A refração da luz na educação do ensino básico: a lâmpada solar de garrafa Teach article

Traduzido por Paulo André e Maria Rute Ferreira. Há mais de 10 anos, um inventivo habitante de uma favela descobriu que poderia produzir luz sem eletricidade. Agora por todo o mundo, as lâmpadas solares de garrafa estão disseminadas.

Em 2002, o mecânico brasileiro Alfredo Moser surgeriu como forma de iluminar a sua casa, durante o dia, sem utilização de eletricidade. A solução encontrada por Moser requer, apenas, uma garrafa de plástico cheia de água. Esta inovação, que utiliza o fenómeno da refração, já se espalhou por todo o mundo e espera-se que ilumine mais de 1 milhão de casas este ano.

Muitos professores têm receio de introduzir tópicos de física nas escolas do ensino básico (1º ciclo), no entanto, apesar de os alunos poderem não ser capazes de reconhecer o fenómeno de refração da luz, muitos já terão visto como uma palhinha parece dobrar, quando parcialmente imersa em água. Este artigo visa fornecer uma base teórica para a refração da luz e ilustra como a lâmpada solar pode ser usada em ambiente de sala de aula para demonstrar o fenómeno.

Refração

Recorrendo, de novo, ao exemplo de uma palhinha parcialmente imersa num copo de água, esta parece estar dobrada ou quebrada. Tal acontece porque a água é oticamente mais densa do que o ar, logo a luz viaja mais lentamente na água do que no ar. Esta variação na velocidade, altera a direção de propagação da luz, quando passa de uma substância para outra. Este fenómeno designa-se por refração. Na refração, dois parâmetros são importantes, nomeadamente, o ângulo com que a luz atinge a interface entre os dois materiais, designado por ângulo de incidência, e uma propriedade específica de cada um dos dois materiais envolvidos, ou seja, o índice de refração. De um modo geral, os materiais mais densos têm valores superiores para o índice de refração, pois a velocidade de propagação da luz é inferior para estes casos.

Consideremos um carro que viaja rapidamente na estrada mas que diminui a sua velocidade quando a condução ocorre num terreno enlameado. A refração não ocorre quando os raios de luz incidem perpendicularmente na interface entre dois meios transparentes, tal como um carro que entra perpendicularmente num campo enlameado, reduz a sua velocidade, mas mantem-se a direção. No entanto, se entrarmos no campo enlameado com um ângulo, as rodas que atingirem primeiro a lama serão abrandadas e o carro irá virar. De um modo similar, se os raios de luz atingirem a superfície com um ângulo, irão mudar a direção de propagação. A alteração de direção depende dos índices de refração dos dois meios envolvidos (figuras 1 e 2).

O fenómeno da refração da luz pode ser facilmente demonstrado, na sala de aula, com algumas experiências introdutórias.

A caixa de sapatos

O tema da refração da luz pode ser introduzido, recorrendo à discussão de como uma palhinha, ou um lápis, imersos num copo com água aparentam estar quebrados, quando vistos lateralmente, o que é uma boa base para a evolução de questões relativas a este tema. As leis teóricas de refração podem ser demonstradas, através da construção de uma experiência simples, utilizando uma caixa de sapatos. A experiência deve ser concretizada em grupos de dois ou três elementos. Dependendo da idade dos alunos e do tempo da aula, o professor, também, pode preparar as caixas de sapatos com antecedência, a fim de encurtar o tempo dedicado à preparação, em sala de aula.

Como explicado no documento disponível na secção de referências ^w1, são necessários uma lanterna, uma caixa de sapatos, uma faca artesanal e um copo de água. Corte, cuidadosamente, duas fendas verticais na extremidade mais pequena da caixa de sapatos. O espaço entre as fendas não deve ser maior do que o copo de vidro. Escureça o ambiente e ilumine as fendas com a lanterna e verá dois feixes luminosos paralelos. Coloque, agora, o copo com água dentro da caixa, próximo das duas fendas e observará que os feixes luminosos deixam de ser paralelos e que se cruzam. Este é o resultado da velocidade daa luz ter sido retardada na água que apresenta uma densidade ótica maior do que a do ar. De acordo com a lei da refração, o ângulo com que a luz é desviada é menor em relação ao ângulo normal da interface do copo com o ar e, assim, os dois raios de luz, eventualmente, cruzam-se.

Questões de acompanhamento

Dependendo da idade dos alunos, a experiência da lâmpada solar poderia ser parte de um projeto interdisciplinar maior sobre os problemas dos países em desenvolvimento, em comparação com as próprias experiências do estudante. Depois de verem a lâmpada em funcionamento, os alunos devem perceber quão grande é este avanço para as pessoas sem acesso a uma fonte segura de eletricidade. A fim de comparar a versão elétrica com este meio de produção de luz, os alunos podem medir os diferentes níveis de iluminação. A situação social das pessoas afetadas, também, poderia tornar-se o foco de atenção e ser usado como um ponto de partida para um projeto da escola para angariar fundos e espalhar lâmpadas de garrafa solares em regiões desfavorecidas.

Conclusões

A lâmpada solar é uma solução inovadora para o problema de iluminação das casas e fornece uma demonstração simples da física, ajudando na motivação dos alunos para esta temática. Este tópico fornece, também, uma excelente oportunidade para o trabalho interdisciplinar. Ao longo da experiência, os alunos podem praticar o trabalho em equipa e da atribuição de responsabilidades, aumentando assim as suas capacidades sociais. Além do foco no conteúdo, a ênfase das aulas, também, pode ser colocada sobre o método científico, com a introdução de protocolos de teste, o que será benéfico para o trabalho futuro em outras disciplinas de ciências. A abordagem de incluir a lâmpada solar em garrafa no ensino já foi implementada em muitas escolas como parte de projetos baseados na luz ou energias alternativas, dando aos seus alunos a oportunidade de experimentar a refração da luz, a partir de um ponto de vista prático.