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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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APÊNDICE B – MATERIAL DE APOIO
Fonte: Elaborado pelo autor
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APÊNDICE C – QUESTIONÁRIOS
Fonte: Elaborado pelo autor