Livro didático público de física

Livro didático público de física

(Parte 2 de 10)

Agir no sentido mais geral do termo significa tomar iniciativa, iniciar, imprimir movimento a alguma coisa. Por constituírem um initium, por serem recém-chegados e iniciadores, em virtude do fato de terem nascido, os homens tomam iniciativa, são impelidos a agir. (...) O fato de que o homem é capaz de agir significa que se pode esperar dele o inesperado, que ele é capaz de realizar o infinitamente improvável. E isto, por sua vez, só é possível porque cada homem é singular, de sorte que, a cada nascimento, vem ao mundo algo singularmente novo. Desse alguém que é singular pode-se dizer, com certeza, que antes dele não havia ninguém. Se a ação, como início, corresponde ao fato do nascimento, se é a efetivação da condição humana da natalidade, o discurso corresponde ao fato da distinção e é a efetivação da condição humana da pluralidade, isto é, do viver como ser distinto e singular entre iguais.

Hannah Arendt A condição humana

Este é o seu livro didático público. Ele participará de sua trajetória pelo Ensino Médio e deverá ser um importante recurso para a sua formação.

Se fosse apenas um simples livro já seria valioso, pois, os livros registram e perpetuam nossas conquistas, conhecimentos, descobertas, sonhos. Os livros, documentam as mudanças históricas, são arquivos dos acertos e dos erros, materializam palavras em textos que exprimem, questionam e projetam a própria humanidade.

Mas este é um livro didático e isto o caracteriza como um livro de ensinar e aprender. Pelo menos esta é a idéia mais comum que se tem a respeito de um livro didático. Porém, este livro é diferente. Ele foi escrito a partir de um conceito inovador de ensinar e de aprender. Com ele, como apoio didático, seu professor e você farão muito mais do que “seguir o livro”. Vocês ultrapassarão o livro. Serão convidados a interagir com ele e desafiados a estudar além do que ele traz em suas páginas.

Neste livro há uma preocupação em escrever textos que valorizem o conhecimento científico, filosófico e artístico, bem como a dimensão histórica das disciplinas de maneira contextualizada, ou seja, numa linguagem que aproxime esses saberes da sua realidade. É um livro diferente porque não tem a pretensão de esgotar conteúdos, mas discutir a realidade em diferentes perspectivas de análise; não quer apresentar dogmas, mas questionar para compreender. Além disso, os conteúdos abordados são alguns recortes possíveis dos conteúdos mais amplos que estruturam e identificam as disciplinas escolares. O conjunto desses elementos que constituem o processo de escrita deste livro denomina cada um dos textos que o compõem de “Folhas”.

Em cada Folhas vocês, estudantes, e seus professores poderão construir, reconstruir e atualizar conhecimentos das disciplinas e, nas veredas das outras disciplinas, entender melhor os conteúdos sobre os quais se debruçam em cada momento do aprendizado. Essa relação entre as disciplinas, que está em aprimoramento, assim como deve ser todo o processo de conhecimento, mostra que os saberes específicos de cada uma delas se aproximam, e navegam por todas, ainda que com concepções e recortes diferentes.

Outro aspecto diferenciador deste livro é a presença, ao longo do texto, de atividades que configuram a construção do conhecimento por meio do diálogo e da pesquisa, rompendo com a tradição de separar o espaço de aprendizado do espaço de fixação que, aliás, raramente é um espaço de discussão, pois, estando separado do discurso, desarticula o pensamento.

Este livro também é diferente porque seu processo de elaboração e distribuição foi concretizado integralmente na esfera pública: os Folhas que o compõem foram escritos por professores da rede estadual de ensino, que trabalharam em interação constante com os professores do Departamento de Ensino Médio, que também escreveram Folhas para o livro, e com a consultoria dos professores da rede de ensino superior que acreditaram nesse projeto.

Agora o livro está pronto. Você o tem nas mãos e ele é prova do valor e da capacidade de realização de uma política comprometida com o público. Use-o com intensidade, participe, procure respostas e arrisque-se a elaborar novas perguntas.

A qualidade de sua formação começa aí, na sua sala de aula, no trabalho coletivo que envolve você, seus colegas e seus professores.

Texto de Apresentação do LDP de Física10

Sumário

Apresentação do Conteúdo Estruturante Movimento12
1 – Gravitação Universal17
2 – Descrição Clássica dos Movimentos: Inércia e Momentum3
3 – Trajetórias49

Conteúdo Estruturante: Movimento

Apresentação do Conteúdo Termodinâmica62
4 – Lei Zero da Termodinâmica65
5 – Modelos de Calor7
6 – Vapor e Movimento93
7 – Verso e Reverso: A Ordem do Universo107

Conteúdo Estruturante: Termodinâmica 8 – Pressão e Volume ...............................................................121

Apresentação do Conteúdo Estruturante Eletromagnetismo134
9 – Carga Elétrica137
10 – Geração mais Transformação igual a Conservação de Energia151
1 – Campos Eletromagnéticos165
12 – A Natureza da Luz e suas Propriedades183
13 – Dualidade Onda Partícula da Luz207

Conteúdo Estruturante: Eletromagnetismo

Epílogo 14 – As Três Interações Fundamentais ...............................................219

Ensino Médio

A Física é uma Ciência que tem como objeto de estudo o Universo, sua evolução, suas transformações e as interações que nele se apresentam. Por alguma razão, os fenômenos da natureza obedecem a equações matemáticas. Dessa forma, o papel do físico consiste em elaborar modelos para os fenômenos expressos em equações matemáticas. Mas atenção! Esses modelos não são a natureza, mas sim a representação dela.

O conhecimento físico construído ao longo do tempo encontra-se presente hoje nas tecnologias do setor produtivo e de nossas casas. Daí a sua importância para as práticas sociais contemporâneas, a compreensão da cultura produzida pelos homens, para entender a relevância histórica dessa produção dentro da história da humanidade. Não fosse o bastante, a elegância das teorias físicas, a emoção dos debates em torno das idéias científicas, a grandeza dos princípios físicos, desafia a todos nós, professores e estudantes, de compartilharmos, ainda que com um pouco de Matemática, os conceitos e a evolução das idéias em Física, presentes desde que o homem, por necessidade ou por curiosidade, passou a se preocupar com o estudo dos fenômenos naturais. (MENEZES, 2005)

Até o final do século XIX e ínicio do século X, praticamente toda a Física conhecida estava concentrada no estudo dos Movimentos, apresentada no Principia de Newton, e o Eletromagnetismo de Maxwell, cuja síntese manifesta a junção dos fenômenos elétricos e magnéticos. E, ainda, as três leis da Termodinâmica, formulações ocorridas especialmente com os trabalhos de Mayer, Helmholtz e Gibbs, donde surgiu uma das primeiras formulações para a Conservação da Energia.

Assim, os textos, os quais chamamos Folhas, englobam três campos de estudos: Movimento, Termodinâmica e Eletromagnetismo, escolhidos como estruturantes do currículo de Física do Ensino Médio, porque constituem-se como teorias unificadoras da Física. No século XVI, a mecância de Newton uniu os fenômenos celestes e os terrestres, sendo que suas Leis de Movimento englobam a Estática, a Dinâmica e a Astronomia. No século XIX, os estudos da Termodinâmica, que tiveram como mote as máquinas térmicas, unificam os conhecimentos sobre gases, pressão, temperatura e calor. Ainda no século XIX, Maxwell inclui a Óptica dentro da Teoria Eletromagnética, concluindo a terceira grande sistematização da Física ao unir os fenômenos elétricos com os magnéticos e a óptica.

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Física

O século X presenciou grandes avanços no conhecimento dos fenômenos naturais: do transistor a nanotecnologia; a expansão do universo que impulsiona a busca por novos modelos cosmológicos; computadores com capacidade de armazenamento e transmissão de dados com uma rapidez nunca antes permitida; e tantos outros. Daí a tentativa de trazer, em cada Folhas, debates e buscas recentes para que também você, estudante, conheça esta produção humana contemporânea.

Evidentemente, muitos assuntos importantes foram deixados de fora, pois não é possível, em um livro, independente do número de páginas, cobrir todos os desdobramentos em conteúdos escolares. Os textos foram escritos tomando-se o cuidado com a linguagem matemática, isto é, nada além dos conteúdos matemáticos que você vem aprendendo no Ensino Médio.

Com este livro, esperamos que você possa se apropriar do conhecimento físico, e compreender que ele é e foi historicamente e socialmente construído, bem como, perceber as relações desse conhecimento com as estruturas políticas, econômicas, sociais e culturais da sociedade capitalista. Mas, acima de tudo, que perceba sua beleza filosófica e artística revelada nos grandes princípios e nos conceitos científicos.

Dessa forma, apropriamo-nos das idéias do físico e professor

Luiz Carlos de Menezes1, colocadas em seu livro “A matéria – uma aventura do espírito”, de 2005, para dizer que consideramos um direito seu poder associar as leis de conservação com as propriedades do espaço e do tempo, cogitar sobre diferentes ordens que emergem e se transformam no domínio da vida e das máquinas, compreender as qualidades dos materiais em sua intimidade quântica, bem como acompanhar o quase místico surgimento das forças da natureza e a evolução do universo.

Finalmente, fechamos o livro com o Folhas “As três Interações Fundamentais”, escrito pelos professores Ezequiel Burkarter e Julia Tieko Fujimoto, uma temática atual para o tratamento das idéias em Física.

1Menezes, L. C. de. A Matéria. São Paulo: SBF, 2005

12 Introdução

Ensino Médio ã o

Movimento

Há muito tempo, mas muito tempo mesmo, o homem começou a perceber, através da observação da natureza, que alguns eventos apresentavam uma periodicidade incrível, variações cíclicas observadas nos céus, como, por exemplo: as fases da lua, as quais somam aproximadamente 30 dias, isto é, o período de um mês; as estações do ano, que por sua vez somam o tempo de um ano.

Essas observações foram importantes para o homem, pois ajudavam a resolver problemas práticos e garantir sua subsistência, além da necessidade de entender a origem do universo e a própria origem humana.

Inicialmente as explicações para os fenômenos naturais baseavam-se em mitos e crenças, mas com os gregos, vislumbrou-se um entendimento do universo sem o revestimento mitológico. Nessa época os fenômenos celestes eram estudados separadamente dos fenômenos terrestres, uma vez que a cosmologia aristotélica dividia o universo em supralunar e sublunar, separando céu e terra. De fato, Aristóteles foi um dos primeiros, pelo menos dos que conhecemos nos registros em livros, a elaborar uma teoria física criando as primeiras leis do movimento.

Muitos foram os esforços e contribuições para desvendar os fenômenos naturais. No entanto, até a Idade Média, a Ciência conhecida se resumia em: Física aristotélica, Astronomia geocêntrica de Ptolomeu e Geometria euclidiana. Assim é que chegamos ao Renascimento, que se inicia historicamente em 1453.

Mas o Renascimento, como o nome nos seduz a pensar, parece ter contribuído para que uma nova forma de ver e explicar o universo se iniciasse. Nesse cenário, Johannes Kepler, a partir de estudos de Tycho Brahé, concluiu que as órbitas dos planetas eram elípticas e não circulares, nem seus movimentos eram uniformes, mas dependiam da distância do planeta ao Sol. Edmund Halley observou que os cometas situam-se além da Lua, portanto fora da esfera lunar.

Essas constatações contrariavam o que pregava a Ciência medieval, na sua maioria baseada nas idéias de Aristóteles. E para piorar um pouco mais as coisas, Galileu Galilei propôs que o peso dos corpos não tem influência sobre a sua queda, o que contrariou a física dos lugares naturais de Aristóteles.

Pensa que é só isso? Engano seu, pois René Descartes, contemporâneo de Galileu, também imaginava uma ciência que desse conta dos mundos supralunar e sublunar. Em outras palavras, o universo não era separável.

Física

Dessa forma, foi possível estudar os fenômenos físicos a partir de uma situação particular, por exemplo, a queda dos corpos. A natureza pode ser descrita por equações matemáticas, a partir de algumas considerações que fazemos dos fenômenos em estudo que resultam no que chamamos de modelo físico. Mas atenção, um modelo não é a natureza ou coisas da natureza, mas o que achamos que a natureza é!

Assim, inicia-se o que se costuma chamar de Ciência Moderna, que, a partir de uma situação particular, pode-se chegar ao geral, tornando possível inaugurar leis universais, isto é, que abrangem a totalidade do universo.

Impossível descrever num texto como este, todas as contribuições de cientistas, sejam eles conhecidos ou não, que com seus estudos, em cada época, possibilitaram entender um pouco o mundo físico. Da mesma forma, é impossível descrever os muitos erros e acertos, avanços e retrocessos, tão próprios da atividade científica, que conduziram a construção pela humanidade desse monumento que é o conhecimento científico.

Galileu e contemporâneos viveram numa sociedade que transitava do feudalismo para o capitalismo comercial, sendo este último, fruto das grandes navegações do século XVI, as quais permitiram o descobrimento de novos continentes e a formação de um mercado mundial, levando o comércio a longas distâncias e contribuindo para a formação de uma nova classe econômica: a burguesia.

A ampliação da sociedade mercantil e a conjuntura econômica, cultural e social da época derrubaram dogmas da Igreja e permitiram que Galileu adotasse o modelo heliocêntrico de Nicolau Copérnico (1473- 1543), ousando observar sob a mesma ótica corpos celestes e terrestres, separados na física aristotélica.

A instalação do novo cenário foi possível porque Galileu utilizouse de um telescópio, cujas observações contribuíram para sua ousadia. Você já deve ter ouvido o velho ditado que diz “fatos são fatos e contra fatos não há argumentos!”.

Mas apesar dos fatos e da sua ousadia, não foi possível a Galileu e a seus contemporâneos, romperem totalmente com o pensamento da época. No entanto, o palco estava pronto para que Isaac Newton (1642–1727) completasse o que Galileu, Descartes e outros, não conseguiram realizar, isto é, encontrar as leis que submeteriam céu e Terra à mesma descrição matemática. É isso que a Gravitação de Newton consegue: a primeira grande unificação da Física, submetendo céu e terra a mesma lei.

14 Introdução

Ensino Médio

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