TEIA DOTEIA DO SABERSABER2005
METODOLOGIA DE ENSINO DE DISCIPLINAS DA ÁREA DE CIÊNCIAS DA NATUREZA, MATEMÁTICA E SUAS TECNOLOGIAS DO ENSINO
MÉDIO: FÍSICA, QUÍMICA E BIOLOGIA
Fundação de Apoio às Ciências: Humanas, Exatas e Naturais
Material Pedagógico para uso do professorEVenda Proibida Coordenação GeralProf. Dr. Mauricio dos Santos Matos(16) 3602-3670 e-mail:[email protected]
Acompanhe a programação pela internet: http://sites.ffclrp.usp.br/laife
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULOSECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO
DIRETORIA DE ENSINO - REGIÃO DE RIBEIRÃO PRETOAv. Nove de Julho no. 378 - Ribeirão Preto
TURMA INICIAL
Radiações
Prof. Dr. Dráulio Barros de AraújoProf. Dr. Marcelo Mulato
TEIA DO SABER 2005 Metodologia de Ensino de Disciplinas da Área de Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma Inicial)
Radiações
Prof. Dr. Dráulio Barros de Araújo e Prof. Dr. Marcelo Mulato
APRESENTAÇÃO DOS PROFESSORES RESPONSÁVEIS PELO MÓDULO DE ENSINO
PROF. DR. Dráulio Barros de Araújo: Graduado em Física (1995, IF/UNB/DF), com Mestrado em Física,
pela Universidade Federal do Ceará (1997) e Doutorado em Física, na área de Física Aplicada à Medicina e Biologia
(2002). Fez o Pós-Doutorado na área de Imagens por Ressonância Magnética no Hospital das Clínicas, da Faculdade
de Medicina da Universidade de São Paulo (2002). Desde outubro de 2002 é professor doutor no Departamento de
Física e Matemática, FFCLRP-USP. Sua área de pesquisa envolve o estudo de processos cerebrais em humanos,
através do desenvolvimento de técnicas de análise por imagens funcionais por ressonância magnética. Coordenou a
elaboração do Projeto “No Picadeiro da Física”, que tem por objetivo levar, em forma de espetáculo interativo, várias
demonstrações de Física, muitas delas presentes no cotidiano das pessoas. Participou também das versões anteriores
em 2003 e 2004 do programa Teia do Saber. Publicou 10 artigos nos últimos 3 anos, sendo quatro delas voltadas à
divulgação e ensino de ciências. Está orientando atualmente sete alunos de mestrado, dois de doutorado e três de
iniciação científica.
PROF. DR. Marcelo Mulato: Graduado em Física (1991, IF/UNICAMP), com Mestrado em Física, pela
UNICAMP (1994) e Doutorado em Física Aplicada, também pela UNICAMP (1998). Fez dois Pós-Doutoramentos,
um primeiro em Princeton (1998 – 1999) e um segundo na Xerox Parc (1999 – 2000) na área de materiais. Desde
2000 é professor doutor no Departamento de Física e Matemática, FFCLRP-USP. Sua área de pesquisa envolve o
estudo e desenvolvimento de biosensores e materiais. Participou também das versões anteriores em 2003 e 2004 do
programa Teia do Saber. Publicou 7 artigos nos últimos 3 anos em revistas internacionais indexadas. Está orientando
atualmente um aluno de mestrado, cinco de doutorado, um de iniciação científica e um de Pós-Doutorado.
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2Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
APRESENTAÇÃO DAS ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS
Caros Professores:
Este material de apoio do Programa Teia do Saber abrange o tema “Radiações”, do Curso
de Iniciação.
Nele você encontrará a Apresentação do Tema com os tópicos que serão estudados por
meio de exposição teórica e atividade prática, além da discussão de atividades de sala de aula
relacionada ao tema e proposta pelo docente que está desenvolvendo este módulo de ensino.
O material traz uma síntese do tema, por meio de textos, além de atividades práticas.
Na seção Atividade de Sala de Aula, são indicadas propostas para você desenvolver com
seus alunos. O objetivo desta atividade é promover discussões com os professores sobre as
implicações pedagógicas das mesmas.
No final você encontrará Referências Adicionais com indicações de sites, livros, teses e
filmes relacionados com os temas tratados neste módulo de ensino.
TEIA DO SABER 2005 Metodologia de Ensino de Disciplinas da Área de Ciências da Natureza, Matemática e suas
3Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
INTRODUÇÃO
Neste tema buscamos desenvolver conceitos fundamentais sobre ondas e radiações,
visando propor o estudo e a discussão desses tópicos, através de exemplos que sejam de interesse
dos professores das áreas das ciências. O módulo de ensino que iremos desenvolver totaliza 5
horas, divididas em duas partes. Na primeira parte, trataremos de conceitos fundamentais
relacionados a ondas, que possibilitarão o entendimento de algumas questões do cotidiano e que,
de regra, causam bastante confusão. Para tanto, trabalharemos com cinco problemas específicos:
os defeitos de visão e suas correções, microondas, aparelhos de telefonia celular, fotossíntese, e a
luz do sol. No segundo módulo, realizaremos, em conjunto, algumas experiências, que
demonstram os conceitos fundamentais, trabalhados previamente, além de apresentações simples
que podem ser facilmente levadas para a sala de aula. Os módulos estão descritos abaixo.
Módulo 1: 7:30h – 10:30h.
1. Conceitos Básicos
a. O que é uma onda?
b. Comprimento de onda
c. Freqüência
2. Efeitos Ondulatórios
a. Interferência
b. Difração
c. Reflexão
d. Polarização
3. Espectro de Onda
a. Exemplos de Alguns Comprimentos de Onda
i. Visível
1. Olho Humano
a. Defeitos de Visão
ii. Micro-ondas
iii. Telefone Celular
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4Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
4. Radiações e Biologia
a. Fotossíntese
5. Radiações e Química
a. Transições
Módulo 2: 11h – 13h
1. Experiências
a. Cuba de Ondas
b. Difração com a Luz
c. Interferência com a Luz
d. Raio da Córnea
2. Experiências para sala de aula
a. Propagação de uma onda em uma mola
b. Difração com um cabelo
c. Polarização em um filme
i. Filme 3D
ii. Corda
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5Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
PARTE A – Alguns Conceitos Importantes sobre Ondas
Apresentação e discussão inicial sobre os principais conceitos.
O que pensamos e como ensinamos esses tópicos:
1) O que é uma onda?
2) Qual a diferença entre onda transversal e onda longitudinal?
A-1- Introdução à Física das Radiações
No dicionário, a palavra radiação é definida como a energia que se propaga de um ponto a
outro, na forma de onda ou partículas, no espaço ou em um meio material qualquer.
O termo radiação é muito geral. Existem termos específicos para os vários tipos de
radiações existentes. Quanto a sua origem, uma onda pode ser classificada como onda mecânica
ou onda eletromagnética.
As ondas mecânicas são produzidas por uma perturbação em um meio material. Por
exemplo: as ondas na água, a vibração de uma corda de violão, o som de um trovão etc. Essas
ondas mecânicas precisam de um meio (metal, água, ar...) para se propagar.
As ondas eletromagnéticas são provenientes de variações elétricas e magnéticas, sem a
necessidade de um meio para se propagarem.
Portanto, as ondas eletromagnéticas podem existir no vácuo (espaço vazio, sem nada, nem
ar) e, como transportam energia, constituem as chamadas radiações eletromagnéticas, e forma a
maior classe das radiações.
No vácuo, todas elas têm a mesma velocidade, como a velocidade da luz, que é
simbolizada pela letra c, sendo c = 300.000 quilômetros por segundo.
TEIA DO SABER 2005 Metodologia de Ensino de Disciplinas da Área de Ciências da Natureza, Matemática e suas
6Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
λ
A
θ− π 2
Todas elas têm a mesma forma, e a característica particular que diferencia um tipo do
outro é o chamado comprimento de onda, simbolizado pela letra grega � (lambda) que é
simplesmente a distância entre a crista de uma onda e a crista da próxima onda, como mostrado
na figura acima.
A-2- Efeitos Ondulatórios
A-2.1- Reflexão:
O fenômeno de reflexão ocorre quando um pulso que se afasta do gerador de ondas
encontra um obstáculo (barreira refletora). Observando a imagem da cuba, verificam-se dois
pulsos retos, um aproximando-se e o outro afastando-se da barreira, conforme ilustrado na Figura
2(a). Nessa figura, î ë o ângulo que o pulso incidente forma com a normal da barreira refletora, e
o ângulo entre o pulso refletido e a normal da mesma barreira. A reflexão ocorre para todos os
tipos de frente de onda (plana, circular,...).
A-2.2- Refração:
O fenômeno de refração ocorre quando o meio de propagação da onda é alterado. A
velocidade de propagação das ondas depende das propriedades do meio em que elas se deslocam.
No caso de ondas na água, a velocidade depende da profundidade, portanto profundidades
diferentes podem ser consideradas como meios distintos. Na prática, em uma cuba de água a
profundidade pode ser alterada colocando-se uma placa de acrílico numa das regiões do fundo da
cuba, por exemplo. Posicionando-se uma placa transparente numa posição obliqua à frente de
ondas, como ilustrado na Figura 2(b), verifica-se que as ondas mudam a sua direção de
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7Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
propagação ao passar da profundidade maior para a menor. Medindo-se o ângulo de incidência i e
o ângulo de refração r, pode-se comprovar experimentalmente a lei de Snell:
21
sensen
λλ
=ri
,
em que λ1 é o comprimento de onda do pulso incidente e λ2 é o comprimento de onda do pulso
refratado.
A-2.3- Interferência:
O fenômeno de interferência ocorre quando duas ondas encontram-se em um ponto. Para
ondas de mesmo λ a interferência ocorre através da anulação ou reforço alternado entre elas
como é mostrado na Figura 2(c). A interferência será construtiva ou destrutiva dependendo das
diferenças das distâncias percorridas pelas ondas em termos de números inteiros ou semi-inteiros
de comprimentos de onda.
A-2.4- Difração:
O fenômeno da difração ocorre porque uma frente de onda tem a propriedade de poder
contornar um obstáculo quando este é colocado no seu caminho, sofrendo deformação em sua
geometria. Para uma fenda estreita (largura da fenda d aproximadamente igual ao comprimento
de onda λ) a frente de onda se deformará conforma mostrado na Figura 2(d). Pode-se observar a
variação do espectro de difração mudando-se a relação λ/d. Pode-se também verificar que as
ondas são fortemente difratadas quando atravessam uma fenda estreita (de largura comparável a
seu comprimento de onda) e que a difração é quase nula quando o comprimento de onda é muito
pequeno quando comparado à largura da fenda.
A borboleta-pavão é decorada com
duas bolas pretas e amarelas nas extremidades
das asas superiores, e duas bolas no centro das
asas inferiores. Ela tem uma maneira bem
"inteligente" de tomar banho de sol. É um
truque para adiantar o processo do
aquecimento: ao posicionar as asas num
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determinado ângulo, os raios do sol atingem seu corpo diretamente.
Suas escamas, brilhantes e avermelhadas, funcionam como se fossem minúsculos
espelhos refletores. Além de possibilitar uma alternativa de disfarce, as asas esquentam,
transferindo calor para o resto do corpo e, em seguida, para os músculos do vôo.
A-3- Espectro de Ondas
Apesar das ondas do lago não serem radiações eletromagnéticas, podemos entender o
comprimento de onda como sendo a distância entre duas lombadas (cristas) sucessivas.
O comprimento de onda � pode ser expresso em qualquer unidade de comprimento:
centímetro, metro, quilômetro etc...
A radiação eletromagnética pode ser caracterizada também pela sua freqüência: como
uma onda eletromagnética tem um movimento periódico, chama-se freqüência a quantidade de
vezes que a onda efetua o movimento inteiro (ciclo) por unidade de tempo.
Sua unidade é o hertz (Hz) e 1 hertz vale 1 ciclo por segundo. Por exemplo, se em um
segundo a onda efetuar cinco ciclos completos, diremos que sua freqüência é de 5Hz.
Como foi visto anteriormente, as ondas eletromagnéticas têm todas a mesma velocidade
no vácuo, ou seja, elas percorrem uma mesma distância no mesmo intervalo de tempo.
Quanto maior for o comprimento de onda, menos vezes ela deverá aparecer para totalizar
esta distância.
As de pequeno comprimento de onda deverão efetuar vários ciclos para conseguir
percorrer esta mesma distância.
Percebemos, portanto, que o comprimento de onda � e a freqüência, f, são inversamente
proporcionais, ou seja, quando o comprimento de onda aumenta, a freqüência diminui e vice-
versa.
Temos várias categorias de radiação eletromagnética, que se distinguem apenas pelo seu
comprimento de onda: as ondas de rádio-transmissão, as de TV, as microondas, a radiação
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infravermelha (conhecida também por radiação de calor), a luz visível (radiação capaz de
impressionar a retina de nossos olhos), a radiação ultravioleta, os raios X e os raios gama.
A-4- A Luz Visível
Newton foi o primeiro a reconhecer que a luz branca é constituída por todas as cores do
espectro visível e que o prisma não cria cores por alterar a luz branca, como se pensou durante
séculos, mas sim por dispersar a luz, separando-a nas suas cores constituintes.
O detector humano olho-cérebro percebe o branco como uma vasta mistura de freqüências
normalmente com energias semelhantes em cada intervalo de freqüências. É este o significado da
expressão "luz branca" - muitas cores do espectro sem que nenhuma predomine especialmente.
Muitas distribuições diferentes podem parecer brancas uma vez que o olho humano não é capaz
de analisar a luz em freqüência do mesmo modo que o ouvido consegue analisar o som.
A cor não é uma propriedade da luz, mas uma manifestação eletroquímica do sistema
sensorial - olhos, nervos, cérebro. Com rigor dever-se-ia dizer, por exemplo, "a luz que é vista
como amarela" e não "luz amarela".
A-5- Defeitos de Visão.
A miopia, a hipermetropia e o astigmatismo são erros refrativos, ou seja, erros na
capacidade que o olho tem de refratar a luz e focar os raios luminosos na retina. A luz que devia
ser focada na retina passa, devido à existência destes erros a ser focada antes da retina (no caso da
miopia) ou após a retina (no caso da hipermetropia). Abaixo temos um corte lateral do olho
humano:
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10Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
A-5.1- Como é que o problema aparece?
As causas são variadas, mas resumem-se nos seguintes grupos:
· Alteração da posição das estruturas ópticas
• Na miopia o olho é maior que o normal ou o cristalino está muito para frente
• Na hipermetropia o olho é menor que o normal ou o cristalino está muito para trás
· Alteração da curvatura da córnea
• Na miopia curvatura da córnea grande
• Na hipermetropia curvatura da córnea pequena
· Alteração do índice de refração do cristalino
• Na miopia o cristalino refrata muito os raios luminosos e foca-os muito perto,
antes da retina.
• Na hipermetropia, o cristalino refrata pouco os raios luminosos e foca-os muito
longe, para lá da retina.
· Ausência de um elemento do sistema óptico
• Geralmente é a ausência de cristalino quando a pessoa foi submetida à cirurgia de
extração de catarata.
No caso do astigmatismo é mais complicado porque existem diferentes meridianos da
córnea com diferentes potências dióptricas e cada um deles vai focar a imagem num plano, para
cá ou para lá da retina. Isto significa que num plano de corte horizontal, por exemplo, a córnea
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11Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
tem maior curvatura do que noutro plano, por exemplo, no vertical. Assim, a pessoa vê as
imagens desfocadas.
Mas o que é que tudo isto significa? O míope vê mal ao perto ou vê mal ao longe?
O míope converge bem os raios luminosos, por isso quando vê ao perto, em que é preciso
essa convergência, vê bem. Ao ver ao longe, os raios luminosos são focados para cá da retina e
não consegue ver bem, vê as imagens desfocadas. O hipermétrope não converge bem os raios
luminosos, por isso quando vê ao perto os raios luminosos são focados para lá da retina e vê as
imagens desfocadas. Quando vê ao longe esta convergência não é necessária e por isso vê bem ao
longe.
Portanto a medida da curvatura da córnea é um importante elemento no correto
diagnóstico de erros refrativos, por exemplo. Lembre-se que a córnea está na parte de frente do
olho, acentuadamente encurvada.
A-6- O Som
Onda sonora se propaga em todas as direções. Ela consiste na alternância regular de
pressão num meio elástico (isto é, num meio em que a densidade varia com a pressão) e essas
flutuações propagam-se como uma onda.
O que aconteceria com a transmissão sonora se a fonte fosse encapsulado em uma caixa
com vácuo? A maioria dos sons chega ao ouvido, transmitidos pelo ar. O ar denso é melhor
transmissor do som que o ar rarefeito, pois as moléculas gasosas estão mais próximas e
transmitem a energia cinética da onda de umas para outras, com maior facilidade.
Com o microfone, sons são transformados em sinais elétricos que depois são convertidos
em ondas eletromagnéticas as quais são captadas pela antena de um aparelho receptor que as
transforma novamente em sons através dos alto-falantes.
A-7- As Ondas de Rádio e TV
As ondas de rádio são radiações eletromagnéticas produzidas pela passagem de corrente
elétrica alternada por um condutor, e se propagam através das antenas. Elas têm diferentes
freqüências, e sintonizando um rádio receptor numa determinada freqüência, podemos receber
um sinal específico.
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12Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
O sintonizador nos rádios são circuitos eletrônicos que selecionam um certo comprimento
de onda. Esses circuitos também amplificam os sinais das ondas que são fracos quando captados
pela antena.
Existem intervalos (bandas) específicos de freqüência, para específicos tipos de
transmissão, de escolha totalmente arbitrária, como por exemplo:
· Rádio AM (Amplitude Modulada): de 535kHz a 1,7MHz
· Estação de TV: de 54MHz à 88MHz (canal 2 a 6)
· Rádio FM (Freqüência Modulada): de 88MHz a 108MHz
· Estação de TV: de 174MHz a 220MHz (canal 7 a13)
A-8- Os telefones Celulares
Com a expansão dos telefones celulares, surgiu o medo de que as radiações
eletromagnéticas dos telefones e das antenas retransmissoras fariam, ou não, mal a nossa saúde.
Há muito diz-que-diz sobre os possíveis danos à saúde: a única certeza é que a exposição
a esse tipo de radiação pode provocar a excitação (movimento) das moléculas e o conseqüente
aquecimento das regiões expostas.
A grandeza desse aquecimento e dos efeitos que pode causar vai depender do tempo da
conversa e da intensidade do sinal.
A existência de uma evidência que relacione as ondas de radiofreqüência dos telefones
celulares e a indução ao câncer pode ser considerada de muito fraca à não existente.
Portanto até agora não temos nada concluído que relacione a radiação da telefonia celular
com malefícios a nossa saúde. Vamos aguardar o desenrolar das inúmeras pesquisas sobre o
assunto que estão em andamento.
A-8.1- Como funcionam os telefones celulares?
Os telefones celulares estão cada vez mais em nossas vidas. No entanto muitas pessoas
desconhecem a maneira como uma rede de telefonia móvel funciona, especialmente o papel das
estações de rádio-base.
Quando você faz uma chamada com o seu telefone celular, ele emite ondas de radio
(também chamada de radiofreqüência ou energia “RF”.Estas ondas de radio são recebidas pela
antena da estação rádio-base mais próxima.
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13Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
A estação rádio-base é composta por um ou mais rádio-emissores e rádio-receptores e por
antenas de radio que comunicam com os telefones celulares individuais na zona.
Quando a estação de rádio-base recebe ondas de radio provenientes de telefones celulares,
transmite-as para outro ponto (computador), que encaminha a chamada para outra estação rádio-
base ou para a rede da linha fixa, conforme o tipo de chamada. As estações rádio-base possuem
dois fatores de limitação: um é a capacidade de chamadas que podem processar e outro é a zona
geográfica coberta. Para superar estes dois limites, as estações rádio-base estão situadas em zonas
estratégicas, conhecidas por “células”. Se estiverem bem situadas, as estações permitem reutilizar
a radiofreqüência disponível em outras células, permitindo assim à rede processar um número
maior de chamadas. Isto significa que a estação de rádio-base deve funcionar a baixos níveis de
potencia para não haver interferência com outras estações rádio-base da zona.
A-8.2- Onde estão situadas as estações rádio-base?
A infra-estrutura de uma estação rádio-base situa-se freqüentemente em torres, em
telhados de prédios ou em estruturas já existentes. Em alguns escritórios, existem pequenas
estações situadas no interior do próprio edifício. Muitas pessoas utilizam hoje telefones portáteis
nas suas casas. A unidade de base, que está ligada à linha telefônica, é realmente uma estação
rádio-base miniatura, que funciona exatamente da mesma maneira que as estações rádio-base que
se vêem nas ruas. O importante em relação às estações rádio-base é que, independentemente do
seu tipo, elas funcionam a baixos níveis de potência, e sempre que as pessoas estiverem expostas
ao seu campo magnético, estes níveis ficam muito abaixo dos limites de segurança relevantes.
A-8.3- Há limites de segurança para exposição às ondas de radio das estações radio-base?
Há sim. Há uma série de diretrizes, recomendações e normas nacionais e internacionais
relativas à exposição às ondas de rádio. São muito semelhantes e habitualmente baseadas nas
recomendações da Comissão Internacional sobre a Proteção da Radiação Não-Ionizante
(ICNIRP). Estes limites fornecem uma ampla margem de segurança contra os conhecidos efeitos
nocivos à saúde e levam em conta a saúde das crianças e de outros segmentos da população,
proporcionando margens adicionais de segurança. A intensidade das ondas de rádio é
drasticamente reduzida com a distância da antena. Por exemplo, se uma pessoa estiver a alguns
metros de uma antena externa de estação rádio-base, estará além dos limites de exposição
TEIA DO SABER 2005 Metodologia de Ensino de Disciplinas da Área de Ciências da Natureza, Matemática e suas
14Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
recomendados. Se estiver num edifício com antenas internas, a distância recomendada será
apenas alguns centímetros.
Até lá, apenas por excesso de precaução, vamos usar o telefone celular em ligações
essenciais e rápidas, mesmo que seja só para proteger a saúde do nosso bolso.
A-9- Microondas
Em 1945, o engenheiro americano Percy Le Baron Spencer estava trabalhando em um
radar e percebeu que balas que estavam no seu bolso haviam ficado bem amolecidas.
Deduziu que teria sido um efeito das microondas do radar. Em 1967 foi produzido o
primeiro forno de microondas baseado na descoberta de Spencer.
As ondas de rádio com esse comprimento são absorvidas pela água, gordura e açúcares e
convertidas em movimento das moléculas, causando o calor.
Essas mesmas radiações não são absorvidas pela maioria dos plásticos, vidros e
cerâmicas.
No forno convencional o calor vai de fora (da chama de fogo) para dentro.
No forno de microondas as ondas de rádio penetram nos alimentos e excitam as moléculas
de água e gordura uniformemente por todo o alimento.
Essa uniformidade varia de acordo com a forma e tamanho do material a ser cozido.
As microondas cozinham aquecendo as moléculas de água, que por sua vez aquecem o
alimento.
O único arranjo molecular que acontece é o causado pelo aquecimento do alimento no
sentido de atingir a temperatura de fervura. As perdas químicas no processo de cozimento através
do forno de microondas são menores que as do forno convencional.
Portanto não comemos mais toxinas pelo fato do alimento ter sido preparado no forno de
microondas. O dano não é maior do que qualquer alimento cozido em água fervente.
A-9.1- Cuidado ao aquecer líquidos no forno de microondas.
Quando se aquecem líquidos no microondas em recipientes muito lisos, por exemplo de
vidro de elevada qualidade, pode dar-se um fenômeno de sobre aquecimento. Quando aquecemos
água à pressão atmosférica, a temperatura não sobe acima dos 100 ºC, porque a essa temperatura
a pressão de vapor da água é igual à pressão atmosférica e podem formar-se bolhas de vapor que
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15Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
vão libertando o calor fornecido. No entanto em recipientes polidos no microondas pode não
existir o "motor de ignição" que origina o aparecimento das primeiras bolhas de vapor Nesse caso
a água pode aquecer demasiado sem ferver. Este processo é perigoso - só falta a faísca para se dar
a explosão - que em geral é a agitação pelo retirar do recipiente do microondas, pela introdução
do saco de chá na água ou ao colocar o recipiente sobre uma superfície fria de modo que cause
uma variação térmica: nesse momento a água ferve toda de uma vez com tal violência que em
geral certas quantidades saem do recipiente podendo provocar graves queimaduras.
Nós vemos o prato dentro do microondas porque a luz (radiação electromagnética)
atravessa a janela. Será que há perigo das microondas também poderem sair por essa mesma
janela? A resposta é negativa. Se olharmos mais atentamente para a janela do microondas
notamos que ela se encontra completamente coberta por uma rede metálica repleta de pequenos
buracos. As ondas eletromagnéticas penetram pouco dentro dos condutores elétricos. E se os
condutores forem constituídos por uma malha de orifícios só a radiação com comprimentos de
onda muito inferiores às dimensões dos orifícios é que conseguem penetrar. É esta a diferença!.
As microondas têm comprimentos de onda da ordem do centímetro e por isso não atravessam a
rede metálica que cobre toda a janela; pelo contrário a luz com comprimentos de onda cerca de
dez a cem mil vezes mais pequenos passa sem dificuldade pela dita rede vemos por isso os
alimentos a aquecer.
A-10- Bronzeamento Solar
O sol emite vários tipos de radiação. Toda radiação emitida pelo sol é chamada de
radiação solar.
A radiação solar é composta pela radiação infravermelha (IV), pela luz visível e pela
radiação ultravioleta (UV). Apesar de existirem fontes artificiais de luz bem eficientes, o sol
ainda é a maior fonte de luz natural para o nosso mundo.
A radiação solar produz efeitos benéficos e efeitos danosos à pele. A sua ação está
diretamente relacionada à quantidade de radiação, ou seja, ao tempo de exposição.
Os efeitos benéficos são principalmente a formação da vitamina D3, que fixa o cálcio nos
ossos, combatendo algumas doenças ósseas (raquitismo, osteoporose).
Quanto aos efeitos danosos, a pele humana pode sofrer severas agressões quando exposta
ao sol, principalmente pela radiação ultravioleta que compõe o espectro solar.
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16Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
A radiação ultravioleta é uma radiação eletromagnética, que também faz parte da radiação
solar que atinge a Terra.
A radiação ultravioleta tem três subdivisões, de acordo com seu comprimento de onda: A,
B e C.
A ultravioleta A (UVA) inicia-se em 400nm (vizinha a luz visível) indo até 320nm. A
radiação UVA é menos ativa que a UVB para reações na pele. A sensibilidade do indivíduo à
radiação ultravioleta depende do seu tipo de pele.
A ultravioleta B (UVB), situada entre 320nm e 290nm é a maior responsável pelas lesões
na pele. Produz reações agudas como o eritema solar (vermelhidão) até a queimadura solar.
A radiação ultravioleta C (UVC), situada entre 290nm e 100nm, é totalmente filtrada
(bloqueada) pela atmosfera terrestre e nunca chega até nós.
Grandes altitudes requerem cuidados extras: a cada 300 metros de altitude, aumenta em
cerca de 4% a intensidade da vermelhidão produzida na pele pela radiação ultravioleta.
Neve, areia e superfícies pintadas de branco são refletoras dos raios solares.
Portanto, nessas condições, os cuidados devem ser redobrados.
A-10.1- O bronzeamento artificial faz mal à saúde?
Com sol ou chuva, no verão ou no inverno, sempre vemos pessoas com um bronzeado,
principalmente atores de TV.
É que eles fazem o bronzeamento artificial através de máquinas especiais, ficando sob o
efeito de lâmpadas como se estivessem sob a luz solar.
De acordo com os fabricantes dessas máquinas de bronzeamento artificial, as lâmpadas
emitem apenas um tipo de radiação ultravioleta, a chamada ultravioleta A, e bloqueia, através de
filtros, o tipo chamado ultravioleta B que dizem ser os prejudiciais a nossa pele.
Mas trabalhos médicos recentes e de diversas instituições científicas alertam que o
bronzeamento artificial é igualmente perigoso, pois quem recebe diariamente raios ultravioleta,
do tipo A ou B, tem 20% a mais de probabilidade de adquirir câncer de pele.
A nossa atmosfera é dividida em três camadas: a troposfera que é a mais baixa, a
estratosfera que é a intermediária, e a ionosfera que é a camada mais externa.
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17Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
A camada de ozônio é uma "capa" desse gás que envolve nosso planeta. Fica na
estratosfera, de 20 a 50km acima da superfície da Terra, e a protege de vários tipos de radiação,
sendo a principal delas a radiação ultravioleta, que é a maior causadora de câncer de pele.
No último século, devido ao desenvolvimento industrial, passaram a ser utilizados
produtos que emitem clorofluorcarbono (CFC), um gás que ao atingir a camada de ozônio reage
com as moléculas que a formam, causando uma destruição parcial da mesma e a conseqüente
diminuição da nossa proteção natural a vários tipos de radiações que vêm do espaço.
Acontece também na nossa atmosfera um fenômeno natural de manutenção de calor na
Terra denominado efeito estufa : certos gases retêm calor de uma maneira parecida com as
estufas de vidro para o cultivo de certas plantas.
Se esse fenômeno não acontecesse, nosso planeta teria na sua superfície uma temperatura
média igual a de um congelador (-18oC).
Mas, o que vem ocorrendo é o aumento desses gases que provocam o efeito estufa (os
mesmos gases que destroem a camada de ozônio), causando um aumento além do normal da
temperatura média na superfície da Terra.
Se isso continuar a acontecer, dentro de algumas dezenas de anos, esse aumento da
temperatura media poderá ser de alguns graus, causando sérias modificações climáticas,
ecológicas e econômicas.
PARTE B – Práticas em Laboratório
B-1- Experimento I - Cuba de Ondas
Objetivos: Estudar os fenômenos de reflexão, refração, interferência e difração de ondas numa
cuba d'água
Introdução: Uma das maneiras mais interessantes de se estudar as propriedades de propagação
das ondas é a partir da formação destas em uma cuba com água. As ondas na água movem-se na
superfície não atingindo uma profundidade apreciável. As observar as ondas na água nota-se que
estas se apresentam conforme ilustrado na Figura 1, onde a parte superior é denominada de crista
e a inferior de depressão ou vale.
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18Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
Numa cuba de ondas, com fundo transparente, torna-se possível projetar as imagens das
ondas em um anteparo. Essas imagens são produzidas porque as cristas das ondas atuam como
lentes convergentes e focalizam a luz de uma lâmpada no anteparo, enquanto as depressões,
atuando como lentes divergentes, tendem a dispersá-la. Dessa forma, as cristas aparecem no
anteparo como faixas brilhantes, enquanto as depressões aparecem escuras. Com esse sistema
pode-se estudar os fenômenos de reflexão, refração, difração e interferência utilizando as
imagens produzidas pelas ondas na cuba.
Crista Vale
Água
Figura 1 - Ondas formadas na superfícieda água, formando cristas e vales que atuam como lentes.
Nesse experimento iremos estudar os quatro fenômenos.
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19Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
irPulso incidente
Pulso refratado
b) Refração
λ1 λ2
Meio 1 Meio 2
i
r Barreira
Pulso incidente
Pulso refletido
a) Reflexão
Fonte 1 Fonte 2
c) Interferência
Pulso incidente
Pulso difratado
Fenda
d) Difração
Lista de Material: Estroboscópio, cuba com água, sistema de suporte para cuba, anteparo branco
para folha A4, vibrador com frequencímetro, objetos de acrílico em diferentes formas para
anteparos, paquímetro, régua ou trena.
Procedimento Experimental: Os diferentes experimentos serão realizados em diferentes
montagens, em esquema de rodízio. Para cada sistema, no seu início, coloque água na cuba até
uma altura de 0,5 a 0,75cm. Ligue a fonte e varie lentamente a freqüência do motor do vibrador.
Observe as ondas no anteparo e procure estabelecer o melhor foco possível. Desligue o motor,
coloque uma lâmina de acrílico transparente no fundo da cuba e observe a sua imagem no
anteparo. Meça o fator de ampliação da imagem. Procure estudar cada um dos fenômenos abaixo
da melhor maneira possível realizando ao menos as investigações indicadas. Use sua criatividade
para propor novas medidas, relatando-as ao professor antes de realizar qualquer alteração no
equipamento do laboratório.
a) Experimento de Reflexão:
a.1) produzir ondas planas utilizando três freqüências de vibração de 10, 20 e 30 Hz.
Anotar as figuras obtidas e determinar o comprimento de onda, e a velocidade de propagação da
onda.
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20Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
a.2) inserir na cuba um anteparo retilíneo, com três ângulos diferentes. Analisar as ondas
incidentes e refletidas em função do ângulo para uma freqüência fixa.
a.3) inserir um obstáculo curvilíneo e estudar as diferentes reflexões.
b) Experimento de Refração:
b.1) produzir ondas planas. Inserir a placa de acrílico oblíqua em relação a direção de
propagação das ondas.
b.) obter e analisar o espectro resultante para ao menos duas inclinações diferentes e duas
freqüências diferentes.
c) Experimento de Interferência:
c.1) utilizar uma fonte pontual e obter a figura resultante para 10, 20 e 30Hz. Analisar
obtendo o comprimento de onda e velocidade de propagação da onda.
c.2) utilizar duas fontes pontuais presas ao gerador e distanciadas de 5 cm com
freqüências de 10, 20 e 30 Hz. Marcar a figura resultante e estudar o fenômeno observado.
c.3) repetir o experimento para distanciamentos de 7.5 e 10 cm.
d) Experimento de Difração:
d.1) utilizar um gerador de ondas planas com freqüência de 10, 20 e 30Hz. Colocar um
obstáculo reto com uma fenda e estudar a figura resultante em função da abertura da fenda.
d.2) colocar um obstáculo reto com duas fendas em paralelo e estudar o fenômeno
observado.
B-2- Experimento 2 - Interferência e difração
Objetivos: a) estudar a natureza ondulatória da luz através dos efeitos de difração e interferência
por fendas; b) estudar o efeito da interferência em diferentes situações; c) aplicar o princípio de
Babinet.
Fenda simples
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21Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
A figura acima apresenta uma onda plana de comprimento de onda � incidindo numa
fenda de largura a. O padrão de difração, intensidade versus �, esta esquematicamente
representado na figura. [“Figura retirada de “Experiments in Physics” de Daryl W. Preston, John
Wiley & Sons, 1985”]
O campo elétrico total (superposição dos campos de cada radiador) num ponto da tela
especificado por r e � é
)cos(),,( 0 tkrsenEtrE ωα
αθ −= Eq. 1
em que E0 é a amplitude do campo elétrico, k é o número de onda 2π/λ, ω é a freqüência angular
2π/T, e
θ
λπα sena
= Eq. 2
A intensidade é proporcional ao quadrado da onda total, e a média temporal da
intensidade para um dado r, )(θI é:
∫∝T
dttET
I0
2 ),(1)( θθ Eq. 3
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22Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
portanto no nosso caso,
2
0)( ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ααθ senII
Eq. 4
A dependência angular esta contida em α. A função (sen α/α)2 é chamada de “fator de
difração”. Os mínimos no padrão de difração ocorrem quando )(θI = 0. Esta condição requer
portanto que:
λθ msena m =⋅ m = 1,2,3,... Eq. 5
em que: m – é o número da ordem do padrão de difração
θm – é o ângulo entre o meio do padrão e o mínimo de ordem m do padrão de
difração.
Fenda dupla
O caso de duas fendas é apresentado na Figura 2, para fendas com separação d. Cada
fenda produz uma onda dada pela equação 1. Estas duas ondas superimpostas produzem a onda
total.
A média temporal da intensidade para um dado r é:
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23Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
2
20
sin)(cos4)( ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ααβθ iI
Eq. 8
sendo θ
λπβ send
= (Eq. 7)
e α é dado pela eq. 2.
O termo (cos β)2 é chamado de “fator de interferência”. Note que )(θI envolve o produto
do “fator de interferência” e o “fator de difração”. O fator de interferência é máximo para aqueles
valores de θ que satisfaçam a seguinte equação:
λθ msind m =⋅ m = 0,1,2,3,… Eq. 9
em que:
θm – é o ângulo entre o meio do padrão e o máximo de ordem m do padrão de difração.
Material: Laser, fenda simples, fenda dupla (dois modelos), trena, paquímetro, papel em branco e
lamina de microscópio.
Procedimento experimental
Fenda simples
1) Faça uma montagem como a sugerida na Figura 1. Dado o comprimento
de onda do laser em uso determine a largura da fenda utilizando a equação 5.
Fenda dupla
2) Faça uma montagem como a sugerida na Figura 2. Dado o comprimento de onda do
laser em uso determine a largura da fenda utilizando a equação 9. Repita o procedimento com a
segunda fenda disponível.
B-3- Experimento 3 – Raio de curvatura da córnea
Objetivos: a) Utilizar os conceitos adquiridos referentes a ótica física para a medida do raio de
curvatura de superfícies esféricas refletoras; em especial da córnea.
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Para a medida da curvatura da córnea vamos tratar a córnea como um espelho convexo.
Nesse caso, lembre-se que dado um objeto qualquer, a imagem será sempre virtual, a ampliação
do mesmo pelo espelho convexo é dada por:
ssm '
−=, Eq. 1
em que, s é a distância do objeto ao espelho e s’, a distância da imagem ao espelho. Conhecendo
s e m, portanto podemos determinar s’. Lembrando-se que:
Rfss21
'11
==+, Eq. 2
podemos portanto determinar o valor do raio de curvatura (R) do espelho (ou da córnea).
Materiais: Lâmpadas, bolinhas de metal, lentes, régua, trena, paquímetro e suporte para cabeça e
bolinhas de metal.
Procedimento experimental
1) Construa um telescópio e determine o seu poder de ampliação.
2) Faça uma montagem para a determinação do raio de curvatura de uma bolinha de
metal. Determine o raio de curvatura da bolinha de metal utilizando o paquímetro e sua
montagem.
3) Utilizando a mesma montagem, determine o raio de curvatura da córnea de todos
os integrantes do seu grupo de trabalho.
PARTE C – Experiências em Sala de Aula
Fio de Cabelo
Segundo o princípio de Babinet como deveria ser o padrão de difração de um fio de
cabelo. Verifique experimentalmente e deduza a espessura do seu cabelo.
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25Tecnologias do Ensino Médio: Física, Química e Biologia (Tuma de Inicial)
BIBLIOGRAFIAS
BIBLIOGRAFIA
Eduardo de Campos Valadares. Física Mais que Divertida. 2ª Ed. Editora UFMG.
Keller, F.J., Gettis, W.E. e Skove, M.J., Física, vol.1, Makron Books, 1999.
Tipler, P.A., Física, vol.1, Ed.Guanabara Dois, 1980 e re-edições.
http://www.fisicaparatodos.com.br
http://www.scb.org.br/inspiracao/naturezaviva/2k20204.asp
http://www.radiohaus.com.br/espectro4.htm