Automatização de Experimento Típico de Laboratórios de Ensino acerca da Radiação de Corpo Negro

## Automatização de Experimento Típico de Laboratórios de Ensino acerca da Radiação de Corpo Negro

## Vitor Marquioni Monteiro 1

1 Instituto de Física de São Carlos, IFSC-USP/vimarqmon@gmail.com

## Resumo

O presente trabalho apresenta o método utilizado pelos professores responsáveis pela disciplina 'Laboratório Avançado de Física', no primeiro semestre de 2016, aos alunos do quarto ano do Bacharelado em Física do IFSC-USP, bem como os resultados apresentados pelo autor (aluno na disciplina no período) na avaliação final. Ao realizarem experimentos importantes para o desenvolvimento da Física Moderna, os alunos foram encorajados a elaborarem e executarem uma inovação/melhoria em um dos experimentos desenvolvidos na disciplina. Em um experimento sobre Radiação de Corpo Negro, é medida a emissividade de diferentes superfícies, por meio da análise de dados via lei de StefanBoltzmann. A melhoria proposta foi a elaboração de um sistema automatizado de aquisição de dados, devido à dificuldade experimental de se medir as grandezas relevantes. O sistema apresentado está sendo implementado permanentemente no experimento, contribuindo assim para disciplina. O método de avaliação utilizado pelos professores, além de instigar os alunos acabou por ser benéfico para o próprio instituto, demonstrando-se uma maneira simples e eficaz de ensino.

Palavras-chave : Automatização e Instrumentação, Radiação de Corpo Negro, Ensino de Física, Sistema de Aquisição de Dados

## Introdução

Disciplinas práticas são comumente vistas pelos alunos como uma forma trabalhosa e bastante tediosa de se conseguir uma boa nota. Mesmo após numerosas aulas teóricas, os alunos não tem seus conhecimentos colocados à prova: são instruídos a reproduzirem roteiros há muito tempo elaborados e não raramente ainda devem ouvir o professor repetir cada detalhe do mesmo. O problema do modelo de ensino de física brasileiro foi evidenciado pelo físico norteamericano Richard Feynman, em seu livro 'Surely You're Joking, Mr. Feynman!', de 1985, no qual relata sua passagem pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, CBPF, concluindo ao final que cem por cento do sistema de ensino brasileiro é ruim [2] .

A prática de repetir o conteúdo de livros nas lousas para os alunos, esperando que eles o copiem, mesmo sabendo que os livros podem ser acessados pelos próprios alunos foi um dos pontos que chamou a atenção do professor do departamento de física da universidade de Harvard, EUA, Eric Mazur, levando-o a desenvolver, nos anos 1990, o método 'Peer Instruction' ('Instrução pelos Pares') [4] , o qual dinamiza o ensino em sala de aula, e permite que os alunos pensem e discutam acerca dos assuntos abordados, ao invés de apenas reproduzir o conteúdo dos livros.

Mais de 30 anos após a passagem de Feynman pelo CBPF, o modelo educacional brasileiro ainda é objeto de discussões e precisa melhorar muito. Nesse contexto, os professores tentam de diversas maneiras implementar novas formas de

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

ensino, visando incentivar a pesquisa e melhorar o entendimento da matéria pelos alunos. Muitos dos métodos propostos, exigem adequação dos professores, além da necessidade de tempo disponível por parte dos alunos, duas necessidades dificilmente satisfeitas. Apresento aqui, o método proposto pelos professores da disciplina de 'Laboratório Avançado de Física', oferecida para alunos do quarto ano do Bacharelado em Física, para a avaliação da mesma, que de forma simples, mostrou-se benéfico tanto para os alunos, quanto para a própria disciplina, contribuindo para a qualidade do curso.

## A Disciplina e o Método de Avaliação

Na disciplina, os alunos realizam várias práticas experimentais importantes para o desenvolvimento da Física Moderna, como, por exemplo, o experimento de Millikan e o Interferômetro de Michelson. Após realizarem as práticas, um relatório em formato de apresentação de slides é apresentado para os professores. Apesar de a realização dos experimentos ocorrerem mediante um roteiro, os alunos os desenvolvem de forma bastante independente, conferindo a essa disciplina um caráter diferenciado em relação aos laboratórios básicos. Ao ser ministrada no primeiro semestre de 2016, além da avaliação usual, os professores sugeriram que os alunos realizassem algo a mais em um dos experimentos, algo que não estivesse no roteiro. As contribuições dos alunos aos experimentos fariam parte da nota final.

Essa simples inovação na avaliação da disciplina fez com que os alunos se dedicassem à pesquisa, buscando novas formas de aproveitar o aparato experimental existente no laboratório, melhorando a fixação do conhecimento, fazendo da disciplina não apenas mais uma 'tediosa aula prática'.

O experimento desenvolvido pelo autor deste trabalho, aluno da disciplina no período, foi a respeito da radiação de corpo negro, problema que intrigou os físicos da segunda metade do século XIX, e solucionado por Planck em 1900 [1, 7] , colocando em cheque a física clássica, conhecida até então. A contribuição proposta neste experimento está sendo implementada permanentemente, de modo que os próximos alunos que cursarem a disciplina poderão usufruir de seus benefícios.

## O Experimento e a Contribuição do Aluno

No experimento intitulado 'Radiação de Corpo Negro', mede-se a emissividade de diversas superfícies - diferentes cores, geometrias e revestimentos - por meio da análise da lei de Stefan-Boltzmann [7] , comparando-as entre si. A emissividade é uma propriedade de superfícies que representa a quantidade de energia emitida pelo corpo (em equilíbrio com a radiação ambiente); é um número entre 0 a 1, podendo depender da temperatura, sendo igual a 1 para corpos idealmente negros. Para tanto, aquece-se um cubo de Leslie (um cubo com faces de diferentes revestimentos: uma face negra, outra branca, cinza e polida) e analisa-se a quantidade de radiação emitida por meio de uma termopilha, uma associação de termopares que responde à radiação incidente com uma tensão elétrica, proporcional à quantidade de radiação incidente. A temperatura do cubo é medida por um termopar. Graficando-se a tensão de saída da termopilha em função da quarta potência da temperatura do cubo, obtém-se uma relação linear, cujo coeficiente angular possui informação sobre a emissividade da superfície.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

A dificuldade na realização desse experimento está em se medir ao mesmo tempo a temperatura do cubo e a tensão da termopilha, já que a temperatura do cubo demora para estabilizar e a tensão varia muito rapidamente, impedindo que o aluno consiga fazer a sua medida de forma precisa. A contribuição proposta consistiu na montagem de um sistema automatizado de aquisição dos dados, a partir do envio dos sinais analógicos do experimento para um computador por meio de uma placa de aquisição da National Instruments, e analisados pelo software Labview. Além de agilizar as tomadas de dados, o sistema garante precisão nas medidas.

## O Trabalho Desenvolvido

Para montar o sistema de aquisição, utilizamos a placa da National Instruments NI-USB 6008, uma placa de aquisição multifuncional de baixo custo [6] . O software responsável pela manipulação dos dados é o LabView, um ambiente gráfico de desenvolvimento de sistemas [5] , também da National Instruments.

Para medir a tensão de saída da termopilha, a qual é da ordem de dezenas de µV, foi necessária a amplificação do sinal, pois a tensão mínima lida pela placa é da ordem de mV. Para isso, utilizamos um circuito amplificador. Já a medida da temperatura foi feita por meio de um termistor PTC associado a uma ponte de Wheatstone. A tensão cruzada da ponte é enviada para a placa, e por meio da equação de Steinhart-Hart [3] , a qual envolve a resistência do PTC, a temperatura é calculada. Um esquema de todo o circuito está mostrado na Figura 01.

Figura 01: Circuito Eletrônico para Aquisição dos Dados

<!-- image -->

O programa foi montado visando uma interface de uso simplificado, plotando em um gráfico na tela automaticamente a tensão da termopilha em função da quarta potência da temperatura, além de permitir ao usuário exportar os dados para um arquivo .txt para que ele possa analisá-los em um software de sua preferência. A Figura 02 mostra interface do usuário.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 02: Interface do Usuário

<!-- image -->

Figura 03: Aparato Experimental

<!-- image -->

## Resultados e Discussão

Fizemos a análise da emissividade das quatro faces de interesse do cubo de Leslie de forma manual (medindo a tensão da termopilha com um multímetro - como é feito normalmente) e com o sistema de aquisição. Nas Figuras 04 e 05, estão dispostos os dados coletados sem e com o sistema de aquisição, respectivamente.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 04: Dados sem o sistema de aquisição

<!-- image -->

Figura 05: Dados com o sistema de aquisição

<!-- image -->

De forma qualitativa, podemos notar a grande semelhança dos dois gráficos. O coeficiente angular de cada curva por si só não tem importância, porém a razão do coeficiente angular de cada curva com o da curva da face negra, considerada com emissividade igual a 1, é igual a emissividade de cada face.

Dos resultados dispostos na Tabela 01, vemos que a diferença entre as duas formas de medida são bastante pequenas, mostrando que o sistema é confiável. A maior diferença está na medida da tensão da face Polida, o que já era esperado, uma vez que sendo uma superfície de alta refletividade, pouca energia é absorvida e então reemitida, de modo que a tensão da termopilha seja menor, aumentado os erros na medida feita pela placa.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Tabela 01: Comparação das Emissividades medidas com e sem o Sistema de Aquisição

## Considerações Finais

Apesar de funcionar tão bem quanto o esperado, o sistema apresentado está sendo aperfeiçoado para que possa ser implementado permanentemente no experimento, e ficar à disposição dos próximos alunos da disciplina.

Assim, a própria disciplina se beneficiou dessa iniciativa promovida pelos docentes. Esperamos que o sistema ajude os alunos nesse experimento, agilizando as medidas previstas no roteiro e assim permitindo que eles mesmos desenvolvam novas possíveis medidas para serem realizadas, contribuindo também para a disciplina. Nesse sentido, pretendemos acompanhar a desenvoltura dos próximos alunos a realizarem o experimento e verificar se o processo de aprendizagem ocorre de forma mais simples e natural com o uso do sistema de aquisição desenvolvido.

Agradecimentos aos professores Luis Gustavo Marcassa, Antonio Ricardo Zanatta e Máximo Siu Li, que apoiaram a execução deste trabalho e incentivaram os alunos a pesquisarem e inovarem nos experimentos. Agradecimentos também aos técnicos responsáveis pelos laboratórios de ensino, Marcos J. Semenzato, Antenor F. P. Filho e Daniele S. Jacinto, que deram o suporte técnico necessário para a realização deste projeto.

## Referências

- 1. BASSALO, José M. F. Sobre a Lei de Rayleigh-Jeans. Rev. Bras. de Ensino de Física , v. 18, n. 1, março. 1996.
- 2. FEYNMAN, Richard P. Surely You're Joking Mr. Feynman!: Adventures of a Curious Character. W. W. Norton &amp; Company,1985.
- 3. HAAG, Rafael; OLIVEIRA, Leonardo M. de; VEIT, Eliane A. Coleta automática e interpretação de dados em um laboratório didático de termologia. Disponível em: &lt; http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/producao/XVSNEF/XVSNEF\_temperatura \_HaagOliveiraVeit.pdf&gt; Acesso em: 22 ago. 2016.
- 4. MAZUR, Eric. Are science lectures a relic of the past? Disponível em: &lt;http://www.ifsc.usp.br/~hoyos/courses/Mazur\_244958.pdf&gt; Acesso em: 10 ago. 2016.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

- 5. National Instruments. Ambiente gráfico de desenvolvimento de sistemas LabVIEW. Disponível em: &lt;http://www.ni.com/labview/pt/&gt; Acesso em: 22 ago. 2016.
- 6. National Instruments. UBS-6008. Disponível em: &lt;http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/pt/nid/201986&gt; Acesso em: 22 ago. 2016.
- 7. TIPLER, Paul A. LLEWELLYN, Ralph A. Modern Physics. 6ª Edição. New York: Macmillan Higher Education, 2012.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_