Modelo Experimental Automatizado para o Ensino de Conceitos de Velocidade e Aceleraçao

## MODELO EXPERIMENTAL AUAUTOMATIZADO PARA O ENSINO DE C CONCEITOS DE VEVELOCIDADE E ACELERAÇÃO

Márlon Caetano Ramos Pessanha a [marlonp@uenf.br] Sabrina Gomes Cozendeya ya [sgcfisica@yahoo.com.br] Marcelo de Oliveira Souza a [mm@uenf.br]

a Laboratório de Ciências Físicas - Universidade Estadual do Norte Fluminense

## RESUMO

APRESENTAMOS NESTE TRABALHO UM MODELO EXPERIMENTAL QUE DESENVOLVEMOS COM O OBJETIVO DE SERVIR DE FERRAMENTA AUXILIAR NO ENSINO DOS CONCEITOS DE VELOCIDADE E ACELERAÇÃO.

O EXPERIMENTO CONSISTE NUM OBJETO, COM UM DÍNAMO EM SEU INTERIOR. QUANDO O OBJETO SE MOVE, O EIXO DO DÍNAMO GIRA, OCASIONANDO ASSIM A GERAÇÃO DE UMA DIFERENÇA DE POTENCIAL NOS SEUS TERMINAIS.

QUANTO MAIOR A VELOCIDADE DO OBJETO, MAIOR SERÁ A VELOCIDADE DE GIRO DO EIXO, E ASSIM, MAIOR DIFIFERENÇA DE POTENCIAL SERÁ GERADA PELO DÍNAMO.

DESENVOLVEMOS AINDA UMA INTERFACE QUE PERMITE A COMUNICAÇÃO ENTRE O EXPERIMENTO E UM COMPUTADOR. ESTA INTERFACE FAZ A CONVERSÃO DO VALOR DA DIFERENÇA DE POTENCIAL ELÉTRICA GERADA (UM VALOR ANALÓGICO) EM UM VALOR DIGITAL, PARA QUE ASSIM O VALOR LIDO POSSA SER INTERPRETADO PELO COMPUTADOR, COM O USO DE UM SOFTWARE. A INTERFACE SE BASEIA NUM CONVERSOR ANALÓGICO -DIGITAL DE 8 BITS, O ADC0804.

- O CIRCUITO DE INTERFACE SE COMUNICA COM O COMPUTADOR ATRAVÉS DA PORTA PARALELA DO COMPUTADOR. A PORTA PARALELA POSSUI 3 ENDEREÇAMENTOS DE DADOS QUE SERVEM PARA A COLETA E ENVIO DE DADOS. UM DESTES ENDEREÇAMENTOS POSSUI 8 BITS, E EM MODO EPP (MODO BIDIRECIONAL) DA PORTA PARALELA, ESTE ENDEREÇAMENTO PODE SER USADO PARA LEITURA, ISTO É, PARA A COLETA DOS DADOS LIDOS NO EXPERIMENTO.

UM SOFTWARE APRESENTA O QUE ESTÁ SENDO LIDO NO EXPERIMENTO, E DESTA FORMA, O ESTUDANTE PODE ACOMPANHAR EM TEMPO REAL, A VELOCIDADE E A ACELERAÇÃO DO OBJETO. O SOFTWARE, QUE CRIAMOS NO AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO TURBO DELPHI, FAZ A VARREDURA DO ENDEREÇAMENTO DA PORTA PARALELA POR ONDE SÃO COLETADOS OS DADOS LIDOS NO EXPERIMENTO. O SOFTWARE CALIBRA E APRESENTA O VALOR REAL DA VELOCIDADE DO OBJETO.

O SOFTWARE DISPONIBILIZA AINDA UMA SEÇÃO TEÓRICA, COM TEXTOS EXPLICATIVOS SOBRE O EXPERIMENTO E CONCEITOS DE FÍSICA ENVOLVIDOS. NESTA SEÇÃO TEÓRICA ESTÃO DISPONÍVEIS AINDA VÍDEOS DIDÁTICOS.

## PALAVRAS -CHAVE

Automação, Experimentos, Novas Tecnologias.

## INTRODUÇÃO

O Ensino em nível médio, com a elaboração dos PCN 1 , deixou de ser uma ponte entre o ensino básico para o ensino superior, passando a ser um ensino terminal e de preparação para a vida. Levando -se isto em conta, o que é ensinado deverá ser relevante para a vida do indivíduo que constrói o conhecimento.

Segundo o PCN+ 1 , o indivíduo ao passar pelo ensino médio deve desenvolver a capacidade de lidar com as situações que vivenciam ou que um dia venham a vivenciar, sendo que muitas destas situações serão novas e inéditas. Logo, é necessário que se construa uma base concreta que possa servir de apoio ao indivíduo, lhe dando a capacidade de investigação e compreensão de um fenômeno físico.

A ciência nas últimas décadas teve um grande desenvolvimento, e como resultado deste desenvolvimento, ocorreu o surgimento de uma quantidade significativa de novos recursos tecnológicos. Logo, o ensino de Física também tem como função, preparar os estudantes para que possam acompanhar este desenvolvimento tecnológico.

- O uso de experimentos automatizados que usam as novas tecnologias pode possibilitar uma contextualização maior daquilo que se aprende, podendo assim ajudar no desenvolvimento do indivíduo, para que este tenha a desejada capacidade de investigação e compreensão de um fenômeno físico.

Experimentos são ótimas ferramentas, visto que tornam os alunos membros ativos no processo ensino-aprendizagem, onde o aluno pode interagir diretamente com o fenômeno, identificando os conceitos, e assim, auxiliando na construção de um conhecimento. Da mesma forma, a utilização de computadores no ensino é de grande valia, pois estes já estão incorporados no cotidiano do aluno, e permitir a interação entre o aluno e o computador, também é uma forma de preparar o indivíduo para aquilo o qual ele irá vivenciar.

## DESENVOLVIMENTO DO TRTRABALHO

Desenvolvemos um modelo experimental automatizado que serve de ferramenta auxiliar no ensino de conceitos de velocidade e aceleração. O modelo consiste num experimento com um objeto, que tem sua velocidade e aceleração coletada por um circuito de interface, e através da porta paralela do computador, um software identifica, calibra e apresenta os valores lidos de velocidade e aceleração do objeto.

É possível se observar o comportamento da velocidade e aceleração no movimento com velocidade constante e no movivimento acelerado de modo uniforme.

## Construção do Experimento

Foi construído um objeto, no formato semelhante a um carro em escala menor, que possui acoplado ao eixo de suas rodas, o eixo de um dínamo.

Ao movimentar -se, as rodas transmitem o movimento ao eixixo do dínamo, que girando, produzirá uma diferença de potencial nos terminais do dínamo. Quanto maior a velocidade do carro, maior será a diferença de potencial gerada.

- O experimento possui ainda uma chave que liga o movimento uniforme, possibilitando a ve verificação da velocidade constante e aceleração nula. Esta chave faz com que o dínamo haja como um motor, e com uma tensão contínua, a velocidade do objeto mantém-m-se constante.

A diferença de potencial gerada fornecerá a velocidade de forma praticamente ininstantânea (tempo definido pelo software), e a variação da velocidade ocorrida num pequeno intervalo de tempo, determinará a aceleração. A figura 1 mostra o esquema básico do experimento e a figura 2 mostra uma foto do experimento.

Figura 1 --Esquema do do Experimento.

<!-- image -->

Figura 2 --Foto do Experimento

<!-- image -->

## Circuito de Interface

O valor de diferença de potencial elétrica obtida no experimento é um valor analógico, que só poderá ser lido pelo computador com a utilização de um circuito de interface, que irá conve rter o valor analógico em um valor digital. Este valor digital é um valor de base binária que corresponde ao valor analógico de base decimal, podendo ser coletado pelo computador.

No circuito desenvolvido, foi utilizado um conversor analógico-digital padrãrão, o ADC0804 2 da National Semiconductor. Este conversor possui um canal de coleta, e o acionamento do seu controle é feito a partir de dois bits.

O circuito possui ainda buffers inversores do tipo CD4069 3 , que tem como função amplificar o sinal que sai do ADC0804, corrigindo sinais lógicos dos bits que estivessem num nível alto, mas com um valor de tensão muito menor que os 5V necessários para que fosse percebido pela porta paralela (canal de coleta de dados do computador). Além desta função, os buffers CD4069 invertem o sinal lógico, pois a porta paralela fará a leitura de modo invertido. Os buffers também protegem o computador contra sobre-cargas.

Figura 3 - - Esquema da Interface desenvolvida

<!-- image -->

Figura 4 - - Foto do Circuito de Interface

<!-- image -->

## Porta Paralela

Como canal de coleta e saída de dados do computador foi considerado o uso da porta paralela. Através da porta paralela, é possível coletar os valores digitais enviados pela interface.

A porta paralela possui 3 endereçamentos (378h/278h, 379h/279h e 37Ah/27A7Ah) e 3 modos de operação (SPP, EPP e ECP). De acordo com o modo de operação da porta paralela, que é definido no Setup do computador, um dos endereçamentos, o 378h, poderá ser utilizado como canal de coleta.

No modo SPP, os endereçamentos da porta parale la possuem a função de saída ou entrada de dados, conforme demonstra a tabela abaixo:

Os bits são, de forma simplificada, os pinos da porta paralela. Cada bit pode enviar ou receber um sinal em nível lógico alto, ou em nível lógico baixo. No caso da porta paralela, o nível lógico alto é uma diferença de potencial igual a 5 volts (Nível em TTL) entre o o pino e o aterramento da porta paralela, e o nível lógico baixo é uma diferença de potencial igual a 0 volts entre, também, o pino e o aterramento.

O modo SPP é um modo unidirecional, onde os endereçamentos ou só funcionam para coleta de dados, ou somente como saída de dados. Nos modos EPP e ECP a porta paralela tem comportamento bidirecional, onde o endereçamento 378h funciona como entrada ou saída, fazendo-se a seleção de acordo com um o acionamento ou não de um bit virtual do endereçamento 37Ah.

Como o conversor analógico-digital envia a porta paralela o valor digital em 8 bits, foi considerada a utilização do endereçamento 378h para se fazer a coleta dos dados, se utilizando a porta paralela em modo bidirecional (EPP ou ECP). Quando o endereçamento 378h trabalha como via de entrada de dados, a leitura é feita de modo invertido, isto é, se chega a um determinado bit um sinal lógico alto, este é lido pelo computador como um sinal lógico baixo, e vice versa. Isto é corrigido, conforme comentado antes, com m a utilização de buffers inversores no circuito de interface.

O controle do circuito (início e pausa da leitura) de interface é feito a partir do endereçamento 37Ah.

## Software

Para interpretar os valores recebidos na porta paralela, foi desenvolvido um softwtware. Este software é responsável pela elevação ou não do nível lógico de bits da porta paralela responsáveis pelo controle do circuito de interface, e, além disso, o software faz a varredura do endereçamento de leitura, percebendo, calculando e apresentando os valores lidos.

Por se tratar de um modelo experimental para aplicação no ensino, além de fazer o controle e leitura dos valores, o software possui uma seção de conteúdos teóricos. Esta seção, além de um manual explicativo de operação do experimento, possui também um texto explicativo e ilustrado sobre os conceitos de velocidade e aceleração. Foram filmados alguns vídeos e estes adicionados na seção teórica, para facilitar o entendimento através da visualização da aplicação dos conceitos.

Para o dedesenvolvimento do software, foi utilizado o ambiente de programação Turbo Delphi4 i4,5 . O software desenvolvido é para uso em ambiente Windows.

Figura 5 --Tela capturada do software

<!-- image -->

<!-- image -->

Figura 6 - - - À Esquerda: Tela capturada da seção teórica do software. À À direita: Imagem capturada de um dos vídeos.

<!-- image -->

O software possui ainda indicações dos procedimentos experimentais que podem ser executados, assim como a seqüência destes procedimentos, a fim de que o aluno possa construir e desenvolver os conceitos de velocidade e aceleração.

## RESULTADOS

O modelo experimental automatizado teve um funcionamento satisfatório. Na elaboração do experimento, foram utilizados materiais de baixo custo, como plástico e madeira, o que facilitou a elaboração do mesmo.

Além disto, o circuito de interface desenvolvido com base no conversor analógico-o-digital ADC0804, ocorreu de forma facilitada, pois este conversor, possuindo somente um canal de coleta de dados, é de simples manipulação, e é indicado para o desenvolvimento de interfaces que visem a comunicação de um único experimento com o computador, ou então um experimento por vez, sendo necessário o uso de um software adequado a cada experimento. Outra característica deste conversoranalógico digital é o seu baixo custo.

Quanto ao funcioionamento, foi necessário que se fizesse uma calibragem, através do software, de forma a identificar e aplicar a relação entre a diferença de potencial gerada no dínamo e a velocidade do objeto. O modelo experimental como um todo, obteve um funcionamento sasatisfatório nos diversos testes realizados. A interface apresentou um funcionamento perfeito, assim como o software, que possibilita além do acompanhamento da velocidade e aceleração em tempo real, o acesso aos conteúdos teóricos e vídeos que demonstram as aplicações daquilo que se ensina.

Alguns testes iniciais já foram realizados com um número reduzido de estudantes, tendo como resultados perceptíveis a motivação dos alunos e compreensão dos conceitos. Após a utilização do modelo experimental, quando questionados sobre os conceitos, os alunos souberam explicar de maneira satisfatória, do ponto de vista científico, os conceitos de velocidade e aceleração. Desta forma, foi perceptível o fato de que o modelo experimental desenvolvido, e na forma com que foi utilizado nestes testes preliminares, mostrou -se como uma ferramenta positiva no auxílio à construção dos conceitos envolvidos.

## CONCLUSÃO

O uso das novas tecnologias no ensino, aliadas ao objetivo de se preparar o indivíduo para as situações as quais ele irá vivenciar, são pontos importantíssimos a serem levados em conta na elaboração de uma ferramenta para o ensino.

Um experimento automatizado e com utilização de recursos tecnológicos, conseguem englobar vários objetivos para o ensino de Física. É possívível desde permitir uma maior contextualização do que se

ensina, até mesmo colaborar na preparação dos alunos para os desafios que eles encontrarão em sua vida, permitindo que estes desenvolvam a capacidade de investigação e compreensão de um fenômeno físico.

Com o modelo experimental tendo o seu funcionamento perfeito e conforme o esperado, e atentando para o fato do mesmo possuir um custo total baixo, na continuidade do projeto estaremos disponibilizando este modelo, e outros desenvolvidos, no formato de kikits, para a utilização em escolas públicas da cidade de Campos dos Goytacazes-RJ.

## REFERÊNCIAS

- 1 -PCN+ -Ensino Médio, Orientações Educacionais Complementares - Física, Disponível em: www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN\_FIS.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.
- 2 -National Semiconductor, Data Sheet ADC0801/ADC0802/ADC0803/ADC0804/ADC0805, Disponível em: http://www.national.com/ds.cgi/DC/ADC0801.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.
- 3 -Texas Instruments, Data Sheet CD4069UB, Disponível em: http://www.farnell.com/datasheetsts/15143.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.
- 4 -Borland Software Corporation, Turbo Delphi, Disponível em: http://www.borland.com/resources/en/pdf/products/turbo/turbo\_delphi\_datasheet.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.
- 5 -Boratti, I. C., Programação orientada a a objetos usando Delphi, Florianópolis, Visual Books, 2004.