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Helena Aldeia Gil
1 70 6 A SEQUÊNCIA DIDÁTICA Muito tem se discutido sobre a inserção de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. Os desafios são muitos: como trabalhar conceitos tão abstratos? Qual a melhor metodologia? Quais são os tópicos que devem ser estudados? Os alunos têm capacidade cognitiva para aprender estes conteúdos? Refletimos muito acerca de cada um destes desafios e consideramos ser possível sim que alunos em nível médio aprendam FMC. Pesquisas realizadas na área de ensino de Física mostram que os professores, em sua maioria, acreditam que temas de FMC devam fazer parte do currículo do Ensino Médio A grande questão é como esta inserção deve ser feita. Por acreditarmos que seja necessário a inserção de tópicos de FMC em nível médio, e dada a carência de material didático, gostaríamos de contribuir com área de ensino de Física, propondo uma sequência de ensino abordando temas de FMC para alunos do ensino médio. Os PCN+ sinalizam que o ensino de Física desenvolva competências que permitam ao aluno acompanhar o desenvolvimento tecnológico contemporâneo, ler manuais de equipamentos eletro-eletrônicos, entender o funcionamento de aparatos tecnológicos... (Brasil, 2001). Dentro deste contexto, escolhemos a TV como aparato tecnológico a ser explorado nesta proposta de ensino. A TV é um dos aparatos tecnológico que mais sofreu mudanças ao longo dos últimos anos e apresenta relação direta com a evolução de conceitos científicos. Acreditamos ainda, que o estudo da TV seja interessante para os alunos, pois ela faz parte do cotidiano deles e pode servir como elemento motivador no processo de ensino-aprendizagem. A motivação viria da curiosidade em entender como funciona os diversos tipos de TV disponíveis no mercado e quais fatores realmente são relevantes na hora de se escolher qual tipo de TV: convencional, plasma, LCD ou LED devemos comprar. Esta proposta foi estrutura em um conjunto de sete atividades que podem ser desenvolvidas no final da 3 a série do Ensino Médio, depois que os alunos já estudaram os conceitos de campo elétrico, campo magnético, diferença de potencial, ondas eletromagnéticas e o espectro eletromagnético. As atividades estão distribuídas em 8 aulas sendo uma delas destinada a avaliação da aprendizagem e da proposta de ensino. A proposta de ensino começa sugerindo um levantamento das TVs existentes atualmente no mercado. Na primeira atividade dividimos os termos relacionados a esta tecnologia em três grupos: funcionamento, qualidade da imagem e periféricos. Aproveitamos esta atividade de classificação para explorar os termos relacionados aos periféricos, já que
2 71 estes termos são, na maioria, de domínio dos alunos. Nas atividades 2,3 e 4 propomos o estudo dos termos relacionados ao funcionamento da TV (plasma, LED, LCD). O estudo deste funcionamento nos leva a abordar o conceito de banda, o conceito de fóton e a questão da dualidade onda-partícula. Nas atividades 5 e 6 propomos o estudo dos termos relacionados a qualidade da imagem. Começamos por apresentar como as imagens são formadas a partir do conceito de sobreposição da luz produzidos por pontos de luz, exploramos o conceito de pixel e a relação deste com a qualidade das imagens. As atividades propostas têm como eixo estruturador a problematização. A problematização de conceitos e práticas é defendida como eixo estruturador da atividade docente (DELIZOICOV,2001). Nesse aspecto, destaca-se que problematizar conhecimentos veiculados e abordagens pedagógicas requer decisões de natureza sociológica e epistemológica. Produzir controvérsias para se gerar fatos novos não se caracteriza como objetivo apenas de ciências naturais, mas também de ciências sociais, discutindo e propondo novas formas de organização curricular no ensino de Física, que se estendam em rumo a uma educação como prática da liberdade (FREIRE, 1979). Na atividade diária, em se tratando de ensino de Física, as atividades problematizadoras, propostas por Paulo Freire, podem ser estruturadas com o auxílio do que se denomina momentos pedagógicos. Propostos por Delizoicov (2001), estes três momentos, conforme caracterizados a seguir, consistem em etapas a serem seguidas para que uma educação dialógica e problematizadora possa ser realizada em sala de aula. O primeiro momento é a problematização inicial. Neste momento o professor deverá apresentar uma questão e/ou situação que deve ser discutida e debatida pelos alunos. O importante é que esta questão/situação faça parte da realidade do aluno. A problematizarão inicial deve propor questionamentos de forma dialógica. Este momento tem como objetivos principais: envolver o aluno com o tema que será abordado e diagnosticar as pré-concepções dos alunos acerca do tema. Durante uma aula, este problema é colocado para os alunos na forma de uma questão, por exemplo, em que os mesmos podem expor seu conhecimento prévio sobre o assunto, discutindo suas implicações. Este momento é primordial para que ocorra o clima dialógico, comunicativo e participativo, em que as idéias podem ser livremente expostas. Neste primeiro momento, a função do professor é questionar posicionamentos e lançar dúvidas. Deseja-se aguçar explicações contraditórias e localizar possíveis lacunas do conhecimento que vem sendo exposto. O ponto culminante dessa problematização é fazer
3 72 com que o aluno sinta a necessidade da aquisição de outros conhecimentos que ainda não detém. O segundo momento se caracteriza pela sistematização dos conceitos. O professor deve organizar os conteúdos de forma que haja a completa compreensão do tema e do problema apresentado. Esta organização visa ampliar o diálogo do desafio inicial, introduzindo uma nova visão de conhecimento aos alunos, a visão científica. É nesse momento que a resolução de exercícios/problemas e a exploração de textos teóricos e científicos podem desempenhar sua função formativa na apropriação dos conhecimentos específicos. No terceiro e último momento, os conhecimentos que vem sendo incorporados pelo aluno são apresentados sob novas abordagens. A nova visão, agora ampliada, deverá ser usada pelos alunos para analisar o problema inicial, generalizando-o para outras situações que também são explicadas pelo mesmo conhecimento. Novos desafios são colocados para a análise dos alunos, explicitando também as limitações do novo conhecimento prévio e cientifico abordados. Do mesmo modo que no momento anterior, as mais diversas atividades são utilizadas, buscando agora a generalização dos conceitos que já foram abordados. Nesse momento, deseja-se que o aluno seja capaz de articular a conceituação científica com situações reais e não pura e simplesmente encontrar uma solução matemática a um problema típico do livro didático. Esse momento pode ser estruturado de modo que os alunos percebam que o conhecimento, além de ser uma construção histórica, é acessível a qualquer cidadão, que dele pode fazer uso. Após a descrição de cada atividade apresentamos um tópico chamado: comentários sobre o desenvolvimento da atividade. Neste tópico apresentamos sugestões de como o professor pode conduzir as discussões em sala de aula. No final da proposta disponibilizamos um texto de apoio e uma bibliografia de aprofundamento para cada uma das aulas. Elas podem ajudar o professor a responder aos questionamentos propostos nas atividades, apresentaram bibliografia para aprofundamento dos estudos, sugestão de sites e experimentos que podem ser inseridos nas atividades. O quadro abaixo mostra como a estrutura da proposta de ensino e os objetivos gerais de cada atividade:
4 73 Atividade No. de Objetivos aulas 01) A TV que você Identificar o que os alunos conhecem sobre a quer ter 1 tecnologia das TVs, Fazer com que o aluno tenha contato com os termos científicos relacionados a TV, Identificar os pontos de interesse dos alunos sobre o tema, Classificar os termos relacionados a TV em três grupos: os que se relacionam com a qualidade das imagens, os que se relacionam ao funcionamento da TV e os que são acessórios. 02) O que são plasmas, LCD e LED 2 i) Entender o que é o plasma, o que é cristal líquido e o que é um LED; j) Entender o modelo atômico semi clássico; k) Entender o processo de excitação e relaxação de um átomo, o que é um semicondutor e como funciona um diodo; l) Entender o conceito de fóton; m) Mostrar experimentalmente a diferença entre um LED e uma lâmpada. 03) Por que as novas TVs são tão finas se comparadas as TVs convencionais? 1 n) Mostrar o funcionamento de uma TV de tubo; o) Mostrar o funcionamento de uma a plasma; p) Discutir o conceito de dualidade da luz. 04) Qual a diferença entre uma TV a plasma e uma TV de LCD e LED? 1 Mostrar como funciona a TV de LCD; Apresentar uma aplicação do conceito de polarização da luz; Entender o princípio da dualidade da luz.
5 74 05) Visualizando os pixels das TV e entendendo como as imagens digitais são formadas. 1 Permitir que os alunos vejam os pixels nos diversos tipos de TV; Fazer com que o aluno compreenda o porquê dos pixels terem as cores: azul, verde e vermelho; Identificar a diferença do tamanho dos pixels das novas TVs e a TV de tubo e a relação desta com a qualidade da imagem. 06) HDTV, FULL HD, HIDEFINITION. Por que as novas TVs têm qualidade tão superior comparadas às TVs convencionais? 1 Conhecer e identificar os termos relacionados as TVs; Mostrar que o tamanho do pixel está relacionado a qualidade da imagem formada; Fazer uma discussão acerca das imagens, identificando se os alunos sabem interpretá-las e de que modo eles estão inseridos no mundo digital. Atividade Avaliativa 1 Identificar o que foi aprendido pelos alunos e identificar pontos de ajustes; QUADRO 03: Distribuição das atividades Fonte: Elaborada pela autora Ao final de cada atividade sugerimos que o professor elabore com a turma ou deixe que eles elaborem individualmente textos descrevendo o que foi discutido na atividade. Esta construção é importante para que o aluno organize os novos conceitos adquiridos. ATIVIDADE 01: A TV QUE VOCÊ QUER TER Esta atividade tem por objetivo identificar o conhecimento dos alunos acerca do tema TVs. Ela está dividida em duas partes. Na primeira faremos um levantamento do conhecimento dos alunos sobre os termos relacionado TVs e na segunda parte o nosso foco será o conhecimento acerca do funcionamento das TVs e os pontos de interesse dos alunos.
6 75 Objetivos: a) fazer um levantamento da relação do aluno com as TVs, em termos de compreensão destes aparelhos tecnológicos através de escolhas de TV que ele deseja adquirir; b) identificar termos técnicos como pixel, LED, LCD, PLASMA entre outros; c) propiciar o desenvolvimento da linguagem científica. Material para desenvolvimento da atividade Panfletos de propaganda que mostram TVs com suas especificações em termos de sua base de funcionamento como: LCD, plasma, LED e valor de pixels. Desenvolvimento da atividade a) Sugerimos que o professor comece a aula explicando aos alunos a proposta desta sequência de ensino, o seu objeto de estudo (TVs) e combine com os alunos como esta atividade será avaliada; b) o professor deve levar para sala de aula panfletos de lojas de eletrodomésticos ou pedir que os alunos levem os panfletos. O importante é garantir que o conjunto de panfletos selecionados tenha todos os tipos de TV: plasma, LCD, LED e TV de tubo. Caso isso não seja possível o professor pode levar os alunos para a sala de informática e pedir que eles façam uma pesquisa em sites que vendem TVs; c) em sala de aula, pedir para que cada aluno escolha a TV que gostaria ter em casa. Solicitar que recorte a imagem da TV escolhida do panfleto, cole em uma folha e responda às perguntas. Caso a pesquisa esteja sendo feita pela Internet, os alunos deverão copiar as características técnicas da TV escolhida. A partir da escolha do tipo de TVs os alunos deverão responder as questões: - Questão 01: Por que você escolheu esta TV? Esta questão tem por objetivo identificar quais os fatores que influenciam na decisão pela escolha de um dos tipos de TV. - Questão 02: Para você, quais são as vantagens desta TV em relação aos outros tipos? Esta questão tem por objetivo identificar se o aluno tem algum conhecimento sobre as principais características das TVs ou se já conhece alguma característica que o faria comprar este tipo de TV ou não.
7 76 - Questão 03: Liste termos que aparecem no panfleto junto a TV escolhida. Qual deles vocês conhecem? Qual deles vocês não conhecem? Esta questão tem por objetivo identificar quais os termos são associados às novas TVs que os alunos conhecem e quais eles desconhecem. - Questão 04: O que você conhece sobre o funcionamento da TV escolhida? Esta questão deve ter por objetivo identificar se o aluno tem algum conhecimento prévio sobre o aparelho e suas características. d) depois que os alunos responderem às questões propostas, o professor deve pedir que eles observem os termos listados na questão 3. Estes termos são de três diferentes naturezas. Uns estão relacionados ao funcionamento da TV, outros estão relacionados à qualidade da imagem e outros a acessórios ou periféricos. Sugerimos que os termos listados sejam classificados conforme a sua natureza. O professor pode fazer uma tabela no quadro negro e ir classificando os termos listados pelos alunos na questão 3. Segue um quadro ilustrativo: Funcionamento Qualidade da Imagem Periféricos LED HD Entrada USB LCD Full HD Energy saving Plasma pixels DTV conversor digital HDMI Ambilight QUADRO 04: Quadro com classificação dos termos Fonte: Elaborada pela autora Bluetooth O professor poderá aproveitar esta atividade para explorar com os alunos a definição dos termos listados em periféricos. Alguns termos já são conhecidos pelos alunos. Exemplo: Bluetooth: permite que a TV se comunique com outros aparelhos eletrônicos sem necessidade de fio. Este acessório permite que o usuário veja as fotos do celular direto na TV, sem necessidade de ligação por cabos. Segue anexo texto de apoio com a definição de alguns periféricos associados às TVs; e) após a classificação dos termos o professor pode solicitar aos alunos que façam em casa uma pesquisa sobre o tipo de TV escolhida. Os alunos que escolheram a TV a plasma devem pesquisar o que significa o termo plasma, como funciona esta TV,
8 77 qual é o consumo de energia desta TV, curiosidades sobre o seu funcionamento... Os alunos que escolheram a TV de LCD devem pesquisar o que significa o termo cristal líquido, como funciona esta TV, qual é o consumo de energia desta TV, curiosidades sobre o seu funcionamento... O mesmo para os alunos que escolheram a TV de LED e a TV de tubo. O professor pode pedir aos alunos que apresentem por escrito suas pesquisas. Elas servirão de material de apoio para os alunos nas próximas atividades. Eles deverão levar os textos para as próximas aulas. Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Acreditamos que os alunos não apresentem muita dificuldade em realizar esta atividade. Ao conduzir e avaliar as respostas dadas pelos alunos às questões propostas o professor deve estar atento a alguns pontos: em relação à questão 02, sobre a escolha da TV, de um modo geral os alunos escolhem a TV mais pelos fatores preço e tamanho. Alguns deles não sabem que existem tipos diferentes de TV, acham que todas as TV finas são iguais. Mostre a eles que as letras ao lado das TVs são muito importante, pois estão relacionadas a diferentes tecnologias. O LED é uma tecnologia diferente do plasma. A grande maioria escolhe as TVs mais finas, mas existem aqueles que escolhem a TV convencional afirmando que a qualidade de imagem deste tipo de TV atende às suas necessidades e que as TV de outro tipo são muito caras e servem apenas para incentivar o consumo de TV. O professor poderá aproveitar a atividade para discutir as questões de consumo que estão presentes em nossa sociedade. Em relação à questão nº 04 sobre o funcionamento da TV escolhida, a maioria dos alunos não sabe muito sobre o que há no interior da TV e como esta funciona. Mostre aos alunos que este é o objetivo desta proposta e espera-se que, ao final das atividades, eles entendam o funcionamento das TVs. ATIVIDADE 02: O que são Plasmas, LCD e LED. Aula 01: Esta atividade é composta de duas aulas. Na primeira aula sugerimos uma discussão sobre a definição dos termos: plasma, LCD a partir da pesquisa feita pelos alunos na aula
9 78 anterior. A partir da discussão dos alunos o professor poderá definir o que é um plasma e um cristal líquido, partindo do princípio que estes são estados da matéria. Exatamente por se tratar de estados da matéria é que escolhemos começar com estes termos. Na segunda aula o professor apresentará a definição e características de um LED. Objetivos: a) explicar aos alunos o que significam os termos: Plasma, LCD, tubo de raios catódicos e LED; e suas aplicações em várias situações. b) formular hipótese para explicar situações que envolvem fenômenos físicos, propor métodos coerentes de provar esta hipótese e expressar considerações de maneira clara e objetiva. c) reconhecer a natureza dos fenômenos físicos envolvidos em situações relacionadas à tecnologia. Material para desenvolvimento da atividade As pesquisas feitas pelos alunos em casa. Um LED e uma lâmpada pequena. Pilhas e fios para ligar o LED e a lâmpada. Opcional: um projetor para reproduzir a sequência de imagens da parte expositiva e um computador com programa que roda arquivos Flash para apresentar uma animação. Desenvolvimento da atividade Aula 01- O plasma e o LCD a) Peça aos alunos que pesquisaram sobre o plasma que apresentem à turma o que descobriram em suas pesquisas. O professor pode perguntar aos alunos: - O que é um plasma? - Em quais situações e equipamentos podemos encontrar o plasma? - Como o plasma pode ser obtido? O professor deve encaminhar a discussão no sentido de mostrar aos alunos que o plasma é um dos estados físicos da matéria como os sólidos, líquidos e gases. Sugerimos que o professor desenhe no quadro um diagrama de fases e acrescente o plasma.
10 79 A partir desta discussão o professor poderá discutir outras questões: - Quais são os fatores que determinam e influenciam a mudança de fase das substâncias? - Quais são as características de um gás? O que o plasma tem de diferente que não pode ser classificado nesta categoria? b) Nesta segunda parte o professor deve solicitar aos alunos que pesquisaram o cristal líquido que apresentem suas pesquisas. O professor pode perguntar aos alunos: - Em que estado físico um cristal é classificado? - O que significa a sigla LCD? - Como um cristal pode estar líquido? - Quais são as características do estado sólido está presente no cristal líquido? - Qual característica do estado líquido que está presente no cristal líquido? c) Após a discussão é importante que o professor faça um registro no quadro negro do que foi discutido. Os alunos devem escrever: o que é o plasma? O que é o um cristal líquido? d) O professor poderá explorar, ainda, em que outras situações podemos encontrar o plasma. Falar sobre o fenômeno da aurora boreal, por exemplo. Comentários sobre a aula 01: Para explicar o conceito de plasma e cristal líquido apresentamos algumas questões para serem discutidas com os alunos, que já tiveram contato com os termos e conceitos físicos ao pesquisá-los, por isso o professor deve deixar que os alunos apresentem as suas definições e trabalhe como um mediador conduzindo a atividade. Salientamos a importância do registro das definições. Aula 02: O LED a) O próximo termo a ser abordado é o LED. O professor poderá mostrar aos alunos um LED. Deixe que os alunos discutam um pouco sobre o termo, já que eles escreveram um texto sobre o assunto. Quais elementos (terminais, um pequeno refletor...) eles conseguem observar neste dispositivo? A fim de apresentar aos alunos a diferença entre uma lâmpada e um LED, o professor pode fazer um experimento demonstrativo:
11 80 Materiais: Um LED, uma lâmpada pequena, pilhas e terminais. Procedimentos: Ligue a lâmpada aos terminais da pilha. Observe. Inverta a polaridade do fio que liga a lâmpada. Observe. Ligue agora o LED na pilha. Observe. Inverta a polaridade do fio que liga o LED. Observe. Após a observação o professor deve questionar aos alunos porque a lâmpada acende nas duas situações e o LED acende apenas em uma. O que eles têm de diferente? Para que o aluno compreenda esta diferença é necessário que ele saiba previamente do que é feito um LED, como ele funciona; o que é um fóton e como ele é produzido. Por isso sugerimos que o professor apresente de forma expositiva alguns conceitos físicos. Uma sugestão de aula expositiva está sugerida nos comentários da atividade. Esta exposição poderá abordar os temas: - Modelo atômico utilizando o conceito de bandas, - Excitação e relaxação, - O que é um fóton, - Conceito de condutores, isolantes e semicondutores, - O que é um diodo, - O que é um LED. Para facilitar o entendimento sobre a condução de um diodo, o professor pode apresentar uma animação; b) Após toda esta exposição sugerimos uma discussão com os alunos: Quais são as vantagens econômicas de se utilizar os LED em várias situações como iluminação pública, lanternas... Eles consomem menos energia? Eles são mais duráveis que as lâmpadas convencionais? Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Esta atividade é um pouco mais teórica que as outras e apresenta uma grande quantidade de conceitos físicos e aplicações. O professor deve estar atento se os alunos estão acompanhando o decorrer da exposição, caso contrário eles poderão se perder e não entender os conceitos apresentados. Segue anexo texto de apoio e bibliografia de aprofundamento.
12 81 Atividade 03: Por que as novas TVs são tão finas se comparadas as TVs convencionais? Esta atividade é constituída de uma aula. Nela discute-se como funciona a TV convencional e faremos uma comparação desta com uma TV mais fina, a de plasma. Objetivos: a) apresentar o funcionamento de uma TV de tubo; b) explicar como um fóton é produzido a partir da excitação do átomo de fósforo; c) explicar como um fóton é produzido pelo plasma em uma tela de TV; d) apresentar aos alunos uma situação em que a característica corpuscular da luz explica um fenômeno físico; e) mostrar aos alunos que o desenvolvimento de novos materiais pode melhorar a qualidade de equipamentos elétricos e eletrônicos; f) apresentar aos alunos o papel desempenhado pelo conhecimento físico no desenvolvimento da tecnologia e a complexa relação entre ciência e tecnologia. Material para desenvolvimento da atividade imagens. As pesquisas feitas pelos alunos na atividade 1 sobre TV de tubo e um projetor de Desenvolvimento da atividade: a) a questão central desta aula é: Porque as novas TVs são tão finas comparadas às TVs convencionais? Faça esta pergunta aos alunos e deixe que eles discutam um pouco o porquê. O professor deverá mostrar aos alunos que a TV a plasma tem no seu interior um gás, a TV de LCD tem em seu interior o cristal líquido e a TV de tubo? b) peça aos alunos que pesquisaram sobre a TV de tubo que apresentem à turma o que descobriram em suas pesquisas. O professor pode perguntar aos alunos: para a imagem aparecer é necessário iluminar pontos na tela. De onde vem esta luz?sugerimos que o professor conduza a discussão no sentido de mostrar aos alunos que a emissão de luz nas telas das TVs de tubo e plasma ocorre pelo mesmo fenômeno: A emissão de fóton pelo átomo. Este fóton é que ilumina a tela dos dois tipos de TV;
13 82 c) o professor poderá fazer uma exposição aos alunos de como o fóton é emitido nos dois tipos de TV seguindo a seguinte sequência: - Faça uma revisão de como o átomo emite fóton, o processo de excitação e relaxação; - Explique como a TV de tubo funciona, - Explique como a TV a plasma funciona; d) retome a pergunta inicial e peça que os alunos redijam um texto respondendo a pergunta inicial desta atividade: Porque as novas TVs são tão finas comparadas às TVs convencionais? e) o professor poderá pedir aos alunos que comparem o tamanho de um tubo de uma TV de 20 polegadas e uma TV de 29 polegadas. Por que a segunda tem um tubo tão maior que a primeira? f) peça aos alunos que relembrem um termo que apareceu ao lado das TV nos panfletos. O termo Hz. O que este termo significa? Porque aparece como característica de uma TV a plasma e não na TV de tubo? g) mais uma vez, sugerimos que o professor peça aos alunos que façam um texto explicando: Como uma TV de tubo funciona? Como uma TV a plasma funciona? Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Esta é uma aula expositiva que explica o funcionamento de uma TV de Tubo e o de uma TV a plasma. O professor deve mostrar que o processo de excitação do átomo de fósforo está presente nos dois tipos de tela e que a principal diferença entre os dois tipos de TV é que na TV de tubo o elétron sai do fundo da TV e o tubo é maior para propiciar a deflexão necessária devido o aumento do tamanho da tela. O tamanho é necessário para mudar a direção do elétron e permitir que ele atinja diferentes pontos da tela. Nas telas pequenas e nas grandes a energia necessária para o elétron excitar o fósforo é a mesma, e exatamente igual a necessária no caso do plasma. Anexo, apresentamos um texto de apoio e bibliografia de aprofundamento. Atividade 04: Qual a diferença entre uma TV a plasma e uma TV de LCD?
14 83 Nesta atividade constituída de uma aula, discutiremos como uma tela de LCD e uma tela de LED funcionam. Objetivos: a) mostrar uma aplicação do conceito de polarização da luz, b) explicar como os cristais líquidos polarizam a luz branca, c) explicar o funcionamento de uma TV de LCD e uma TV de LED, d) mostrar uma situação em que as características ondulatórias da luz explicam um fenômeno físico, e) perceber o papel desempenhado pelo conhecimento físico no desenvolvimento da tecnologia e a complexa relação entre ciência e tecnologia. Material para desenvolvimento da atividade: Um projetor de mídias. Desenvolvimento da atividade: a) o professor deverá começar esta atividade explicando aos alunos que o princípio de funcionamento da TV de LCD é bem diferente do funcionamento da TV de tubo e da TV a plasma. Este tipo de TV está relacionado a um fenômeno da luz, a polarização. Pergunte aos alunos se eles conhecem este fenômeno e faça uma discussão sobre ele. Caso o professor tenha tempo sugerimos em anexo uma atividade experimental sobre a polarização da luz; b) O professor deverá fazer uma exposição aos alunos de como uma TV de LCD funciona. Ele poderá seguir o seguinte roteiro: - Explicar as partes que constituem a TV, - Explicar como o cristal direciona a luz polarizada, - Como cada ponto da tela é iluminado; c) o professor poderá agora explorar a TV de LED. Pergunte aos alunos porque eles acham que esta TV recebe este nome? Seria por que cada célula na tela da TV é um LED? d) comente com os alunos que algumas reportagem mostram que a TV de LED pode consumir até 40% menos que a TV de LCD. Por que isso ocorre?
15 84 e) a partir do que foi apresentado, peça que os alunos expliquem por escrito a seguinte questão: Um retângulo preto preenche toda a tela de duas TVs. Uma de LCD e outra de LED. Em qual das duas TVs haveria maior consumo de energia? Como funcionaria cada célula destas TVs? f) sugerimos que o professor discuta com os alunos em qual tipo de TV a luz se comportou como onda e em quais situações ela se comportou como partícula. O que então a luz é? Onda ou partícula? Anexo, apresentamos um texto de apoio a esta atividade. Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Esta é uma aula expositiva que explica o funcionamento de uma TV de LCD e o de uma TV de LED. Aproveitamos a relação entre a polarização da luz e o funcionamento da TV de LCD para discutir com os alunos a questão da dualidade da luz. Anexo, apresentamos um texto de apoio e bibliografia de aprofundamento. Atividade 05: Visualizando os pixels das TVs e entendendo como as imagens digitais são formadas. Esta atividade tem por objetivo principal mostrar aos alunos como as imagens são formadas. Ela foi dividida em três partes. Na primeira parte mostraremos que as imagens das TVs são formadas por pixels. Nesta atividade visualizaremos estes pixels e identificaremos as suas cores. Na segunda parte mostraremos que as três cores que formam os pixels podem formar uma gama enorme de cores. Na terceira parte mostraremos aos alunos que a qualidade da imagem está relacionado a quantidade e ao tamanho do pixel. Atividade 5 Parte 01 Objetivos: a) mostrar aos alunos que as imagens são formadas por pequenas células coloridas nas telas das TVs, os pixels; b) definir o que é um pixel.
16 85 Material para desenvolvimento da atividade Um monitor de TV de LCD, LED ou plasma Desenvolvimento da atividade: Ligar um monitor de computador ou uma TV e sobre a tela em uma região branca coloque uma gota de água. Os alunos devem identificar o que são estes pontos e quais as cores podem ser observadas na tela. O professor pode explicar aos alunos que cada ponto deste é um pixel. Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Ao colocar a gota de água sobre a tela os alunos visualizarão os pixels da TV ou monitor. Se houver disponibilidade os alunos podem observar também uma tela de uma TV de tubo. É possível que eles percebam que é mais fácil observar os pixels desta do que nas novas TVs. Os pixels que formam as telas das TVs são de 3 cores. Na realidade um pixel é um conjunto de três pequenas células de cores: azul, verde e vermelho. Na próxima parte desta aula realizaremos um experimento para mostrar como estas três cores podem formar uma gama de outras cores. Atividade 5 Parte 02 Objetivos: a) esta atividade tem por objetivo mostrar que as imagens nas telas das TVs são formadas a partir a mistura de três cores e que estas cores formam uma gama de outras cores; b) identificar, experimentalmente, quais são as cores necessárias para a composição da maior gama de cores possível; c) compreender como os fenômenos físicos são aplicados no funcionamento de aparelhos que fazem parte do seu cotidiano. Material para desenvolvimento da atividade Para a montagem do experimento: 1 LED verde, 1 LED vermelho, 1 LED azul, 3 potenciômetros,uma bolinha de ping pong, um suporte de 3 pilhas e 3 pilhas.
17 86 Desenvolvimento da atividade Apresente aos alunos o aparato experimental. Descreva para os alunos como foi feita a montagem e as partes que a compõem, descreva que dentro da bolinha há LEDs de três cores: vermelho, verde, azul. Ao variar o potenciômetro a intensidade das cores vai sendo alterada no interior da bolinha de ping pong e aos ligarmos mais de um potenciômetro as cores vão sendo misturadas e uma gama de cores aparece. Após a observação os alunos devem ser levados a responderem: Como o branco é formado? E o preto? Os alunos devem propor hipóteses e usar o aparato experimental para testá-las. Os testes devem ser feitos até que os alunos identifiquem quais são os LEDs necessários para formar o branco e o preto. Serão necessários os quatro LEDs? Comentários sobre o desenvolvimento da atividade O professor deverá fazer a montagem do aparato experimental conforme apresentado abaixo: Material necessário: 1 Led verde 1 Led vermelho 1 Led azul 3 potenciômetros uma bolinha de ping pong um suporte de 3 pilhas 3 pilhas Montagem: Faça 3 pequenos furos na bolinha. Introduza um LED em cada furo. Deixe os rabichos para fora e ligue em cada um deles um potenciômetro em série. Ligue a montagem em paralelo no suporte da pilha. O professor deve levar o aparato montado para a sala de aula. Ao apresentar o experimento aos alunos o professor deve explorar a gama de cores formadas primeiramente por 2 LEDs. É importante que os alunos percebam que variando a intensidade dos LEDs vários tons podem ser formados. Assim, se o LED vermelho e o azul forem ligados e suas intensidades forem variadas, aparecerá vários tons da cor roxo, do mais escuro ao mais claro.
18 87 Os alunos devem observar que o branco será formado quando as cores azul, verde e vermelho forem ligadas com a mesma intensidade. É importante discutir com os alunos neste momento se haveria necessidade de um outro LED. E o preto? Como ele é formado? Para formar a cor preta, basta que os leds estejam desligados. Ou seja, para a tela da TV ficar preta, basta desligar o pixel e a cor aparece. Em uma TV de tela preto e branco os pixels não formam cores e, sim, intensificam a sua luminosidade. A luminosidade total é branca e a não-luminosidade total é preto. O meiotermo formam os tons de cinza. Atividade 5- Parte 03 Objetivos: a) mostrar aos alunos como uma imagem digital é formada na tela de um computador e nas telas das TVs; b) definir o que é um pixel e mostrar que a qualidade da imagem de uma TV está relacionada ao tamanho dos pixels. Material para desenvolvimento da atividade Computador com programa de trabalho de imagem: Photoshop, Paint [...] Um projetor de imagens (pode ser um projetor de mídias ou um retroprojetor). Os textos produzidos na primeira aula com a descrição da TV que os alunos gostariam de comprar. Desenvolvimento da atividade Os alunos devem abrir as 3 imagens em um programa de edição de imagens. Elas são bem parecidas, mas apresentam resoluções diferentes. Eles devem observar e identificar as diferenças entre elas.
19 88 Sugestão de Imagens: Imagem 1.1: 340 x 243 Imagem 1.2: 560 x 640 Imagem 1.3: 1002 x 970 Figura 08: Imagens de Einstein com diferentes resoluções Fonte: ROCHA, 2009 Após a primeira observação os alunos devem usar a ferramenta zoom para ampliar as imagens. Eles devem posicionar a lupa sobre a primeira imagem e acionar o zoom do programa. Para isto bastar ir na barra de ferramentas e selecionar a ferramenta Zoom (Lupa). Depois clique com a lupa em cima da imagem. Eles devem repetir este procedimento de 6 a 8 vezes. Eles deverão perceber que aparecerá nas imagens pequenos quadradinhos. Após a observação deve ser solicitado que expliquem o que observaram. Os alunos devem explicar oralmente como as imagens são formadas e porque foi mais fácil ver pequenos retângulos na primeira foto do que na terceira. Peça que os alunos observem nos panfletos que ao lado da imagem das TVs aparece o termo: 100 x 289 p ou 1293 X 24 pixels. Eles devem ser levados a discutir: O que significam estes números? Em que outras situações já ouviram este termo? Os alunos devem discutir: Porque as novas TVs têm uma qualidade de imagem superior às antigas. Comentários sobre o desenvolvimento da atividade A atividade na sala de informática tem por objetivo mostrar aos alunos que as imagens são feitas de pequenos pontos. Estes pontos são os pixels. As imagens digitais são formadas por estes pontos. Os números que aparecem abaixo das imagens definem a quantidade de pixels presente em cada imagem. Esperamos que após dar o zoom na imagem os alunos descubram que quanto mais pixel tem uma imagem, melhor é a sua resolução e consequentemente a sua qualidade.
20 89 O professor deve mostrar aos alunos que a imagem digital está organizada em uma série de linhas e colunas formadas por pixels. Ao visualizarmos uma imagem com alto índice de aproximação, é possível identificar pequenos quadrados coloridos nela, que, somados, formam o desenho completo. Esses pontos, que são a menor parte de uma imagem, levam o nome de pixels. A partir da noção do pixel como uma medida da qualidade das imagens, foi propagado o termo resolução para atribuir quantos pixels em altura e largura uma foto tem. Ao observar novamente o anúncio das TVs espera-se que os alunos percebam que no anúncio aparece a quantidade de pixels (100 x 289 p ou 1293 X 24 pixel). Se multiplicarmos estes números, teremos a quantidade de pixels que a TV possui. Ao apresentar a imagem 02 o professor deve mostrar aos alunos que um dos fatores que contribui para a qualidade de uma imagem é o tamanho do pixel que a compõe e o termo resolução está relacionado ao arredondamento das bordas das imagens. Atividade 06: HDTV, FULL HD, HIDEFINITION. Por que as novas TVs têm qualidade tão superior se comparadas às TVs convencionais? Atividade 06 Parte 01 Passaremos agora a explorar os termos que foram classificados na primeira aula relacionados a qualidade das imagens das TVs. Esta atividade está dividida em duas partes. Na primeira parte sugerimos a leitura de um texto que relaciona à qualidade das imagens a quantidade de pixels das TVs e classificamos os termos em dois grupos: os que estão relacionados a qualidade da imagem e os relacionados ao funcionamento das TVs. Na segunda parte discutiremos com os alunos como estão se relacionando com o mundo de imagens digitais formadas por pixels. Objetivos: a) explicar o significado dos termos relacionados a qualidade da imagem das TVs; b) ler e interpretar textos científicos; c) reconhecer e saber utilizar unidades físicas em situações diversas; d) reconhecer, em situações concretas, a relação entre o desenvolvimento tecnológico e ética.
21 90 Material para desenvolvimento da atividade Texto xerocado em quantidade suficiente para todos os alunos. Os textos redigidos no primeiro dia de aula. Desenvolvimento da atividade Os alunos devem ser agrupados em duplas. Eles deverão fazer a leitura individual. Em duplas os alunos devem responder as questões propostas a seguir: HD ou Full HD? As siglas "HD Ready" (High Definition Ready) e "Full HD" (Full High Definition) que invadem as lojas e as propagandas se referem à receptividade e a resolução máxima da TV. Para que você aproveite a resolução de uma TV com estas características é preciso receber um sinal digital de alta definição, chamado de HDTV (High Definition Television). A TV digital veio pra isso. Enquanto uma TV analógica transmite apenas 480 linhas verticais de resolução, a TV digital no Brasil fornece uma transmissão com resolução de 1080 linhas verticais. Daí o significado do número "1080" nos comerciais. 1080p é o nome abreviado de um tipo de resoluções de telas ou monitores. O número 1080 representa 1080 linhas de resolução vertical. O uso do termo pressupõe geralmente um formato widescreen 16:9, o que implica uma resolução horizontal de 1920 pixels, equivalendo a uma resolução com pixels no total. A freqüência em hertz de quadros por segundo pode deduzir-se pelo contexto ou ser especificada a seguir à letra p, por exemplo, 1080p30, significando 30 hertz. Ao contrário que muitos pensam, as denominações "HD Ready" e "Full HD" não representam a mesma coisa. Como eu disse acima, Em "Full HD", a resolução pode chegar a 1920x1080 pixels. Já em "HD Ready", a resolução máxima chega a 1280x720 pixels, bem mais baixa, portanto. Por isso, é bom estar atento à estas características. Assim, se você vai usufruir de uma transmissão de TV Digital, é bom escolher uma TV que já comporte as características necessárias. Eu falo do "Full HD" de 1080 linhas verticais, como a mostrada na figura acima. Comprando uma TV com estas características você estará atualizado com a tecnologia e Questões: a) o texto apresentou a quantidade de pixels que tem uma TV de alta definição. Sabendo que uma TV de tubo tem 480 linhas na vertical e formato de 4:3, determine a quantidade de pixels desta TV. Compare este valor ao apresentado no texto;
22 91 b) o que significa a expressão: A frequência em Hertz de quadros por segundo[...]; c) retome a TV escolhida nos panfletos da atividade 1 e identifique quais são as definições que apresentam a TV que você escolheu. Agora que você conhece os termos, você acha que esta TV continua sendo a melhor escolha? Após a realização da atividade o professor deve realizar um debate entre os alunos para que estes socializem as suas respostas. Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Escolhemos este texto para que os alunos entendam os termos que estão relacionados as TVs e as perguntas abaixo têm por objetivo direcionar a leitura do aluno e a reflexão. A questão 1 pede que os alunos calculem quantos pixels tem uma TV convencional. É importante que cada grupo de alunos crie uma estratégia para o cálculo. Uma sugestão de procedimento é: Calculamos a quantidade de pixels que uma TV têm na largura. Se a proporção é 4:3, e o comprimento da TV tem 480 na vertical, basta fazermos uma proporção: 4 = 480 x=360 3 x Assim, a TV terá 480 x 360 pixels = pixels. Um valor bem inferior ao apresentado no texto. É importante mostrar aos alunos que na TV convencional os pixels são maiores e os contornos não são tão bons como os das novas TVs. A questão 2 tem por objetivo mostrar aos alunos uma outra aplicação da definição de Hertz. Aqui o termo serve para representar a quantidade de quadros que aparecem na tela da TV por segundo. Uma boa discussão é mostrar aos alunos que na realidade um filme é uma sucessão de imagens que são apresentadas tão rápido que os nossos olhos acreditam que elas estão em movimento. Uma TV de 30 Hz apresenta 30 quadros a cada segundo. A terceira questão tem por objetivo fazer com que o aluno reflita sobre como a desinformação sobre um produto pode influenciar na escolha. No primeiro momento pedimos que o aluno escolhesse uma TV sem conhecer o significado dos termos e agora que ele conhece. Há mudança na escolha? Ao classificar os termos relativos às TVs espera-se que eles já saibam a definição dos termos relacionados a qualidade da imagem. Atividade 6 Parte 02 Objetivos:
23 92 Desenvolver a habilidade de interpretar imagens Material para desenvolvimento da atividade computador. Um projetor de imagens ou cópias xerocadas da imagem do urso em frente ao Desenvolvimento da atividade Apresente esta imagem aos alunos. Esta imagem apresenta um urso usando um computador, mas a tela é transparente e ele acaba vendo uma janela que mostra o que acontece lá fora. Figura 09: Urso no Windows Fonte: JORDÃO, Os alunos devem ser levados a discutir o que esta imagem representa? Como o urso está efetivamente se relacionando com o mundo? Porque a imagem do interior é cinza? Comentários sobre o desenvolvimento da atividade Após apresentar a figura 09, o professor deve mostrar aos alunos que a imagem apresenta dois ambientes: lá fora, tudo colorido. Dentro do quarto, tudo cinza. E o urso busca
24 93 ver as cores através da tela do computador, quando poderia muito bem abrir a porta e ver as cores de verdade. Hoje em dia, alguns jovens buscam soluções, fugas, amizades, tudo na Internet, nos meios tecnológicos. Ao invés de amigos palpáveis, com cheiro, textura e som, têm amigos virtuais, contatos de Orkut. Ao invés de viajar a lugares belos, utilizam papéis de paredes de lindos cenários na tela do computador. Ao invés de buscarem um objetivo, vão em busca sua representação. Atividade Avaliativa: No final da sequência didática sugerimos que o professor utilize algum instrumento de avaliação da aprendizagem. Uma sugestão é uma avaliação escrita que verifique a aprendizagem dos alunos. Segue um modelo de questões que podem ser utilizadas com seus respectivos objetivos. Questão 01 Questão: Observe a TV e os termos que estão ao lado. Dê a definição dos termos sublinhados. Classifique quais delas estão relacionadas ao funcionamento da TV e quais estão relacionados a qualidade da imagem. TV 32" LCD Full HD - 32PFL3805D - (1.920x1.080 pixels) - c/ Decodificador para TV Digital embutido (DTV), 120Hz, 3 Entradas HDMI e Entrada USB, Entrada PC - Philips Figura 10: TV de LCD Fonte: JORDÃO, Objetivo: Identificar se os alunos compreenderam os termos relacionados a caracterização da TV.
25 94 Questão 02 Questão: Explique a principal diferença entre os isolantes e os condutores usando o conceito de bandas. Objetivo: Identificar se os alunos entenderam o conceito de bandas e a diferença entre um material condutor e um material isolante. Questão 03 Questão: As TVs de LED consomem 40% menos de energia se comparadas com uma TV de LCD. Porque há esta diferença entre as TVs? Objetivo: Identificar se os alunos entenderam a diferença entre as luzes de fundo de uma TV de LED e uma de uma TV de LCD e se conseguem utilizar este conceito para explicar porque uma TV consome menos energia que a outra. Questão 04 Questão: As imagens digitais são formadas de pequenos pontos de luz. Como os átomos produzem as luzes que formam as imagens? Explique usando o conceito de fóton. Objetivo: Identificar se os alunos entenderam o conceito de fóton. Questão 05 Questão: Explique qual é a relação entre o fenômeno da polarização e o funcionamento de uma TV de LCD Objetivo: Identificar se os alunos compreenderam o fenômeno da polarização da luz e funcionamento da TV de LCD. Questão 06 Questão: O que é a luz? Na física clássica, apenas o modelo ondulatório dá conta de descrever completamente os fenômenos de interferência, polarização, refração e difração, associados aos entes físicos que, aí, são chamados de ondas. Por outro lado, e ainda na física clássica, apenas o modelo corpuscular dá conta de descrever completamente os fenômenos associados aos entes físicos que, aí, são chamados de partículas. Na física quântica, os dois modelos são necessários para descrever completamente qualquer ente físico, embora não nas mesmas circunstâncias. E é a isso que se refere a expressão dualidade onda-partícula. Escreva uma situação em que a luz apresenta característica de partícula e outra que apresente características de ondas.
26 95 Objetivo: Identificar se os alunos aprenderam o conceito de dualidade e conseguem associar estes conceitos a fenômenos físicos convenientes. Questão 07 Questão: Depois de estudar sobre a tecnologia das TVs, você escolheria a mesma TV que havia escolhido na primeira aula? Justifique. Objetivo: Identificar se os alunos após estudarem o tema TV mudariam de postura frente a escolha da TV. Avaliando as aulas: Questão: O que você achou de estudar sobre as TVs? Cite o que você mais gostou e o que menos gostou. Objetivo: Identificar quais foram os pontos de maior interesse e dificuldade dos alunos ao participar das atividades. Atividade 01: Textos de Apoio: O quadro abaixo apresenta a definição dos principais periféricos: Entrada USB Energy saving DTV digital Bluetooth conversor Universal Serial Bus (USB) é um tipo de conexão "ligar e usar" que permite a conexão de periféricos sem a necessidade de desligar o computador. É um certificado que mostra que o equipamento faz parte de um programa de uso eficiente de energia. Os critérios do programa Energy Saving Recommended (Poupança Energética Recomendada) são estabelecidos por um painel independente e são anualmente revistos. O Energy Saving Trust testa também uma percentagem destes produtos para garantir que onde há um logótipo, há uma escolha inteligente. Permite que a TV funcione usando sinal digital e sinal analógico. Sistema que permite a comunicação entre aparelhos sem conexão de cabos. QUADRO 04: Quadro com a definição dos termos classificados como periféricos Fonte: Elaborada pela autora
27 96 Atividade 02: No plasma utiliza-se um catalisador 1 que é o mercúrio para diminuir a energia a ser fornecida ao elétron inicialmente excitado. Mas isso só é possível, pois os elétron permanecem confinados na célula que ascende. Ele não tem que ser desviado para nenhum lugar, pois está na posição que deve ser acesa. O elétron do gás excita o elétron do mercúrio que emite um fóton que excita o elétron do fósforo. A segunda questão proposta abre espaço para discutir com os alunos como uma TV de tubo funciona. Deixe que os alunos exponham o que eles aprenderam ao pesquisar o tema da TV de tubo. Após a discussão o professor deverá explicar para a turma como a TV funciona. Sugerimos que o professor comece relembrando o processo de emissão de fóton pelo átomo. Os fótons são produzidos pelo movimento dos elétrons nos átomos. Os elétrons ocupam diferentes níveis de energia ou orbitais, ao redor do núcleo do átomo. Quando um elétron passa para orbital menor precisa liberar energia, e ela é liberada na forma de um fóton. A energia do fóton depende do quanto o elétron decaiu entre os orbitais. Quando um fóton colide com outro átomo, esse átomo pode absorver a energia do fóton promovendo o elétron para um nível de energia mais alto. Para isto acontecer, a energia do fóton tem que combinar com a diferença de energia entre as duas posições do elétron. Figura 11: Emissão de um fóton Fonte: NUNES, Catalisador é toda e qualquer substância que acelera uma reação, diminuindo a energia de ativação, diminuindo a energia do complexo ativado, sem ser consumido, durante o processo. Um catalisador normalmente promove um caminho (mecanismo) molecular diferente para a reação. Caso contrário, o fóton não pode deslocar elétrons entre os orbitais.
28 97 O professor deve explicar aos alunos que este processo está presente no funcionamento da TV de tubo e da TV a plasma. A diferença está em como o elétron que inicia o processo de excitação é acelerado. Passamos a mostrar isto para os alunos. Como este elétron é acelerado. Sugerimos que o professor projete a imagem de um tubo de imagem para apresentar aos alunos suas partes e funcionamento. Segue sugestão de imagem abaixo: Figura 12: Tubo de uma TV convencional Fonte: VIEIRA, No fundo da TV fica o canhão eletrônico. Dentro do canhão há um filamento que acende e aquece. Este aquecimento agita os elétrons que depois de aquecidos podem ser retirados facilmente. Ao ligarmos a TV criamos uma diferença de potencial no seu interior. Como os elétrons do canhão estão livres pelo aquecimento, esta ddp faz com que o elétron saia do canhão e se mova para a tela da TV. Mas para formar a imagem temos que acender um ponto exato da TV. Vamos imaginar que queremos formar a imagem de um céu e para isso temos que ascender um ponto azul no canto direito da tela. Temos que mandar o elétron que sai do canhão para este canto. Para direcionar o elétron são colocadas ao longo do tubo bobinas (chamadas de bobinas de deflexão). Elas criam um campo magnético que mudam a direção do elétron. Umas mudam sua direção mais para cima ou para baixo e outras o direcionam mais para esquerda ou mais para a direita, permitindo que o elétron atinja qualquer ponto da tela. Na parte da frente da TV temos uma tela. Ela é revestida por uma substância a base de fósforo. É este fósforo que será excitado e emitirá fótons que formam as imagens. Vimos que para este pequeno ponto ascender é necessário que este átomo de fósforo receba energia de alguma fonte. No caso da TV de tubo o elétron que sai do filamento na parte traseira da TV fornecerá a energia necessária para excitar o átomo de fósforo. Ao colidir com a tela da TV o elétron vai fornecer a energia que o fósforo necessita para excitar um de seus átomos. Um elétron do átomo de fósforo é promovido para uma órbita mais elevada. Quando o elétron
29 98 retorna a sua órbita original, o elétron emite um fóton de luz. O pequeno ponto na tela se ascende. Passemos agora para a TV a plasma. Esta TV é um grande sanduíche. Ela é formada basicamente por um conjunto de pequenas células retangulares. Parecem os alvéolos que as abelhas colocam o mel, mas são retangulares. Estes alvéolos estão colocados entre duas placas de vidro que têm em sua extensão eletrodos. Um deles é o catodo (terminal negativo também chamado de eletrodo emissor) e o outro é o anodo (terminal positivo também chamado de eletrodo de exposição). Os alvéolos são preenchidos por um gás, normalmente uma mistura de neônio com argônio e uma pequena quantidade de mercúrio. A parede da frente de cada alvéolo (vidro da frente) é recoberta por uma camada de fósforo. O professor poderá mostrar esta imagem aos alunos: Figura 13: Partes que compõem a TV a plasma Fonte: VIEIRA, Vamos imaginar que para formar uma imagem na tela, por exemplo, a de uma borboleta, temos que acender exatamente no centro da TV uma célula de cor vermelha. Para isso acontecer exatamente no ponto onde está esta célula (ou alvéolo) um complexo circuito elétrico criará neste ponto uma diferença de potencial entre o eletrodo de trás da célula e o eletrodo de frente da célula. Esta diferença de potencial fará os elétrons fluírem através do gás
30 99 dentro da célula. Estes elétrons irão ionizar o gás dentro da célula, formando um plasma, que é condutor e mantém a corrente elétrica fluindo. Os átomos de xenônio e neônio excitados pela ação dos elétrons livres emitirão luz quando os elétrons voltarem para níveis de energia mais estáveis. Esta energia é emitida na forma de luz ultravioleta. Esta luz não é visível aos olhos humanos, para enxergarmos termos que transformá-la em luz na faixa do visível. Mais uma vez os fabricantes utilizarão o fósforo. A radiação ultravioleta ao atingir o fósforo, excita este átomo. Ele recebe energia e um de seus elétrons passa para um nível de energia maior. Quando este elétron volta ao nível de energia inicial, ele libera energia na forma de luz visível. E um ponto vermelho no centro da TV se ascenderá. Após esta exposição o professor deverá retomar a questão central: Porque as novas TVs são tão finas comparadas TVs convencionais? A diferença entre o tamanho das duas telas se deve ao fato de que na TV de tubo o elétron precisa percorrer certa distância para ser direcionado ao ponto que será aceso. Outra diferença entre as telas destas duas TVs é o modo como as imagens são projetadas. Na TV de tubo cada ponto é excitado individualmente. Os pontos começam a acender de cima para baixo e da esquerda para direita varrendo toda a tela. Tal varredura deve ser feita com certa rapidez para que nossos olhos não percebam o desaparecimento de uma linha e o surgimento de outra, e além disso, nos dê a sensação de movimento da imagem. O limite para a frequência de varredura do feixe eletrônico é estabelecido pela condição que tem a retina de nossos olhos em reter a imagem de um ponto luminoso durante 1/20s após a mesma ter sido recebida. Nas TVs mais modernas, de LED, LCD e plasma as imagens são formadas de maneira diferente. Todos os pontos que formam as imagens acendem no mesmo momento. É como se víssemos uma foto sendo projetada. A velocidade de projeção varia de TV para TV. Alguns anúncios trazem esta informação na forma de Hz. Assim uma TV de 120 Hz, é capaz de projetar 120 quadros de imagem por segundo, dando a ideia de movimento. A grande desvantagem do televisor tradicional de tubo de raios catódicos é o seu tamanho. Quanto maior deseja-se a tela, maior terá que ser o tamanho do tubo para que os elétrons alcancem totalmente, e muito maior será a TV. Quem já viu uma TV tradicional de 29 polegadas sabe do que estamos falando. Então era preciso uma nova tecnologia para se comercializar televisores com telas maiores A tecnologia do plasma permite construir grandes telas sem a necessidade do enorme tubo das TVs tradicional; as de plasma podem medir apenas uns 15 cm de espessura.
31 100 Textos de apoio e bibliografia de aprofundamento: Aula 1- O PLASMA: A atividade 2 foi conduzida no sentido de mostrar que o plasma é um dos estados da matéria. Na verdade, chamar o plasma de quarto estado da matéria não é justo, de certo ponto de vista. Deveríamos chamá-lo de primeiro estado da matéria, pois deste estado é formado cerca de 99% de toda a matéria visível do universo; os outros três constituem, portanto, o 1% restante. Mas o que é um plasma? O plasma é um gás que contém uma mistura variada de átomos neutros, átomos ionizados e elétrons livres em constante interação elétrica. Quando partículas portadoras de carga elétrica se mantêm em movimento, estabelece-se uma corrente elétrica. Estes portadores de carga são os elétrons em sólidos, mas nos líquidos e gases, além dos elétrons também os íons positivos e negativos são portadores de carga. Apesar dos íons terem carga líquida positiva ou negativa, o plasma não tem; como um todo ele é eletricamente neutro, pois nele existe igual quantidade de cargas positivas e negativas, exatamente como em um gás constituído somente com moléculas neutras. A diferença entre um gás formado por moléculas neutras e um plasma, é que este último tem a capacidade de conduzir facilmente corrente elétrica. Além disto, absorve certos tipos de radiação que passariam sem interagir em um gás formado de moléculas neutras. Os plasmas normalmente são criados aquecendo-se um gás a temperatura muito elevada, quando alguns elétrons recebem energia suficiente para se desligar dos átomos a que estavam presos, resultando átomos com carga positiva (cátions) e elétrons livres (aqueles que se desligaram). Há vários fenômenos que envolvem o plasma. Um lindo fenômeno, chamado de aurora boreal no hemisfério norte e aurora austral no hemisfério sul, é constituído de plasmas brilhando na alta atmosfera. Existe uma região atmosférica, a cerca de 80 km de altitude, chamada de ionosfera. Como o próprio nome diz, ela é um plasma. Como vemos, o plasma está mais presente em nosso cotidiano do que poderíamos supor inicialmente. Além do mais, uma maneira promissora de gerar energia utiliza plasma. Trata-se da fusão nuclear. Tal processo é o responsável pela geração de energia nas estrelas, onde Hidrogênio é transformado em Hélio, resultando na liberação de energia de acordo com a famosa equação de Einstein, E = m.c². Muito esforço tem sido feito para que tais reações sejam reproduzidas de forma controlada aqui na Terra, visando se tornar uma alternativa viável para geração de energia. 2- O CRISTAL LÍQUIDO:
32 101 Segue uma sugestão de diagrama: Figura 14: Diagrama de Fases Fonte: MÁXIMO, 2006 A seta representa o sentindo de fornecimento de calor para a substância. Ao discutir como classificar o cristal líquido, o esperado para esta questão é que os alunos citem variáveis como pressão e temperatura e que o cristal é normalmente sólido. Os alunos já aprenderam que existem quatro estados da matéria: sólido, líquido, gasoso e o plasma. No estado sólido as moléculas estão bem próximas uma das outras, mantendo sempre a mesma posição em relação uma às outras. No estado líquido é diferente, as moléculas estão um pouco mais distantes umas da outras, elas podem se mover e mudar sua orientação em qualquer direção do líquido. Os estados parecem estar bem determinados, uma substância poder ser sólida ou líquida ou gasosa. Mas há algumas substâncias que possuem um estado peculiar com características de sólidos e líquidos. O cristal líquido pode ser caracterizado assim. Os cristais líquidos são materiais que apresentam características tanto da fase sólida quanto da fase líquida. Nesse estado as moléculas mantêm sua orientação, mas também se movimentam em várias direções, assim como no sólido e no líquido respectivamente. Esses materiais são constituídos na sua maioria por moléculas orgânicas. Essas moléculas possuem dimensões bem maiores que as outras, podendo ter forma alongada ou de disco. Para entender o que é um cristal líquido é fundamental que, em primeiro lugar, entendamos o que é um cristal. Para isso, vamos recorrer a uma analogia. Todos nós já estivemos num cinema ou teatro e notamos a maneira altamente organizada com que estão dispostas suas poltronas. Geralmente, elas estão organizadas formando fileiras tanto na direção horizontal quanto na vertical. Isto é, ficam uma ao lado da outra em linha; exatamente na frente de uma poltrona haverá sempre outra. Estão assim dispostas no espaço de modo muito bem organizado, periódico e simétrico. Além do mais, cada poltrona não está dirigida para uma direção qualquer. Todas elas estão voltadas para o palco porque, evidentemente, quem nelas se sentar vai querer estar olhando para ele.
33 102 Os átomos ou moléculas de um cristal têm um arranjo espacial simétrico, exatamente como o conjunto de poltronas descritas acima. Além de estarem colocadas em posições periodicamente ordenadas no espaço, estão todas voltadas para a mesma direção, formando uma rede cristalina. Imagine agora, que você queira destruir o arranjo periódico das poltronas do teatro, mas pretenda que os espectadores continuem podendo ver o espetáculo. As poltronas ficarão dispostas no teatro de maneira aleatória. Não haverá mais nenhum ordenamento espacial. Na frente de uma poltrona não haverá necessariamente outra, nem ao seu lado. A falta do arranjo espacial simétrico e ordenado caracteriza um líquido, pois, num líquido as moléculas não têm nenhum tipo de arranjo, umas em relação às outras. Já no caso das poltronas, para que o espetáculo possa ser visto, todas elas, ainda que desordenadas, deverão estar voltadas para o palco. É exatamente assim que pode ser imaginado um cristal líquido. Suas moléculas não possuem um arranjo espacial definido, lembrando um líquido, mas possuem uma orientação espacial comum para todas as moléculas, como nos cristais. Aula 2 O LED Para explicar a diferença entre um LED e uma lâmpada o professor poderá começar explorando o modelo atômico de Bohr. Neste modelo o átomo é constituído de uma região central denominada núcleo, onde se localizam os prótons e os nêutrons, e de uma região denominada eletrosfera onde estão os elétrons que se movimentam, em órbitas ao redor do núcleo, formando uma espécie de nuvem. Na eletrosfera há regiões onde existe uma maior probabilidade de se encontrar um elétron. Estas regiões são chamadas de camadas e cada uma pode conter um número determinado de elétrons. Figura 15: Representação simplicada de um átomo de Hidrogênio Fonte: VIERA, Para o elétron estar em uma determinada camada, ele deve ter uma determinada quantidade de energia. Esta energia determina em que camada ele vai estar. As órbitas mais próximas do núcleo têm menos energia que as que estão mais afastadas. Um elétron pode se mover entre as camadas, para isso deve alterar a sua quantidade de energia.se ele está
34 103 próximo ao núcleo tem ganhar energia para passar para uma camada mais externa e neste caso dizemos que o elétrons está excitado. Para voltar ao estado inicial, de menos energia, perto do núcleo, o elétron tem que perder energia. Vamos ver um exemplo, o átomo de Hidrogênio. A figura mostra as camadas de um átomo de Hidrogênio e a quantidade de energia que um elétron tem que ter para estar em determinado nível. Assim, se o elétron tiver 10,19 ev 2 ele estará na primeira camada. Para subir para a terceira camada que tem 12,73 ev, ele terá que absorver 2,54 ev de energia. Neste caso o átomo estará excitado. Figura 16: Camadas energéticas de um átomo de H Fonte: VIEIRA, Para voltar ao estado fundamental, ou seja, para a sua camada de origem (a primeira), o elétron tem que liberar exatamente a mesma quantidade de energia. Ao cair de um nível de energia mais alto para um nível mais baixo o elétron emite uma certa quantidade de energia determinada por estes dois níveis. Esta energia é liberada na forma de um pulso de radiação eletromagnética, chamado fóton. Os fótons não têm todos a mesma energia. A frequência do fóton está relacionada à diferença de energia entre o nível de energia original e o final. O elétron-volt é uma unidade de medida de energia. Equivale a 1, (49) x joules. Seu símbolo é ev e seu plural, elétrons-volt. Um elétron-volt é a quantidade de energia cinética ganha por um único elétron quando acelerado por uma diferença de potencial elétrico de um volt, no vácuo. Pensamos no fóton como sendo um corpúsculo localizado de pura energia, um quantum, partícula de luz. Os quanta (o plural da palavra quantum é quanta) que caíram do nível 1 para o nível zero têm mais energia do que um que caiu do nível 3 para o nível dois. A frequência do fóton é diretamente proporcional a sua energia. Em notação matemática:
35 104 E f Quando uma constante de proporcionalidade h é introduzida, isto se torna uma equação exata. E = hf Em que h é a constante de Planck ( tem valor numérico igual a 6,6 x J.s). Um fóton de um feixe de luz vermelho, por exemplo, carrega consigo uma quantidade de energia correspondente à sua frequência. Um outro fóton com frequência duas vezes maior possui duas vezes mais energia e é encontrado na porção ultravioleta do espectro. Se muitos átomos do material forem excitados, serão emitidos muitos fótons com frequências diferentes, correspondentes aos diversos níveis excitados. Essas frequências correspondem às cores características da luz que é emitida por cada elemento químico. Figura 17: Espectro Eletromagnético Fonte: SARAIVA, 2011 Até agora analisamos apenas o caso de um átomo isolado. Vamos ver o que acontece quando juntamos uma grande quantidade de átomos formamos uma rede cristalina que compõem os sólidos. Podemos, então, perceber que há uma interação entre elétrons dos átomos próximos criando outros níveis possíveis de energia para cada elétron. A soma destes vários níveis possível resulta em bandas, no interior das quais um elétron pode assumir vários valores de energia.
36 105 Figura 18: Bandas de um sólido Fonte: SARAIVA, 2011 Observe a figura. Cada linha representa uma camada. A parte em cinza representa uma banda. A soma de várias camadas de átomos diferentes cria regiões onde o elétron não pode estar, ou seja, regiões onde a probabilidade de se encontrar um elétron é pequena. Estas regiões são chamadas de bandas proibidas já que nelas não se encontram elétrons. As bandas mais externas de um átomo são responsáveis pelas ligações químicas e recebem nomes especiais. A banda mais externa é chamada banda de condução e a banda abaixo desta é chamada banda de valência. A diferença de energia entre estas duas bandas é muito importante. Ela determinará se o material será condutor ou isolante. Figura 19 : Bandas de Energia Fonte: SARAIVA, 2011 As bandas de condução e valência estão presentes em qualquer conjunto de átomos. Inicialmente, na banda de valência concentram-se os elétrons, e na de condução há um espaço vazio. Porém, nos condutores (metais) a diferença de energia entre essas bandas é nula e as duas se entrecruzam, permitindo então que os elétrons passem da banda de valência para a de condução, ou seja, nos metais as duas bandas possuem elétrons, sendo a de valência
37 106 totalmente cheia e a de condução parcialmente cheia, os elétrons neste nível fracamente ligados aos núcleos, por isso com grande mobilidade. O movimento destes elétrons na matéria é a corrente elétrica. Nos isolantes é diferente, uma vez que a diferença de energia entre as duas bandas é muito grande, logo é necessário mais energia para levar o elétron a banda de condução. Sendo que, para um elétron saltar de uma banda para a outra é necessária certa quantidade de energia maior que a dos condutores. Figura 20: Modelo de Bandas Fonte: SARAIVA, 2011 Observando a figura do diagrama de energia dos condutores e isolantes podemos observar que em alguns materiais a diferença de energia entre as bandas de valências e condução não é tão grande quanto nos isolantes e não tão próximas quanto nos condutores. O grupo de substâncias que têm esta característica é chamado de semicondutores. Os elétrons destes materiais ao serem aquecidos ou receberem energia de um fóton conseguem energia suficiente para se deslocarem para a banda de condução e o material passa a se comportar como um condutor. Os semicondutores, a exemplo do silício e do germânio, podem sofrer intervenção industrial conhecida como dopagem, que dá a eles características especiais de condutividade mesmo a temperatura ambiente. Este processo de dopagem dá origem a um semicondutor que recebeu átomos pentavalentes, ou seja, átomos que possuem cinco elétrons na camada de valência. Como exemplos de substâncias pentavalentes podemos citar o arsênio, o antimônio e o fósforo. Quando os átomos de impurezas se associam com os outros átomos, um dos elétrons da camada de valência, sobe para a banda de condução, porque ele só precisa de quatro elétrons na camada de valência para estabelecer a ligação covalente. Para cada átomo de impureza introduzido no cristal, aparecerá um elétron livre. Se forem introduzidos, por exemplo, 20
38 107 milhões de átomos de impurezas, o cristal terá 20 milhões de elétrons livres, sem contar os elétrons livres produzidos termicamente por causa da quebra de ligações covalentes. Figura 21: Átomo pentavalente Fonte: MÁXIMO, 2006 Quando um cristal de silício puro é dopado com átomos pentavalentes, ele se transforma num semicondutor tipo N. Ele agora possui uma grande quantidade de elétrons livres e algumas lacunas proveniente da quebra de ligações covalentes. A sua condutividade agora é maior, por causa dos elétrons livres. Figura 22: Semicondutor tipo N Fonte: MÁXIMO, 2006 Num semicondutor tipo N, os elétrons livres são chamados de portadores majoritários porque existe em maior quantidade, enquanto que as lacunas são chamadas de portadores minoritários por se encontrarem em menor quantidade. Embora cada átomo pentavalentes introduzido no cristal tenha um elétron que foi empurrado para banda de condução, este elétron continua a pertencer ao átomo, ou seja, eletricamente falando, o átomo continua neutro. Um outro tipo de semicondutor é obtido através da injeção de átomos trivalentes no cristal puro. Como exemplos de impurezas trivalentes podemos citar o alumínio, boro e gálio. Como um átomo trivalente possui três elétrons na camada de valência, uma lacuna será criada quando o mesmo for se associar com os átomos vizinhos através da ligação covalente. Para cada átomo de impureza, aparecera uma lacuna.
39 108 Figura 23: Átomo de um semicondutor P Fonte: MÁXIMO, 2006 Um cristal dopado com átomos trivalentes é um semicondutor tipo P. Ele possui uma grande quantidade de lacunas e alguns elétrons livres produzidos termicamente, devido à quebra de ligações covalentes. Neste caso, as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons livres são os portadores minoritários. Figura 24: Semicondutor tipo P Fonte: MÁXIMO, 2006 Da mesma forma que os elétrons livres no semicondutor tipo N aumenta a condutividade do cristal, o aumento do número de lacunas no semicondutor tipo P também aumenta a condutividade do cristal. A diferença é que no semicondutor tipo N, a condutividade aumenta na banda de condução e no tipo P, a condutividade aumenta na camada de valência, eletricamente falando, cada átomo de impureza no semicondutor tipo P, não ganhou nem perdeu elétrons, portanto continua eletricamente neutro. Mas o que aconteceria se juntássemos um pedaço de material N a um pedaço de material P? A partir do momento do contato tem início um movimento de cargas na região, ou seja, há um movimento de elétrons da região N para a região P e de lacunas da região P para a região N. Esse movimento faz com que, após um certo intervalo de tempo, a região N na fronteira fique carregada positivamente e a região P, na fronteira, fique carregada