Aquisição Automática de Dados no Laboratório de Física da Escola de Ensino Médio

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1 Aquisição Automática de Dados no Laboratório de Física da Escola de Ensino Médio R. Haag, L. M. de Oliveira, R. T. Lermen e E. A. Veit Instituto de Física - Universidade Federal do Rio Grande do Sul Cx. P , , Porto Alegre, RS, Brasil haag@if.ufrgs.br, lmendes@if.ufrgs.br, rtl@if.ufrgs.br e eav@if.ufrgs.br Resumo. Está em desenvolvimento a confecção de um kit de laboratório para aquisição automática de dados nos laboratórios de Física da escola de ensino médio, via placa de som do microcomputador. O kit inclui sensores, softwares livres e material instrucional na forma de hipertexto. Neste trabalho, apresentamos os elementos básicos do sistema e algumas experiências ilustrativas. 1. Introdução A aquisição automática de dados em laboratórios didáticos na escola de ensino médio é uma realidade nos países avançados desde o início dos anos 90 [1], enquanto nas escolas brasileiras pouco ainda esteja sendo feito 1. Mesmo em nível universitário, raros são os estabelecimentos de ensino que utilizam este recurso, indispensável em um laboratório de Física do século XXI. Esta defasagem se deve, primordialmente, ao fato de que i) somente nos últimos anos microcomputadores estão sendo introduzidos nas escolas e ii) os sistemas de aquisição de dados disponíveis comercialmente incluem interfaces externas ao computador, importadas e caras; só muito recentemente surgiram ofertas nacionais. Esta lacuna nos laboratórios pode vir a ser suprida, brevemente, com a inserção maciça de microcomputadores na rede de ensino e com o uso de um sistema de aquisição de dados via placa de som do microcomputador, recentemente explorado [2-5]. Assim, as condições são propícias para que comece a se processar uma transformação nos laboratórios de Física das escolas brasileiras, no sentido de que as atividades laboratoriais envolvam uma metodologia de trabalho compatível com o nosso avanço tecnológico, que é utilizada nos laboratórios de pesquisa e na indústria (e que está presente na escola dos países desenvolvidos). Estamos desenvolvendo no Instituto de Física da UFRGS um projeto que visa: i) o desenvolvimento de um kit de laboratório para aquisição automática de dados usando a placa de som do microcomputador; ii) uma melhor formação dos estudantes do nosso curso de licenciatura; iii) a formação continuada de professores do ensino médio com as habilidades e competências requeridas para a nova metodologia de trabalho. Pretende-se, com o kit, oferecer um conjunto mínimo de componentes para a implementação imediata de algumas experiências, bem como apresentar a possibilidade 1 É curioso que na escola fundamental a aquisição até já esteja sendo inserida através da robótica, enquanto que no nível médio ainda esteja ausente dos laboratórios didáticos.

2 de que outras tantas venham a ser criadas pelos próprios estudantes e professores do ensino médio. Neste trabalho nos concentramos na apresentação do kit, que inclui sensores, softwares livres e material instrucional na forma de hipertexto [6]. Apresentamos os elementos básicos do sistema de aquisição e descrevemos sucintamente experiências ilustrativas. Algumas delas estão sendo utilizadas no curso de Licenciatura em Física da UFRGS e virão a ser utilizadas nos cursos de formação continuada de professores (PRÓCIÊNCIAS/CAPES) por nós oferecidos. Os kits poderão ser cedidos às escolas, sendo dada assessoria aos professores interessados. 2. Sistema de Aquisição Automática de Dados Um sistema de aquisição automática de dados é constituído de três elementos básicos: sensor, que mede a grandeza física de interesse, interface, para conversão do sinal analógico em digital, e software, para captação e armazenamento dos dados. Alguns dos sensores mais comuns para medidas de grandezas físicas são o fotodiodo, o potenciômetro e o microfone. Defendemos que, sempre que a natureza da experiência o permita, o aprendiz faça coletas manuais de alguns dados, recorrendo aos sensores e ao multímetro, para compreender quais são os papéis do sensor e do computador na coleta automatizada. Os hipertextos que produzimos sugerem atividades concretas a serem feitas manualmente, bem como, e especialmente, com o microcomputador na aquisição automática de dados. Neste caso, damos ênfase a experiências em que o uso de um instrumento automático de medida seja indispensável para a coleta de dados. A maior parte dos sensores de medidas físicas mede em modo analógico, enquanto o computador processa as informações na forma digital. Por isto é necessária uma interface conversora do sinal analógico em digital, que nos sistemas comerciais é externa aos computadores. Neste projeto utilizamos a própria placa de som 2 como interface analógico-digital [3]. Softwares são necessários para captação, registro e visualização dos dados em tempo real. Além da visualização em tempo real, nosso sistema armazena os dados em arquivos, deixando o aprendiz usar o aplicativo gráfico que preferir para interpretá-los. Os programas, quando desenvolvidos por nós, estão escritos em linguagem Basic, sendo fornecidos tanto o programa fonte quanto o executável. Outros programas utilizados podem ser encontrados no endereço da Ref. [6]. 3. Experiências Ilustrativas Passamos a ilustrar algumas das experiências que deverão compor nosso kit. a) Movimento pendular com amortecimento A posição de um pêndulo físico oscilante em função do tempo é um exemplo de experimento que só pode ser realizado com algum instrumento automático de coleta de dados, pois requer medidas em intervalos de tempo da ordem de segundos. O sistema para aquisição automática via placa de som é muito simples: basta prender a haste do pêndulo ao eixo de um potenciômetro, cujos terminais então conectados à entrada de jogos do microcomputador. Ao oscilar, o pêndulo gira o eixo do potenciômetro, 2 Referimo-nos a placas de som tradicionais, que contêm entrada de porta de jogos e suporte de MIDI, entrada de baixo nível, entrada de microfone e saída de áudio.

3 alterando a sua resistência, que é lida pelo computador em função do tempo. Este sistema tem sido usado no estudo da variação do período do pêndulo com a amplitude de oscilação, assim como para a investigação dos efeitos de forças dissipativas, do tipo atrito seco, presente no eixo do potenciômetro, e do tipo viscoso, devido ao ar [3,7]. b) Análise do espectro sonoro. O som captado pelo microfone conectado ao computador pode ser analisado com um software gratuito [8] que o decompõe em suas várias componentes harmônicas - ou de Fourier. A análise é feita em tempo real, permitindo a percepção do som e a simultânea visualização de seu espectro sonoro. Esta técnica tem sido empregada no estudo do timbre de instrumentos musicais, vozes humanas e de animais, como pássaros. Uma vez identificados as principais componentes de Fourier e suas intensidades relativas, o som pode ser recomposto eletronicamente e comparado com o som original do instrumento. Outros fenômenos da acústica como ressonância e batimento, bem como a determinação da velocidade do som em diferentes meios, podem ser investigados com este mesmo software. c) Medidas de intensidade luminosa. A intensidade luminosa de uma fonte pode ser medida com fotorresistores, também chamados de LDR (light dependent resistor), que se caracterizam pela forte dependência de sua resistência com a quantidade de luz incidente. Este é um exemplo em que medidas manuais são factíveis, utilizando o sensor e um multímetro, para verificar a variação da resistência do LDR em função da intensidade luminosa a que está exposto. Esta é nossa proposta inicial. Posteriormente, as medidas manuais são substituídas pela coleta e registro automático dos dados. Com este sistema pode-se observar o decaimento da intensidade luminosa de uma fonte isotrópica com o quadrado da distância. Utilizando um fototransistor conectado diretamente na entrada de microfone e um emissor (fotodiodo ou LASER) modulado externamente, podemos demonstrar alguns conceitos básicos como modulação, conversão analógica/digital e interferência, envolvidos nas transmissões de telecomunicações, abundantes na nossa sociedade, porém pouco explorados nos cursos de Física em nível médio e superior. d) Medidas de temperatura. Medidas de temperatura são possíveis com a utilização de termistores, que se caracterizam pela grande variação 3 da resistência elétrica com a temperatura. Pretendemos utilizar estes sensores em um sistema automatizado de medida de temperatura que permita o estudo da lei do resfriamento de Newton, da condutividade térmica de materiais, medida de calores específicos e, especialmente, da visualização das variações de temperatura em função do tempo quando uma substância, água, por exemplo, é aquecida desde temperaturas inferiores a 0 o C até superiores a 100 o C. e) Medidas elétricas. A utilidade de um osciloscópio num laboratório de física é indiscutível; porém, exceto nas escolas técnicas, os laboratórios didáticos de Física do ensino médio tradicionalmente não incluem osciloscópios. Novas perspectivas se abrem na medida em que o microcomputador pode se tornar um instrumento de medida tão versátil 3 Variação positiva: PTC - positive temperature coefficient; variação negativa: NTC - negative temperature coefficient

4 quanto um osciloscópio desde que se use um software apropriado - que já existe, de excelente qualidade, e distribuído livremente [9] - e um circuito conversor tensão/freqüência para medidas de tensões contínuas, visto que as entradas de áudio da placa de som trabalham apenas com sinais de freqüências maiores do que algumas dezenas de Hertz. Estes elementos estarão disponíveis em nosso kit, de modo que toda uma gama de experiências na área do eletromagnetismo poderá ser realizada, como medidas de tensão, de intervalos de tempo, e freqüência, observação de forma de sinais, da Lei de Ohm, das variações dessas grandezas em circuito RL e RLC, etc. 4. Conclusão Há a possibilidade de se dar um indispensável salto de qualidade nos laboratórios didáticos de Física nas escolas brasileiras, introduzindo-se aquisição automática de dados através da placa de som do microcomputador. Esta perspectiva abre um novo universo na capacidade de investigação e compreensão do mundo físico, especialmente no que diz respeito à observação, compreensão do conceito de medir, fazer hipóteses, testar, relacionar grandezas, quantificar, identificar parâmetros relevantes e compreender a Física presente no mundo vivencial e nos equipamentos e procedimentos tecnológicos. Numa perspectiva construtivista, nossos estudantes da licenciatura, que estão confeccionando este kit, estão desenvolvendo estas habilidades e competências desejáveis para os futuros professores de escola de ensino médio. Finalmente, registramos ser desejável que os próprios estudantes no ensino médio possam desenvolver projetos nesta área. Esta possibilidade deverá ser explorada brevemente por alguns dos participantes do presente projeto (R.T.L. e F.G.), que ministram aulas na escola de ensino médio. Referências [1] REDISH, E.F., SAUL, J.M., e STEINBERG, R.N., On the effectiveness of activeengagement microcomputer based laboratories, Am. J. Physics, v. 65, p , [2] MONTARROYOS E. e MAGNO, W. C. Aquisição de dados com a placa de som do computador, Rev. Bras. Ens. Fís., São Paulo, v. 23, n. 1, 57-62, mar [3] HAAG, R. Utilizando a placa de som do micro PC no laboratório didático de Física. Rev. Bras. Ens. Fís, São Paulo, v. 23, n. 2, , junho [4] AGUIAR. C. E. e LAUDARES, F. Aquisição de dados usando LOGO e a porta de jogos do PC. Disponível em: < Acesso em: 5 de mar [5] CAVALCANTE, M. A., SILVA E. da, PRADO, R do e HAAG, R. O estudo de colisões através do som. Rev. Bras. Ens. Fís. aceito para publicação. [6] VEIT, E. A. et al, Novas Tecnologias no Ensino de Física no Nível Médio ; Disponível em: < Acesso em: 5 mar [7] SOUZA, D. F. de, SARTORI, J., BELL, M. J. V. e NUNES, L. A. O. Aquisição de dados e aplicações simples usando a porta paralela do micro PC. Rev. Bras. Ens. Fís, São Paulo, v. 20, n. 4, , dez

5 [8] HORNE, R. S., software GRAM. Disponível em: < Acesso em: 5 mar [9] ZELDOVICH, K., software Oscilloscope for Windows95, versão Disponível em: < Acesso em: 5 de março Agradecimentos Agradecemos à PROPESQ-UFRGS e FAPERGS pelo suporte financeiro.