O trabalho apresenta uma análise e descrição, do tipo estudo de caso, das estratégias enunciativas utilizadas por duas futuras professoras de física que implementaram uma sequência didática sobre tópicos de Mecânica Quântica. As aulas foram estruturadas como aulas invertidas, em que se utilizou o peer instruction (instrução pelos colegas) como metodologia ativa, e fizeram parte de um minicurso de 8 horas de duração dirigido a alunos do Ensino Médio. O minicurso foi realizado por professores em formação do Curso de Licenciatura em Ciências Exatas, do Instituto de Física da USP de São Carlos, bolsistas do projeto PIBID/CAPES no ano de 2013. A análise das estratégias enunciativas foi feita utilizando-se da ferramenta analítica proposta por Mortimer e Scott (2003) levando em conta um conjunto de modos de comunicação. O objetivo é caracterizar o discurso de professoras em um contexto de inovação curricular utilizando uma metodologia ativa de aprendizagem. As intenções e intervenções dos professores, a abordagem comunicativa estabelecida em sala de aula, os padrões e os conteúdos das interações foram analisados. Os resultados apontam que as futuras professoras utilizaram abordagens interativas dialógicas e de autoridade para mediar a discussão entre os pares e que nenhuma das abordagens é superior a outra para realizar as mediações em sala de aula. As abordagens interativas dialógicas foram usadas com um padrão de interação do tipo I-R-F (iniciação-resposta e feedback), as abordagens de autoridade foram usadas com padrões de interação do tipo I-R-A (iniciação- reposta- avaliação). Foram identificados três momentos na instrução pelos colegas de ambas futuras professoras: o compartilhamento de alternativas, a discussão das ideias e o fechamento das discussões. Esses estágios foram relacionados as intenções e intervenções estabelecidas pelas futuras professora. A abordagem interativa dialógica na aplicação da instrução pelos colegas se mostrou mais adequada que outras abordagens. O trabalho visa contribuir para o avanço das pesquisas na formação de professores em um contexto de inovação curricular ampliando interpretações dos mecanismos e processos envolvidos na formação inicial de professores de Física, quando estes trabalham com metodologias interativas de ensino, em particular, o método de Instrução pelos Colegas (Peer Instruction). / This thesis presents an analysis and description of the case study type, the declared strategies used by two future physics teachers who implemented a teaching sequence on topics of Quantum Mechanics. The classes were structured as flipped classroom, which used the peer instruction as active methodology, and took part in a short course of eight hours\' duration aimed at high school students. The short course was held for teachers in training of Sciences Degree Course of the Institute of Physics of São Carlos, fellows PIBID project / CAPES in 2013. The analysis of the declared strategies was performed using the analytical tool proposed by Mortimer and Scott (2003) taking into account a range of modes of communication. The goal is to characterize the speech of teachers in a curriculum innovation context using an active learning methodology. The tool analyzed the intentions and activities of the teachers, the communicative approach set out in the classroom, the patterns and the interactions content. The results show that future teachers used dialogical and interactive approaches authority to mediate the argument between the couple and that neither approach is superior to another to conduct mediations in the classroom. Dialogical interactive approaches were used with a pattern of interaction type IRF (initiation-answer and feedback), the authority of approaches were used with IRE kind of interaction patterns (initiation- answer- evaluation). Three moments in education by peers of both future teachers were identified: alternative sharing, discussion of ideas and the closure of the discussions. These stages were related intentions and interventions established by future teachers. The dialogic interactive approach to education application by colleagues was more appropriate than other approaches. This work aims to contribute to the advancement of research in teacher education in a curriculum innovation context expanding interpretations of the mechanisms and processes involved in the initial formation of physics teachers when they work with interactive teaching methodologies, in particular, the peer instruction.

Estudamos um Hamiltoniano exatamente solúvel que modela um condensado de Bose- Einstein hetero-triatômico molecular. Este modelo descreve a mistura de duas espécies de átomos em proporções diferentes que podem se combinar e formar uma molécula triatômica. Começando por uma análise clássica, nós determinamos os pontos fixos do sistema. Bifurcações destes pontos fixos separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Três cenários distintos são encontrados, dependendo da diferença hetero-atômica. Estes resultados sugerem que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade à diferença hetero-atômica. Subseqüentemente, nós fazemos uma análise quântica do sistema, utilizando diferentes técnicas, como a dinâmica quântica, valores esperados, o gap de energia e a fidelidade. Nós encontramos que os resultados da análise quântica confirmam as previsões da análise clássica. / We investigate an integrable Hamiltonian modelling a hetero-triatomic-molecular Bose- Einstein condensate. This model describes a mixture of two species of atoms in different proportions, which can combine to form a triatomic molecule. Beginning with a classical analysis, we determine the fixed points of the system. Bifurcations of these points separate the parameter space into different regions. Three distinct scenarios are found, varying with the atomic population imbalance. This result suggests the ground state properties of the quantum model exhibits a sensitivity on the atomic population imbalance, which is confirmed by a quantum analysis using different approaches, such as the ground-state expectation values, the behaviour of the quantum dynamics, the energy gap and the ground state fidelity.

O presente trabalho apresenta um modelo alternativo para analisar a dinâmica das concepções no ensino de ciências, baseado na noção de “distribuição conceitual”. O objetivo central desse estudo é reconsiderar o problema da mudança conceitual a partir de uma perspectiva sociocultural. De acordo com o nosso modelo de distribuição conceitual, as concepções em ciências, tanto as alternativas como as científicas, são vistas como sendo “distribuídas” entre agentes e os recursos textuais que eles empregam; especialmente recursos textuais na forma de explicação – escrita ou falada. A partir dessa perspectiva, as concepções são distribuídas: (1) socialmente, na interação em pequenos grupos; (2) instrumentalmente, no sentido de que envolvem tanto pessoas (agindo individual ou coletivamente) como instrumentos de conhecimento tais como mapas, simulações computacionais ou explicações. Esse modelo difere das teorias clássicas e re-enquadradas de mudança conceitual ao sugerir que diferentes grupos podem gerar diferentes representações da realidade física, mesmo na comunidade científica. A partir dessa perspectiva, as concepções em ciências são vistas como um processo ativo que frequentemente envolve disputa e contestação entre pessoas, mais do que como um corpo estruturado de conhecimento que elas possuem. As afirmações básicas desse modelo são ilustradas a partir de exemplos da física quântica. A física quântica é um caso exemplar de arena científica onde ocorrem disputas e contestação sobre a realidade física. Os debates sobre os fundamentos dessa teoria sofreram mudanças fundamentais durante a transição do período de “monocracia da escola de Copenhague” (Jammer, 1974, p. 250) para o período atual, em que comunidade de físicos reconhece e legitima a existência de uma controvérsia científica acerca da interpretação da mecânica quântica (Freire, 2003). Inicialmente, esboçamos uma síntese da história sociocultural de contestação na física quântica. A seguir, são discutidos alguns exemplos referentes à produção e ao consumo das explicações oficiais da física quântica no contexto da formação inicial de professores de Física. Implicações para a pesquisa em ensino de física quântica são delineadas ao final. / In this doctoral dissertation, a particular model to analyze the dynamic of conceptions in sciences teaching, based on the notion of “conceptual distribution”, is outlined. The general goal of this study is to reconsider the problem of conceptual change from a sociocultural perspective. According to our model of conceptual distribution, both naïve and scientific conceptions are viewed as being “distributed” between agents and the textual resources they employ, especially textual resources in the form of explanation – written or spoken. From this perspective, conceptions are distributed: (1) socially, in small group interaction; and (3) instrumentally in the sense that it involve both people (acting individually or collectively) and instruments of knowledge such as maps, computer simulations or explanations. This model differs from classical e reframed approaches to conceptual change in suggesting that different groups have quite different accounts of physical reality, even within science community. From this perspective, conceptions are viewed as an active process that often involves contention and contestation among people rather than a structured body of knowledge they possess. The basic claims of this model are illustrated with examples of quantum mechanics. This theory is an exemplary case of scientific arena in which dispute and contestation about physical reality take place. Discussions about the foundations of quantum mechanics have undergone fundamental changes during the transition from the period of “monocracy of the Copenhagen School” (Jammer, 1974, p. 250) to the present time, identified as the physics community recognizing and legitimating the existence of a scientific controversy about the interpretation of quantum mechanics (Freire, 2003). First, we present a synthesis of the sociocultural history of contestation in quantum mechanics. Then, discuss some examples concerning the production and the consumption of official explanations of quantum physics in the training of pre-service physics teachers. Implications for research on the teaching of quantum physics are outlined.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Física, Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, 2015. / Submitted by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2016-05-05T18:47:38Z No. of bitstreams: 2 2015_LuisClaudioSalesMorais_PRODUTO.pdf: 61821792 bytes, checksum: 77c41b5b1ab63f62cdfe98526581abc9 (MD5) 2015_LuisClaudioSalesMorais.pdf: 6901776 bytes, checksum: 38fac71b85fdc69b923e5ac9416f584f (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2016-05-26T16:19:27Z (GMT) No. of bitstreams: 2 2015_LuisClaudioSalesMorais_PRODUTO.pdf: 61821792 bytes, checksum: 77c41b5b1ab63f62cdfe98526581abc9 (MD5) 2015_LuisClaudioSalesMorais.pdf: 6901776 bytes, checksum: 38fac71b85fdc69b923e5ac9416f584f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-26T16:19:27Z (GMT). No. of bitstreams: 2 2015_LuisClaudioSalesMorais_PRODUTO.pdf: 61821792 bytes, checksum: 77c41b5b1ab63f62cdfe98526581abc9 (MD5) 2015_LuisClaudioSalesMorais.pdf: 6901776 bytes, checksum: 38fac71b85fdc69b923e5ac9416f584f (MD5) / Neste trabalho, apresentamos um guia experimental que pode ser utilizado para introduzir alguns conceitos de física quântica no ensino médio. Os experimentos constantes neste guia são baseados em materiais de baixo custo e poderão ser executados em qualquer ambiente, sem a necessidade específica de um laboratório. Este guia possui roteiros de experiências, fotos dos experimentos, lista dos materiais utilizados, um roteiro para a confecção de um relatório científico e listas de exercícios que contemplam desde a quantização da energia até o efeito fotoelétrico. O produto educacional desenvolvido foi então utilizado e os resultados qualitativos e quantitativos mostraram que uma aula experimental é capaz de estimular a participação ativa dos estudantes, além de propiciar um ambiente motivador para o ensino aprendizagem, revelando habilidades que os estudantes, enquanto ouvintes não possuem a oportunidade de praticá-las. / In this work we present an experimental guide for the student and for the teacher to introduce some concepts of quantum physics in high school, using inexpensive materials and can run on any environment without the specific need for a laboratory. This guide features the experiences of scripts, photos of experiments, bill of materials, a road map for making a scientific report and lists of exercises since the energy quantization to the photoelectric effect. Qualitative and quantitative results showed that a trial class is able to stimulate the active participation of students, as well as providing a motivating environment for teaching and learning, revealing skills that students, while listeners do not have the opportunity to practice them.

Estudamos um Hamiltoniano exatamente solúvel que modela um condensado de Bose- Einstein hetero-triatômico molecular. Este modelo descreve a mistura de duas espécies de átomos em proporções diferentes que podem se combinar e formar uma molécula triatômica. Começando por uma análise clássica, nós determinamos os pontos fixos do sistema. Bifurcações destes pontos fixos separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Três cenários distintos são encontrados, dependendo da diferença hetero-atômica. Estes resultados sugerem que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade à diferença hetero-atômica. Subseqüentemente, nós fazemos uma análise quântica do sistema, utilizando diferentes técnicas, como a dinâmica quântica, valores esperados, o gap de energia e a fidelidade. Nós encontramos que os resultados da análise quântica confirmam as previsões da análise clássica. / We investigate an integrable Hamiltonian modelling a hetero-triatomic-molecular Bose- Einstein condensate. This model describes a mixture of two species of atoms in different proportions, which can combine to form a triatomic molecule. Beginning with a classical analysis, we determine the fixed points of the system. Bifurcations of these points separate the parameter space into different regions. Three distinct scenarios are found, varying with the atomic population imbalance. This result suggests the ground state properties of the quantum model exhibits a sensitivity on the atomic population imbalance, which is confirmed by a quantum analysis using different approaches, such as the ground-state expectation values, the behaviour of the quantum dynamics, the energy gap and the ground state fidelity.

Estudamos um modelo exatamente solúvel para um condensado de Bose- Einstein hetero-atômico molecular. Começamos por uma revisão da integrabilidade do modelo através da álgebra de Yang-Baxter. Usando uma analise clássica, determinamos os pontos fixos do espaço de fase do sistema. Encontramos bifurcações dos pontos fixos que separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Dois cenários distintos emergem, dependendo do número de átomos de espécies diferentes ser igual ou não. Este resultado sugere que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade incomum a diferença hetero-atômica. Confirmamos esta indicação através de analises quânticas usando diferentes métodos, tais como o gap de energia, fidelidade, emaranhamento e o comportamento das soluções das equações do ansatz de Bethe para o estado fundamental. / We study an exactly solvable model for hetero-atomic-molecular Bose- Einstein condensates. We start by revisiting the integrability of the model trhough the Yang-Baxter algebra. Using a classical analysis we determine the phase space fixed points of the system. It is found that bifurcations of the fixed points naturally separate the coupling parameter space in different regions. Remarkably, two distinct scenarios emerge, depending if the number of atoms of different species is equal or not. This result suggests the groundstate properties of the model exhibit an unusual sensitivity on the atomic imbalance. We then confirm this finding by a quantum analysis using different approaches, such as the energy gap, the fidelity, the entanglement and the behaviour of the ground-state solutions of the Bethe ansatz equations.

Estudamos um Hamiltoniano exatamente solúvel que modela um condensado de Bose- Einstein hetero-triatômico molecular. Este modelo descreve a mistura de duas espécies de átomos em proporções diferentes que podem se combinar e formar uma molécula triatômica. Começando por uma análise clássica, nós determinamos os pontos fixos do sistema. Bifurcações destes pontos fixos separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Três cenários distintos são encontrados, dependendo da diferença hetero-atômica. Estes resultados sugerem que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade à diferença hetero-atômica. Subseqüentemente, nós fazemos uma análise quântica do sistema, utilizando diferentes técnicas, como a dinâmica quântica, valores esperados, o gap de energia e a fidelidade. Nós encontramos que os resultados da análise quântica confirmam as previsões da análise clássica. / We investigate an integrable Hamiltonian modelling a hetero-triatomic-molecular Bose- Einstein condensate. This model describes a mixture of two species of atoms in different proportions, which can combine to form a triatomic molecule. Beginning with a classical analysis, we determine the fixed points of the system. Bifurcations of these points separate the parameter space into different regions. Three distinct scenarios are found, varying with the atomic population imbalance. This result suggests the ground state properties of the quantum model exhibits a sensitivity on the atomic population imbalance, which is confirmed by a quantum analysis using different approaches, such as the ground-state expectation values, the behaviour of the quantum dynamics, the energy gap and the ground state fidelity.

O presente trabalho apresenta um modelo alternativo para analisar a dinâmica das concepções no ensino de ciências, baseado na noção de “distribuição conceitual”. O objetivo central desse estudo é reconsiderar o problema da mudança conceitual a partir de uma perspectiva sociocultural. De acordo com o nosso modelo de distribuição conceitual, as concepções em ciências, tanto as alternativas como as científicas, são vistas como sendo “distribuídas” entre agentes e os recursos textuais que eles empregam; especialmente recursos textuais na forma de explicação – escrita ou falada. A partir dessa perspectiva, as concepções são distribuídas: (1) socialmente, na interação em pequenos grupos; (2) instrumentalmente, no sentido de que envolvem tanto pessoas (agindo individual ou coletivamente) como instrumentos de conhecimento tais como mapas, simulações computacionais ou explicações. Esse modelo difere das teorias clássicas e re-enquadradas de mudança conceitual ao sugerir que diferentes grupos podem gerar diferentes representações da realidade física, mesmo na comunidade científica. A partir dessa perspectiva, as concepções em ciências são vistas como um processo ativo que frequentemente envolve disputa e contestação entre pessoas, mais do que como um corpo estruturado de conhecimento que elas possuem. As afirmações básicas desse modelo são ilustradas a partir de exemplos da física quântica. A física quântica é um caso exemplar de arena científica onde ocorrem disputas e contestação sobre a realidade física. Os debates sobre os fundamentos dessa teoria sofreram mudanças fundamentais durante a transição do período de “monocracia da escola de Copenhague” (Jammer, 1974, p. 250) para o período atual, em que comunidade de físicos reconhece e legitima a existência de uma controvérsia científica acerca da interpretação da mecânica quântica (Freire, 2003). Inicialmente, esboçamos uma síntese da história sociocultural de contestação na física quântica. A seguir, são discutidos alguns exemplos referentes à produção e ao consumo das explicações oficiais da física quântica no contexto da formação inicial de professores de Física. Implicações para a pesquisa em ensino de física quântica são delineadas ao final. / In this doctoral dissertation, a particular model to analyze the dynamic of conceptions in sciences teaching, based on the notion of “conceptual distribution”, is outlined. The general goal of this study is to reconsider the problem of conceptual change from a sociocultural perspective. According to our model of conceptual distribution, both naïve and scientific conceptions are viewed as being “distributed” between agents and the textual resources they employ, especially textual resources in the form of explanation – written or spoken. From this perspective, conceptions are distributed: (1) socially, in small group interaction; and (3) instrumentally in the sense that it involve both people (acting individually or collectively) and instruments of knowledge such as maps, computer simulations or explanations. This model differs from classical e reframed approaches to conceptual change in suggesting that different groups have quite different accounts of physical reality, even within science community. From this perspective, conceptions are viewed as an active process that often involves contention and contestation among people rather than a structured body of knowledge they possess. The basic claims of this model are illustrated with examples of quantum mechanics. This theory is an exemplary case of scientific arena in which dispute and contestation about physical reality take place. Discussions about the foundations of quantum mechanics have undergone fundamental changes during the transition from the period of “monocracy of the Copenhagen School” (Jammer, 1974, p. 250) to the present time, identified as the physics community recognizing and legitimating the existence of a scientific controversy about the interpretation of quantum mechanics (Freire, 2003). First, we present a synthesis of the sociocultural history of contestation in quantum mechanics. Then, discuss some examples concerning the production and the consumption of official explanations of quantum physics in the training of pre-service physics teachers. Implications for research on the teaching of quantum physics are outlined.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6443.pdf: 20882998 bytes, checksum: 7883d8d4dfed9bd22e1d6254b2cf3493 (MD5) Previous issue date: 2014-12-12 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this Thesis we study in details one of the most astonishing application of quantum mechanics which totally departs from our common sense: quantum teleportation in continuous variables. We present a review of the postulates of quantum mechanics and quantum optics systems, in particular for Gaussian systems. After this review we apply these postulates in order to present one of the most counter intuitive applications of quantum mechanics, namely, the quantum teleportation protocol. We study in detail this protocol and we propose modifications in its construction aiming at an improvement in its efficiency. These modifications were made in order to take into account the realistic situations encountered in the implementation of the protocol, i.e., the fact that the entanglement, between Alice and Bob, is never perfect and the fact that states teleported by Alice are near the vacuum state. After this analysis we performed an extension of the teleportation protocol by proposing a multi-channel protocol and studied the case of two channels in parallel. Finally, we created the first quantum cryptography protocol that uses the continuous variables teleportation protocol in an active way. We showed that this protocol is robust to the beam splitter attack and that this protocol is the only one working with direct reconciliation and without post-selection over the 50% loss scenario. / Nesta Tese estudamos em detalhes uma das aplicações da mecânica quântica que mais destoa de nosso senso comum: o teletransporte quântico em variáveis Contínuas. Apresentamos uma revisão dos postulados da mecânica quântica e dos sistemas da óptica quântica, em especial sistemas que realizam operações Gaussianas. Após essa revisão aplicamos esses postulados no que resulta na aplicação mais contra intuitiva da mecânica quântica, o teletransporte quântico. Estudamos com detalhes o protocolo de teletransporte e propomos modificações em sua construção visando maximizar a sua eficiência. Estas modificações foram feitas a fim de levar em conta as situações realistas encontradas em sua implementação, qual sejam, o fato de o emaranhamento entre Alice e Bob nunca ser perfeito e o fato de que os estados teletransportados por Alice estarem próximos do estado de vácuo. Após essa análise realizamos uma extensão do protocolo de teletransporte em variáveis contínuas propondo um protocolo de multicanais e estudamos em detalhes o caso de dois canais em paralelo. Por fim, criamos o primeiro protocolo de criptografia quântica que utiliza o teletransporte em variáveis contínuas de forma ativa. Mostramos que esse protocolo é robusto ao ataque de divisor de feixes, sendo o único que funciona com reconciliação direta e sem a necessidade de pós-seleção para perdas superiores a 50%.

Estudamos um modelo exatamente solúvel para um condensado de Bose- Einstein hetero-atômico molecular. Começamos por uma revisão da integrabilidade do modelo através da álgebra de Yang-Baxter. Usando uma analise clássica, determinamos os pontos fixos do espaço de fase do sistema. Encontramos bifurcações dos pontos fixos que separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Dois cenários distintos emergem, dependendo do número de átomos de espécies diferentes ser igual ou não. Este resultado sugere que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade incomum a diferença hetero-atômica. Confirmamos esta indicação através de analises quânticas usando diferentes métodos, tais como o gap de energia, fidelidade, emaranhamento e o comportamento das soluções das equações do ansatz de Bethe para o estado fundamental. / We study an exactly solvable model for hetero-atomic-molecular Bose- Einstein condensates. We start by revisiting the integrability of the model trhough the Yang-Baxter algebra. Using a classical analysis we determine the phase space fixed points of the system. It is found that bifurcations of the fixed points naturally separate the coupling parameter space in different regions. Remarkably, two distinct scenarios emerge, depending if the number of atoms of different species is equal or not. This result suggests the groundstate properties of the model exhibit an unusual sensitivity on the atomic imbalance. We then confirm this finding by a quantum analysis using different approaches, such as the energy gap, the fidelity, the entanglement and the behaviour of the ground-state solutions of the Bethe ansatz equations.