    Intensidade Alcance

    (cm)Seções de

    choqueTempo médio deinteração (seg)

    Forte 10 10-13 10-26  10-23 Eletromagnética 10-2  ∞  10-32  10-16 

    Fraca 10-5 

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    matéria e todas as interações responsáveis pelos processos, desde a

    interação elétrica até a interação nuclear forte, é também o modelo mais bem

    aceito pela comunidade científica (HELEN, 1989). Na física elementar usamos

    as palavras “força” e “trabalho” com um significado bastante comum, já no

    modelo padr ão, aparecem palavras como “cor” e “sabor” que são usados para

    especificar partículas, ou seja, um significado diferente do usual.

    O Modelo Padrão é composto pelo produto de três partes:

    SU(3)xSU(2)x(U1), o primeiro fator representa as interações fortes, o número

    3 é o número de cores diferentes para os quarks. O produto SU(2)xU(1) é

    chamado de unificação eletrofraca, pois os dois fatores não podem ser

    separados, logo, ambos os fatores são parte da interação.

    O Modelo Padrão, contudo, não explica a principal constituição do

    Universo: a matéria escura e a energia escura. A matéria escura preenche o

    universo e é muito mais pesada que a matéria comum. A Energia escura, por

    sua vez, é responsável por impulsionar o Universo em uma trajetória de

    expansão cada vez mais acelerada. A natureza tanto da matéria escura,

    quanto da energia escura, ainda é desconhecida.

    3.2. Elaboração dos questionários

    Um questionário é um conjunto de questões feito para gerar dados

    necessários para se verificar que um objetivo foi concluído. O objetivo

    principal da aula é que alguns conceitos básicos sobre a Física de Partículas

    sejam transmitidos aos alunos de forma correta, são eles:

      Elétrons são partículas fundamentais;

      Prótons e nêutrons não são partículas fundamentais;

      O Modelo Padrão explica a estrutura da matéria e todas as

    interações fundamentais;

      Apesar de ser o modelo mais aceito, o Modelo Padrão não explica o

    afastamento das galáxias;

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     A construção de um questionário, segundo Aaker et al. (2001), é

    considerada uma “arte imperfeita”, pois  não existem procedimentos exatos

    que garantam que seus objetivos de medição sejam alcançados com boa

    qualidade. Desta forma entende-se a importância na elaboração correta de

    perguntas que permitam inferir se o objetivo realmente foi atingido.

    Em princípio foi elaborado um questionário inicial, que tinha por objetivo

    quantificar aquilo que o aluno já sabe e que é pertinente ao estudo de física

    de partículas, como por exemplo, do que o átomo é constituído.

     As perguntas escolhidas para este primeiro questionário foram:

    1) O que você entende por átomo?

    2) Cite modelos atômicos que você conhece fazendo uma breve descrição

    de cada um ou desenhando, se preferir.

    3) Quais as partículas elementares do átomo você conhece?

    4) Além da força da gravidade, quais outras forças fundamentais da

    natureza você conhece?

    Essas perguntas foram identificadas como P1Q1, P2Q1, P3Q1 e P4Q1,

    respectivamente. Em P1Q1, era esperado que o aluno identificasse o átomo

    como um núcleo formado por prótons e nêutrons e ao redor deste, órbitas de

    elétrons. Em P2Q2, era esperado que fizessem citações aos modelos

    atômicos de Dalton, Rutherford e Bohr. Em P3Q1 era esperado que os alunos

    respondessem que prótons elétrons e nêutrons são partículas elementares.

    Em P4Q1 era esperado que o aluno mencionasse a força eletromagnética.

    O segundo questionário, aplicado após a execução do jogo, ao término

    da aula, foi elaborado para identificar se os objetivos da aula (anteriormente

    mencionados) foram atingidos de forma satisfatória.

     As perguntas escolhidas para este segundo questionário foram:

    1) O que você entende por Modelo Padrão?2) Quais são as falhas do Modelo Padrão?

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    3) Por que o próton e o nêutron não são partículas elementares?

    4) Quais os métodos que os cientistas usaram para descobrir novas

    partículas?

    Essas perguntas foram identificadas como P1Q2, P2Q2, P3Q2 e P4Q2,

    respectivamente. Em P1Q2, era esperado que o aluno respondesse que o

    Modelo Padrão explica a estrutura da matéria e todas as interações

    fundamentais, e que citasse algumas partículas que o compõem. Em P2Q2,

    era esperado que os alunos citassem a matéria escura e a impossibilidade de

    se explicar a expansão do universo. Em P3Q2 era esperado que o aluno

     justificasse que prótons e nêutrons são formados por partículas elementareschamadas de quarks. Em P4Q2 era esperado que o aluno mencionasse o uso

    de aceleradores de partículas e da câmara de nuvens.

    3.3. Aplicação do Modelo de Aula

     A aula foi realizada no dia 19 de março de 2015, durante o turno da

    manhã, na Escola Estadual Ordem e Progresso, localizada na Rua OscarNegrão de Lima, número 29, em frente à Academia de Polícia Civil. Para a

    aplicação contou-se com a ajuda do professor Júlio Rocha que concedeu uma

    de suas turmas de segundo ano para que fosse aplicada a aula intitulada

    “Introdução à Física de Partículas”.

    No primeiro momento da aula aplicou-se o questionário para os alunos, a

    aula foi inicialmente planejada para ser executada em 100 minutos, porem

    neste dia só foi reservado para esta aula a metade deste tempo. A salapossuía data show e um sistema periférico de áudio, o que foi de grande

    serventia para a exibição do vídeo, “Licenciatura em Ciências: Partículas

    Elementares”.

     Após a aplicação dos questionários e exibição dos vídeos, foram feitos

    breves comentários acerca da composição dos prótons e nêutrons, de como

    os quarks estariam confinados dentro deles, sobre como os cientistas, ao

    observar a rotação das galáxias, presumiram a existência da matéria escura e

    como ela não se encaixaria no modelo padrão.

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    O curto prazo estabelecido impossibilitou uma discussão mais

    aprofundada sobre o tema, e faltando 20 minutos para o término da aula,

    pediu-se para os alunos se organizarem em grupos de 8 pessoas. Os 31

    alunos se organizaram, conforme foi pedido, em 4 grupos de 8 alunos e 1

    grupo de 7 alunos.

    Foram distribuídas 48 cartas do jogo para cada grupo, e proposto o

    desafio de que montassem a partícula sorteada no dado. O pôster em formato

    digital foi projetado na tela, para auxiliar os alunos a construírem a partícula

    sorteada. Foram realizadas quatro rodadas e o grupo vencedor foi

    presenteado com o pôster em formato impresso e voluntariamente se

    ofereceu a colá-lo na parede da sala.

     Ao término das rodadas foram esclarecidas algumas dúvidas e aplicado o

    segundo questionário.

    4. ANÁLISE DOS DADOS

    Para a análise dos dados utilizou-se o procedimento metodológico deanálise de conteúdo, proposto por Bardin (1995). Tal metodologia tem por

    objetivo a descrição dos conteúdos presentes nas respostas dos alunos

    através de procedimentos sistemáticos, capazes de fornecer indicadores que

    permitam a inferência dos conhecimentos relativos às condições de recepção

    dessas respostas. A análise das respostas permite que seja feita a

    comparação daquilo que foi respondido com aquilo que se era esperado,

    dessa forma a resposta foi ponderada e classificada como: “Correta”,“Parcialmente Correta”, “Incorreta”  ou “Não respondeu”, caso o aluno não

    tenha respondido a pergunta.

    4.1. Análise do questionário 1

    O questionário 1 foi elaborado para quantificar o conhecimento prévio do

    aluno sobre átomos e sua estrutura interna e sobre as forças fundamentais danatureza.

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    Gráfico 4.1  – Comparativo de Respostas do Questionário 1

    Fonte: Elaborado pelo autor

    4.1.1. P1Q1

    Na primeira pergunta do questionário 1, 18 alunos responderam, de forma

    parcialmente correta, o que entendiam por átomo, desenhando ou escrevendo

    que o átomo se trata de um núcleo formado por prótons e nêutrons e, ao seu

    redor, órbitas eletrônicas bem definidas. Isso já era o esperado.

    Nenhum aluno respondeu de forma correta: que seria o modelo atômico

    atual, um núcleo rodeado por uma nuvem eletrônica de probabilidade. Apenas

    1 aluno não respondeu e os outros 12 alunos responderam de forma

    incorreta.

    Houve respostas como: “uma partícula indivisível que possui prótons,

    elétrons e nêutrons” . A razão de esta ser uma resposta incorreta é de

    apresentar ambiguidade; se o átomo é indivisível, não pode ter uma

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    1 2 3 4

    Corretas

    Parcialmente corretas

    Incorretas

    Não Respondeu

    Questão

    Respostas

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    constituição interna. Houve mais de um aluno que classificou o átomo como

    indivisível.

    Outra resposta classificada como incorreta foi: “Partícula cuja aparência só

     pode ser vista utilizando um microscópio, ela é formada de ânion e prótons,

    respectivamente nas camadas externas e no núcleo” . Claramente este aluno

    confundiu ânions com elétrons.

    Essa confusão é extremamente comum entre alunos do ensino médio,

    quando o professor fala em corpo carregado negativamente, o aluno assimila

    o corpo com a partícula elementar elétron. Além disso, este aluno acredita ser

    possível identificar elétrons através de microscópio, o que não é verdade.

    4.1.2. P2Q1

    Na segunda pergunta do questionário 1, 18 alunos responderam

    corretamente, 5 deram uma resposta parcialmente correta, 7 responderam deforma incorreta e apenas 1 não respondeu. A maioria dos que responderam

    corretamente mencionaram os modelos de Dalton, Rutherford e Bohr, o que já

    se era esperado.

    Uma das respostas parcialmente corretas que se destacou foi a de um

    aluno que, apesar de não citar o nome de nenhum modelo atômico, citou o

    termo “nuvem eletrônica” como o lugar onde estariam os elétrons, orbitando

    em torno de um núcleo formado por prótons e nêutrons.

    4.1.3. P3Q1

     A terceira pergunta do questionário 1 serviu para averiguar o

    conhecimento do aluno sobre as partículas fundamentais propriamente ditas,

    o que se era esperado é que a maior parte deles respondessem que  prótons 

    e nêutrons são fundamentais e isso realmente aconteceu, pois dos 31 alunos

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    que responderam o questionário, 26 afirmaram que as partículas elementares

    eram prótons, elétrons e nêutrons.

     Alguns deles nem sequer mencionaram a existência dos nêutrons e outros

    disseram que cátions e os ânions são partículas elementares. Novamente há

    a confusão de partículas que compõe o átomo com íons  (que podem ser,

    inclusive, átomos inteiros).

    4.1.4. P4Q1

     A quarta pergunta do questionário 1 proporcionou resultados inesperados,

    esperava-se que a maior parte mencionasse força elétrica, força magnética

    ou força eletromagnética, respondido corretamente por 10 alunos. Porém

    houve confusões por parte de 17 alunos (dos quais 13 responderam de forma

    totalmente incorreta) sobre o conceito de força.

    Palavras como “força física”, “força bruta”, “pressão”, “empuxo”, “energia” e

    “campo elétrico” apareceram nas respostas e foram classificadas como tipos

    de forças fundamentais, o que sugere que a maior parte dos alunos que

    responderam o questionário não desenvolveram corretamente este conceito

    físico.

    4.2. Análise do questionário 2

    O questionário 2 foi elaborado para identificar se alguns conceitos

    importantes acerca do tema explorado foram aprendidos de forma correta por

    parte dos alunos, ou seja, basicamente quantificar o quão eficaz foi essa aula,

    de maneira geral, conforme será demonstrado na analise de cada pergunta,

    os objetivos da aula foram atingidos de forma satisfatória.

    Os alunos conseguiram expressar de forma correta o que entendem por

    Modelo Padrão e por partículas elementares, que prótons e nêutrons não

    devem ser considerados como partículas elementares e que o Modelo Padrão

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     A segunda pergunta do questionário 2 era sobre as falhas do modelo

    padrão, ou seja, as pontas que ficaram soltas e que este modelo não explica.

    20 alunos responderam satisfatoriamente que o modelo não explica o

    afastamento das galáxias. A velocidade de rotação de uma galáxia distante

    observada pelos astrônomos é superior a velocidade de rotação que seria

    esperada para essa galáxia, contabilizando-se a matéria visível. Portanto,

    haveria alguma coisa ali que provocasse essa “força extra”, designada por

    matéria escura.

     Além disso, existe algo que impulsiona o afastamento intergaláctico,

    designado por energia escura, mas nada disso se encaixa no atual Modelo

    Padrão. Um dos alunos ainda mencionou que a matéria escura não podia ser

    vista e por isso era impossível determinar sua composição.

     Apenas 3 alunos responderam de forma incorreta e 6 não responderam,

    pode-se considerar que os alunos assimilaram bem a ideia do Modelo

    Padrão, de seu funcionamento e de suas limitações.

    4.2.3. P3Q2

    Na terceira pergunta do questionário 2, 18 pessoas responderam

    corretamente que  prótons  e nêutrons  não podem ser considerados como

    partículas elementares, pois são constituídos de quarks. 1 pessoa respondeu

    de forma parcialmente correta, dizendo que são formados por quarks, bósons

    e léptons,  percebe-se que essa pessoa entendeu que a matéria era

    constituída por blocos de partículas fundamentais, contudo, confundiu oconceito de  próton  e nêutron  com o de átomo. O átomo é composto por

    quarks e léptons, o uso da palavra bósons indica que o conceito de partícula

    mediadora também não foi bem assimilado.

    4.2.4. P4Q02

    Na quarta pergunta do questionário 2, 19 pessoas responderam deforma satisfatória os métodos que foram usados para que os cientistas

    descobrissem novas partículas. Termos como “colisão de prótons”,

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    “aceleradores de partículas” e “câmara de nuvens”  surgiram para explicar

    essas descobertas. A análise dessas respostas indica que os alunos

    entendem como novas partículas são obtidas e que, através de colisões,

    identificam-se rastros que podem levar a novas descobertas.

    5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

     A inclusão de tópicos relacionados à física moderna, em especial sobre

    a Física de partículas, como apresentado no trabalho, ainda é um desafio a

    ser superado. Durante a execução do trabalho, contou-se com um leque de

    possibilidades de transposição didática sobre o tema. Escolheu-se apresentá-lo por meio de um jogo didático.

    Isso permitiu que os alunos interagissem entre si e, a partir disso,

    construíssem um conhecimento de forma autônoma. O papel do professor

    neste processo foi o de auxiliar o aluno para que essa construção seja feita de

    forma correta e livre de equívocos.

    Dentre os jogos pesquisados estava o jogo de computador “Sprace2”,disponível para download no link: >, desenvolvido por pesquisadores brasileiros em

    colaboração com o CNPq , contudo, a escola selecionada não dispunha de

    um laboratório de informática para que os alunos o jogassem. Optou-se

    utilizar o jogo de cartas criado pelo professor Sidney Maia do CEFET/MG.

    O jogo possibilitou o aluno fazer uso de jargão científico, procedendo

    ao “pensamento por complexos”, segundo Vigotski  (1989). Apesar de no“pensamento por complexos” ainda não haver uma apropriação consistente

    da relação entre os conceitos, é uma importante etapa na direção à formação

    dos conceitos científicos. Uma percepção mais profunda da relação entre os

    conceitos da física de partículas (como a TQC) exige um instrumental teórico

    que usualmente é abordado apenas em cursos de pós-graduação de física.

     A proposta de aula, inicialmente, foi elaborada para um tempo de

    apresentação de 100 minutos, contudo, foi executada em apenas 50 minutos,sendo assim o tempo para aplicação do jogo propriamente dito ficou

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    comprometido e foram realizadas apenas três rodadas. Ao final da aula foi

    anexado em sala um pôster que continha informações sobre o modelo padrão

    e algumas interações importantes que foram desenvolvidas através do jogo.

    Com a devida análise do questionário 01, verificou-se que a maior parte

    dos alunos respondeu que as partículas fundamentais que compõem o átomo

    são os  prótons, nêutrons  e elétrons. Ao serem questionados sobre os

    modelos atômicos, citaram os modelos de Dalton, Rutherford e Bohr. Tais

    ideias não correspondem ao modelo atômico atual e, mesmo assim, ainda

    continuam sendo ensinadas nas escolas como verdades absolutas. O que

    reforça a ideia sobre necessidade de atualização curricular.

    Verificou-se também que a maior parte dos alunos, ao serem

    questionados sobre quais são as forças fundamentais da natureza, não

    possui o conceito científico de “força”. Por vezes, os alunos relacionaram os

    termos “campo elétrico”, “pressão”, “força física”, “força bruta”, “empuxo” e

    “energia” com o que acreditavam serem tipos de forças fundamentais. 

    Esse tipo de confusão também aconteceu em uma pesquisa realizada

    em 2007, parte da dissertação de Mestrado defendida por RonaldoMarchezini (2008), da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. A

    pesquisa indicou que os alunos confundiram os conceitos de força, torque,

    energia e trabalho, ao tentarem resolver alguns exercícios sobre alavancas.

     A partir da análise do questionário 02 observou-se que, após a aula, os

    alunos já estavam utilizando jargões como “quarks”, “léptons”, “bósons”,

    “matéria escura” e “energia escura” para desenvolver as respostas. A maioria

    respondeu de forma satisfatória que  prótons  e nêutrons  não são partículas

    elementares, como acreditavam até então. Atribuíram a causa da expansão

    do universo e do afastamento das galáxias às grandes incógnitas da física de

    partícula: a “matéria escura” e a “energia escura”.

     Apresentar a ideia atual sobre constituição atômica e esse ramo da

    física, tão amplamente estudado na comunidade científica e tão

    precariamente divulgado na comunidade escolar, eram objetivos que foram

    alcançados de forma satisfatória durante a aula.

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    Porém, entende-se que a falta de tempo para discussão é um fator

    limitante para o desenvolvimento dos conceitos implícitos na área da física.

    Este é um tipo de tema que deve ser abordado de forma incessante pelo

    professor, sempre que possível, contextualizando e relacionando as

    disciplinas de física, geralmente ensinadas neste nível escolar, com a Física

    de Partículas.

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    35

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    APÊNDICE A  – PÔSTER DE FÍSICA DE PARTÍCULAS 

    Fonte: OSTERMANN, F. e CAVALCANTI, C.J.H. Um pôster para ensinar Física de Partículas

    na escola. Física na Escola. v.2, n.1, p.13-18. 2011

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    APÊNDICE B  – MATERIAL DE APOIO

    Fonte: Elaborado pelo autor

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    APÊNDICE C  – QUESTIONÁRIOS

    Fonte: Elaborado pelo autor