Investigações no infravermelho

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1 Fornecido pelo TryEngineering - Foco da lição A lição enfoca como a tecnologia do infravermelho é usada por engenheiros para criar equipamentos e sistemas para diversas áreas. Equipes de estudantes exploram a aplicação do infravermelho em controles remotos, testam materiais que facilitam e impedem a transmissão infravermelha e desenvolvem sistemas que permitem a transmissão infravermelha em ambientes restritos. Resumo da lição A lição Investigações no infravermelho aborda como os engenheiros precisam testar componentes ou sistemas dentro de um produto para assegurar que ele garanta as necessidades do cliente. Os estudantes exploram o infravermelho e produtos e sistemas nos quais engenheiros integraram tecnologia do infravermelho. Equipes de alunos recebem o desafio de testar as limitações do infravermelho em um controle remoto padrão de TV, para imaginar uma nova maneira de apontar infravermelho além de um canto ou entre duas salas. Faixa etária Objetivos Aprender sobre tecnologia do infravermelho. Aprender sobre como os engenheiros incorporam diferentes tecnologias ao projeto de produtos e sistemas. Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo. Resultados esperados para os alunos Como resultado desta atividade, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Luz infravermelha e sua tecnologia. Desenvolvimento e teste de produtos de engenharia. Solução de problemas. Trabalho em equipe. Atividades da lição Os estudantes aprendem como a tecnologia do infravermelho foi integrada a produtos e serviços que atendem à maioria das indústrias. Equipes de alunos testam as limitações do infravermelho, usando um controle remoto de TV, e criam um plano para adaptar o infravermelho de forma que ele funcione além de um canto ou entre duas salas. As equipes testam seus planos, resolvem problemas, avaliam seu trabalho e o de outros estudantes e apresentam-no à turma. Investigações no infravermelho Página 1 de 13

2 Recursos/Materiais Documentos de recursos do professor (anexos). Folhas de trabalho do aluno (anexas). Folhas de recursos do aluno (anexas). Alinhamento a grades curriculares Consulte a folha de alinhamento curricular anexa. Recursos na internet TryEngineering (). Infravermelho da NASA ( Nossa Galeria de Fotos do Mundo em Infravermelho ( _world_gallery.html). Herschel e sua descoberta do infravermelho ( sroom_activities/herschel_bio.html). Cinco décadas de zapeamento pelos canais: a história do controle remoto de TV ( Padrões da ITEA para a Educação Tecnológica: conteúdo para o estudo de tecnologia ( Publications/STL/STLMainPage.htm). Padrões Educacionais de Ciência dos EUA ( Leituras recomendadas Engineering Tomorrow: Today's Technology Experts Envision the Next Century (ISBN: ). Engineering Science (ISBN: ). Visual Science and Engineering (ISBN: ). Atividade escrita opcional Escrever um ensaio ou parágrafo sobre como técnicas de geração de imagem por calor, usando a tecnologia do infravermelho, têm ajudado em operações de resgate de pessoas. Atividade de extensão opcional Estudantes avançados podem construir seu próprio controle remoto funcional, usando kits de baixo custo (menos de R$ 50) disponíveis on-line. Um kit recomendado disponível em várias fontes é o Smart Lab Remote Control Kit ( Investigações no infravermelho Página 2 de 13

3 Para professores: Alinhamento a grades curriculares Nota: Todos os planos de aula deste conjunto são alinhados ao National Science Education Standards dos EUA, produzidos pelo National Research Council e endossados pela National Science Teachers Association, e, se aplicável, ao Standards for Technological Literacy da International Technology Education Association e ao Principles and Standards for School Mathematics do National Council of Teachers of Mathematics. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, séries K-4 (idades de 4 a 9 anos) CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Propriedades de objetos e materiais. Posição e movimentos dos objetos. Luz, calor, eletricidade e magnetismo. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Ciência e tecnologia na em desafios locais. Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 5ª a 8ª séries (idades de 10 a 14 anos) CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Transferência de energia. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades da 5ª a 8ª série, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. Investigações no infravermelho Página 3 de 13

4 Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 9ª a 12ª séries (idades de 14 a 18 anos) CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica. CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Estrutura e propriedades da matéria. Interações entre matéria e energia. CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico. Compreensão de ciência e tecnologia. CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais. Padrões para a Educação Tecnológica - todas as idades A natureza da tecnologia Padrão 1: Os estudantes desenvolverão uma compreensão das características e do escopo da tecnologia. Padrão 3: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos relacionamentos entre tecnologias e as conexões entre tecnologia e outros campos de estudo. Tecnologia e sociedade Padrão 7: Os estudantes desenvolverão uma compreensão da influência da tecnologia na história. Projeto Padrão 9: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do projeto de engenharia. Padrão 10: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da busca de erros, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e experimentação na solução de problemas. Habilidades para um mundo tecnológico Padrão 11: Os estudantes desenvolverão habilidades para aplicar o processo de projeto. Padrão 13: Os estudantes desenvolverão habilidades para avaliar o impacto de produtos e sistemas. O mundo projetado Padrão 17: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes de selecionar e usar tecnologias de informação e comunicação. Investigações no infravermelho Página 4 de 13

5 Para professores: Recurso do professor Propósito da lição Os estudantes aprendem como a tecnologia do infravermelho foi integrada a produtos e serviços que atendem à maioria das indústrias. Equipes de alunos testam as limitações do infravermelho, usando um controle remoto de TV, e criam um plano para adaptar o infravermelho de forma que ele funcione além de um canto ou entre duas salas. As equipes testam seus planos, resolvem problemas, avaliam seu trabalho e o de outros estudantes e apresentam-no à turma. Objetivos da lição Aprender sobre tecnologia do infravermelho. Aprender sobre como os engenheiros incorporam diferentes tecnologias ao projeto de produtos e sistemas. Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo. Materiais Folha de recursos do aluno. Folhas de trabalho do aluno. Controle remoto e TV ou outro aparelho. Um conjunto de materiais para cada grupo de estudantes: o preto, papel branco, folhas de papel alumínio (lisas), diversos espelhos pequenos, lanterna, filme plástico (usado para cobrir/proteger alimentos), sacola de plástico, plástico transparente, outros materiais para testar feixes, copo transparente, anilina alimentícia, leite ou outros líquidos. Procedimento 1. Mostre aos estudantes as diversas folhas de referência do aluno. Elas podem ser lidas em sala ou fornecidas como material de leitura como lição de casa para a noite anterior à aula. 2. Divida os alunos em grupos de 2 a 3 estudantes, fornecendo um conjunto de materiais por grupo. 3. Explique aos alunos que eles vão testar as limitações da tecnologia do infravermelho em um controle remoto, usando diversos materiais, inclusive filme plástico, papel, papel alumínio, espelho e outros materiais. As equipes devem prever como o infravermelho será afetado pela tentativa de projetar o feixe em um objeto (tal como o papel alumínio ou o filme plástico) para que ele seja refletido de volta à televisão e, então, testar os objetos e avaliar os resultados. 4. Uma vez que eles tenham completado a fase de pesquisa, as equipes de alunos receberão a incumbência de desenvolver um sistema para ligar uma televisão em outra sala ou além de um canto ou parede. 5. As equipes de estudantes desenvolvem um plano, escrevem-no e então o testam, avaliam os resultados e os apresentam à turma. Dicas Os alunos precisarão usar um espelho para redirecionar o infravermelho além da parede ou canto; pode haver algum sucesso com o papel alumínio, mas apenas se ele não estiver amassado. Tempo necessário De duas a três sessões de 45 minutos. Investigações no infravermelho Página 5 de 13

6 Recurso do aluno: O infravermelho e suas aplicações O que é infravermelho? A radiação infravermelha (IV ou IR, do inglês infrared) é uma radiação eletromagnética cujo comprimento de onda é maior do que a luz visível, porém menor do que o das ondas de rádio. O nome significa abaixo do vermelho. Infra significa abaixo em latim e vermelho é a cor da luz visível que possui o maior comprimento de onda. A radiação infravermelha se estende por três ordens de magnitude, tendo comprimentos de onda entre aproximadamente 750 nm e 1 mm. A porção infravermelha do espectro possui diversos usos tecnológicos, inclusive aquisição e rastreamento de alvos em sistemas militares, detecção remota de temperatura, comunicação sem fio de curta distância, espectroscopia e previsão meteorológica. Telescópios equipados com sensores infravermelhos são usados na astronomia infravermelha para penetrar em regiões do espaço com poeira, tais como nuvens moleculares; detectar objetos com baixa temperatura, tais como planetas orbitando estrelas distantes; e ver objetos com alto deslocamento para o vermelho, do início da história do universo. Em nível atômico, a energia infravermelha traz à tona modos vibratórios de uma molécula, através da mudança do momento dipolar, tornando-a um intervalo de freqüências útil para o estudo desses estados de energia. A espectroscopia infravermelha é o exame da absorção e transmissão de fótons na faixa de energia do infravermelho, com base em sua freqüência e intensidade. Aplicações do infravermelho em engenharia Os engenheiros incorporam a tecnologia do infravermelho em uma série de equipamentos e sistemas usados em diversos ramos. A seguir estão alguns poucos exemplos. Visão noturna O infravermelho é usado em equipamentos de visão noturna, em situações onde não existe luz visível suficiente para se enxergar os objetos. A radiação é detectada e transformada em imagem na tela, sendo que objetos mais quentes são exibidos em tons diferentes que os mais escuros, o que permite que policiais e militares façam a aquisição de alvos mais quentes, tais como pessoas e veículos. Investigações no infravermelho Página 6 de 13

7 Recurso do aluno: O infravermelho e suas aplicações (continuação) Espectroscopia A espectroscopia de radiação infravermelha é o estudo da composição de compostos (normalmente) orgânicos. Trata-se de descobrir a composição e estrutura de um composto com base no percentual de transmitância da radiação IV através de uma amostra. Satélites meteorológicos Satélites meteorológicos equipados com radiômetros de varredura produzem imagens térmicas, ou infravermelhas, que podem então permitir que um analista treinado determine o tipo e a altura das nuvens, calcule a temperatura da superfície de massas de terra e de água e localize características da superfície dos oceanos. Aplicações em astronomia Os astrônomos observam objetos na porção infravermelha do espectro eletromagnético usando componentes ópticos, inclusive espelhos, lentes e detectores digitais de estado sólido. Aplicações em aquecimento A radiação infravermelha é usada em saunas infravermelhas para aquecer os ocupantes; ela também é usada para remover gelo das asas de aviões (degelo). Ela também está ganhando popularidade como método de aquecer pavimentos asfálticos no local, durante a colocação de asfalto novo ou reparo de asfalto danificado. O infravermelho também pode ser usado para cozinhar e aquecer comida, já que ele aquece somente objetos opacos, absorventes, e não o ar ao redor deles (caso o ar esteja livre de partículas). Equipamento de termografia A termografia infravermelha é um método de teste não destrutivo e sem contato que utiliza um sistema de imagem térmica para detectar, exibir e registrar padrões térmicos e temperaturas ao longo da superfície de um objeto. A termografia é amplamente aplicada pela polícia, bombeiros, equipes de busca e resgate, médicos e veterinários. Dispositivos de comunicação A transmissão de dados via infravermelho é usada com comunicações de curto alcance, entre periféricos de computador e PDAs (computadores de mão). Controles remotos e dispositivos IrDA usam diodos emissores de luz (LEDs) para emitir radiação infravermelha, a qual é focalizada, através de uma lente de plástico, em um feixe estreito. O controle remoto funciona usando um feixe de luz de baixa freqüência, de forma que o olho humano não consegue enxergá-lo. O feixe é modulado, ou seja, ligado e desligado em rápida seqüência, para codificar os dados. O IV não atravessa paredes e, assim, não interfere com outros aparelhos em salas adjacentes. O infravermelho é a forma mais comum através da qual controles remotos controlam equipamentos. Investigações no infravermelho Página 7 de 13

8 Recurso do aluno: Avanços da engenharia do controle remoto Muitos métodos de controle remoto O primeiro controle remoto criado para controlar um televisor foi desenvolvido pela Zenith Radio Corporation, no início da década de O controle recebeu o nome não oficial de Lazy Bones (ossos preguiçosos) e era ligado fisicamente ao televisor, por um fio longo. Para melhorar essa situação desajeitada, foi desenvolvido em 1955 um controle remoto chamado de Flashmatic, que funcionava projetando um feixe de luz em uma célula fotoelétrica. Infelizmente, a célula não distinguia entre luz do controle remoto e luz de outras fontes, e o Flashmatic também exigia que o controle remoto fosse muito bem apontado para o receptor. Em 1956 foi desenvolvido o Zenith Space Command. Ele era mecânico e usava ultra-som para mudar de canal e aumentar/diminuir o volume. Quando o usuário apertava um botão do controle remoto ele atingia uma barra, fazendo um som de clique. Isso explica por que antigamente (ao menos nos EUA) algumas pessoas costumavam chamar os controles remotos de clicadores. Cada barra emitia em uma freqüência diferente e circuitos no televisor detectavam os sons. A invenção do transistor permitiu controles remotos mais baratos, que continham um cristal piezelétrico alimentado por uma corrente elétrica oscilante em uma freqüência próxima ou acima do limite superior da audição humana, embora ainda audível por cães. O receptor continha um microfone conectado a um circuito ajustado para a mesma freqüência. Alguns problemas com o método eram que o receptor podia ser ativado acidentalmente por sons naturais, e algumas pessoas, especialmente mulheres jovens, podiam ouvir os intensos sinais ultra-sônicos. Houve até mesmo o relato de um incidente em que um xilofone de brinquedo mudava os canais de TVs desse tipo, já que alguns sons secundários do xilofone correspondiam à freqüência ultra-sônica do controle. No final da década de 1970, a maioria dos controles remotos comerciais tinha um número limitado de funções, às vezes apenas quatro: canal seguinte, canal anterior, aumentar o volume e diminuir o volume. Nessa época, engenheiros da BBC iniciaram conversações com alguns fabricantes de televisores, o que levou, em torno de , aos primeiros protótipos capazes de controlar um número maior de funções. A ITT foi uma das empresas envolvidas e, mais tarde, deu seu nome ao protocolo de comunicação infravermelha ITT. No início dos anos 2000, o número de eletroeletrônicos aumentou muito na maioria dos lares. De acordo com a Associação de Eletrônica de Consumo dos EUA, uma casa norteamericana tem, em média, quatro controles remotos. Operar um home theater pode exigir cinco ou seis controles remotos, incluindo um para o decodificador de TV a cabo ou satélite, um para o videocassete ou gravador de vídeo digital, um para o aparelho de DVD e um para o TV e outro para o amplificador de áudio. Investigações no infravermelho Página 8 de 13

9 Folha de trabalho do aluno: pesquisa de engenharia Vocês são uma equipe de engenheiro que tem a incumbência de testar a tecnologia do infravermelho, compreender suas limitações e criar um plano para operar remotamente um televisor além de um canto ou em outra sala. Fase de pesquisa e previsão 1. Revisem as diversas folhas de referência do aluno, para saber mais sobre o infravermelho e suas aplicações. 2. Trabalhando como uma equipe de engenheiros, discutam e façam previsões sobre como diferentes materiais afetarão o infravermelho. O que aconteceria se vocês tentassem refletir o infravermelho com papel, papel alumínio ou outros materiais? Ele continuaria controlando o televisor? Material Previsão branco preto alumínio liso alumínio amassado Filme plástico Sua mão CD Material Previsão Copo de água Copo de leite Copo de água colorida (com anilina) Fita isolante preta Outro Outro Outro Investigações no infravermelho Página 9 de 13

10 Folha de trabalho do aluno: pesquisa de engenharia (continuação) Fase de teste 1. Testem as previsões de sua equipe sobre interferência ou extensão do infravermelho através da reflexão em papel, papel alumínio e outros materiais, para ver se ele continua controlando o televisor. Além disso, testem os efeitos de usar uma lanterna em um ângulo de 90 graus e em paralelo ao feixe do controle ao televisor. Anotem seus resultados abaixo: Material Resultados branco preto alumínio liso alumínio amassado Filme plástico Sua mão CD Material Resultados Copo de água Copo de leite Copo de água colorida (com anilina) Fita isolante preta Outro Outro Outro Notas: Investigações no infravermelho Página 10 de 13

11 Folha de trabalho do aluno: avaliação Usem esta folha de trabalho para avaliar os resultados de sua equipe. 1. O que causou maior surpresa à sua equipe? Por quê? 2. Com base em sua pesquisa, caso sua equipe de engenharia estivesse considerando usar infravermelho para controlar um sistema submarino, vocês concordariam com isso? Por quê? Por que não? E no espaço? Por quê? Por que não? 3. Por que vocês acham que os engenheiros precisam testar os componentes que eles estão considerando incorporar a um novo produto ou sistema? 4. Em que outras aplicações sua equipe de engenharia acha que controladores via infravermelho poderiam ser úteis? Investigações no infravermelho Página 11 de 13

12 Folha de trabalho do aluno: desafio de engenharia Vocês são uma equipe de engenheiro que tem a incumbência de criar um plano para operar um televisor, com um controle remoto infravermelho, além de um canto ou em outra sala. Planejamento da equipe 1. Considerem os resultados de sua pesquisa e, no quadro abaixo, cri em um plano que acham que resolveria o desafio de engenharia. Não se esqueçam de colocar uma lista de todos os materiais de que vocês precisarão. Materiais de que precisarão: Investigações no infravermelho Página 12 de 13

13 Folha de trabalho do aluno: desafio de engenharia (continuação) Fase de teste 1. Reúnam os equipamentos que vocês previram que precisariam e testem o plano da equipe. Avaliação e reflexão 1. Seu plano funcionou? Se não, por que não? 2. Vocês descobriram que precisam fazer alterações no seu plano durante a fase de teste? (Seja mudando a posição de componentes, adicionando ou removendo materiais?) Se isso aconteceu, como vocês precisaram mudar o plano para atingir o objetivo? 3. Que sistemas que outras equipes desenvolveram que vocês acham que foram particularmente inteligentes? Por quê? 4. Vocês podem pensar em uma aplicação em que o controlador possa estar em uma sala diferente do equipamento que ele controla? 5. Reúnam-se em equipe e considerem o que gostariam de que a próxima geração de controles remotos tivesse. Que melhorias de engenharia seriam necessárias para transformar suas idéias em realidade? Investigações no infravermelho Página 13 de 13