Construção de um espectrômetro com materiais de baixo custo para análise da fluorescência no contexto do ensino médio

Abstract

Na investigação do fenômeno da fluorescência, surgiu o interesse em construir um instrumento para análise do espectro de emissão de substâncias fluorescentes. A análise via espectrômetro poderia proporcionar uma compreensão mais profunda desse fenômeno e abrir caminho para aplicações práticas, principalmente no contexto educacional. Espectrômetros são instrumentos projetados para analisar a composição de um feixe luminoso. O espectro resultante, geralmente representado como um gráfico da intensidade pelo comprimento de onda da luz emitida, frequentemente exibe uma série de picos que funcionam como uma espécie de "assinatura" ou "impressão digital" da substância em análise. Espectrômetros comerciais são dispendiosos e, frequentemente, inacessíveis para a realidade do ensino médio. Diante dessa questão, o objetivo principal deste projeto é a construção de um espectrômetro de baixo custo, utilizando materiais de fácil obtenção, e sua implementação por meio de uma sequência didática no ensino médio. O objetivo é introduzir a prática experimental de forma ativa no ambiente da sala de aula e despertar o interesse dos estudantes em áreas como óptica e a interação da luz com a matéria. O diferencial do espectrômetro construído neste trabalho está na simplicidade de sua montagem, sendo um dispositivo compacto e móvel que facilita sua utilização no ambiente escolar. Adicionalmente, ele aborda os princípios básicos da óptica, tais como as propriedades das lentes e a difração, presentes nos currículos de física do ensino médio. A análise visual direta das cores do espectro de emissão no anteparo é intrigante, pois é comum que os estudantes esperem observar apenas a cor do laser incidente devido à reflexão. No entanto, o aparato construído revela uma gama de cores adicionais, o que ajuda a elucidar os princípios fundamentais da fluorescência, em que os comprimentos de onda de emissão são maiores do que os de absorção. Como base teórica para a sequência didática, foi utilizada a abordagem de David Ausubel e George Kelly, que ressaltam a construção ativa do conhecimento. Segundo Ausubel, a aprendizagem é dita significativa quando um novo conhecimento se relaciona de forma não arbitrária e substantiva com o conhecimento prévio do aluno. Para facilitar esse processo, é essencial apresentar ao aluno um material potencialmente significativo. Uma maneira de fazer isso é através de atividades experimentais, que permitem uma abordagem prática e envolvente na recepção do novo conhecimento. Por outro lado, Kelly destaca em seu Ciclo de Experiência Kellyana os caminhos pelos quais uma pessoa constrói o conhecimento. Considerando uma sequência didática com base nesse ciclo, geralmente são aplicados questionários pré-testes e pós-testes com intuito de avaliar os resultados da intervenção. A dissertação e o produto educacional apresentam o passo a passo da construção do espectrômetro e os resultados obtidos, além de proporem uma sequência didática para o uso do aparato experimental em turmas do segundo ano do ensino médio. Os resultados da sequência são discutidos pela análise dos questionários diagnósticos e na interação entre professor e alunos durante as aulas teóricas e práticas. O material produzido está disponibilizado no seguinte endereço eletrônico: https://cleisonlima.wixsite.com/produto-educacional. Palavras-chave: Ensino De Física; Instrumentação; Espectrômetro; Fluorescência; Teoria Da Aprendizagem Significativa; David Ausubel; Ciclo De Experiência Kellyana; George Kelly.In the investigation of the fluorescence phenomenon, there appeared an interest in constructing an instrument to verify the emission spectrum of fluorescent substances. Analysis using a spectrometer could provide a deeper understanding of this phenomenon and pave the way for practical applications, especially in the educational context. Spectrometers are instruments designed to analyze the composition of a light beam. The resulting spectrum, usually represented as a graph of intensity versus the wavelength of the emitted light, often exhibits a series of peaks that serve as a kind of "signature" or "fingerprint" of the substance under analysis. Commercial spectrometers are expensive and often inaccessible for high school settings. Faced with this issue, the main objective of this project is to construct a low-cost spectrometer using readily available materials and implement it through a didactic sequence in high school. The goal is to actively introduce experimental practice in the classroom environment and spark students' interest in areas such as optics and the interaction of light with matter. The distinctive feature of the spectrometer built in this work lies in the simplicity of its assembly, being a compact and mobile device, which facilitates its use in the school environment. Additionally, it addresses the basic principles of optics, such as lens properties and diffraction, which are present in high school physics national curriculum. The direct visual analysis of the emission spectrum colors on the screen is intriguing, while students commonly expect to observe only the color of the incident laser due to reflection. However, the apparatus built reveals a range of additional colors, which helps elucidate the fundamental principles of fluorescence, where emission wavelengths are longer than absorption wavelengths. As a theoretical basis for the didactic sequence, David Ausubel and George Kelly's approach was used, emphasizing the active construction of knowledge. According to Ausubel, learning is said to be meaningful when new knowledge relates non-arbitrarily and substantively to the student's prior knowledge. To facilitate this process, it is essential to present the student with potentially meaningful material. One way to do this is through experimental activities, which allow a practical and engaging approach to receiving new knowledge. On the other hand, Kelly highlights in his Kellyan Experience Cycle the ways in which a person constructs knowledge. Considering a didactic sequence based on this cycle, pre-tests and post-tests are usually applied to assess the results of the intervention. The dissertation and the educational product present the step-by-step construction of the spectrometer and the results obtained, as well as propose a didactic sequence for the use of the experimental apparatus in second-year high school classes. The sequence results are discussed through the analysis of diagnostic questionnaires and the interaction between teacher and students during theoretical and practical classes. The material produced is available at the following website: https://cleisonlima.wixsite.com/produto-educacional. Keywords: Physics Education; Instrumentation; Spectrometer; Fluorescence; Meaningful Learning Theory; David Ausubel; Kelly's Experience Cycle; George Kelly.