Pontifícia Universidade Católica de São Paulo

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1 QUEDA DO IMÃ EM BOBINA Plano de Aula Prof.Rossana Leandro Alunos do 2º Ano Ensino Médio E.E José Chaluppe Bianca de Souza Jhéssica Carvalho Yasmyn Shantala Supervisão: Profas Marisa Almeida Cavalcante(PUC/SP) e Cristiane R.C.Tavolaro (PUC/SP) Agosto de 2009

2 Objetivos Estudar indução magnética. Examinar o comportamento da corrente induzida numa bobina durante o movimento do imã em seu interior. Compreender as características do movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV). Medir o valor da aceleração de queda de um corpo. Determinar graficamente e analiticamente a aceleração de queda do imã em bobinas. Conteúdo Os conteúdos abordados nesta atividade possibilitam tratar os seguintes temas estruturadores do 3º Ano do Ensino Médio: Campos e forças eletromagnéticos. Indução eletromagnética. Estudo do eletromagnetismo. Queda de corpos sob ação gravitacional e na presença de atrito magnético. Características cinemáticas de um corpo em movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV): variação de sua posição em função do tempo e gráfico, variação de sua velocidade em função do tempo e gráfico. Competências e habilidades Representação e comunicação Utilizar e compreender tabelas, gráficos e relações matemáticas gráficas para expressão do saber físico. Expressar-se corretamente utilizando a linguagem física adequada e elementos de sua representação simbólica. Investigação e compreensão Conhecer e utilizar conceitos físicos. Relacionar grandezas, quantificar, identificar parâmetros relevantes. Compreender e utilizar leis e teorias físicas. Construir e investigar situações-problema, identificar a situação física, utilizar modelos físicos, generalizar de uma a outra situação, prever, avaliar, analisar previsões. Percepção sociocultural e histórica Relatar por meio da linguagem escrita experimentos e questões relativos a identificação da relação entre campo magnético e campo elétrico;identificar fenômenos eletromagnéticos,estabelecer relações e identificar regularidades ;utilizar procedimentos e instrumentos de observação,representar resultados experimentais,elaborar hipóteses e interpretar resultados em situações que envolvem fenômenos eletromagnéticos.

3 Materiais utilizados PC Classmate Intel 1 imã (pref. da terra) Régua Um tubo de plástico com 4 espiras (distancia aproximadamente 10 cm entre elas) Fios conectores para as bobinas (com pinos banana-banana) Fio de cobre esmaltado nº 26(para cada espira 90 cm de fio) Audacity (software gratuito de edição e analise de som) Fios com pinos banana e conector plug in para entrada de microfone da placa de som do PC classmate. Primeira aula Atividade Quantidade de aulas necessárias para a atividade: 4 aulas Estudo da Lei de Faraday - Introdução Teórica Quando o fluxo magnético através da superfície de uma espira varia surge na espira uma corrente elétrica induzida. Havendo corrente elétrica induzida no circuito concluímos que deve haver uma força eletromotriz induzida que a produz. Experimentalmente Faraday observou que quanto mais rápida é a variação do fluxo magnético maior é a força eletromotriz induzida. É possível mostrar usando o simulador INTERACTIVE SIMULATIONS UNIVERSITY of COLORADO. ( Clicar em seguida em laboratório de eletromagnetismo. Verificar o que ocorre ao circuito quando o ímã aproxima-se ou afasta-se da bobina. Segunda aula Montagem do equipamento e detalhes do funcionamento. As bobinas podem ser construídas sobre o próprio tubo, com um único fio, de modo que estarão conectadas em série. Os terminais desse fio devem ser conectados à entrada de microfone da placo de som do PC classmate através de um conector plug in. O ímã será abandonado do topo do tubo e o sinal será observado no software Audacity de análise sonora.

4 Figura 1: Montagem do solenóide com duas espiras conectado ao PC Classmate. Figura 2: À esquerda, detalhe da ligação dos fios conectores com a bobina e a direita, detalhe da posição de abandono do ímã para que execute a queda passando dentro das bobinas.

5 Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Figura 3: Queda do Imã pequeno. (Tubo de Plástico) Figura 4: Solenóide conectado ao Classmate. Figura 5: Terminais das bobinas com os conectores.

6 Figura 6: Tela do software Audacity mostrando a variação da fem induzida na bobina ao longo do tempo de queda do ímã. Terceira aula A coleta e processamento de dados se darão através da entrada de microfone no PC Classmate. Iniciamos o experimento conectando as bobinas em série e o fio conector na entrada de microfone do PC Classmate. Acionamos a tecla gravar do software audacity e abandonamos o ímã na extremidade do tubo. O software registrará a variação da fem cada vez que o ímã passar por uma bobina. Quarta aula Analisar a queda do imã. Para chegar ao resultado do movimento precisamos medir as distâncias entre duas bobinas consecutivas (distância que pode ser escolhida antes do experimento, durante a montagem das bobinas), e do intervalo de tempo da passagem do imã entre as duas bobinas. Para a medida do tempo, basta selecionar com o mouse o intervalo de tempo da variação da fem no software audacity. Fazer uma tabela de dados com duas colunas uma para espaço percorrido e outra para tempo gasto correspondente. Tabela 1: Espaço em função do tempo t s (cm) , , ,

7 O ímã executa uma queda que depende da aceleração da gravidade local, isto é, executa um M. R. U. V. cuja função horária é s=s 0 +v 0 t+1/2.at 2, onde s 0 =0 e v 0 =0 (s=1/2.at 2 ). Queremos determinar a, a aceleração de queda. Para isso, executamos um gráfico de s x t, onde y equivale a s e x equivale a t. Dessa forma o coeficiente que acompanha o termo x 2 é 1/2.a y = x x Análise dos Resultados Determine a aceleração da queda a partir da função horária obtida. No exemplo acima obtivemos: a= 323,31 x 2 = 646,4 cm/s 2 a = 6,46 m/s 2 O resultado obtido encontra-se abaixo da aceleração da gravidade (g=9,78 m/s 2 ). Apesar da queda aparentemente livre do ímã dentro do tubo, não podemos nos esquecer do atrito magnético exercido pela força de indução eletromagnética criada pelas bobinas. Portanto o resultado está coerente com o estudo preliminar realizado sobre indução eletromagnética.

8 Links Blog com mais informações sobre o experimento (acessado em 17/08/2009) Simulador da queda do ímã na bobina (acessado em 17/08/2009) Prof. Prof. Valmir Heckler Blog sobre novas tecnologias Referências Bibliográficas Software Audacity em 17/08/2009) Texto sobre conversão de sinais analógico-digitais Cavalcante, Marisa Almeida; TAVOLARO,Cristiane.R.C.;BONIZZIA,Amanda ; e PIFER,Anderson. Novas Tecnologias no Ensino de Física GOPEF/PUC-SP