Ação de Formação by radiacao

AÇÃO DE FORMAÇÃO: A ATIVIDADE PRÁTICA/LABORATORIAL NA LECIONAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO E ONDAS”

ANÁLISE DOS PROGRAMAS* DA DISCIPLINA DE FÍSICA E QUIMICA A DO CURSO CIENTIFICOHUMANÍSTICO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS NOTA: Atendendo ao objetivos da ação de formação, a análise dos programas restringir-se-á às subunidades “Comunicações a longas distâncias” da unidade “Comunicações” , do programa em vigor e “Ondas Eletromagnéticas” da unidade “Ondas e Eletromagnetismo” do novo programa do 11º ano de escolaridade.

PARECER DA SOCIEDADE PORTUGUESA DE FÍSICA (SPF) SOBRE O PROGRAMA EM VIGOR DE FÍSICA E QUIMICA A

“(…) A proposta em apreço merece os seguintes comentários gerais: a) O programa proposto aborda aspetos diversificados da Física e pode até considerar-se globalmente interessante. No entanto, afigura-se muito extenso. b) Ao contrário do programa do 10º ano, opta-se no programa em apreço por uma metodologia Ciência/Tecnologia/Sociedade, uma abordagem que por vezes prejudica a relação entre os conceitos. Assiste-se, a espaços, a uma subalternização da ciência física à tecnologia dela derivada e chega até a parecer que certos conceitos de Física só estão incluídos na medida em que são imediatamente úteis à sociedade. c) Nesta mesma linha, e dado que os vários conceitos são explorados em situações muito específicas, corre-se por vezes o risco de os conceitos físicos parecerem ter um carácter “ad-hoc”, em detrimento dessa característica essencial das leis físicas que é a universalidade. Os alunos poderão ter dificuldades em relacionar diferentes conceitos e até mesmo não entender por que se interligam. Seria útil tanto para professores como para alunos enfatizar estas interligações no programa. (…) f) É muito meritório associar experiências aos vários temas do programa. Contudo, e sobretudo na unidade 2, as atividades laboratoriais são excessivamente dirigidas, o que abre pouco espaço para atividades de “investigação” que os trabalhos experimentais sempre sugerem. Cremos que certas atividades demasiadamente específicas e excessivamente orientadas deveriam ser substituídas por outras de “banda larga”. (…) h) Há uma clara intenção de reformar o programa de Física através da sua ligação a aplicações práticas. A ideia é boa, mas não pode perder de vista o carácter da Física como disciplina coerente, de aplicabilidade universal e que usa a linguagem matemática. Neste sentido, dir-se-ia que o projeto agora apresentado mostra algum desequilíbrio, carecendo por isso de adequada revisão. (…) A unidade 2, que trata de ondas, em geral, de acústica, de eletromagnetismo e também de ótica geométrica, merece os seguintes comentários: a) Esta unidade perde em coerência relativamente à anterior: amalgamaram-se uma série de tópicos numa só unidade, sendo questionável que tenha sido conseguida uma boa interligação entre os vários temas propostos. Os aspetos matemáticos não estão suficientemente explicitados, o que suscita dúvidas sobre a profundidade dos temas a abordar.

Programa em vigor no presente ano letivo 2013/14 e o programa homologado pelo Despacho N.º 868-B/2014, DR. N.º 13, Suplemento, Série - II, de 20 de janeiro.

AÇÃO DE FORMAÇÃO: A ATIVIDADE PRÁTICA/LABORATORIAL NA LECIONAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO E ONDAS” (…) i) O kit de micro-ondas para a A.L 2.4 volta a ser caro. Interrogamo-nos sobre se existirá, de facto, uma mais valia do equipamento preconizado relativamente a experiências mais ou menos equivalentes com uma tina de ondas ou com um vulgar apontador laser com uma rede de difração (estes, sim, são equipamentos comuns nas escolas)? (…)”. (…) A natureza das atividades propostas no programa pressupõe um grande esforço de formação adequada e atempada dos professores de Física-Química, nomeadamente no desenvolvimento do trabalho experimental e na utilização de certos equipamentos, como o osciloscópio. Este é um aspeto claramente positivo da aplicação de um programa como o que se apreciou, mas não pode ser esquecido por quem tem a responsabilidade de proporcionar essa formação adicional.

PARECER DA SPF SOBRE O NOVO PROGRAMA DE FÍSICA E QUIMICA A:

“No programa agora revisto, e em discussão pública, dos 10º e 11º anos de escolaridade da disciplina de Física e Química A, houve um trabalho bem conseguido de reorganização dos temas, bem notório na componente de Física, de modo a que o corpo de conhecimentos seja adquirido por uma ordem lógica e com uma maior coerência do que no programa atualmente em vigor. Os temas são apresentados agora de forma mais direta, e mais simples, e não subordinando necessariamente a Física às suas aplicações, como na metodologia Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA), bem patente no programa atualmente em vigor. Mantêm-se, naturalmente, referências no programa a aplicações da Física relevantes para a Sociedade, mas com a ênfase correta. Houve também uma pequena reorganização dos trabalhos práticos, para os quais os programas apresentam sugestões metodológicas úteis para os professores. As metas curriculares estão, em geral, bem elaboradas, e identificam claramente as competências a adquirir pelos alunos. Contudo, alguma terminologia não é muito clara e devia ser revista. Por exemplo, pede-se nas metas curriculares do programa do 11º ano que o aluno seja capaz de “Explicar o fenómeno de difração”. Supõe-se que o que se pretende é que o aluno seja capaz de “Explicar em que consiste (ou descrever) o fenómeno da difração”. Idem em “Explicar o efeito Doppler” que deveria ser “Descrever o efeito Doppler” ou “Explicar em que consiste o efeito Doppler”. (...) Na descrição das atividades laboratoriais AL2.1 e AL2.2 do 11º ano (pág. 34) faz-se referência a funções do osciloscópio usando siglas que não são facilmente identificáveis (por exemplo, função AT que se supõe seja “Auto Trigger” ou “Disparo automático”)”.

AÇÃO DE FORMAÇÃO: A ATIVIDADE PRÁTICA/LABORATORIAL NA LECIONAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO E ONDAS”

EXCERTO DO PROGRAMA DA DISCIPLINA DE FÍSICA E QUÍMICA A – 11º ANO OU 12º ANO – CURSO CIENTÍFICO-HUMANÍSTICO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS (DATA DE HOMOLOGAÇÃO 2003) - SUBUNIDADE: COMUNICAÇÕES A LONGAS DISTÂNCIAS

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

Unidade 2 – Comunicações Introdução Usando como contexto geral o tema “Comunicações” (a curtas e a longas distâncias), proporciona-se a oportunidade de compreender como se realiza a transmissão de informação nas suas diversas formas, estudando-se os conceitos de som e radiação electromagnética, enquadrados no modelo geral da propagação ondulatória. A este respeito, é importante ressaltar que não se pretende a formulação da equação da propagação e que o estudo será feito essencialmente por meio de observação e registos gráficos, para os quais o uso de osciloscópios e de calculadoras gráficas é particularmente útil. No contexto da comunicação a curtas distâncias, propõe-se uma actividade inicial de discussão de informação com a finalidade de rever e aprofundar conceitos já estudados anteriormente e úteis para o prosseguimento do estudo deste tema. Lembramos os cuidados a ter com a linguagem usada no ensino/aprendizagem da noção de meios de propagação. Muitas vezes a formulação “propagação através de um meio” reforça a concepção alternativa de a propagação de fenómenos deste tipo ser “ondas a passar através de um meio” e não a comunicação consecutiva da vibração de partículas do próprio meio, como é o caso do som, conceito que será objecto de ensino nesta Unidade. O estudo da indução electromagnética justifica-se pela necessidade do uso de microfones e altifalantes na comunicação sonora, mesmo a curtas distâncias. Serve também para facilitar a interpretação gráfica dos sinais observados nos osciloscópios, reforçando a ideia da imprescindível conversão dos sinais sonoros em eléctricos. A primeira actividade a realizar no laboratório tem como finalidade principal a familiarização do aluno com a utilização do osciloscópio, instrumento que os alunos irão usar com frequência nesta Unidade. No estudo da lei de indução de Faraday, será introduzida a noção de fluxo. Os conceitos de campo eléctrico e magnético (este último já abordado no 3º ciclo) serão estudados qualitativamente, em termos da sua origem, acção, características, zonas de maior ou menor intensidade, apenas a partir da observação de espectros eléctricos e magnéticos e da sua representação pelas respectivas linhas de campo. Não se pretende o estudo de qualquer expressão de intensidade dos campos. Embora a velocidade do som possa ser medida por diversos modos, optou-se, na respectiva actividade laboratorial, pela medição do tempo de trânsito de um impulso sonoro. Este método facilita a compreensão do conceito de velocidade, salientando o facto de que o som demora um certo intervalo de tempo a propagar-se a uma certa distância. A actividade de natureza histórica que se propõe no segundo contexto desta Unidade visa as finalidades gerais de tarefas deste tipo, tendo a particularidade de poder ser ilustrada com demonstrações experimentais que ajudarão a compreender a evolução dos conceitos e a orientação para novas descobertas. Será a partir desta actividade que irão emergir os conceitos básicos à compreensão da importância fundamental da radiação electromagnética na transmissão de informação a grandes distâncias, sem recorrer a um modelo complexo de onda electromagnética. Lidando o aluno diariamente com a recepção de informação através de ondas hertzianas, considerou-se imprescindível referir processos de modulação, embora não se pretenda um tratamento matemático.

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

Sugere-se uma actividade para realizar na sala de aula, com o objectivo de levar os alunos a compreender como é possível transmitir informação sonora utilizando ondas electromagnéticas. Os fenómenos de reflexão, refracção, reflexão total, difracção e absorção de ondas deverão ser estudados no laboratório. A actividade (proposta para duas aulas) permitirá estudar os diferentes comportamentos e condições em que estes fenómenos podem ser observados com radiações de frequências diferentes: microondas e LASER. Permitirá também compreender que aqueles fenómenos, comuns a qualquer tipo de onda, são fundamentais nos processos de comunicação. Quando a escola não possuir o material indicado para as actividades laboratoriais propostas, poderá optar por material alternativo, desde que cumpra os mesmos objectivos. A Unidade está prevista para 18 aulas de 1,5 h, incluindo 3 actividades laboratoriais (AL2.1, AL2.2 e AL2.3)

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

Objecto de ensino 2.1. Comunicação de informação a curtas distâncias •

•

Transmissão de sinais • Sinais • Propagação de um sinal: energia e velocidade de propagação (modelo ondulatório) • Onda periódica: periodicidade no tempo e no espaço • Sinal harmónico e onda harmónica Som • Produção e propagação de um sinal sonoro • Som como onda mecânica • Propagação de um som harmónico • Espectro sonoro • Sons harmónicos e complexos Microfone e altifalante • Finalidades • Campo magnético e campo eléctrico. Unidades SI • Linhas de campo • Fluxo magnético através de uma e de várias espiras condutoras • Indução electromagnética • Força electromotriz induzida. Lei de Faraday

2.2. Comunicação de informação a longas distâncias •

A radiação electromagnética na comunicação • Produção de ondas de rádio: trabalhos de Hertz e Marconi • Transmissão de informação • Sinal analógico e sinal digital • Modulação de sinais analógicos, por amplitude e por frequência • Reflexão, refracção, reflexão total, absorção e difracção de ondas12 • Bandas de radiofrequência

Objectivos de aprendizagem Esta Unidade permitirá ao aluno saber:

2.1. Comunicação de informação a curtas distâncias (10 aulas, incluindo AL2.1 e AL2.2) • • • 12

Identificar um sinal como uma perturbação de qualquer espécie que é usada para comunicar (transmitir) uma mensagem ou parte dela. Reconhecer que um sinal se localiza no espaço e no tempo, podendo ser de curta duração ou contínuo Identificar diferentes tipos de sinais Assunto a ser estudado na actividade laboratorial AL2.3

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

•

• • • • • •

Identificar o fluxo magnético que atravessa uma espira (Φ = B A cosα), como o produto da intensidade de campo magnético que a atravessa perpendicularmente pela sua área, e explicar as condições que o tornam máximo, mínimo ou nulo. Generalizar para várias espiras Explicar em que consiste o fenómeno de indução electromagnética Explicar como se produz uma força electromotriz induzida num condutor em termos dos movimentos deste que originam variações do fluxo Identificar força electromotriz induzida como a taxa de variação temporal do fluxo magnético (Lei de Faraday) Exprimir o valor de uma força electromotriz em unidades SI Relacionar a força electromotriz de um gerador com a energia que este pode disponibilizar Explicar o funcionamento de um microfone de indução e de um altifalante

2.2. Comunicação de informação a longas distâncias •

• • • •

• • • • • • • •

•

Unidade 2 – Comunicações

(8 aulas, incluindo AL2.3)

Compreender as limitações de transmitir sinais sonoros a longas distâncias, em comparação com a transmissão de sinais electromagnéticos, e consequente necessidade de usar ondas electromagnéticas (ondas portadoras) para a transmissão de informação contida nos sinais sonoros Reconhecer marcos importantes na história do Electromagnetismo e das comunicações (trabalhos de Oersted, Faraday, Maxwell, Hertz e Marconi) Explicitar a necessidade de converter um sinal sonoro num sinal eléctrico de modo a poder modular uma onda electromagnética Distinguir um sinal analógico de um sinal digital Distinguir um sinal modulado em amplitude (AM) de um sinal modulado em frequência (FM) pela variação que o sinal a transmitir produz na amplitude ou na frequência da onda portadora, respectivamente Reconhecer que parte da energia de uma onda incidente na superfície de separação de dois meios é reflectida, parte transmitida e parte é absorvida Reconhecer que a repartição da energia reflectida, transmitida e absorvida depende da frequência da onda incidente, da inclinação do feixe e das propriedades dos materiais Enunciar as leis da reflexão e da refracção Relacionar o índice de refracção da radiação relativo entre dois meios com a relação entre as velocidades de propagação da radiação nesses meios Explicitar as condições para que ocorra reflexão total da luz, exprimindo-as quer em termos de índice de refracção, quer em termos de velocidade de propagação Reconhecer as propriedades da fibra óptica para guiar a luz no interior da fibra (transparência e elevado valor do índice de refracção) Explicar em que consiste o fenómeno da difracção e as condições em que pode ocorrer Explicar, com base nos fenómenos de reflexão, refracção e absorção da radiação na atmosfera e junto à superfície da Terra, as bandas de frequência adequadas às comunicações por telemóvel e transmissão por satélite Reconhecer a utilização de bandas de frequência diferentes nas estações de rádio, estações de televisão, telefones sem fios, radioamadores, estações espaciais, satélites, telemóveis, controlo aéreo por radar e GPS e a respectiva necessidade e conveniência

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

•

Interpretação das propriedades do campo eléctrico e magnético através da observação experimental de espectros ou de esquemas representativos das respectivas linhas de campo (campos criados por cargas eléctricas pontuais, cargas do mesmo sinal e de sinal contrário, placas paralelas com cargas de sinal contrário, ímanes, fio rectilíneo percorrido por uma corrente eléctrica e bobinas). O professor deverá verificar se o aluno é capaz de: - reconhecer a acção de um campo eléctrico sobre cargas eléctricas e de um campo magnético sobre agulhas magnéticas - reconhecer que uma carga eléctrica origina um campo eléctrico e que ímanes e cargas eléctricas em movimento (correntes) originam um campo magnético - visualizar as propriedades de diferentes campos eléctricos e magnéticos através das linhas de campo, reconhecendo semelhanças e diferenças

•

Observação do aparecimento de uma força electromotriz induzida quando se varia o fluxo do campo magnético, identificando modos de fazer variar o fluxo. O professor deverá verificar se o aluno é capaz de: - indicar as condições necessárias à produção de uma força electromotriz induzida num condutor - enunciar a lei de Faraday

•

Resolução de exercícios e problemas que envolvam o conceito de fluxo magnético e a lei de Faraday.

2.2. Comunicação de informação a longas distâncias -

Pesquisa e debate sobre a experiência de Hertz e os trabalhos de Marconi que levaram à produção de ondas de rádio e à transmissão de som através destas. A discussão deverá proporcionar oportunidade para debater o papel da previsão teórica (referência a Maxwell) e da confirmação experimental para o avanço da Ciência e da Tecnologia O professor deverá verificar se o aluno é capaz de: - descrever e interpretar a experiência do dipolo de Hertz - associar a emissão e recepção de ondas de rádio por antenas com o que se passa na bobina de faísca e na de indução reconhecer a importância da experiência de Hertz na comprovação da teoria de Maxwell - explicar, relacionando as experiências de Oersted, Faraday e Hertz, que a Ciência se vai construindo com pequenos avanços que induzem novas descobertas - identificar uma situação em que os interesses económicos provocam o desenvolvimento tecnológico, partindo de uma descoberta científica - a transmissão de ondas de rádio a longas distâncias, pela primeira vez, pelo inventor italiano Marconi, com base nos trabalhos do físico alemão Hertz - relacionar o trabalho destes três homens (Maxwell, Hertz e Marconi) com os grandes meios actuais de comunicação, por eles nunca imaginados - a rádio, a televisão e a comunicação por satélite. - reconhecer neste exemplo histórico, a importância da Física como proporcionadora de meios para a evolução da sociedade - na sua educação, cultura, economia, etc.

•

Utilização da calculadora gráfica ligada a um sensor de luz para observar um sinal digital resultante da passagem de um cartão com fendas, simulando um código de barras O professor deverá verificar se o aluno é capaz de:

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

distinguir um sinal analógico de um sinal digital associar um sinal analógico a uma função contínua no tempo associar um sinal digital a uma série de impulsos num sistema binário

•

Observação e interpretação de uma experiência14 ou de uma simulação para que o aluno se aperceba que, para transmissão de sons a longas distâncias, se utilizam ondas electromagnéticas de determinadas frequências submetidas a processos de modulação. Pretende-se a observação de modulações em amplitude e em frequência, adicionando a uma onda portadora a informação que se pretende transmitir. O professor deverá verificar se o aluno é capaz de: - compreender as limitações de transmitir sinais sonoros a grandes distâncias, em comparação com a transmissão de sinais electromagnéticos, e consequente necessidade de usar ondas electromagnéticas (portadoras) para a transmissão de informação contida nos sinais sonoros - explicitar a necessidade de converter um sinal sonoro num sinal eléctrico de modo a modular uma onda electromagnética - distinguir um sinal modulado em amplitude (AM) de um sinal modulado em frequência (FM), pela variação que o sinal a transmitir provoca, respectivamente, na amplitude e na frequência da onda portadora - representar esquematicamente um sinal modulado em AM e FM e as respectivas ondas portadoras e sinais a transmitir - reconhecer que a informação transmitida por modulação se propaga à velocidade da luz no respectivo meio

•

Exploração crítica de uma experiência15 sobre propagação de informação por fibra óptica O professor deverá verificar se o aluno é capaz de: - reconhecer a necessidade de modular o sinal electromagnético de um laser com um sinal sonoro - identificar o processo de propagação na fibra óptica por sucessivas reflexões internas - reconhecer a necessidade de desmodular o sinal e transformá-lo de novo em sinal sonoro para se tornar audível.

Material necessário para a realização da experiência: osciloscópio, microfone, amplificador, gerador de sinais, gerador de sinais com função AM e FM, diapasões. 15

Introduzir um sinal sonoro num modulador com LASER, utilizando um microfone. Intercalar uma fibra óptica entre a saída do modulador e o receptor (com detector de luz) que permite a desmodulação. Ouvir através de um altifalante o sinal sonoro transmitido.

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

AL 2.2 – Velocidades do som e da luz

Unidade 2 – Comunicações

(1 aula)

Questão-problema

Dois amigos divertem-se a imaginar modos de medir o comprimento de um túnel por processos diversos. Um deles sugere que se emita simultaneamente um som intenso e um sinal LASER numa extremidade do túnel. Segundo ele a diferença entre os instantes de chegada dos dois sinais à outra extremidade permitiria determinar o comprimento desejado. Com base na realização de uma actividade experimental e fazendo as pesquisas necessárias discutir as condições em que este processo poderá ter êxito. Pretende-se com esta actividade que o aluno se aperceba, a partir de determinações experimentais e de consulta de informação, da grande diferença entre as ordens de grandeza das velocidades da luz e do som, em qualquer meio, bem como dos parâmetros que influenciam este valor (temperatura e humidade). A velocidade do som deve ser medida de uma forma conceptualmente simples e intuitiva, utilizando a medição do tempo de percurso de um impulso sonoro em diferentes distâncias.

Os alunos deverão: fazer a montagem para a determinação da velocidade do som no ar, ligando um microfone a um osciloscópio através de um amplificador e colocando-o junto das extremidades de uma mangueira; colocar o disparo do osciloscópio no modo normal e utilizar o trigger externo ligado à entrada do amplificador onde se ligam também os terminais do microfone; medir, no osciloscópio, o intervalo de tempo entre os dois picos correspondentes aos impulsos16 à entrada e à saída da mangueira calcular o valor da velocidade do som no ar; comparar o valor obtido experimentalmente para a velocidade do som no ar com valores tabelados e calcular o desvio percentual

Objecto de ensino • •

Velocidade de propagação de uma radiação electromagnética em diferentes meios Velocidade de propagação do som em diferentes meios

Objectivos de aprendizagem Esta actividade permitirá ao aluno saber: • •

Determinar a velocidade de propagação de um sinal a partir do intervalo de tempo que este leva a percorrer uma determinada distância Comparar ordens de grandeza dos valores das velocidades do som e da luz

Poderá recorrer-se a uma tampa de refrigerante para obter um impulso sonoro.

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

Competências a desenvolver pelos alunos A3, A4, A5, A6 e A7 B2, B4, B7 e B8 C1 a C7

Material e equipamento por turno Material e equipamento Osciloscópio com trigger externo Microfone Amplificador Mangueira de 10 m a 20 m de comprimento Gerador de sinais

Quantidades 4 4 4 4 4

Sugestões de avaliação Apresentar resposta fundamentada à questão proposta que inclua: − o resultado da determinação da velocidade do som no ar, afectado do desvio percentual relativamente ao valor tabelado. − comparação das ordens de grandeza dos valores medidos para a velocidade do som no ar e obtido por consulta para a velocidade da luz no ar e no vazio − discussão das condições em que o método é aplicável

AL 2.3 – Comunicações por radiação electromagnética

(2 aulas)

Questão-problema

Nas comunicações por telemóvel e via satélite são utilizadas microondas de determinadas faixas de frequências. Em grandes cidades são construídas torres altas que suportam um conjunto de antenas parabólicas de modo a permitir a propagação ponto a ponto das microondas acima do topo dos edifícios. Com base na realização de uma actividade experimental procurar interpretar esta situação. Pretende-se com esta actividade que o aluno compreenda os princípios básicos da transmissão de informação por radiação electromagnética, a partir de observações experimentais dos fenómenos de reflexão, refracção, absorção e difracção. É ainda objectivo desta actividade que o aluno compreenda que estes fenómenos são comuns a qualquer tipo de ondas, observando-os com microondas, ultra-sons, LASER ou luz visível17. Por uma questão de segurança, as experiências com LASER deverão ser realizadas pelo professor.

Os alunos deverão: fazer a montagem do equipamento de modo a:

Estas actividades serão realizadas de acordo com o material existente na escola.

Componente de Física

Física e Química A – 11º Ano

Unidade 2 – Comunicações

detectar o aumento de atenuação com a distância ao emissor; intercalar, entre o emissor e o receptor, obstáculos de materiais diferentes (água, vidro, glicerina, tijolo, madeira, plástico, metal, papel, pano seco e molhado…). Explorar nas suas vizinhanças, em várias posições, a intensidade da radiação de forma a estudar o comportamento da radiação na presença destes materiais no que respeita aos fenómenos de absorção, reflexão, refracção, reflexão total e difracção; medir os ângulos de incidência e de reflexão numa placa reflectora; direccionar o feixe com uma superfície parabólica;

Objecto de ensino •

Transmissão de informação por radiação electromagnética • Reflexão, refracção, reflexão total, absorção e difracção • Bandas de frequência para diferentes tipos de transmissão

Objectivos de aprendizagem Esta actividade permitirá ao aluno saber: - reconhecer que parte da energia de uma onda electromagnética incidente na superfície de separação de dois meios é reflectida, parte transmitida e parte absorvida - reconhecer que a repartição da energia reflectida, transmitida e absorvida depende da frequência da onda incidente, da inclinação do feixe e das propriedades dos materiais - enunciar as leis da reflexão e da refracção - relacionar o índice de refracção relativo entre dois meios com a relação entre as velocidades de propagação da radiação nesses meios - explicitar as condições para que ocorra reflexão total, exprimindo-as, quer em termos de índice de refracção, quer em termos de velocidade de propagação - reconhecer as propriedades da fibra óptica para guiar a luz no interior da fibra (transparência e elevado valor do índice de refracção) - explicar, com base nos fenómenos de reflexão, refracção e absorção na atmosfera e junto à superfície da Terra, as bandas de frequência adequadas às comunicações por telemóvel e transmissão por satélite - reconhecer a utilização de bandas de frequência diferentes nas estações de rádio, estações de televisão, telefones sem fios, radioamadores, estações espaciais, satélites, telemóveis, controlo aéreo por radar e GPS

Competências a desenvolver pelos alunos A1, A2, A3, A4 e A5 B5, B6, B7 e B8 C1 a C7

Componente de Física

AÇÃO DE FORMAÇÃO: A ATIVIDADE PRÁTICA/LABORATORIAL NA LECIONAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO E ONDAS”

EXCERTO DO PROGRAMA DA DISCIPLINA DE FÍSICA E QUÍMICA A – 11º ANO OU 12º ANO – CURSO CIENTÍFICO-HUMANÍSTICO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS (DATA DE HOMOLOGAÇÃO 2014) - SUBUNIDADE: ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

Física e Química A

Física 11.º ano

transformadores, os contextos de aplicação da Lei de Faraday podem incluir lanternas que funcionam com base na indução eletromagnética, placas de indução e fornos de indução.

• Ondas eletromagnéticas (7 aulas) Objetivo geral Compreender a produção de ondas eletromagnéticas e caracterizar fenómenos ondulatórios a elas associados; fundamentar a sua utilização, designadamente nas comunicações e no conhecimento da evolução do Universo. Conteúdos Espetro eletromagnético Reflexão, transmissão e absorção Leis da reflexão Refração: Leis de Snell-Descartes Reflexão total Difração Efeito Doppler O big bang, o desvio para o vermelho e a radiação cósmica de fundo • AL 3.1. Ondas: absorção, reflexão, refração e reflexão total • AL 3.2. Comprimento de onda e difração Orientações e sugestões Deve enfatizar-se a relevância da luz no conhecimento do mundo, proporcionado pela investigação científica, e o papel da luz nas mais variadas aplicações tecnológicas. Os alunos devem ser sensibilizados para o facto de a luz ser um meio usado para conhecer o Universo em larga escala, havendo ainda muitos problemas em aberto que estão a ser estudados pelos físicos. Um contexto que deve ser usado é o dos telescópios que captam luz vinda do espaço exterior em diferentes regiões do espetro eletromagnético, indicando exemplos. O estudo das ondas eletromagnéticas deve ser efetuado de modo a proporcionar uma visão integrada da ciência, estabelecendo-se, sempre que possível, ligações com outros conteúdos do Programa, por exemplo a utilização do fenómeno da difração em espetroscopia. A expressão λ = sinθ deve ser fornecida ao aluno sempre que a respetiva atividade (Comprimento de onda e difração) seja objeto de avaliação.

MEC – 2014

Física e Química A

Trabalho prático-laboratorial

AL 2.2. Velocidade de propagação Objetivo geral: Determinar a velocidade de do som propagação de um sinal sonoro. Sugestões: Ligar um microfone à entrada de um osciloscópio com a função de disparo controlado por um nível de tensão ativada (NORM). Produzir um sinal impulsivo forte perto do microfone (que deve ter um amplificador incorporado ou estar ligado a um amplificador) e observar o sinal originado. Se necessário, para observar o aparecimento do sinal, controlar o nível de disparo (LEVEL). Colocar depois o microfone junto das extremidades de uma mangueira, cujo comprimento foi medido, e, produzindo repetidamente sinais impulsivos, observar a localização do novo sinal Registar o seu espaçamento temporal à origem (tempo que o impulso demorou a percorrer a mangueira), repetir e encontrar o valor mais provável. Usando este tempo e o comprimento da mangueira, calcular a velocidade do som. Registar a temperatura, comparar o valor obtido experimentalmente com valores tabelados e avaliar o erro percentual. Grupos diferentes podem usar mangueiras de diferentes comprimentos e compararem resultados. Em alternativa pode ser usado um computador com software de edição de som, ou um outro sistema de aquisição automático de dados.

AL 3.1. Ondas: absorção, reflexão, refração e reflexão total

Objetivo geral: Investigar os fenómenos de absorção, reflexão, refração e reflexão total, determinar o índice de refração de um meio em relação ao ar e prever o ângulo crítico.

Sugestões: A atividade pode fazer-se com luz visível ou outra, mas, em qualquer caso, os alunos devem compreender que os fenómenos são comuns a qualquer tipo de ondas. Estudar o comportamento da luz na presença de diversos materiais (água, vidro, glicerina, plástico, metal ou acrílico) no que respeita aos fenómenos de absorção, reflexão, refração e reflexão total. Fazer incidir luz em diversos materiais e avaliar a sua capacidade refletora, a transparência e a diminuição da intensidade do feixe, ou a mudança da direção do feixe no novo meio. Medir os ângulos de incidência e de reflexão numa placa refletora, relacionando-os. Medir ângulos de refração para diferentes ângulos de incidência (quatro ou cinco valores diferentes). Construir o gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência e determinar o índice de refração relativo dos dois meios a partir da equação da reta de regressão. Prever o ângulo crítico de reflexão total entre um meio e o ar e verificar o fenómeno da reflexão total para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico. Observar o que acontece à luz enviada para o interior de uma fibra ótica. AL 3.2. Comprimento de onda e Objetivo geral: Investigar o fenómeno da difração e difração determinar o comprimento de onda da luz de um laser. Sugestões: Ligar um laser e observar num alvo um ponto intensamente iluminado. Apontar o feixe perpendicularmente para uma fenda de abertura variável e, iniciando com a abertura máxima, investigar no alvo as variações na forma da zona iluminada quando se vai fechando a fenda. Investigar também o efeito de intercalar fendas múltiplas entre o feixe e o alvo, sucessivamente de número crescente. MEC – 2014

Física e Química A

Trabalho prático-laboratorial

Concluir que os pontos luminosos observados resultam da difração e aparecem mais espaçados com o aumento do número de fendas. Usando uma rede de difração de característica conhecida (300 a 600 linhas/mm), calcular a distância entre duas fendas consecutivas, d, e determinar o comprimento de onda da luz laser a partir da expressão λ = sinθ (sendo n a ordem do máximo e θ o ângulo entre a direção perpendicular à rede e a direção da linha que passa pelo ponto luminoso e pelo ponto de incidência do feixe na rede de difração). Os alunos devem ser alertados para os cuidados a ter com a luz laser. Pode também usar-se a rede de difração com luz policromática (luz branca) ou com luz LED (por exemplo com LED vermelho, verde e azul), evidenciando assim o fenómeno da difração e o seu uso em espetroscopia.

MEC – 2014

Física e Química A

2.8

2.9

2.10 2.11

2.12 2.13

2.14

Metas Curriculares 11.º ano Física

Indicar que um campo magnético pode ter origem em ímanes ou em correntes elétricas e descrever a experiência de Oersted, identificando-a como a primeira prova experimental da ligação entre eletricidade e magnetismo. Caracterizar qualitativamente a grandeza campo magnético num ponto, a partir da representação de linhas de campo quando a origem é um íman, uma corrente elétrica num fio retilíneo, numa espira circular ou num solenoide, e indicar a sua unidade SI. Identificar campos uniformes (elétricos ou magnéticos) a partir das linhas de campo. Definir fluxo magnético que atravessa uma espira, identificando as condições que o tornam máximo ou nulo, indicar a sua unidade SI e determinar fluxos magnéticos para uma espira e várias espiras iguais e paralelas. Identificar condições em que aparecem correntes induzidas (fenómeno de indução eletromagnética) e interpretar e aplicar a Lei de Faraday. Interpretar a produção de corrente elétrica alternada em centrais elétricas com base na indução eletromagnética e justificar a vantagem de aumentar a tensão elétrica para o transporte da energia elétrica. Identificar a função de um transformador, relacionar as tensões do primário e do secundário com o respetivo número de espiras e justificar o seu princípio de funcionamento no fenómeno de indução eletromagnética.

Ondas eletromagnéticas 3. Compreender a produção de ondas eletromagnéticas e caracterizar fenómenos ondulatórios a elas associados; fundamentar a sua utilização, designadamente nas comunicações e no conhecimento da evolução do Universo. 3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

Associar a origem de uma onda eletromagnética (radiação eletromagnética ou luz) à oscilação de uma carga elétrica, identificando a frequência da onda com a frequência de oscilação da carga. Indicar que uma onda eletromagnética resulta da propagação de campos elétrico e magnético variáveis, perpendiculares entre si e perpendiculares à direção de propagação da onda. Identificar o contributo de Maxwell para a teoria das ondas eletromagnéticas e de Hertz para a produção e a deteção de ondas eletromagnéticas com grande comprimento de onda. Interpretar a repartição da energia de uma onda eletromagnética que incide na superfície de separação de dois meios (parte refletida, parte transmitida e parte absorvida) com base na conservação da energia, indicando que essa repartição depende da frequência da onda incidente, da inclinação da luz e dos materiais. Aplicar a repartição da energia à radiação solar incidente na Terra, assim como a transparência ou opacidade da atmosfera a ondas eletromagnéticas com certas frequências, para justificar a fração da radiação solar que é refletida (albedo) e a que

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Física e Química A

3.6 3.7

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Metas Curriculares 11.º ano Física

chega à superfície terrestre e a importância (biológica, tecnológica) desta na vida do planeta. Enunciar e aplicar as Leis da Reflexão da Luz. Caracterizar a reflexão de uma onda eletromagnética, comparando as ondas incidente e refletida usando a frequência, velocidade, comprimento de onda e intensidade, e identificar aplicações da reflexão (radar, leitura de códigos de barras, etc.). Determinar índices de refração e interpretar o seu significado. Caracterizar a refração de uma onda, comparando as ondas incidente e refratada usando a frequência, velocidade, comprimento de onda e intensidade. Estabelecer, no fenómeno de refração, relações entre índices de refração e velocidades de propagação, índices de refração e comprimentos de onda, velocidades de propagação e comprimentos de onda. Enunciar e aplicar as Leis da Refração da Luz. Explicitar as condições para que ocorra reflexão total da luz, exprimindo-as quer em função do índice de refração quer em função da velocidade de propagação, e calcular ângulos limite. Justificar a constituição de uma fibra ótica com base nas diferenças de índices de refração dos materiais que a constituem e na elevada transparência do meio onde a luz se propaga de modo a evitar uma acentuada atenuação do sinal, dando exemplos de aplicação. Descrever o fenómeno da difração e as condições em que pode ocorrer. Fundamentar a utilização de bandas de frequências adequadas (ondas de rádio e microondas) nas comunicações, nomeadamente por telemóvel e via satélite (incluindo o GPS). Descrever qualitativamente o efeito Doppler e interpretar o desvio no espetro para comprimentos de onda maiores como resultado do afastamento entre emissor e recetor, exemplificando com o som e com a luz. Indicar que as ondas eletromagnéticas possibilitam o conhecimento da evolução do Universo, descrito pela teoria do big bang, segundo a qual o Universo tem estado em expansão desde o seu início. Identificar como evidências principais do big bang o afastamento das galáxias, detetado pelo desvio para o vermelho nos seus espetros de emissão (equivalente ao efeito Doppler) e a existência de radiação de fundo, que se espalhou pelo Universo quando se formaram os primeiros átomos (principalmente hidrogénio e hélio) no Universo primordial.

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Física e Química A

Metas específicas das atividades laboratoriais 11.º ano Física

Determinar a resultante das forças de atrito que atuam sobre o bloco a partir da Segunda Lei de Newton.

AL 2.1. Características do som Objetivo geral: Investigar características de um som (frequência, intensidade, comprimento de onda, timbre) a partir da observação de sinais elétricos resultantes da conversão de sinais sonoros. 1. Identificar sons puros e sons complexos. 2. Comparar amplitudes e períodos de sinais sinusoidais. 3. Comparar intensidades e frequências de sinais sonoros a partir da análise de sinais elétricos. 4. Medir períodos e calcular frequências dos sinais sonoros, compará-los com valores de referência e avaliar a sua exatidão. 5. Identificar limites de audição no espetro sonoro. 6. Medir comprimentos de onda de sons. AL 2.2. Velocidade de propagação do som Objetivo geral: Determinar a velocidade de propagação de um sinal sonoro. 1. Medir a velocidade do som no ar (medição indireta). 2. Comparar o valor obtido para a velocidade do som com o tabelado, avaliar a exatidão do resultado e calcular o erro percentual. AL 3.1. Ondas: absorção, reflexão, refração e reflexão total Objetivo geral: Investigar os fenómenos de absorção, reflexão, refração e reflexão total, determinar o índice de refração de um meio em relação ao ar e prever o ângulo crítico. 1. Avaliar a capacidade refletora e a transparência de diversos materiais quando neles se faz incidir luz e a diminuição da intensidade do feixe ou a mudança da direção do feixe de luz. 2. Medir ângulos de incidência e de reflexão, relacionando-os. 3. Medir ângulos de incidência e de refração. 4. Construir o gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência, determinar a equação da reta de ajuste e, a partir do seu declive, calcular o índice de refração do meio em relação ao ar. 5. Prever qual é o ângulo crítico de reflexão total entre o meio e o ar e verificar o fenómeno da reflexão total para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico, observando o que acontece à luz enviada para o interior de uma fibra ótica. 6. Identificar a transparência e o elevado valor do índice de refração como propriedades da fibra ótica que guiam a luz no seu interior.

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Física e Química A

Metas específicas das atividades laboratoriais 11.º ano Física

AL 3.2. Comprimento de onda e difração Objetivo geral: Investigar o fenómeno da difração e determinar o comprimento de onda da luz de um laser. 1. Identificar o fenómeno da difração a partir da observação das variações de forma da zona iluminada de um alvo com luz de um laser, relacionando-as com a dimensão da fenda por onde passa a luz. 2. Concluir que os pontos luminosos observados resultam da difração e aparecem mais espaçados se se aumentar o número de fendas por unidade de comprimento. 3. Determinar o comprimento de onda da luz do laser. 4. Justificar o uso de redes de difração em espetroscopia, por exemplo na identificação de elementos químicos, com base na dispersão da luz policromática que elas originam.

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AÇÃO DE FORMAÇÃO: A ATIVIDADE PRÁTICA/LABORATORIAL NA LECIONAÇÃO DE CONCEITOS DE ELETROMAGNETISMO E ONDAS”

BIBLIOGRAFIA MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO – DEPARTAMENTO DE EDUCAÇÃO, Programa da disciplina de Física e Química A – 11º ano ou 12º ano – Curso Científico-Humanístico de Ciências e Tecnologias (Data de homologação 2003) MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO – DEPARTAMENTO DE EDUCAÇÃO, Programa de Física e Química A – 10º ano e 11º ano – Curso Científico-Humanístico de Ciências e Tecnologias (Data de homologação 2014) PAIXÃO, J.A., PEÑA, T. (2013). Parecer da SPF sobre o programa e metas curriculares de Física e Química A para os 10º e 11º anos de escolaridade e sobre as metas curriculares para o programa de Física do 12º ano de escolaridade. Acedido em 13 de março de 2014 em http://spf.pt/files/imprensa/Metas%20curriculares_SPFisica.pdf SANTOS, G., FIOLHAIS, M. (2004). Parecer sobre o projeto de programas da disciplina de Física e Química A – 11º ano. Componente de Física para os cursos gerais de ciências naturais e tecnológicas. Acedido em 13 de março de 2014 em http://nautilus.fis.uc.pt/spf/DTE/pdfs/parecerFINAL_spf_fisicaA11.pdf