NOVAS TECNOLOGIAS NO ENSINO DE FÍSICA PARA O ESTUDO DAS CORES: O USO DO SCRATCH FOR ARDUINO E TRACKER

## NOVAS TECNOLOGIAS NO ENSINO DE FÍSICA PARA O ESTUDO DAS CORES: O USO DO SCRATCH FOR ARDUINO E TRACKER

Anderson de Castro Teixeira , Marisa Almeida Cavalcante e Mariana Balaton 1 2 3

- 1. De Grupo de Pesquisa em Ensino de Física, Departamento de Física, Pontifícia Universidade Católica de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil; andersont\_5@hotmail.com
- De Grupo de Pesquisa em Ensino de Física, Departamento de Física, Pontifícia Universidade Católica de São Paulo, São Paulo,
- 2. SP, Brasil marisac@pucsp.br
- 3. De Grupo de Pesquisa em Ensino de Física, Departamento de Física, Pontifícia Universidade Católica de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil; marybalaton@hotmail.com

## Resumo

Neste trabalho apresentamos um experimento de espectroscopia didático simples, de baixo custo e de fácil montagem para auxiliar o entendimento dos conceitos físicos correlacionados à luz e ao processo RGB de produção de cores ancorado no uso de Novas Tecnologias. Um led RGB de alto brilho tem a intensidade de cada componente alterada através do Arduino e linguagem de programação 'em blocos' Scratch for Arduino (S4A) e seu espectro é observado em tempo real com a câmera de um aparelho de telefonia móvel e o aplicativo DroidCam. Uma análise quantitativa também foi realizada utilizando o software Tracker de análise de vídeos. Acreditamos que a visualização de um fenômeno físico através de um experimento transforma conceitos em vivência e gera conhecimento. Nosso público alvo são alunos do 2º ciclo do ensino Fundamental e alunos do Ensino Médio quando a física começa a ser introduzida na grade curricular e estes já possuem conhecimento matemático suficiente para eventuais cálculos necessários.

Palavras-chave : RGB, Espectroscopia, Tracker, Scratch, Arduino.

## 1. Introdução

O computador tem se tornado uma ferramenta cada vez mais frequente no ensino de física, sendo um dos exemplos mais comum sua utilização com animações e simuladores. Merece um destaque especial à modelagem computacional e análise de vídeo. A primeira se caracteriza pela aplicação de modelos matemáticos relacionados a determinado fenômeno e resultados gerados por ele. Já na análise de vídeo, onde se encontra o software Tracker [1] [2], permite a filmagem e análise em milésimos de segundo do fenômeno que se quer analisar e sua consequente representação gráfica.

De outro lado o desenvolvimento de experimentos com novas tecnologias, a entrada USB combinada com placas de aquisição de dados tem se tornado uma alternativa interessante, por proporcionar segurança e facilidade para conexão de diferentes sensores digitais ou analógicos cuja característica fundamental consiste na variação de sua resistência em função da grandeza física que se pretende medir [3].

A placa Arduíno [4] tem se destacado entre as ferramentas baseadas em softwares e hardwares livres por sua simplicidade e baixo custo, apesar de necessitar de algum conhecimento em programação. No entanto sua utilização no ensino, principalmente no Brasil é bem recente. As referencias [5] à [12], mostram alguns destes trabalhos em ensino de Física, com foco desde o Ensino Médio à Universidade (incluindo monografias e projetos de conclusão de curso para estudantes dos cursos de graduação).

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26 a 30 de janeiro de 2015

O software Scratch [13] desenvolvido pelo MIT surgiu com uma excelente opção para facilitar a inserção de linguagem e programação e particularmente para as crianças tem se mostrado uma ferramenta poderosa, não apenas para o ensino de programação, mas também para o ensino de Matemática e Ciências, já que a lógica permeia estas áreas de conhecimento.

Mais recentemente surgiu o Scratch for Arduino S4A [13b], uma modificação do Scratch, que permite fácil programação da plataforma de hardware aberto Arduino.

Neste trabalho desenvolvemos uma atividade didática utilizando o Tracker, Arduino e S4A em conjunto em um experimento de física para ensinar conceitos relativo a composição de cores.

## 2. Luz, cor e suas percepções

Em primeira instancia para haver cor é necessário que antes haja luz sobre um dado objeto e, naturalmente, um observador. É preciso salientar ainda que a percepção da cor depende do observador e suas experiências anteriores. Quando a luz branca (aquela que contém todas as cores do espectro visível) atinge um objeto qualquer capaz de absorver algumas cores e refletir outras do espectro visível, o observador tem a sensação óptica de cor.

A mistura de cores primárias (verde, vermelho e azul) por adição (em fundo escuro) produz se as cores secundárias. Da mistura por subtração (em fundo claro) das cores secundárias (ciano, magenta e amarelo) obtém se novamente as cores primárias. Da mistura em diferentes proporções destas cores obtém se quase todas as cores do espectro visível (Fig.1).

Fig. 1: Mistura de cores

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Em pesquisa feita por Melchior S.C.L. e Pacca J.L.A. [14] se percebeu que os alunos entrevistados explicam a cor de 4 formas básicas:

'O uso de modelos alternativos de visão: As concepções de visão e cor se associam, criando modelos explicativos que diferem dos modelos científicos com a relação aos conceitos físicos, fisiológicos e psicofísicos. A experiência com a mistura de tintas: Parece haver uma forte relação, estabelecida pelos sujeitos da pesquisa, entre cor e tinta. Misturas de cor são tratadas como misturas de pigmentos, provavelmente devido a experiências cotidianas. A Física previamente estudada: O ensino gera concepções híbridas que diferem dos modelos físicos aceitos. Além disso, o uso apenas do conhecimento físico não é suficiente para entender a cor. O foco limitado em uma das componentes da cor: Nos modelos alternativos, a cor não é entendida como fruto das relações entre suas três componentes, as respostas parecem centrar-se em uma delas.'

Assim percebemos que mesmo os indivíduos que já tinham estudado previamente o assunto não tiveram argumentos suficientes para explicar o que é a luz, cor e qual a relação entre elas.

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A escolha deste tema é, portanto muito pertinente e permite ampliar o leque de recursos didáticos disponíveis aos professores na tentativa de facilitar a compreensão deste assunto em geral bastante polêmico e confuso.

## 3. Experimento realizado

O experimento consiste em utilizar a placa Arduino em conjunto com outros dois softwares livres, Scratch e Tracker Analysis, para obter resultados qualitativos e quantitativos no estudo de composição de cores.

Um LED RGB é utilizado e a composição de cores será controlada pelas saídas PWM do Arduino com programação na plataforma S4A. Como estas saídas digitais simulam portas analógicas de 8 bits [15] e [16]; utilizamos valores de 0 a 255 para o controle de intensidade de cada componente do LED (representação em 8 bits; 2 possibilidades). Dessa forma podemos obter algumas combinações em um 8 led RGB, onde '0' representa corrente mínima e '255' corrente máxima: Branco RGB (255,255,255); Azul - RGB (0,0,255); Vermelho - RGB (255,0,0); Verde - RGB (0,255,0); Amarelo - RGB (255,255,0); Magenta - RGB (255,0,255); Ciano - RGB (0,255,255).

Para a observação do espectro do LED reproduzimos a montagem desenvolvida por Cavalcante et al [17] [18] [19] com uma caixa de presente (Fig.2) de lados 13cm e 7cm de altura. A presença da tampa possibilitou que, tanto o CD quando o anteparo fossem devidamente encaixados de modo a serem ajustados até se obter uma boa visualização.

O led foi conectado as portas digitais do Arduino associando-se cada um de seus terminais a uma resistência por meio de um conector do tipo 'sindal'. Utilizamos as saídas digitais 5, 6 e 9 da placa Arduino. O terminal maior, no caso em particular anodo, é comum aos outros e é conectado na saída 5V do Arduino.

Fig.2: Detalhe da montagem. Fig. 3: Led RGB conectado nas entradas digitais e na saída de 5V do Arduino. Para os terminais referentes as cores verde e azul foram utilizadas resistências de 150ohms. Já no terminal referente a cor vermelhe utilizamos uma resistência de 220ohms.

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Fig.2 Fig.3

Após as conexões posicionamos o led diante da fenda da caixa da Fig.2 e observamos através do CD o espectro projetado no anteparo.

## 3.1 Programação no Scratch for Arduino

Para que possamos desenvolver a programação no ambiente Scratch é necessário fazer o upload no Arduino de um programa especifico conhecido por

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'Firmware'[20], que terá a função de estabelecer a comunicação entre a interface gráfica Scratch e a IDE do Arduino. Numa aproximação podemos dizer que após este upload o Arduino se encontra 'pronto' para receber os comandos via interface S4A.

Após este procedimento, ao conectar a placa Arduino na entrada USB ela de ser reconhecida no S4A para que possamos utilizar os blocos para os mais variados comandos.

Disponibilizamos a programação desenvolvida na ref. [21], que é bastante intuitiva e utiliza essencialmente as ferramentas básicas do software. Ao abrir o aplicativo temos que buscar os blocos em que é possível controlar as portas PWM, estabelecer o 'looping' e iniciar a programação. Além disso, devemos criar as variáveis que estarão associadas às cores RGB. Os blocos que controlam as portas PWM são encontrados no menu 'movimento' os demais em 'controle'.

Estas variáveis estarão associadas à 'seletores deslizantes' disponíveis no Scratch com valores contidos no intervalo de 0 a 255 (8 bits).

Para cada cor fixada podemos observar o espectro correspondente a partir da caixa construída da Fig.2.

Para tornar a experiência mais dinâmica e interativa esta observação espectral se deu a partir do uso de uma câmera de vídeo conectada ao PC.

Caso não se disponha do webcam, é possível com o aplicativo DroidCam [22] instalado em um aparelho de telefonia móvel (com sistema operacional Android na versão 1.6 ou superior) e também no PC, transformar a câmera do aparelho em webcam via sinal de Wi-fi, USB ou Bluetooth.

Dessa forma, será possível observar, com janelas paralelas o espectro do led, e a interface do Scratch simultaneamente (Fig.4). Ao alterar a intensidade de cada componente observa-se em tempo real o seu espectro.

Fig. 4: Com o redimensionamento das telas no PC, observa o S4A (a esquerda) e a câmera do aparelho via Droidcam (a direita). O espectro é observado a direita da fenda .

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Além dessa análise qualitativa, podemos prosseguir e utilizar a imagem visualizada na tela do computador para determinar o comprimento de onda de cada componente de cores do led RGB e das diferentes contribuições. Esta análise foi realizada através do software Tracker Analysis.

## 3.2 Analise Espectral com o Tracker

## a. Calibração Inicial

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Para iniciarmos a análise é preciso salvar uma das imagens através de um &lt;printscreen&gt; da tela, e seu tratamento caso seja necessário pode ser realizado em qualquer editor de imagem disponível.

- O primeiro passo é a calibração do eixo horizontal que permite medir o desvio da radiação na escala em que se projeta o espectro. Este procedimento é realizado com o uso do bastão de calibração, comumente utilizado no Tracker. É igualmente importante encontrar o posicionamento da fonte emissora e isso é realizado com o eixo de coordenadas posicionado sobre a fenda.

A coleta de dados pode ser realizada com a função 'perfil de linha' que deve ser ativada clicando no botão 'novo' na barra de ferramentas. Para utilizá-la mantemos pressionada a tecla shift do teclado e arrastamos o alvo, que irá aparecer no lugar da seta do mouse, do início até o final do espectro, como indica a Fig.5.

Fig. 5: Calibração, posicionamento do eixo e coleta dos dados com a função perfil de linha .

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É possível perceber uma alteração no gráfico disponível no lado direito da interface. Ele mostra em seu componente vertical a intensidade (brilho percebido na imagem) e, na horizontal o desvio da variável em relação a fenda. Entretanto, devemos substituir a variável 'x' do eixo horizontal pelo valor do comprimento de onda.

## b. Calculo do Comprimento de Onda

Sabemos que para a determinação do valor do comprimento de onda utilizando um CD como elemento de decomposição, devemos utilizar a relação de Young (Fig.6)

Fig. 06: Lei de Young; teremos pontos de interferência construtiva quando N λ= dsen θ, onde λ; corresponde ao comprimento de onda da radiação; d distância entre os sulcos do CD e N a ordem espectral , no caso N=1 [15].

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Assim para obter o valor do comprimento e onda para cada valor de variável horizontal devemos utilizar a relação

## N = d sen λ θ (eq.1) ;

A expressão final que permite obter o valor do comprimento de onda, para N=1, é dada por:

<!-- formula-not-decoded -->

Em geral o número de ranhuras por milímetro é da ordem de 600linhas/mm. Como esse valor pode variar de acordo com o fabricante é possível obtê-lo para cada CD. Basta para isso utilizar uma ponteira laser, cujo comprimento de onda é informado pelos fabricantes (em geral entre 630 e 680nm) [11] e se obter o parâmetro da rede (d). Portanto, antes de se iniciar o processo de medida devemos ter em mãos o valor da distância (d) entre os sulcos do CD previamente determinada.

- O software Tracker apresenta uma ferramenta muito útil que permite, criar novas variáveis, efetuar cálculos e representa-la graficamente. Através da eq.2, podemos obter diretamente o valor do comprimento de onda para a componente horizontal (x).

Para tanto, clicamos no eixo da variável horizontal e selecionamos a opção 'definir'. Com isso abre-se a janela, 'construtor de dados'.

- Nesta janela adicionamos a expressão de Young e os valores conhecidos de D, distancia da fonte do CD a tela e a distância d entre os sulcos do CD (previamente conhecido).

Com este procedimento podemos exibir, na representação gráfica, diretamente o valor do comprimento de onda, selecionando a nova variável calculada no construtor de dados. Teremos, portanto, um gráfico representado por Intensidade versus comprimento de onda e consequente análise da contribuição de cada componente no espectro.

## 4. Resultados

- O quadro 1 representa os gráficos obtidos com o software Tracker para as cores; Vermelho, verde e amarelo. O eixo vertical representa a intensidade da luz e o eixo horizontal o valor do comprimento de onda em cm. Convém lembrar que estas cores são obtidas a partir da utilização de portas PWM do Arduino programadas com a linguagem Scratch.
- O quadro 1 que mostra a cor correspondente do LED, o espectro observado no Tracker e os valores para os pontos de máxima intensidade no espectro.

Quadro 1: Componente de cor, espectro correspondente e comprimento de onda do ponto de máxima intensidade

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- O mesmo procedimento foi repetido para todas as cores primarias e secundarias. Os resultados quantitativos estão disponíveis na Tabela 1.

Tabela 1: Tabela dos valores dos comprimentos de onda de intensidade máxima observados para as cores primárias e secundárias de um led RGB.

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## 5. Considerações finais

- A montagem do experimento é bastante simples e os materiais utilizados são de fácil aquisição. Não é necessário o uso de soldas ou placas de circuito impressos o que torna prático para ser executado mesmo em uma sala de aula comum.
- A construção deste experimento por estudantes das séries finais do segundo ciclo do Fundamental e Ensino Médio pode trazer melhor entendimento dos conceitos referentes à luz e cor, além de desenvolver o raciocínio lógico e o interesse pela programação de modo interativo.
- Certamente o uso de tecnologias atuais, pode tornar a aula mais motivantes e despertar maior interesse dos estudantes na compreensão de fenômenos correlacionados ao cotidiano do século XXI.
- Um trabalho interessante pode ser realizado em parceria com professores de biologia caracterizando um trabalho interdisciplinar.

## 6. Referências

- [1] Figueira.J.A 'Movimento browniano: uma proposta do uso das novas tecnologias no ensino de física. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 4, (2011). http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/334403.pdf (acesso em 08/08/2014)
- [2] Tracker Analysis disponível para download em http://www.cabrillo.edu/~dbrown/Tracker.(acesso em 08/08/14)
- [3] Cavalcante,MA,; Tavolaro, C.R.C &amp; Molisani, E. 'Física com Arduino para Iniciantes' . Revista Brasileira de Ensino de Física, vol.33, n.4 (2011). http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/334503.pdf (acesso em 08/08/14)
- [4] Arduino disponível para download em http://arduino.cc (acesso em 08/08/14 )

[5] CAVALCANTE, M. A; TAVOLARO, C. R. C; MOLISANI, E. Física com Arduino para iniciantes. Revista Brasileira de Ensino de Física, [s.l.], v. 33, n. 4, p.4503-1-4503-9, 2011.Disponível em &lt;

http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/334503.pdf &gt;. Acesso em novembro de 2014.

- [6] SOUZA, A. R. de et al. A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas pelo PC. Revista Brasileira de Ensino de Física, Rio de Janeiro - RJ, v. 33, n. 1, p.1702-1-1702-5, 21 mar. 2011.Disponível em &lt; http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/331702.pdf &gt;. Acesso em novembro de 2014.
- [7] REZENDE NETO, A. L. de et al. Sistema de medição de campo magnético baseado no efeito hall e Arduino. 2010. Disponível em: &lt; http://paginapessoal.utfpr.edu.br/msergio/portuguese/ensino-de-fisica/oficina-deintegracao-ii/Monog-10-1-Efeito-Hall.pdf/view &gt; . Acesso em: 11/2014
- [8] LENZ J. A.; BEZERRA Jr. A. G.; SAAVEDRA FILHO N. C.; MIQUELIN A. F. O GERADOR DE ONDAS ESTACIONÁRIAS EM CORDAS COM O USO DE TECNOLOGIAS LIVRES . XIX SIMPÓSIO NACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA, 2011, Manaus 2011. Disponível em: &lt;

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http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xix/sys/resumos/T0096-1.pdf &gt;. Acesso em: 11/2014.

[9] DRÖSE NETO, Breno. Aprendizagem de conceitos físicos relacionados com circuitos elétricos em regime de corrente alternada com uso da placa Arduino. 2013. 158 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Ensino de Física, Departamento de Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013. &lt;

http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/79523/000901983.pdf?sequence=1 &gt;. Acesso em: 11/2014.

[10] CAVALCANTE, Marisa Almeida; RODRIGUES, Thais Tokashiki Tavares; BUENO, Darlene Andrea. Controle Remoto: Princípio de Funcionamento. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, S.l., v. 30, n. 3, p.554565, dez. 2013. Disponível em: &lt;

https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-

7941.2013v30n3p554/25602 &gt; Acesso em: Agosto de 2014

[11] ROCHA,F.S; MARRANGHELLO,G.F. E LUCHESSE.M.M. Acelerômetro eletrônico e a placa Arduíno para ensino de Física em tempo real. Caderno Brasileiro de Ensino de Física V.31, no.1, p98, 2014. Disponível em &lt; https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-

7941.2014v31n1p98/26427 &gt; Acesso em 11/2014.

[12] ROCHA,F.S; GUADAGNINI,P.H. Projeto de um sensor de pressão manométrica para ensino de física em tempo real Caderno Brasileiro de Ensino de Física V.31, no.1, p124, 2014.Disponivel em &lt; https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-

7941.2014v31n1p124/26448 &gt; .Acesso em 11/2014.

[13a] Scratch disponível para download em http://scratch.mit.edu (acesso em 08/08/14).

[13b] Scratch for Arduino (S4A) para download em http://s4a.cat/ (acesso em 14/12/13)

[14] Melchior.S.C.L &amp; Pacca.J.L.A 'Concepções de Cor e Luz: A relação com as formas de pensar a visão e a interação da luz com a matéria.' IX Encontro de Nacional de Pesquisa em Ensino de Física; Jaboticatubas, M.G (2004); http://www.cienciamao.usp.br/dados/epef/\_concepcoesdecoreluzarela.trabalho.pdf (acesso em 08/08/14)

[15] Wiki do Laboratório de Garagem. Disponível em http://www.labdegaragem.com.br/wiki , acesso em 08/08/14).

[16] RENNA,R.B.ET ALL (2013) 'Introdução ao kit de desenvolvimento Arduino' . Disponível em

http://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/arduino/Tut\_Arduino.pdf . (acesso em 08/08/14).

[17] Cavalcante, MA &amp; Tavolaro, C.R.C. Uma caixinha para estudo de

espectros. Física na Escola, v. 3, n. 2, 2002 http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol3/Num2/a13.pdf (acesso em 08/08/14)

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[18] Cavalcante, MA; Tavolaro, C.R.C. e Haag,R. Experiências em Física moderna. Física na Escola, v. 6, n. 1, 2005. http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/exper-fis-mod.pdf (acesso em 08/08/14)

[19] Cavalcante, M.A.; Jardim, V. e Barros, A.A.J. Inserção de Física Moderna no Ensino Médio: Difração de um feixe de laser. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 16, n. 2, 1999.

file:///D:/Arquivos%20do%20Sistema/Usuario/Downloads/6805-20638-1PB%20(1).pdf (acesso em 08/08/14)

[20] Firmware disponível para download em

http://s4a.cat/downloads/S4AFirmware15.ino (acesso em 08/08/14).

[21] CODIGO FONTE S4A CORES RGB; disponível para download em http://www.4shared.com/file/CstUFycj/projeto.html (acesso em 08/08/14)

[22] DroidCam: disponível para download em http://www.dev47apps.com (acesso em 08/08/14)

[23] Cavalcante, MA &amp; Tavolaro, C.R.C. 'Física moderna experimental.' Editora Manole, 2011, 3° edição.

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