Natureza Da Ciência e Ensino De Física: Construindo Relações a Partir Do Estudo Da Óptica Newtoniana

June 3, 2017 | Autor: C. Celestino Silva | Categoria: Nature of Science, Physics teaching
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XI Encontro de Pesquisa em Ensino de Física – Curitiba – 2008

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NATUREZA DA CIÊNCIA E ENSINO DE FÍSICA: CONSTRUINDO RELAÇÕES A PARTIR DO ESTUDO DA ÓPTICA NEWTONIANA NATURE OF SCIENCE AND PHYSICS TEACHING: BUILDING CONECTIONS THROUGH THE ANALYSIS OF NEWTONIAN OPTICS Breno Arsioli Moura 1, Cibelle Celestino Silva2 1 Programa de Pós-graduação Interunidades em Ensino de Ciências/Universidade de São Paulo / [email protected] 2 Instituto de Física de São Carlos/Universidade de São Paulo/[email protected]

Resumo A busca por um ensino de física que desperte o senso crítico de alunos e professore s sobre assuntos relacionados à Ciência tem promovido a criação de diversas propostas e iniciativas que envolvam a discussão da Natureza da Ciência (NdC). A NdC pode ser definida como um conjunto de saberes sobre a Ciência e sobre os processos que envolvem a construção do conhecimento científico. Alguns aspectos da NdC que são consenso por parte de epistemólogos e filósofos da Ciência e demais pesquisadores da área são: não existe um único método de se fazer ciência, muitas pessoas contribuem para o desenvolvimento de teorias científicas, teorias científicas não podem ser provadas, o desacordo sempre é possível etc. Uma das estratégias possíveis para que aspectos da NdC sejam incorporados em diversas instâncias do ensino de física é a discussão de episódios históricos. Neste trabalho, apresentamos subsídios para a discussão de aspectos da NdC principalmente em cursos de formação de professores pelo estudo do conteúdo do Livro II do Óptica de Newton. Focaremos nossa análise no conceito de estados de fácil transmissão e fácil reflexão – uma das idéias mais importantes do Óptica – e na relação entre anéis de cores em películas finas e cores dos objetos. Essa análise apontará para vários aspectos da óptica newtoniana pouco conhecidos e pesquisados atualmente, bem como as dificuldades enfrentadas por Newton na construção de novas idéias. Palavras-chave : Newton, óptica, estados da luz, natureza da ciência Abstract The introduction of a physics teaching that foster students’ and teachers’ critical view about issues related to Science has been stimulating the development of many projects and enterprises involving discussions of “Nature of Science” (NOS) aspect. The NOS can be described as a set of information about the process of construction of scientific knowledge. Some consensus characteristics of NOS by epistemologists and philosophers of Science and other researchers are: there is no universal step-by-step scientific method, many people contribute to science, scientific theories can not be proved, the disagreement is always possible etc. One of the possible strategies for incorporating thes e aspects of NOS in many instances of physics teaching is the discussion of historical episodes . In the present paper, we present some resources for facilitate incorporation of NOS aspects mainly in teacher training programs by the analysis of Book II of Newton’s Opticks . This analysis focus

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on the one of the Opticks central concepts – the fits of easy transmission and easy reflection – and on the relation between the colored rings in thin films and the colour of bodies. This study elucidates some unclear aspects of Newtonian optics, emphasizing Newton’s approach to cope with the inherent difficulties in constructing new ideas. Keywords: Newton, optics, fits of light, nature of science Introdução A busca por um ensino de física que envolva – além do ensino e aprendizagem de conteúdos científicos – discussões sobre as características do processo de cons trução e estabelecimento do conhecimento científico tem promovido nas últimas quatro décadas a criação de diversas propostas , projetos e iniciativas de pesquisadores da área de ensino de ciências (McCOMAS et. al., 1998). Atualmente, pesquisadores clamam que a premissa básica para que esse ensino de física – e o ensino de ciências, em geral – seja alcançado é a compreensão de aspectos da Natureza da Ciência (NdC) (NOS, do inglês Nature of Science) por parte de professores e alunos (MATTHEWS, 1994; ABD-EL-KHALICK et. al. , 1998; ABD-EL-KHALICK & LEDERMAN, 2000; BRASIL, 2002). A NdC pode ser definida como um conjunto de saberes sobre os processos que envolvem a construção do conhecimento científico. McCOMAS et. al. (1998) e PUMFREY (1991) apontam alguns aspectos da NdC que são consenso por parte de epistemólogos e filósofos da ciência e demais pesquisadores da área: não existe um único método de se fazer ciência; muitas pessoas contribuem para o desenvo lvimento de teorias científicas; cientistas são criativos; uma observação significativa só é obtida a partir de uma expectativa pré-existente; teorias científicas não são induções, mas hipóteses que vão necessária e imaginativamente além das observações ; os cientistas não constroem deduções incontestáveis, mas fazem complexos julgamentos especializados; teorias científicas não podem ser provadas; o desacordo sempre é possível. Uma das estratégias possíveis para que tais aspectos da Natureza da Ciência sejam incorporados em diversas instâncias do ensino de física é a discussão de episódios da história e filosofia das ciências. Pes quisas apontam que a incorporação, de forma explícita, de estudos históricos e de discussões sobre os fundamentos filosóficos da Ciência em sala de aula e em cursos de formação de professores de ciências em geral podem suscitar um amplo debate sobre o proc esso de construção e divulgação de determinadas teorias científicas, suas influências sobre a sociedade da época, sua aceitação ou rejeição, entre outros assuntos (MATTHEWS, 1994; IRWIN, 2000; PEDUZZI, 2001; SILVA & MARTINS , 2003; ABDEL-KHALICK, 2005). O debate explícito em torno desses aspectos contribuiria para um entendimento maior sobre a natureza da atividade científica, particularmente, a envolvida pela física. Neste trabalho, apresentamos um subsídio para a implementação de discussões sobre a NdC no ensino de física por meio da história e filosofia das ciências: o estudo do conteúdo do Livro II do Óptica de Isaac Newton (1642-1727), obra publicada pela primeira vez em 1704. No Livro II, Newton estudou principalmente a formação de anéis coloridos em películas finas – conhecidos como “anéis de Newton” –, discutiu as cores dos objetos, explicou a interação entre a luz e

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a matéria por meio de uma força e elaborou um dos mais importantes conceitos de sua óptica, os estados de fácil transmissão e fácil reflexão da luz. Essa análise revelará aspectos da óptica newtoniana pouco conhecidos e pesquisados atualmente, indicando que os estudos de Newton sobre a luz e as cores foram muito além dos experimentos com prismas e das discussões sobre a heterogeneidade da luz branca, como relatam grande parte dos textos didáticos e de divulgação científica voltados ao ensino de física. Adaptado e estruturado de acordo com cada ambiente educacional, essa análise pode ressaltar vários dos aspectos da NdC mencionados acima, além de outros , como apontaremos durante nossa argumentação. Ao final desse trabalho, discutiremos brevemente algumas possíveis formas de implementação dessa análise em algumas instâncias do ensino de física, a fim de guiar futuras propostas nesse sentido. Uma breve análise do conteúdo do Livro II Apesar de constituir mais de um terço do Óptica, o Livro II foi pouco estudado por historiadores da ciência e, além disso, é também pouco conhecido pelos próprios físicos, sendo raramente mencionado em materiais educacionais de física. O Livro II é dividido em quatro partes, nas quais Newton discutiu vários fenômenos que eram estudados em sua época. Na primeira parte, ele descreveu uma grande variedade de experimentos sobre a formação de anéis coloridos em bolhas e filmes finos entre prismas e lentes , os “anéis de Newton”. Além disso, ele relacionou matematicamente o diâmetro dos anéis coloridos formados pela película de ar entre duas lentes com o raio de curvatura das mesmas, obtendo uma medida da espessura da pelíc ula de ar existente entre as duas lentes. Na segunda parte, Newton continuou a descrever seus experimentos, relacionando-os com os resultados obtidos na primeira parte e acrescentando um estudo sobre as cores formadas em películas de substâncias diferentes como ar, água e vidro. Na terceira parte, elaborou proposições para explicar os resultados obtidos nas duas primeiras partes e relacionou-os com as cores dos objetos; além disso, argumentou sobre a existência de uma força entre os raios de luz e os corpos materiais. Finalizando essa parte, Newton discutiu a idéia mais importante do Livro II: o conceito de estados de fácil transmissão e fácil reflexão da luz. Na quarta e última parte, Newton estudou a formação de anéis de cores em películas espessas. Nossa análise será concentrada nas proposições sobre o conceito de estados da luz, ponto principal do Livro II, e sobre as cores dos corpos naturais e sua relação com os “anéis”. Indicaremos que a discussão dessas duas partes do Livro II do Óptica é suficiente para abordar questões sobre a Natureza da Ciência no ensino de física. O conceito de estados da luz O conceito de estados de fácil transmissão e fácil reflexão da luz foi discutido entre as proposições 12 e 20 da parte 3 do Livro II, sendo o ponto principal desse Livro e uma das mais importantes idéias do Óptica. Inicialmente, ele foi elaborado por Newton a fim de explicar a formação dos anéis coloridos em filmes, levando em conta sua periodicidade. Segundo ele, os estados seriam propriedades inatas dos raios de luz , sendo definidos da seguinte maneira:

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Chamarei de estados de fácil reflexão aos retornos da tendência de qualquer raio para ser refletido; aos de sua tendência para ser transmitido, estados de fácil transmissão; e ao espaço que se sucede entre cada retorno e o retorno seguinte, intervalo de seus estados. (NEWTON, 1996, p. 212)

Os estados seriam propriedades transitórias da luz; em um determinado instante o raio estaria disposto a ser refletido, em outro, a ser transmitido. Sendo assim, o raio de lu z que estivesse em um estado de fácil transmissão assim que atingisse a segunda superfície do filme fino, seria transmitido, e o raio de luz que estivesse em um estado de fácil reflexão seria refletido. Dependendo da espessura do filme, os raios de luz estariam em um desses estados, podendo ser transmitidos ou refletidos, processo que se repetiria com o incremento de quantidades proporcionais de espessura. Quando um raio de luz branca atingisse a película, anéis de diversas cores seriam formados tanto por transmissão quanto por reflexão, visto que raios de algumas cores estariam dispostos a serem refletidos, enquanto outros dispostos a serem transmitidos, como mostra a figura 1. Quando um raio de luz monocromática atingisse a película, anéis alternadamente claros, da cor do raio, e escuros seriam formados, já que ora o raio seria refletido ora seria transmitido, dependendo do estado em que estivesse. Portanto, segundo Newton, a existência dos estados seria comprovada pelos experimentos, não sendo fruto de especulações ou hipóteses.

Figura 1 - Esquema de Newton no Óptica, mostrando os raios de luz sendo ou transmitidos ou refletidos, dependendo do estado em que estivessem.

Em uma leitura superficial, o conceito de estados da luz aparenta ser satisfatório e de fácil entendimento e aplicação para explicar o fenômeno dos anéis coloridos em películas finas. Newton pretendia utilizar este conceito para explicar os fenômenos da refração e reflexão alternadas – consequentemente, os “anéis de Newton” – e também as reflexões e refrações parciais em um meio transparente, elaborando por meio dele uma teoria única e livre de hipóteses (MOURA & SILVA, 2008). Entretanto, uma leitura mais atenta do Livro II, indica que o projeto newtoniano não era tã o simples de ser realizado, como mostraremos a seguir. Primeiramente, o conceito de estados, da maneira definida por Newton, não é adequado para explicar a reflexão total da luz. Se os raios de luz estão sempre ora em um estado de fácil transmissão ora em um estado de fácil reflexão, não haveria nenhuma razão para que todos eles estivessem nesse último estado, ao passarem de um meio mais denso (por exemplo, vidro) para um meio menos denso (por exemplo, o ar). Além disso, o que determina se um raio sofrerá reflexão total são o índice de refração do meio e o ângulo de incidência, variáveis que não foram levadas em conta por Newton ao discutir a existência dos estados nos raios de luz. Outro ponto problemático dos estados é a sua origem. Em vários trechos do Livro II, Newton revelou-se incerto sobre esse ponto . Na proposição 12, anterior ao trecho em que ele definiu os estados , Newton afirmou que a disposição dos raios a

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serem transmitidos ou refletidos não era uma propriedade inata dos raios, mas ocasionada pela passagem desses por um meio refrator: Todo raio de luz, em sua passagem através de qualquer superfície refratora, assume uma certa constituição ou estado transitório que ao longo da trajetória do raio retorna em intervalos iguais e faz com que em cada retorno o raio tenda a ser facilmente transmitido através da próxima superfície refratora e, entre os retornos, a ser facilmente refletido por ela. (NEWTON, 1996 , p. 210, grifo nosso)

Sendo assim, para Newton, os estados não seriam propriedades originais e presentes nos raios de luz, mas ocasionadas pela passagem desses por uma superfície refratora, por exemplo, uma película fina de ar. Entretanto, na proposição 13 seguinte, ele contrariou não somente o que havia afirmado na proposição 12, como sendo contraditório na mesma proposição: Portanto, a luz se acha em estados de fácil reflexão e fácil transmissão antes de incidir sobre os corpos transparentes. E provavelmente ela assume esses estados na sua primeira emissão dos corpos luminosos e continua neles durante toda sua trajetória. Nesta proposição, suponho que os corpos transparentes são espessos; porque, se a espessura do corpo for muito menor do que o intervalo dos estados de fácil reflexão e transmissão dos raios, o corpo perde seu poder refletor. Pois se os raios, que ao entrarem no corpo assumem estados de fácil transmissão, chegam à superfície mais distante do corpo antes de perder esses estados, eles devem ser transmitidos. E esta é a razão pela qual as bolhas de água perdem seu poder refletor quando se tornam muito finas; e também a razão pela qual todos os corpos opacos, quando divididos em partes muito pequenas, se tornam transparente. ( NEWTON, 1996, pp. 212-13; grifo nosso).

Portanto, fica evidente que Newton não sabia ao certo explicar a origem dos estados, elaborando explicações contraditórias. No caso de os estados serem gerados pela interação dos raios de luz com a matéria, seria necessário explicar como ocorreria o aparecimento dos estados. Segundo Newton, a discussão sobre essa questão não seria importante, no entanto, ao longo do Óptica, ele elaborou algumas hipóteses para tratá-la. Na proposição 12, por exemplo, ele afirmou que os estados seriam resultado de vibrações causadas pelo choque da luz com as partículas do meio refrator. Que tipo de ação ou tendência é esta, se consiste num movimento vibratório do raio, ou do meio, ou de alguma outra coisa, não o indago aqui. Aqueles que se negam a admitir quaisquer novas descobertas, exceto as que conseguem explicar por uma hipótese, poderão supor que [...] os raios de luz, chocando-se com qualquer superfície refratora ou refletora, produzem vibrações no meio ou substância refratora e refletora e, assim fazendo, agitam as partes sólidas dos corpos refrator ou refletor e [...] que as vibrações assim produzidas se propagam no meio ou substância refratora ou refletora da mesma maneira que as vibrações se propagam no ar para causar o som e se movem mais rápido do que os raios, de modo a ultrapassá-los; e que, quando qualquer raio está naquela parte da vibração que contribui para seu movimento, ele irrompe facilmente através de uma superfície refratora, mas quando está na parte oposta da vibração, que lhe impede o movimento, é facilmente refletido; e, por conseqüência, que todo raio tende sucessivamente a ser facilmente refletido ou facilmente transmitido por toda vibração que o ultrapassa. Mas se tal hipótese é verdadeira ou falsa é coisa que não considero aqui. (NEWTON, 1996, pp. 211- 12).

Newton havia elaborado uma hipótese semelhante no artigo “A hipótese da luz”, enviado à Royal Society de Londres em 1675 e não publicado na época (MOURA & SILVA, 2008). Entretanto, pelo fato de esse artigo ser fundamentado em especulações, Newton, seguindo uma postura contrária ao uso de hipóteses, não poderia discuti-la abertamente no Óptica. Isso fica evidente em sua frase “mas se tal hipótese é verdadeira ou falsa é coisa que não considero aqui”.

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Nas famosas Questões do Livro III, Newton mencionou novamente que a causa dos estados seriam as vibrações em um meio, no entanto, essas agora ocasionadas pelos poderes de atração da luz. Para colocar os raios de luz em estados de fácil reflexão e fácil transmissão, basta que eles sejam corpúsculos que por seus poderes de atração, ou por alguma outra força, excitem vibrações naqui lo que agem, vibrações estas que, sendo mais rápidas do que os raios, os ultrapassem sucessivamente e os agitem de modo a aumentar e diminuir alternadamente suas velocidades, colocando- os assim nesses estados . (NEWTON, 1996, p. 272)

Nota-se que Newton não atribuiu às vibrações às partículas do meio – como fez na proposição 12 do Livro II –, se limitando a dizer que essas vibrações ocorriam “naquilo que agem” os raios de luz. No entanto, o aspecto mais intrigante dessas duas hipóteses é que em nenhuma delas os estados são descritos como características da luz, mas do meio. Uma particularidade do meio – suas partículas em vibração – seria a responsável pela existência dos estados que fariam com que o raio de luz fosse alternadamente refletido ou transmitido. Todos esses aspectos discutidos acima deixam claro que a idéia de estados da luz não estava bem fundamentada conceitualmente, mostrando que Newton estava muito longe de construir uma teoria única, baseada somente na experimentação e livre de hipóteses para explicar os diversos fenômenos ópticos tratados no Livro II. Tais pontos ressaltam que os cientistas podem ser muito criativos ao elaborar explicações sobre os fenômenos naturais e, principalmente, que teorias ou conceitos científic os não são induções, mas hipóteses que vão necessária e imaginativamente além das observa ções e que não podem ser provados, como apontam McCOMAS et. al. (1998) e PUMFREY (1991). Apesar de constituir uma das partes mais importantes e interessantes do Óptica, o conceito de estados não é muito conhecido e estudado. Os poucos materiais que discutem os estados geralmente o fazem de forma distorcida e anacrônica, afirmando que Newton procurou por meio deles unir as concepções corpuscular e ondulatória para a luz, e até mesmo que eles seriam uma antecipação do conceito moderno de dualidade onda-partícula (MOURA & SILVA, 2006). Uma possível explicação para o grande desconhecimento que há hoje em dia acerca destas idéias newtonianas pode estar na divulgação da óptica newtoniana no período da publicação do Óptica. Como aponta SILVA & MOURA (2008), na época, havia um crescente clamor pela união entre a óptica e a mecânica newtonianas, o que resultou na elaboração de diversos modelos mecânicos para explicar a interação da luz com a matéria por meio de forças. Pelo fato de o conceito de estados não se incorporar nesses modelos, eles foram discutidos superficialmente ou nem sequer mencionados pelos newtonianos. Outra razão estaria no próprio caráter obscuro deste conceito. A relação entre cores dos objetos e “anéis de Newton” Nas observações da parte 1 do Livro II, Newton discutiu a formação de anéis coloridos em películas finas de ar entre duas lentes e em bolhas de sabão. Ele relatou na observação 15 que a cor do anel dependia da espessura do filme fino, concluindo que [...] o ar entre os vidros, de acordo com sua espessura variada, está disposto em alguns lugares para refletir – e em outros para transmitir – a luz de qualquer cor [...]

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e no mesmo lugar para refletir a luz de uma cor onde ele transmite a de uma outra cor. (NEWTON, 1996, p. 168)

Partindo disso, ele afirmou na proposição 5 da parte 3 do Livro II que as cores dos corpos seriam explicadas pela mesma relação, ou seja, as cores que os corpos exibiam dependiam do tamanho das pequenas partículas que o constituíam. [...] As partes transparentes dos corpos, de acordo com seus vários tamanhos, refletem raios de uma cor e transmitem os de outra cor pela mesma razão por que as lâminas finas ou as bolhas refletem ou transmitem esses raios. E considero esta a razão de todas as suas cores. (NEWTON, 1996, p. 192- 93).

Para estabelecer essa conexão entre anéis e cores dos corpos, Newton utilizou uma metodologia denominada transdução (SHAPIRO, 1993, pp. 40-48). Nessa metodologia, as leis e propriedades dos corpos macroscópicos são utilizadas para caracterizar o comportamento das partículas microscópicas imperceptíveis dos corpos. Se um corpo é vermelho, por exemplo, podemos supor que suas partículas têm um determinado tamanho que reflete somente o ve rmelho. Essa conclusão poderia ser atingida a partir da observação dos “anéis de Newton”, cujas cores dependem do tamanho do filme fino. Dessa forma, estamos partindo de uma verificação macroscópica (um corpo vermelho) para deduzir uma propriedade microscópica (as minúsculas partículas do objeto refletem somente raios de cor vermelha). Newton apresentou um argumento semelhante a esse nos trechos seguintes da mesma proposição. Pois se um corpo adelgaçado ou laminado – que, sendo de uma espessura uniforme, aparece em toda parte com uma cor uniforme – for fendido em fios ou dividido em fragmentos da mesma espessura que a lâmina, não vejo por que cada fio ou fragmento não deva conservar a sua cor; e, em conseqüência, por que uma pilha desses fragmentos não deva constituir uma massa ou pó da mesma cor que a lâmina exibia antes de ter sido fragmentada. E as partes de todos os corpos naturais, sendo similares aos fragmentos de uma lâmina, devem, pela mesma razão, exibir as mesmas cores. (NEWTON, 1996, p. 193)

Dessa forma, Newton supunha que, em um corpo de uma determinada cor, os corpúsculos que o compõem deveriam ter o mesmo tamanho de uma película fina que exibisse um anel de mesma cor. Ele forneceu vários exemplos de como isso seria verdade, como penas de pássaros , teias de aranha, folhas, pós de tinta, entre outros. A relação construída por Newton entre anéis coloridos em películas finas e cores dos corpos aparenta ser clara e de fácil entendimento em uma análise superficial. Entretanto, ela guarda alguns problemas e revela uma importante característica da óptica newtoniana presente no Livro II. A dedução colocada por Newton a partir da transdução não é baseada em uma verificação experimental direta, ou seja, ele não observou e mediu as pequenas partículas dos corpos, e nem poderia na época. Dessa forma, essa conexão entre “anéis de Newton” e cores dos corpos é baseada em uma hipótese, elaborada a partir da transdução. Esse fato evidencia um aspecto controverso da óptica de Newton. Em trechos finais do Óptica, Newto n deixou claro que sua análise em todo livro foi baseada somente na discussão de experimentos, não considerando o papel das hipóteses: Essa análise consiste em fazer experiências e observações, em tirar conclusões gerais delas por indução e em não admitir objeções contra as conclusões exceto aquelas que decorrem das experiências ou de algumas outras verdades. Pois as hipóteses não devem ser consideradas na filosofia experimental. E, embora a argumentação pela indução a partir de experiências e observações não seja a demonstração de conclusões gerais, ainda assim é o melhor caminho de

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argumentação que a natureza das coisas admite, e pode ser considerada tanto mais forte quando mais geral é a indução. (NEWTON, 1996, p. 292)

Newton com freqüência defendia publicamente o princípio de que o conhecimento seguro sobre o mundo natural deveria ser obtido somente a partir da experimentação, e não do uso de hipóteses e especulações sem fundamento empírico. Entretanto, ele não somente utilizou hipóteses no Livro II para estabelecer a relação entre anéis coloridos em filmes finos e cores dos corpos, como também elas desempenharam um papel crucial na fundamentação dessa idéia. Ao contrário do texto do Livro I, em que hipóteses foram elaboradas, mas como artifício coadjuvante (SILVA, 1996), o discurso de Newton no Livro II está repleto delas, grande parte atuando como elemento principal da argumentação (MOURA & SILVA, 2008). Isso indica que Newton nem sempre seguiu o método indutivo que comumente apregoava em seus trabalhos. Obviamente, isso foi feito de forma implícita, já que somente uma análise mais criteriosa de suas descrições revela essa faceta de sua óptica. Além disso, a relação entre anéis coloridos e cores dos corpos estabelecida por Newton não é tão intuitiva e evidente como ele colocou. Os dois fenômenos supostamente análogos são muito diferentes e ocorrem em situações claramente distintas. A relação entre as explicações desses dois fenômenos foi resultado de um exercício de elaboração de hipóteses baseadas na trans dução, não levando em conta as diferenças entre ambos, apenas as semelhanças. Levado a diversos âmbitos do ensino de física, particularmente na formação de professores, a análise das idéias de Newton sobre as cores dos objetos e sua relação com os anéis de cores em filmes finos ilustra que vários métodos podem ser utilizados na formulação de idéias, modelos e teorias científicas. Os papéis das hipóteses e dos experimentos na argumentação podem variar, por exemplo, de acordo com o fenômeno estudado, os métodos empregados e as observações realizadas. Isso evidencia a não existência de um método científico universal e que os cientistas não constroem deduções incontestáveis, mas fazem complexos julgamentos especializados, como apontam McCOMAS et. al. (1998) e PUMFREY (1991). Algumas possibilidades de aplicação dessa análise histórica no ensino de física Na análise acima, apontamos para diversas características do processo de construção do conhecimento científico que podem ser ilustradas a partir do estudo de partes da óptica newtoniana. Nesta seção, retomaremos algumas delas enfatizando dois tópicos de discussão: a inexistência de um método científico universal e o mito dos grandes gênios da ciência. O método científico universal Não é raro encontrar em diversos textos científicos , didáticos e de divulgação palavras de defesa a um método científico universal. Como aponta GILPÉREZ (2001, p. 130), esse método é apresentado freqüentemente “como um conjunto de etapas a seguir mecanicamente”, bastando seguir os passos corretamente que o objetivo e as conclusões esperadas serão alcançados. Nas últimas décadas, pesquisas indicam que o método indutivo tem sido considerado por professores como o fiel exemplar dessa universalidade da pesquisa científica

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(HODSON, 1985; LEDERMAN, 1992, ABD-EL-KHALICK & LEDERMAN, 2000). Como Alan F. Chalmers aponta, o indutivismo tem significado “o que nos tempos modernos é uma concepção popular de conhecimento científico” (CHALMERS, 2007, p. 23). A Ciência teria, a partir dessa concepção, um caráter absoluto e verdadeiro, ou seja, o conhecimento adquirido por ela a partir da observação do mundo seria a fiel e irrefutável descrição dos fenômenos naturais. O trabalho do cientista se resumiria na análise de experimentos e de sua eventual repetição. Em um livro de divulgação científica publicado recentemente, essa característica do fazer científico é ressaltada. Bem, ciência, seja ela qual for, se baseia no método empírico: informação sobre o mundo natural deve ser obtida por meio de observações de fenômenos e, quando possível, de sua repetição em laboratório. [...] Essa é a beleza da ciência: não é necessário crer, e sim ver (GLEISER, 2007, pp. 25- 27)

Newton – assim como Galileo – é usualmente retratado como um grande defensor do indutivismo. Como vimos acima, no final do Óptica, ele deixou claro essa posição, a qual também seria publicamente defendida em seu primeiro e mais famoso livro, os Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ou somente Principia. No escólio geral da segunda edição desse último, ele enunciou sua famosa frase: Não faço hipóteses; [...]. O que não for deduzido a partir de fenômenos deve ser chamado de hipótese; e hipóteses, sejam metafísicas ou físicas, sejam de qualidades ocultas ou mecânicas, não têm nenhum lugar na filos ofia experimental. Nesta filosofia experimental, proposições são deduzidas a partir dos fenômenos e generalizadas por indução. (NEWTON, 1999, p. 943)

Entretanto, como vimos na análise acima, Newton não só fez hipóteses, como também elas desempenharam um papel fundamental na composição de suas idéias. Ao estabelecer que a causa da formação dos anéis de cores em películas finas e das cores dos objetos era a mesma, Newton utilizou uma metodologia não empírica, baseada somente em suposições. Do mesmo modo, ao discutir o conceito de estados da luz, ele especulou sobre sua origem e causa. Isso indica, por um lado, que apesar de Newton ser conhecido e retratado como um autêntico indutivista, ele não seguiu inteiramente esse método em sua óptica – e nem poderia –, como também sugeriu implicitamente que a experimentação não é o único caminho para a construção de um conhecimento científico coerente e satisfatório. Por outro lado, esse fato ilustra que as concepções e crenças individuais dos cientistas são determinantes na elaboração de suas idéias, ao contrário do que afirma a citação acima do livro de divulgação científica. As conclusões de uma observação experimental podem não ser as mesmas dependendo das concepções anteriores daquele que a realiza, como bem aponta CHALMERS (2007): O que um observador vê, isto é, a experiência visual que um observador tem ao ver um objeto, depende em parte de sua experiência passada, de seu conhecimento e de suas expectativas. (CHALMERS, 2007, p. 49)

Mesmo que o método indutivo seja considerado a melhor forma para o fazer científico, nenhuma observação é significativa se não esperarmos algo dela, como ressalta PUMFREY (1991). No caso da óptica newtoniana, isso fica evidente, uma vez que a relação entre os “anéis” e as cores dos objetos não foi estabelecida somente pela observação, mas também pela crença manifesta de Newton que ela existia. Do mesmo modo, o conceito de estados da luz não se revela apenas pelas observações, mas faz parte da confiança de Newton de que o fenômeno dos anéis

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coloridos em filmes finos indicaria a existência de uma propriedade da luz que seria capaz de explicar vários dos fenômenos ópticos conhecidos e estudados na época. Dessa forma, como destaca McCOMAS et. al. (1998), não existe um único e infalível “método” de se fazer ciência. O trabalho científico envolve, entre outras coisas, a adoç ão de diversas metodologias e o comprometimento do cientista com seus valores atribuídos à Ciência. Tais aspectos da NdC podem ser incorporados, principalmente, em cursos de gra duação em física, tanto na fase inicial quanto na final. Em aulas de laboratório, de prática de ensino ou em outras disciplinas específicas sobre o tema, a questão da existência de um método científico universal pode ser discutida, tendo como base o presente estudo sobre a óptica newtoniana. As descrições de Newton no Livro II podem ser submetidas a uma análise pelos alunos, no intuito de levá-los a debater sobre os métodos utilizados por ele, o valor das hipóteses e os limites de validade de sua argumentaç ão. Particularmente, em aulas de laboratório, os alunos podem estudar o fenômeno dos anéis coloridos em películas finas e ser incitados a discutir se o conceito de estados da luz é suficiente para explicar o fenômeno e se ele pode ser utilizado para tratar outros fenômenos – por exemplo, a refração e reflexão parciais em corpos transparentes – como Newton inicialmente propôs. O mito dos grandes gênios Assim como na questão do método universal, vários materiais voltados à física apresentam trechos que exaltam os cientistas e seus feitos, geralmente colocando-o no patamar de grandes e perfeitos gênios da ciência. No caso de Newton, essa associação “cientista -gênio” é ainda mais comum. Como apontam os estudos de MARTINS (2006) e PAGLIARINI (2007), a imagem de Newton e de suas realizações em muitos desses meios é basicamente a mesma: ele foi genial, não cometeu erros e “agiu sozinho”, já que as influências por ele sofridas são raramente mencionadas Grande parte dessas idealizações da vida e dos feitos de um cientista é causada por abordagens pseudo-históricas de episódios da história da ciência. Esses tratamentos apresentam uma forma romantizada desses episódios, geralmente retratando os cientistas como pessoas perfeitas, cujas descobertas seriam monumentais e inigualáveis (ALLCHIN, 2004). A história é concentrada no produto – sucesso das teorias, prestígio alcançado pelos cientistas etc. – e não no processo – erros cometidos, disputas ocorridas, falhas conceituais das teorias, dificuldades teóricas e experimentais, influência do contexto etc. No campo do ensino de física em especial, essa idolatria exacerbada pode gerar uma predisposição de professores e alunos de que o conhecimento científico é algo para poucos, somente para aqueles dominados por uma grande habilidade (GIL-PEREZ et. al., 2001). Consequentemente, barreiras poderão ser criadas, prejudicando os processos de ensino e aprendizagem de conceitos científicos, afastando estudantes das carreiras em Ciência. Nossa análise sobre algumas partes do Livro II ilustrada acima evidencia, por sua vez, a inconsistência desse pensamento idolátrico, não somente sobre Newton, como também sobre vários outros cientistas. As realizações de Newton em óptica – em outras áreas da Ciência – foram, sem dúvida, determinantes para o progresso do conhecimento científico, para um entendimento melhor dos fenômenos

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naturais e do funcionamento do Universo. Entretanto, ao mesmo tempo em que elaborava teorias importantes, Newton construiu explicações inconsistentes, utilizou métodos comumente condenados por ele, mudou de idéia várias vezes, entre outros fatos. A sua óptica apresenta muitos aspectos que são considerados corretos até os dias de hoje e que foram bem fundamentados durante seu desenvolvimento. No entanto, também há aspectos problemáticos que raramente são lembrados. Por exemplo, sua suposição sobre a heterogeneidade da luz branca se revelou como uma boa forma de compreender o aparecimento de raios coloridos quando um feixe de luz do Sol passava por um prisma, situado na posição de desvio mínimo. Por outro lado, sua teoria para as cores dos corpos naturais, anéis coloridos em filmes finos e o conceito de estados da luz revelam que Newton também era um pesquisador com muitas incertezas, ou seja, também era um indivíduo suscetível a erros e acertos Dessa forma, em aulas de física no ensino médio a ilusão de que a Ciência é para poucos afortunados pela “luz divina do conhecimento” pode ser questionada a partir da discussão de episódios históricos, como o discutido brevemente neste trabalho. Claramente, nem todos os aspectos podem ser discutidos, visto as diversas dificuldades em relação ao tema, às limitações de tempo e espaço, entre outros fatores. No entanto, um panorama geral da vida e obra de Newton pode ser traçado, ressaltando tra ços de sua personalidade, as posturas adotadas por ele, o contexto da época e os erros e acertos de suas idéias. Além disso, outros estudos históricos sobre a óptica newtoniana direcionados ao ensino de física podem ser utilizados, por exemplo, sobre seus primeiros trabalhos em óptica (SILVA & MARTINS, 1996) e sobre a repercussão de suas idéias no período posterior à publicação do Óptica (SILVA & MOURA, 2008). A partir desses estudos, aspectos da NdC – como o fato dos cientistas serem criativos – podem incentivar reflexões sobre o que é ser cientista, quais as influências que eles sofrem ao longo da vida e como elas se refletem em suas realizações. Considerações finais O estudo de alguns elementos da óptica newtoniana apresentado nes te trabalho oferece elementos suficientes para a incorporação de tópicos da NdC em cursos de formação de professores, tanto em disciplinas com caráter mais histórico e filosófico, como Evolução dos Conceitos da Física, História da Ciência, quanto em disciplinas de prática de ensino e metodologia, e em aulas de física no ensino médio, respeitando algumas limitações . Neste trabalho, ressaltamos apenas algumas das várias possibilidades que a presente análise histórica pode oferecer no intuito de formar indivíduos mais engajados e integrados com as realizações da Ciência e conhecedores de alguns elementos que fazem parte do processo de construção do conhecimento científico. As maneiras como este estudo poderia ser aplicado nas referidas disciplinas foge do escopo do presente trabalho e será fruto de uma futura comunicação. Acreditamos que, com as discussões apresentadas acima, novas propostas e iniciativas possam ser criadas a fim de estruturar e melhorar o ensino e aprendizagem de física a partir do estudo de tópicos da NdC. Claramente, não pretendemos construir a solução definitiva para a incorporação da NdC no ensino de

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física. Entretanto, procuramos ao longo deste trabalho ao menos apresentar subsídios para que parte dessa solução seja alcançada. Referências ABD-EL-KHALICK, F. & LEDERMAN, N. Improving science teachers’ conceptions of the nature of science: a critical review of the literature. International Journal of Science Education, v. 22, n. 7, pp. 665-701, 2000. ABD-EL-KHALICK, F. Developing deeper understandings of nature of science: the impact of a philosophy of science course on preservice science teachers’ views and instructional practice. International Journal of Science Education, v. 27, n. 1, pp. 15-42, 2005. ABD-EL-KHALICK, F., BELL, R. & LEDERMAN, N. The nature of science and instructional practice: making the unnatural natural. Science Education, v. 82, n. 4, pp. 417-437, Jul 1998. ALLCHIN, D. Pseudohistory and pseudoscience. Science & Education, v. 13, n. 3, pp. 179-195, 2004. BRASIL – Ministério da Educação – MEC, Secretaria de Educação Média e Tecnológica – Semtec. PCN + Ensino Médio: orientações educacionais complementares aos parâmetros Curriculares Nacionais – Ciências da Natureza,Matemática e suas Tecnologias. Brasília: MEC/Semtec, 2002 CHALMERS, A.F. O que é Ciência, afinal? São Paulo: Editora Brasiliense, 2007. GIL-PERÉZ, D.; MONTORO, I.F.; ALÍS, J.C.; CACHAPUZ, A.; PRAIA, J. Para uma imagem não deformada do trabalho científico. Ciência & Educação, v. 7, n. 2, pp. 125-153, 2001. GLEISER, M. Cartas a um jovem cientista – O Universo, a vida e outras paixões. São Paulo: Elsevier, 2007. HODSON, D. Philosophy of science, science and science education. Studies in Science Education, v. 12, pp. 25-57, 1985. IRWIN, A.R. Historical case studies: teaching the nature of science in context. Science Education, v. 84, pp. 5-26, 2000. LEDERMAN, N. G. Student’s and teacher’s conceptions of the nature of science: a review of the research. Journal of Research in Science Teaching, v. 29, n. 4, pp. 331-359, 1992. MARTINS, R.A. A maça de Newton: história, lendas e tolices. In: SILVA, C.C. Estudos de história e filosofia das ciências: subsídios para aplicação no ensino. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2006. MATTHEWS, Michael. R. Science teaching – the role of history and philosophy of science . New York: Routledge, 1994. McCOMAS, W.F.; ALMAZROA, H.; CLOUGH, M.P. The Nature of Science in Science Education: An Introduction. Science & Education, v. 7, pp. 511-532, 1998. MOURA, B.A. & SILVA, C.C. A teoria dos estados da luz: considerações sobre alguns papéis das hipóteses na óptica newtoniana. In: MARTINS, R.A.; SILVA, C.C.; FERREIRA, J.M.H.; MARTINS, L.A’C.P.; Filosofia e história da ciência no Cone

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