ATIVIDADES DE AQUISIÇÃO AUTOMÁTICA DE DADOS NO LABORATÓRIO DE FÍSICA DA ESCOLA DE ENSINO MÉDIO

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## ATIVIDADES DE AQUISIÇÃO AUTOMÁTICA DE DADOS NO LABORATÓRIO DE FÍSICA DA ESCOLA DE ENSINO MÉDIO

Lucia Forgiarini da Silva [lucia@cefetrs.edu.br] a Jalves Sampaio Figueira [jalvesampaio@pop.com.br] b Eliane Angela Veit [eav@if.ufrgs.br] c

a CEFET/RS e Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física, UFRGS

b CEFET/PR e Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física, UFRGS c Instituto de Física, UFRGS

## RESUMO

Apresentam-se cinco propostas de atividades para a escola de ensino médio com aquisição automática de dados usando a placa de som do microcomputador. A ênfase é no processo de medida, em suas diversas etapas, desde o uso de sensores nos sistemas de detecção, à conversão analógica/digital, passando pelos softwares ; somente depois de medidas manuais, o aluno passa à aquisição automática. Os tópicos tratados são: sensores, medidas de tempo, exemplificada com a cinemática unidimensional, e ondas mecânicas transversais (em cordas) e longitudinais (sonoras). As atividades estão em fase de implementação em uma escola de ensino médio no RS.

## INTRODUÇÃO

A possibilidade de aquisição automática de dados usando a placa de som de microcomputadores em experiências didáticas de Física é bem conhecida, havendo exemplos em diversas áreas da Física como Mecânica, Termologia, Eletromagnetismo e Ondulatória (Cavalcante e Tavolaro (2000), Haag (2001), Aguiar e Laudares (2001), Montarroyos e Magno (2001), Figueira e Veit (2004) e Veit et al. (2004)). A implementação de tais sistemas em escolas de ensino médio, entretanto, não tem ocorrido. Em parte isto se deve à carência de material instrucional que dê condições para que professores e alunos possam construir e/ou trabalhar com esses sistemas automatizados. Nossa proposta pretende preencher parte desta lacuna, produzindo cinco atividades do tipo aberto, de modo que os estudantes tenham a oportunidade de explorar, testar e discutir possíveis aplicações. Para cada uma, é apresentada a montagem experimental, um texto para o professor, um guia para o aluno e os softwares utilizados. Estas a tividades estão todas centradas no uso do microcomputador porque entendemos que a inserção deste instrumento no laboratório didático de Física é imprescindível e um dos meios de mostrar ao aluno a importância da Física no avanço científico e tecnológico, como também auxiliá-los no uso das tecnologias no dia-a-dia.

Uma de nossas preocupações é tornar o laboratório um local onde alunos e professores sintam-se comprometidos e envolvidos no processo de ensino-aprendizagem, onde as ações não se constituam simplesmente na manipulação de equipamentos e repetição de medidas, seguindo roteiros pré-determinados, mas um local de investigação de leis e fenômenos físicos, em que os alunos compreendam o significado das atividades realizadas (Borges, 2002). Levamos em conta, também, resultados de pesquisas realizadas com Laboratórios Baseados em Microcomputadores (MBL 1 ), que mostram que os alunos apresentam ganhos mais efetivos na aprendizagem quando interagem com os equipamentos (Beichener (1994) e outros). Partindo deste princípio, procuramos fazer com que a aquisição automática de dados seja precedida de atividades em que o estudante

explore o comportamento de sensores frente a variações de grandezas físicas, inicialmente tomando medidas manuais, construindo curvas de calibragem, para somente então montar um sistema automático de medidas e, posteriormente, investigar fenômenos físicos.

## METODOLOGIA

A montagem experimental teve por base, especialmente, trabalhos de Haag (2001), Cavalcante (2003) e Figueira e Veit (2004). Em duas dessas montagens aquisição é feita via a entrada de jogos ( joystick ): Explorando sensores e Medidas automáticas de tempo em experiências de Mecânica ; enquanto nas demais, via a entrada de áudio: Ondas Transversais , Ondas Longitudinais I e II. Estas montagens e um hipertexto sobre ondas Transversais e Longitudinais (Silva e Veit, 2004), contendo uma coletânea de Physlet (2004), foram testados com um grupo de professores de ensino médio participantes do programa PROCIÊNCIAS, edição de 2004 IF/UFRGS. Então, para cada atividade elaborou-se um Guia para o Aluno - material impresso, com cerca de quatro páginas - contendo procedimentos, questões abertas e desafios. Para cada atividade providenciou-se material suficiente para aplicação na escola de ensino médio do CEFET/RS Sapucaia, onde um dos autores (LFS) é professor. A avaliação do material de momento só leva em conta o interesse despertado no aluno e a propriedade de aplicação deste material neste nível de ensino.

## RESULTADOS

Os resultados aqui apresentados consistem em uma descrição das atividades desenvolvidas. A avaliação dos resultados da aplicação deste material deverá ocorrer de modo mais sistemático somente no próximo ano, quando se pretende coletar dados mais detalhados.

Na atividade Explorando Sensores , os estudantes investigam o comportamento de sensores, (potenciômetros, LDR, termistores, fototransistores, ...) tomando medidas com um multiteste do sinal elétrico produzido pelo sensor quando alguma grandeza física é variada (posição, intensidade luminosa, temperatura, ...). Então, constroem circuitos simples (ou usam sistemas que construímos previamente) para conectá-los à entrada digital ou analógica da porta de jogos. A leitura da porta de jogos é feita com o software Aqdados (Araujo, 2004), que gera um arquivo de dados do tipo texto, cujo tratamento é feito com uma planilha eletrônica. Com esta atividade espera-se dar condições para que o aluno adquira noções básicas sobre aquisição automática de dados.

Em Medidas automáticas de tempo em experiências de Mecânica , enfatizamos o sistema ótico de detecção, construído com diodos emissores de infravermelho e fototransistores receptores, conectados à entrada digital da porta de jogos. Nesta atividade o software usado para registro dos dados é uma planilha Excel (Silva e Figueira, 2004), na qual a leitura da entrada digital da porta de jogos é feita com a linguagem VBA ( Visual Basic Application ). Para um melhor entendimento de como a entrada digital opera, propomos inicialmente uma breve revisão dos sistemas numéricos decimal e binário. Em seguida, usando o multiteste, são feitas medidas da corrente elétrica, observando que esta depende da intensidade luminosa incidente sobre o fototransistor. A aquisição automática de dados é iniciada com exercícios simples, por ex. obstruindo e desosbtruindo manualmente a passagem do feixe de infravermelho e observando o valor do estado lógico da entrada digital da porta de jogos (0 ou 1), para, somente então, observar o intervalo de tempo durante o qual é bloqueado o feixe, finalmente o sistema é empregado na investigação das grandezas da cinemática (posição, velocidade e aceleração).

As atividades relativas a ondas mecânicas são iniciadas com a exploração de um hipertexto (Silva e Veit, 2004), com uma série de Physlet (2004), com os quais o aluno interage para aprender conceitos fundamentais sobre ondas. Na atividade Ondas transversais o microcomputador é utilizado com um gerador de sinais (Sinewave (2004) e Cavalcante, 2003). O aluno produz e visualiza a formação de ondas estacionárias em cordas, investiga a condição necessária para que ocorram os diferentes modos de vibração, a relação entre as grandezas físicas (freqüência, comprimento de onda, velocidade de propagação, densidade e tensão da corda). Em Ondas Longitudinais I e II o microcomputador cumpre a função de analisador de espectro, com o uso do software Spectrogram (Horne, 2004). Na parte I, é feita a determinação da velocidade de propagação do som no ar. Tubos de canos de PVC de diferentes tamanhos funcionam como tubos de ar, nos quais, com a própria mão, se geram ondas estacionárias. É feita a observação e a análise das freqüências de ressonância, discutindo a relação entre as grandezas físicas com o comprimento e diâmetro dos tubos e, finalmente, calculada a velocidade de propagação do som no ar. As três qualidades do som são exploradas em Ondas Longitudinais II . Através de atividades lúdicas como cantar e tocar, o aluno faz a observação e análise de diferentes espectros sonoros, de modo a compreender, por exemplo, porque uma mesma nota tocada em um violão ou em um piano soa diferente.

A primeira aplicação deste material deve ser concluída no final do presente ano. Até meados deste ano, parte deste material foi implementado em aulas do Ensino Médio, Ensino M édio Adultos e de Tecnologia de Polímeros da Unidade de Ensino do CEFET-RS, Sapucaia, por um dos autores deste trabalho (LFS). A atividade de Medidas de Tempo teve a participação de alunos dos três cursos mencionados, sendo que a motivação dos alunos foi m arcante. Os alunos consideraram uma experiência fascinante e pode-se observar que o trabalho em pequenos grupos ocorreu com muito entusiasmo e cooperação, usualmente não observados nas aulas tradicionais de laboratório. O manuseio dos sensores despertou curiosidade e ensejou discussões sobre como funcionam equipamentos como portas automáticas, leitor de código de barras e células fotovoltaicas. As dificuldades apresentadas no uso do Excel superaram as nossas expectativas, mesmo no curso Tecnologia de Polímeros. Todas as atividades deverão ser reaplicadas no ano de 2005, quando se pretende coletar dados mais detalhados.

## CONCLUSÃO

A introdução do microcomputador no laboratório de Física propiciou aos alunos noções básicas de como os sistemas automáticos de coleta de dados funcionam, motivando-os a encarar a Física de uma forma mais agradável. A grande interação observada entre os diversos membros dos grupos e entre os grupos nas atividades propostas, em relação a atividades similares no laboratório tradicional, é um forte indício de que é preciso agregar ao ensino formas mais dinâmicas.

Em relação ao usual argumento de que a introdução do microcomputador como instrumento de medida no laboratório didático de Física, minimizando o tempo necessário para a aquisição dos dados, possibilita um tempo maior para a discussão e análise dos fenômenos físicos, vivenciamos duas situações distintas. Este argumento mostrou-se verdadeiro nas experiências de som, para as quais não foi requerida montagem de sistema de detecção e o sensor utilizado foi o microfone, mas não se mostrou verdadeiro nas atividades de Medidas de Tempo , em que a montagem experimental requeria um sistema de detecção ótico construído com componentes eletrônicos e a análise envolvia o uso do Excel. Os alunos despenderam considerável tempo para começar as tomadas de dados, pois não estavam familiarizados com os instrumentos. Ainda assim, consideramos recomendáveis estas atividades, quer porque a familiarização com os instrumentos necessários ao ensino de Física é um dos objetivos das aulas de laboratório, quer porque os questionamentos surgidos foram muito

frutíferos, o que dificilmente aconteceria na obtenção de medidas manuais repetitivas para se dispor de mais dados.

Agradecimentos a Rafael Haag pelas proveitosas discussões e a Profa. Rejane M. RibeiroTeixeira, pela leitura crítica do manuscrito.

## Apoios: CAPES, CEFET/RS, CEFET/PR, PROPESQ-UFRGS, CREF/IF-UFRGS .

## REFERÊNCIAS

AGUIAR, C.E.; LAUDARES, F. Aquisição de dados usado Logo e a porta de jogos do PC. Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo, v. 23, n. 4, p. 371-380, dez. 2001.

ARAUJO, I. S. AQDADOS: software para leitura das entradas da porta de jogos. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/software/ives.html. Acesso em 22 agosto 2004.

BEICHNER, R. J. Testing student interpretation of kinematics graphs, American Journal of Physics , v. 62 (8) p. 750-765, agosto. 1994.

BORGES, A. Tarciso. Novos rumos para o laboratório escolar de Ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física . Florianópolis, v. 19, n. 3, p. 291-313, dez. 2002.

CAVALCANTE, M. A; TAVOLARO, C. R. C. Cuidados na utilização de sistemas de aquisição de dados no ensino de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física . São Paulo, v. 22, n. 2, p. 247-258, jun. 2000.

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FIGUEIRA, J. S.; VEIT, E. A. Usando Excel Para Medidas de Intervalo de Tempo no Laboratório de Física, aceito para publicação na Revista Brasileira de Ensino de Física .

HAAG, Rafael - Utilizando a placa de som do micro PC no laboratório didático de Física. Revista Brasileira de Ensino de Física . São Paulo, v. 23, n. 2, p. 176-183, jun. 2001.

HORNE, R. Audio Spectrum Analysis - SPECTROGRAM. Disponível em: http://www.visualizationsoftware.com/gram.html. Acesso em 23 agosto 2004.

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http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/simulacoes/ondas/index.html. Acesso em 23 agosto 2004.

SINE WAVE GENERATOR Disponível em:

http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/software/sinewave.zip . Acesso em 23 agosto de 2004.

VEIT, E. A. et al. Novas Tecnologias no Ensino de Física Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/index.html. Acesso em 23 agosto de 2004.