UTILIZANDO O PROGRAMA SPECTRALWORKBENCH PARA ESTUDOS DE ESPECTROSCOPIA.

## UTILIZANDO O PROGRAMA SPECTRALWORKBENCH PARA ESTUDOS DE ESPECTROSCOPIA

Sinue Klak de Oliveira , José Luiz Matheus Valle , 1 2

- 1 Universidade Federal de Juiz de Fora/Departamento de Física, sinueklak@gmail.com
- 2 Universidade Federal de Juiz de Fora/Departamento de Física, jose.luiz.matheus@ice.ufjf.br

## Resumo

Neste trabalho nós apresentamos uma forma de se estudar o espectro luminoso, contínuo e discreto, através da utilização de um programa baseado em uma página da internet, o SpectralWorkBench. Com a construção de um pequeno espectroscópio que pode ser fisicamente acoplado a um telefone celular pode-se, através de algum aplicativo de transmissão de imagens, como o DroidCam, enviar o espectro obtido para o programa obter um gráfico da intensidade luminosa em funão do comprimento de onda. Com a utilização de diversos tipos de fontes, como por exemplo lâmpadas incandescentes, fluorescentes, Leds, lâmpadas de sódio e mercúrio pode-se gerar um conjunto de espectros que possibilitam tanto o estudo de aspectos clássicos da luz através dos espectros contínuos obtidos quanto aspectos quânticos, através de espectros discretos que são observados. Assim, temas da Física Moderna tais como a estrutura atômica do átomo - como no modelo atômico de Bohr, espectro de moléculas, composição de materiais, da atmosfera terrestre ou das estrelas, e mesmo o deslocamento para o vermelho das galáxias distantes devido dà expansão do universo podem ser introduzidos de uma forma mais adequada em sala de aula.

Palavras-chave : Espectroscopia, Física Moderna, TICS

## Introdução

A Física faz parte do currículo do Ensino Médio desde a introdução desse nível de escolarização no Brasil. Inicialmente era ensinada apenas para aqueles alunos que pretendiam seguir cursos universitários na área de ciências. A partir da década de 70, essa disciplina passou a integrar o currículo do Ensino Médio. Atualmente, conforme as Diretrizes Nacionais para o Ensino Médio (1998), a Física está incluída no currículo da Base Nacional Comum, na área de Ciências Naturais e suas Tecnologias. Essa disciplina está também presente nos currículos de ensino médio da grande maioria dos países desenvolvidos ou em desenvolvimento.

Embora vivamos em uma sociedade marcada por contínuas transformações científicas e tecnológicas a inserção de temas atuais em Física com a utilização de novas tecnologias é muito incipiente. De fato, de acordo com Machado e Nardi (2006) a inércia verificada na renovação curricular e práticas pedagógicas, pode acabar deixando os alunos à margem da cultura científica e tecnológica do mundo moderno.

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Segundo Ostermann (1999) a introdução de tópicos de física moderna é bastante relevante, pois desperta a curiosidade dos estudantes e ajuda-os a reconhecer que a física é de suma importância na sua formação de cidadão. Então, inserir esse ramo da física no ensino médio é um grande desafio para os professores.

Dessa forma, a exploração da Física Moderna no Ensino Médio pelos docentes é de grande importância para os estudantes, pois de acordo com os documentos oficiais que regem a educação deixam evidentes que a renovação curricular é imprescindível na formação do educando. Para Terrazzan (1992), a tendência de atualizar-se o currículo de Física justifica-se pela influência crescente dos conteúdos contemporâneos para o entendimento do mundo criado pelo homem atual, bem como a necessidade de formar um cidadão consciente e participativo que atue nesse mesmo mundo.

Por sua vez, a utilização de novas tecnologias (TICs) em sala de aula pode ser um importante fator para auxiliar que os alunos passem a ocupar uma posição mais ativa em sala de aula, não se limitando apenas a assistir a exposição do professor, anotar e resolver alguns exercícios de fixação (BOZELLI NARDI 2012). Atividades variadas, como realizar experimentos e utilizar simuladores podem contribuir com um ambiente mais ativo e dinâmico na sala de aula, levando a uma aprendizagem mais significativa para o aluno.

## O programa SpectralWorkbench

- O objetivo deste deste trabalho é apresentar uma forma de se observar o espectro de diferentes fontes luminosas que nos possibilitará estudar tanto o espectro contínuo quanto o discreto através da captação deste por um celular e a utilização do programa SpectralWorkbench (SPECTRALWORKBENCH) para mostrar um gráfico da intensidade luminosa em função do comprimento de onda.
- O SpectralWorkbench é um software baseado na Web que tem por finalidade coletar espectros, usando seu espectrômetro Public Lab DIY, mostrado na própria página, ou por um espectroscópio de outra origem, desde que esse obtenha dados corretos para a análise através do software. O programa é de relativa fácil manipulação, bastando ter um espectrômetro conectado, através da rede sem fio, a um computador ou smartphone e criar-se uma conta no endereço https://spectralworkbench.org. Pode-se então conectar-se a um espectrômetro, capturar e salvar espectros, analisá-los e compartilhá-los.

## Construindo um espectroscópio de baixo custo

Para a observação do espectro da luz pode-se construir um espectroscópio simples, como mostrado na figura 01 abaixo. Este espectroscópio pode ser montado com materiais de baixo custo. Para sua montagem foram usados placas em Mdf's de 6mm de espessura, Fita isolante, Placas de EVA de várias cores, cola para fixação Tek Bond, Tubos de Silicone de cola quente, Sprays preto para pintura, Led de alto brilho e suporte para bateria, Ferro de solda e Estanho em fio para solda, Estilete, Grosa para desbaste da madeira, Formão, Serra Mármore com disco de corte para Mdf e Rede de Difração.

Foram cortadas as placas em MDF para a construção das laterais do espectroscópio, com medidas de 20cm de base, 5cm de altura e 15,3cm de base menor. A inclinação da parte frontal onde se encaixa a rede de difração possui um

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ângulo de 45° aproximadamente, com uma profundidade de 5,5cm. Na parte inferior foi introduzida um pequeno retângulo cortado em MDF com medidas de 4,5cm por 5cm, e colocado a uma profundidade de 5,5cm no espectroscópio, e neste foi feita então uma fenda para entrada de luz, que irá atingir ao fundo nossa rede de difração. Esta fenda está a uma altura de 2cm, em relação à base do espectroscópio, e sua abertura de 2,3cm aproximadamente, deixando-a a mesma altura de colocação da rede de difração na parte frontal, para um efeito de melhor visualização do espectro de luz gerado durante a experimentação.

A parte frontal do espectroscópio possui uma pequena abertura retangular de 2cm por 2,5cm feita a 2cm da base e a 1,5cm da lateral do espectroscópio. Nessa pequena abertura colocamos a rede de difração, de 1000 linhas/mm, neste caso.

Foi desenvolvido um encaixe para os Led's ou lâmpadas de cores variadas. Na figura abaixo, vemos uma foto deste encaixe, com uma lâmpada de LED colada de um lado em uma placa de Mdf retangular, nas medidas 5,5cm por 5cm, e do outro lado foi colado um suporte para bateria. O LED e a bateria estão soldados, com a finalidade de ligar o Led com facilidade no espectroscópio. Envolta desta placa foi colado EVA com medidas de 3cm de altura para melhor encaixe. Quando estiver encaixado no espectroscópio, este ficará a uma distância 5,5cm da fenda, de modo que não haja interferência luminosa externa. Esse modelo de espectroscópio, visa facilitar as observações de espectro, na qual os Led's ou lâmpadas instalados fiquem numa posição ideal, incluindo as mudanças de posição do observador, pois não causará problemas com relação à instalação dos componentes a serem utilizados.

Figura 01: Espectroscópio com encaixe para Led's e Lâmpadas para análise de espectros. Fonte: Autores

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## Observando espectros através do SpectralWorkbench

O software nos oferece tutoriais sobre a forma de usá-lo e uma visão geral da captura de espectros. Ele também possui uma base de dados com um grande número de diferentes espectros, caso o professor não pretenda gerar os próprios espectros. Ele também pode ser usado offline.

O limite de comprimento de onda poderá ser usado como ferramenta para exibir apenas dentro de um determinado intervalo de comprimentos de onda de cerca de 400-750 nanômetros. Para obter dados escalonados é importante calibrar o espectrômetro em relação ao comprimento de onda.

O Spectralworkbench possui uma variedade de ferramentas que podem ser usadas em qualquer parte de espectro para manipular ou analisar dados, como por exemplo a ferramenta Smotth, que é uma ferramenta de suavização que ajuda na

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melhoria da imagem, que simplesmente embaça cada ponto de dados com dados de comprimento de onda mais alto e mais baixo para suavizar a linha do gráfico.

Quando houver um vazamento de luz, no caso de o espectrômetro não estiver bem vedado, a luz poderá entrar na câmara de imagem e atrapalhar as leituras, conforme mostrado figura abaixo:

Figura 02: I magem mostrando o vazamento de luz à esquerda Fonte: https://spectralworkbench.org

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A utilização de um celular como dispositivo para captura de vídeo traz, além do benefício econômico da não necessidade da compra de webcam ou similar, a vantagem de possibilitar que os alunos possam utilizar seus próprios aparelhos durante a aula, utilizando estes aparelhos telefônicos como uma câmera sem fio e totalmente transparente ao sistema operacional a ser utilizado durante a experimentação.

O aplicativo DroidCam, inteiramente gratuito, pode ser utilizado para realizar a conexão sem fio, ou através da porta USB, entre o celular e o computador. A finalidade de usar o DroidCam na página Spectralworkbench é a de se obter resultados de dados e gráficos plotados com mais exatidão, visando a melhor aproximação com dados já observados em fontes de pesquisa sobre espectroscopia. Com ele podemos processar em tempo real, com visão computacional, as imagens de celular enquanto os experimentos são realizados. O seu funcionamento é simples, basta inicialmente executar o aplicativo no smartphone, e logo em seguida o IP e a porta será exibida, então informa-se no desktop o IP e a respectiva porta e depois clicar no botão connect, a câmera é acionada automaticamente e por consequência é reconhecido na página spectralworkbench. Dessa forma podemos inserir ,com facilidade, os dados gerados nos experimentos através da captura feita no celular na página.

Descrição das Etapas de ligação do DroidCam ao SpectralWorkbench:

-  Usar um chip 3G ou um cabo de Rede com Internet ligada diretamente ao computador a ser usado na projeção do vídeo;
-  Ligar um Roteador Wireless nomeado neste projeto por 'Escola', sendo que ao ligarmos este deve ser mantido como em uma ligação WIFI no computador a ser trabalhado;
-  Abrir o programa já instalado no computador DroidCam;
-  Abrir o aplicativo (App) já instalado no celular fornecendo seu endereço de IP (Device IP) e PORTA (DroidCam Port), para ser inserido como dados no DroidCam do computador;
-  Abrir a página: https://spectralworkbench.org/dashboard
-  Deixar a página mencionada acima e o DroidCam abertas ao mesmo tempo, para que o vídeo seja visto ao mesmo tempo na página Spectralworkbench.

Alguns dados obtidos, feitos como pré-teste, vídeo dos espectros captados e os seus respectivos gráficos que indicam as intensidades de luminosidade por comprimento de onda, e estão representados abaixo:

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Figura 03: Acima:espectro de uma lâmpada Incandescente. Abaixo: Gráfico da Intensidade em função do comprimento de onda. Fonte: https://spectralworkbench.org

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Figura 04: Acima:espectro de um Led Vermelho. Abaixo: Gráfico da Intensidade em função do comprimento de onda. Fonte: Imagem produzida pelos autores usando a página https://spectralworkbench.org

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Figura 05: Acima:espectro de um Led Azul. Abaixo: Gráfico da Intensidade em função do comprimento de onda. Fonte: Imagem produzida pelos autores usando a página https://spectralworkbench.org

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Figura 06: Acima:espectro de uma lâmpada de mercúrio. Abaixo: Gráfico da Intensidade em função do comprimento de onda. Fonte: Imagem produzida pelos autores usando a página https://spectralworkbench.org

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## Considerações Finais

O presente trabalho oferece uma vasta gama de aplicação em sala de aula. Uma possível dinâmica de aplicação deste projeto é apresentada a seguir. O professor fornece um roteiro de observação com uma ficha de observação que deve ser preenchida pelos alunos. Em seguida, os alunos devem observar os espectros de diversas fontes com características de espectro distintas. É muito importante que o professor oriente os alunos a perceber as cores de cada espectro e a distinguirem por observação de fontes variadas, para que os alunos possam investigar a existência de dois tipos diferentes de espectro: contínuo e discreto. Com a observação do espectro discreto, o professor pode propor a discussão do porque elementos distintos possuem espectros diferentes. Esta discussão leva naturalmente ao estudo de modelos atômicos e o modelo atômico de Bohr pode ser introduzido. Assim, um importante tema da Física Moderna, a quantização da energia, pode ser introduzida a partir de experimentos e observações feitas pelos próprios estudantes. A discussão do espectro de absorção pode levar à discussão sobre a composição da atmosfera terrestre, enquanto a discussão do espectro de emissão nos possibilita, dentre outras temas, discutir o espectro de estrelas, a origem dos elementos e a expansão do universo. Algumas destas ideias estão em desenvolvimento e suas aplicações serão comunicadas no futuro.

## Agradecimentos

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.

## Referências

BOZELLI, F.C., NARDI, R. Interações discursivas e o uso de analogias no ensino de física, Investigações no Ensino de Ciências, v. 17, n.1, p. 81-107, 2012.

MACHADO, D.I, NARDI, R. Construção de conceitos de física moderna e sobre a natureza da ciência com o suporte da hipermídia. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.28, n.4, p. 473-485, 2006.

OSTERMANN, F. Tópicos de física contemporânea em escolas de nível Médio e na formação de professores de física. 1999. 175 p. Tese (Doutorado em Ciências) - Universidade Estadual do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 1999.

TERRAZAN, E.A. A inserção da física moderna e contemporânea no ensino médio na escola de 2o grau. Caderno Catarinense de Ensino de Física, Florianópolis, v.9, n.3,

SPECTRALWORKBENCH, https://spectralworkbench.org, acessada em 20/07/2018

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