AQUISIÇAO DE DADOS EM LABORATORIOS DE FISICA; UM MÉTODO SIMPLES, FACIL E DE BAIXO CUSTO.

AQUISIÇÃO DE DADOS EM LABORATÓRIOS DE FÍSICA; UM MÉTODO SIMPLES , FACIL E DE BAIXO CUSTO .

Marisa Almeida Cavalcante; Amanda Bonizzia e Leandro Cesar Pereira Gomes.

GoPEF/PUC/SP: Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC/SP

marisac@pucsp.br

Resumo: Atualmente o microcomputador, é um instrumento bastante acessível, sendo indispensável que o usuário conheça cada vez mais os seus recursos. Além de fazer cálculos e armazenar informações, o microcomputador pode também ser utilizado para fazer aquisição de dados, controle de processos em tempo real ou enviar sinais a um periférico. Tais propriedades tornam o computador um instrumento muito poderoso para auxiliar o ensino e aprendizagem de Física principalmente e nas aulas as experimentais . Levando em conta o fato de que a coleta de dados se processa em tempos curtos, experimentos podem ser realizados em diferentes condições de contorno transformando as aulas num ambiente de investigação e pesquisa.

Apesar das grandes potencialidades o computador ainda é pouco utilizado em laboratórios de Física, quer pela falta de informação ão dos professores dos recursos oferecidos, quer pela dificuldade em adquirir interfaces e softwares de aquisição. Este trabalho procura mostrar possibilidades reais de inserção dos microcomputadores nos laboratórios de física seguindo uma tendência crescente na área de ensino que consiste em utilizar a placa de som como interface de conversão [1-6] e em particular a entrada de microfone . Neste trabalho apresesentamos propostas de três experimentos distintos: determinação da aceleração de queda de corpos no ar, verificação da Lei de conservação de momento linear e a determinação da freqüência da rede elétrica, a, utilizando fototransistores conectados diretamente a entrada de microfone de um PC. A analise e coleta de dados é realizada através de versões shawares s de softwares de analise sonora disponíveis na web .

Levando -se em conta a simplicidade e o baixo custo deste método acreditamos que ele pode representar uma a real contribuição para uma ampla difusão tecnológica no ensino de Física, o que justifica sua apresentação neste XVII SNEF.

## METODOLOGIA

Quando gravamos um sinal sonoro de um microfone, este sinal que é um sinal analógico é convertido num código binário por um conversor A/D , disponível na placa e processado pelo PC.

A conversão pode ser feita em 8 ou 16 bits e com uma taxa de amostragem de até 44,1 KHz e resoluções que podem atingir a faixa de 23 m?s, resoluções suficientes para aplicações didáticas. Atualmente podemos contar com uma serie de diferentes softwares,

disponíveis na Internet que nos permite tanto gerar sinais através das saídas de áudio, quanto analisar sinais através da entrada de áudio da placa de som visualizando-os tanto em componentes de freqüência quanto em amplitude x tempo.

Neste trabalho os os impulsos provenientes de um fotosensor são enviados a entrada de microfone de um PC que são analisados a partir de softwares sonoros e outros softwares disponíveis livremente na WEB. Para experimentos em mecânica os os intervalos de tempo de passagem de objetos nos fotosensores podem ser medidos diretamente na tela do PC o que nos permite estudar tanto características cinemáticas tais como velocidade e aceleração de objetos, quanto obter informações de sua quantidade de movimento .

Neste trabalho apresentamos propostas de experimentos em mecânica e em particular a determinação da aceleração da gravidade, bem como uma proposta experimental para o estudo de colisões e conservação da quantidade de movimento linear.

Apresentaremos ainda uma aplicação em eletricidade possibilitando a determinação da freqüência da rede elétrica.

## RESULTADOS

## 1.Determinação da aceleração de queda de corpos

Uma das grandes vantagens deste método está na simplicidade do equipamento utilizado. Para o desenvolvimento do experimento um único o fototransistor é conectado o diretamente a entrada de microfone de um PC e recebe a incidência de um feixe de luz proveniente de uma lanterna. Com a incidência de luz o fotosensor encontra -se conduzindo. Ao bloquear a incidência de luz sobre o sensor um pulso de tensão é gerado e captado pela entrada de microfone.

Para a determinação da aceleração de de queda de um corpo lançamos entre o sensor e a lanterna uma placa de acrílico transparente em que fitas opacas de mesma largura são dispostas com distancias previamente fixadas. Tal lançamento produz bloqueios e desbloqueios sucessivos do sensor gerando pulsos que podem ser gravados no gravador do PC a partir de sua entrada de microfone conforme indica o esquema da fig 01.

Fig 01. Esquema da montagem utilizada para a determinação da gravidade .

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Os impulsos gerados a partir dos bloqueios e desbloqueios do fotosensor podem ser analisados através de versões shawares de softwares sonoros disponíveis na web, que permitem a visualização das variações de amplitudes de sinais produzidas em função do tempo.

Neste trabalho utilizamos uma versão shaware do software Cool Edit e a fig. 02 mostra um d dos resultados obtidos.

Fig 02 resultado obtido para o lançamento de uma placa entre o fotosensor e a lanterna, indicando os bloqueios e desbloqueios sucessivos produzidos. Cada instante de tempo pode ser obtido a partir da localização do cursor na tela

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Antes de dar inicio as medidas devemos identificar a polaridade do fototransistor de tal modo a localizarmos onde se situam os bloqueios e os desbloqueios do fotosensor. A fig 02 mostra tal identificação.

O gráfico representado na fig 03 indica um dos resultados obtidos.

Fig 03. Gráfico obtido para o lançamento de uma placa com fitas opacas previamente fixadas que permite bloqueios e desbloqueios de um fototransistor diretamente conectado a entrada de microfone de um PC. Uma tabela de posição e tempo é obtida a partir dos dados coletados em softwares de analise sonora.

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O valor para aceleração de queda da placa neste lançamento foi de (969, 9, 24±78, 8, 86) cm/s 2 , valor este muito satisfatório principalmente se e levarmos em conta a simplplicidade do método utilizado.

## 2.Determinação da freqüência da rede elétrica

Uma lâmpada fluorescente comum é é constituída de um bulbo tubular de vidro, com um filamento em cada extremidade, contendo uma pequena quantidade de mercúrio e um gás nobre (argônio, criptônio ou neônio) em baixa pressão. Sob ação do potencial elétrico aplicado nos filamentos, os elétrons se movem de um lado a outro em alta velocidade. A colisão com os átomos do mercúrio emite radiação ultravioleta. Um revestimento interno com mateterial apropriado converte esta radiação em luz visível. Como a rede elétrica apresenta um sinal variável com o tempo a intensidade de luz emitida pela lâmpada também sofrerá alterações. Uma maior intensidade de luz será obtida nos maiores valores de tensão o aplicado nos seus terminais independentemente de sua polaridade. Portanto a cada 8,33 ms devemos esperar um valor máximo para intensidade de luz emitida, que corresponde a 120 Hz, que corresponde ao dobro da freqüência da rede.

Levando em conta tais observrvações, é fácil notar que será possível determinar a freqüência da rede elétrica a partir de u um sensor ótico sensível a flutuação de intensidade de luz das lâmpadas fluorescentes. Para detectar tais variações utilizamos um fototransistor associado em serie e a um resistor e uma bateria de 9V (tal associação pode ser dispensável caso o fotosensor possa ser posicionado a distancias da ordem de 1 metro da lâmpada a lâmpada fluorescente)

Qualquer alteração de intensidade luminosa sobre o fotosensor será transformada em impulsos de tensão nos terminais resistor r que serão observadas através da entrada de microfone.

A utilização da entrada de áudio da placa de som pode ser realizada , como vimos nos demais experimentos propostos , através de softwares de analise sonora disponíveis na Web. No entanto uma outra possibilidade é utilizar o software Osciloscope and Spectrum Analyser r [7] que permite transformar o PC em um osciloscópio digital e um analisador de espectro no ambiente Windows, com uma visualização em tempo real do sinal aplicado a entrada de áudio. A limitação deste software está na impossibilidade de observação de sinais em intervalos de tempo maiores do que 50 ms já que este valor é o maior tempo possível de observação em tela.

Os resultados obtidos estão representados na fig 04 .

Fig 04: A figura mostra os resultados obtidos para o sinal observado nos terminais do resistor com um período correspondente a 8,33 ms em media. Este valor corresponde ao período na flutuaçãção de intensidade de radiação emitida pela lâmpada fluorescente. O que corresponde a uma freqüência igual a 120Hz.

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Os resultados obtidos indicam, portanto uma freqüência correspondente a 120Hz, o que corresponde um valor para a freqüência da rede elétrica igual a 60Hz.

## 3.Conservação da Quantidade d de movimento linear

Nesta proposta duas esferas que se movimentam sobre um trilho efetuam uma colisão unidimensional e dois a sensores posicionados ao longo do trilho captam o intervalo de tempo de passagem de cada esfera.

A esfera alvo (A) inicialmente em repouso que propositadamente apresenta massa maior recebe o impacto de uma esfera incidente e (I) lançada com uma dada velocidade, cujo valor pode ser obtido a partir da medida do tempo de bloqueio no sensor 1. Neste impacto a esfera alvo se desloca na mesma direção e sentido da incidente e sua velocidade pode ser determinada a partir da medida do tempo de bloqueio num segundo sensor posicionado ao longo do trilho (fig 05a e fig 05b).

Fig 05: A esfera incidente I é lançada sobre um trilho horizontal e sua velocidade inicial pode ser determinada a partir da medida do tempo de bloqueio no sensor 1. A esfera alvo A encontra-se em repouso antes da colisão.

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Fig 0505b: Após o impacto a velocidade da esfera alvo A pode ser determinada pelo tempo de bloqueio no sensor 2. Devido a diferença de massas existentes entre as esferas , ocorre o recuo da esfera incidente e um novo tempo de bloqueio pode ser determinado fornecendo a velocidade da esfera incidente após a colisão.

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Tendo em vista a a diferença de massas existentes entre as esferas, após a colisão a esfera incidente sofre um recuo e apresenta velocidade em sentido oposto, com o seu tempo de bloqueio medido pelo sensor 1.

A partir destes resultados é possível determinar o momento linear antes e depois da colisão e desse modo verificar o principio de conservação da quantidade de movimento (tendo em vista que se trata de uma colisão unidimensional) .

A tabela abaixo mostra os resultados obtidos:

Tabela 1: Mostra os resultados obtidos para o experimento de verificação da Lei de conservação da quantidade de movimento, onde observa -s-se a proximidade entre os momentos lineares antes e depois da colisão.

## CONCLUSÃO

Neste trabalho mostramos de que maneira podemos os a partir da entrada de microfone realizar experimentos de Física, permitindo que sistemas de aquisição de dados possam ser implantados com um excelente grau de precisão e dispondo-se de recursos mínimos. O método proposto estabelece uma conexão direta de sensores à interface já existente nas placas de som dos PCs com coleta e analise de dados efetuada através de versões shawares s e/ou u freeware e de softwares de analise sonora disponíveis na web. Mostramos como foi possível determinar experimentalmente o valor da aceleração de queda dos corpos obtendo-se um valor experimental de (969 , 24 ±78 , 86 )cm/s 2 2 valor este que incorpora o valor esperado para a aceleração de queda dos corpos na região em que o experimento foi realizado. Alem disso determinamos com uma boa margem de precisão a freqüência da rede elétrica, bem como verificamos o principio de conservação de momento linear.

Levando -se em conta a simplicidade e o baixo custo deste método acreditamos que ele pode representar uma real contribuição para uma a ampla difusão tecnológica no ensino de Física.

## REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

- 1. Montarroyos, E. e Magno, C. W. Rev Brás. Ens. Fis, 23, 1, 57 - 62 (2001).
- 2. Cavalcante, M. A. e Tavolaro, C.R.C. Física na Escola, 4, 29 - 30 (2003).

- 3. Aguiar, C.E. e Laudares, F. Rev Brás. Ens. Fis, 23, 4, 371-379 (2001)
- 4. Haag, R. Rev Brás. Ens. Fis, 23, 2, 176-6-183 (2001)
- 5. Magno, W. C. e Montarroyos,E. Rev Brás. Ens. Fis, 24, 4, 497- 499 (2002)
- 6. Cavalcante, M. A.; Silva E.; Prado, R. e Haag, R. Rev Brás. Ens. Fis 24, 2, 150-157 (2002) .
- 7. http://poly.phys.msu.su/zel/oscll.htm Pagina onde se pode efetuar um download livremente do software Osciloscope and Spectrum Analyser