UM MODELO PARA O CONTROLE REMOTO DE EXPERIMENTOS DE FÍSICA BÁSICA.

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## UM MODELO PARA O CONTROLE REMOTO DE EXPERIMENTOS DE FÍSICA BÁSICA.

Márlon Caetano Ramos Pessanha [marlonpessanha@yahoo.com.br] a

Josué Santa Rita [josuer@cefetcampos.br] b André da Silva Santos [andre.s.santos@terra.com.br ] a Milena Filadelpho Coutinho [mfiladelpho@bol.com.br] a Carlos Augusto Cruz a [astrosat@bol.com.br] Marcelo de Oliveira Souza [mm@uenf.br] a

a LCFIS - Universidade Estadual do Norte Fluminense - UENF

b

Centro Federal de Educação Tecnológica de Campos dos Goytacazes - CEFET/Campos

## Resumo

NESSE TRABALHO APRESENTAREMOS O RESULTADO OBTIDO COM A UTILIZAÇÃO DE UM SISTEMA REMOTO, QUE NÓS DESENVOLVEMOS, PARA CONTROLE E MONITORAMENTO DE UM EXPERIMENTO REAL DE FÍSICA.

PARA OS EXPERIMENTOS, UTILIZAMOS MATERIAL DE BAIXO CUSTO, E ATÉ O MOMENTO UTILIZAMOS UM PLANO INCLINADO E UM EXPERIMENTO DE CONVERSÃO DE ENERGIA MECÂNICA EM ENERGIA ELÉTRICA.

PARA O REALIZAÇÃO DO PROJETO, FIZEMOS USO DE UMA INTERFACE DESENVOLVIDA POR NÓS, QUE POSSUI COMO BASE, UM MICROCONTROLADOR DA MICROCHIP, O PIC16C71, O QUAL POSSUI EM SUA ESTRUTURA UM CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITAL. A INTERFACE AINDA POSSIBILITA O CONTROLE DO EXPERIMENTO, NO QUAL É POSSÍVEL EXECUTAR COMANDOS COMO OS DE INÍCIO E FIM DE UM PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.

ESTA INTERFACE SE COMUNICA AO COMPUTADOR ATRAVÉS DA PORTA PARALELA, O MICROCONTROLADOR TORNA OS VALORES ANALÓGICOS LIDOS PELA EXPERIÊNCIA EM VALORES DIGITAIS (CÓDIGOS DE MÁQUINA). É POSSÍVEL INTERPRETAR OS VALORES LIDOS ATRAVÉS DE UM SOFTWARE QUE DESENVOLVEMOS NA LINGUAGEM DELPHI.

O SOFTWARE ALÉM DE CONTROLAR O EXPERIMENTO E FAZER A LEITURA DOS DADOS DO MESMO, POSSUI INFORMAÇÕES SOBRE O EXPERIMENTO E OS CONCEITOS DE FÍSICA ENVOLVIDOS.

## INTRODUÇÃO

A Física em todo o mundo é uma das áreas da ciência, que apesar de seu grande apelo popular, que não tem conseguido nas escolas motivar a participação ativa dos estudantes.

Quando dizemos que possui um grande apelo popular, nos referimos a visão que a população tem do desenvolvimento científico, estimulada por imagens, de grandes físicos, como é o caso do Einstein, da conquista espacial, das novas tecnologias e de situações do cotidiano.

Apesar dessa presença constante em nosso dia-a-dia, nas escolas uma grande parte dos professores de Física não tem conseguido despertar o interesse dos estudantes.

Nos últimos a nos no Brasil e em diversos países, tem sido incentivado o desenvolvimento de projetos voltados para o ensino e divulgação da Física para os estudantes e para o público em geral.

Nos cursos de Licenciatura em Física há um grande esforço para que os futuros professores consigam estimular os seus estudantes.

Uma busca, que tem sido amplificada nos últimos anos, é a utilização de novas tecnologias no ensino. Uma avaliação que podemos fazer de um processo que tem obtido sucesso na área educacional é a apresentação de conteúdos através da busca pela associação com situações do cotidiano e do estímulo a participação direta dos estudantes no processo de aprendizagem com a utilização de questões chaves como elemento motivador.

Esse processo permite que os estudantes sintam-se membros ativos do processo e não somente elementos passivos e depósitos de informações. Um dos grandes temas em discussão é, uma necessidade dos tempos modernos, a inserção de novos recursos tecnológicos no ensino de Física. Temos uma preocupação grande sobre esse processo. Essa preocupação está alicerçada no papel que será reservado a participação do educador no processo. A questão central é como realizar as adaptações necessárias no sistema educativo sem relevar o convívio, a troca de experiências e o debate científico, que levam ao aparecimento de novas idéias e a formação de profissionais solidários que vivam em mundo real, e que busquem compreendê-lo com as suas dualidades e incongruências, mas que aceitem um papel ativo de transformadores dessa realidade na direção de um mundo mais justo e no qual as novas tecnologias sejam ferramentas de auxílio e não elementos que modulem o comportamento social.

No contexto do mundo atual há questões relativas a organização de nossa sociedade que, como já preconizava Vigotsky e muitos outros educadores, afetam diretamente o processo de 1 ensino aprendizagem, sendo o meio no qual os estudantes estão imersos um dos agentes nesse processo. Por isso não devemos considerar a utilização das novas tecnologias como um elemento que sozinho seria responsável por uma nova prática pedagógica.

A utilização de modelos virtuais interativos automatizados no ensino tem sido objeto de diversas análises 2,3,4 . É uma das mais poderosas ferramentas de auxílio à participação não presencial do estudante no processo de ensino aprendizagem. O ensino à distância para seu sucesso depende da funcionalidade de equipamentos que permitam interação remota na execução de práticas e na análise dos resultados obtidos. Um modelo de controle remoto de experimentos desenvolvido por nós forma a base deste trabalho.

## DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

Na construção dos modelos consideraremos a utilização da porta paralela do microcomputador como o canal de coleta e de saída de dados. Entre a porta paralela e o equipamento (modelo automatizado) utilizamos uma interface composta por um microchip PIC 16C71 5 que possui um conversor analógico-digital em sua estrutura. Essa interface permite a coleta e o controle dos equipamentos através de um programa que desenvolveremos com a utilização da linguagem DELPHI e que utiliza o componente IOport,.

Para coleta de dados utilizamos sensores mecânicos acoplados aos modelos e para o controle dos mesmos nos utilizamos servo-motores ou motores de passo acoplados as engrenagens dos modelos.

Para a construção dos modelos utilizamos material de baixo custo. O modelo permite uma análise precisa do conceito de Física envolvido através da obtenção de resultados experimentais durante o seu uso.

Foram colocados sensores em um plano inclinado e através de um programa desenvolvido na linguagem DELPHI é possível, controlar o início e término da experiência e realizar a coleta de dados. No caso do plano inclinado são coletados dados relativos ao tempo para percorrer a distância entre dois sensores. Foram colocados ao longo do plano inclinado nove sensores, permitindo determinar o aumento da velocidade à medida que um objeto se desloca no plano inclinado de 90cm de comprimento. Utilizamos sensores magnéticos Reed Switch que eram ativados com a passagem de um carrinho com um imã em sua base.

Outro experimento desenvolvido foi um modelo de geração de energia elétrica a partir da utilização de uma fonte alternativa de energia: o vento. Os sensores são utilizados para o controle do início e término da experiência e para coleta de dados, nesse caso, a diferença de potencial

elétrico. O sistema de aproveitamento da energia eólica, é um modelo simples construído com a utilização de material de baixo custo. Folhas de alumínio para a construção de um cata-vento, cujo eixo foi conectado a um conversor da energia mecânica em energia elétrica.

Na figura 1 apresentamos uma imagem da interface utilizada, um esquema com a estrutura básica do projeto que desenvolvemos, a conexão do experimento com a interface e a conexão da interface com o computador e também apresentamos o esquema do circuito da interface. A interface possui além do PIC16C71, dois buffers inversores do tipo CD4069 que amplificam o sinal que 6 chega do PIC e invertem o sinal, pois a porta paralela lerá de modo invertido. A porta paralela trabalha em modo EPP, isto é, em modo bidirecional, e o endereçamento $378 da porta paralela é usado para a leitura do byte que vem da interface.

Figura 1 - Acima à direita: Esquema da estrutura básica do projeto; Abaixo à direita: Foto da interface com o PIC; Desenho à esquerda: Esquema do circuito da interface.

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Com o desenvolvimento desses modelos foi possível testar o funcionamento da interface e do programa em DELPHI que controla o experimento e armazena os dados coletados e os disponibiliza em uma tela no computador. Na figura 2 apresentamos uma imagem da tela principal do programa. A interface se comunica com o computador através da porta paralela, e o microcontrolador torna os valores analógicos lidos pela experiência em valores digitais (códigos de máquina), de forma que através do programa, é possível interpretar os valores lidos. O programa além de controlar o experimento e fazer a leitura dos dados do mesmo, possui informações sobre o experimento e dos conceitos de física envolvidos.

Como conseqüência do resultado obtido com o projeto, está sendo produzido mais modelos de experimentos e estamos buscando disponibilizar o acesso aos experimentos através da Internet.

Nos primeiros testes realizados, ainda com um número controlado de estudantes acessando o experimento, obtivemos um bom resultado em relação ao funcionamento do sistema desenvolvido. É possível controlar dois experimentos simultâneos e controlar os dados obtidos pelos sensores

conectados a um dos experimentos.

A interface será utilizada em escolas públicas da cidade de Campos dos Goytacazes.

O projeto foi selecionado como um dos melhores projetos de iniciação científica da UENF no Encontro de Iniciação Científica dessa instituição realizado em julho de 2004.

Figura 2 - Tela Principal do Programa em DELPHI de Controle do Experimento do Plano Inclinado

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## CONCLUSÃO

A interface que desenvolvemos foi testada com sucesso com dois modelos construídos com material de baixo custo de experimentos de Física Básica. O projeto desenvolvido inicialmente realizou testes com um número limitado de estudantes. Ele se mostrou útil como uma ferramenta auxiliar para a apresentação dos conteúdos de Fí sica através da utilização de modelos experimentais.

Como continuidade do projeto estaremos estendendo a utilização da interface para escolas públicas da cidade de Campos dos Goytacazes. Estamos em fase de testes de um sistema de acesso ao programa de controle do experimento através da Internet. Novos modelos de experimentos também estão em fase final de desenvolvimento, como é o caso de um modelo de um hidrelétrica e um sistema com molas e polias.

## REFERÊNCIAS

- 1. VIGOTSKY , L. S. , Mind in Society: The development of higher psycological processes . Harvard University Press, Cambridge, MA, (1978).
- 2. SOUZA, M. O., The use of new technologies in Physics teaching: a critical analysis, Anais da VIII Conferencia Interamericana sobre Educación en Física, Havana, Cuba, 2003
- 3. SOUZA, M. O e BOECHAT V. A. P,. Laboratório Virtual: Máquinas Interativas In. XV Simpósio Nacional De Ensino De Física, 2003, Curitiba - Paraná , Anais do XV Simpósio Nacional de Ensino de Física, (2003)
- 4. Shaping the Future, New Expectations for Undergraduate Education in Science Mathematics, Engineering, and Technology, Advisory Committee to the NSF Directorate for Education and Human Resources. NSF homepage: www.nsf.gov (arquivo nsf96139.txt.)
- 5. Data Sheet PIC16C71X, Microchip
- Disponível em: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30272a.pdf
- 6. Data Sheet CD4069UBC, Fairchild Semiconductor

## AGRADECIMENTOS

Agradecemos a FENORTE/TECNORTE, CEFET/Campos e a UENF o apoio recebido para a realização do projeto.