UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Mestrado Profissional em Ensino de Física
GUIAInstituto DO ALUNO – ROTEIRO de Física GUIA DE ATIVIDADE
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO Nome: Escola: Disciplina: Física Série: 3º ano INTRODUÇÃO Nesta atividade você poderá visualizar o fenômeno da difração luminosa utilizando uma lâmpada, uma fenda e um anteparo. Você notará que o espectro formado depende dos elementos químicos no interior da lâmpada, e que a posição das franjas independe do tipo de lâmpada, mas que um mesmo elemento tem franjas características. Utilizando uma placa Arduino e um equipamento pré-montado poderá comparar o comprimento de onda característico de cada uma das cores do espectro da luz visível produzido por lâmpadas com valores tabelados. O Arduino é uma plataforma de hardware livre, baseado em microprocessador de código aberto, uma placa física em código aberto baseada em um circuito de entradas/saídas simples, e linguagem de programação padrão, que é essencialmente C/C++, sendo uma plataforma completamente personalizável já que todo o seu projeto é aberto aos usuários. Uma das grandes vantagens do Arduino é o seu nível de personalização. Como se trata de uma plataforma aberta, todo o projeto é disponibilizado aos seus usuários no site www.arduino.cc. Assim caso o usuário queira, ele pode montar o seu próprio Arduino e adicionar ou retirar funcionalidades de acordo com o seu projeto, o mesmo também pode ser feito com a sua IDE (software utilizado para programar o Arduino), que é de código aberto, e funciona nos sistemas operacionais Windows, Macintosh OSX, e Linux, diferente da maioria dos microcontroladores em que suas IDE's funcionam apenas no Windows. Todas essas qualidades fazem o Arduino se tornar uma alternativa muito interessante para o ensino. A programação do Arduino assim como o circuito eletrônico já esta pronto, e já foi testado para as atividades que você ira desenvolver, mas é de extrema importância que você procure analisar a programação para entender o que a mesma desempenha, assim como o circuito eletrônico.
1 - Assunto Central Determinação do Espectro Eletromagnético de uma lâmpada de gás
2 - Materiais utilizados
Placa Arduino Placa Protoboard Computador Madeira para suporte das roldanas Roldanas (2 unidades) Fio para correia Um CD “sem a camada refletora” Dois resistores de 330 Ohms Um LDR (resistor dependente da Luz) Potenciômetro Fios para conexão com a placa Protoboard e Arduino Laser Lâmpada de gás (lâmpada fluorescente) Anteparo de madeira com uma folha branca Computador Régua Lente
3 - Objetivo Verificar a difração da luz através de um anteparo. Verificar que a formação do espectro depende do elemento químico do interior da lâmpada e que a posição das franjas independe do tipo de composição química da lâmpada. Comparar o comprimento de onda de um feixe de luz que incide em um CD “sem a camada refletora” com a utilização da placa Arduino com o valor tabelado.
4 - Montagem 4.1 - Montagem do suporte para movimentar o LDR Utilizamos uma madeira de aproximadamente (50 x 10 cm) como suporte, uma roldana (1) de 3,5 cm de diâmetro, uma roldana (2) de 9,5 cm de diâmetro, fio para correia (onde será fixado o LDR por meio de fita adesiva), um potenciômetro e um anteparo com a folha de papel branca. A figura 1 ilustra a montagem.
Figura 1 – Suporte, anteparo, potenciômetro, LDR.
Figura 2 – Parte inferior do suporte, potenciômetro ligado à roldana (2).
4.2 - Montagem da Placa Arduino e Protoboard Na placa Protoboard você deverá fazer o seguinte circuito, conforme figura.
Figura 3 – Placa Arduino, circuito eletrônico Protoboard. Tome cuidado de não esquecer que o potenciômetro e o LDR estão no suporte de madeira e não na Protoboard conforme o circuito. A programação que você deverá inserir no Arduino é a seguinte:
int i,VLDR,VPOT; float MVPOT,MVLDR,dX,componda,D,d,x,xo; char leitura; void setup () { Serial.begin (9600); pinMode(A0, INPUT); //leitura do LRD pinMode(A1, INPUT); //Leitura do potenciômetro pinMode(12, OUTPUT);//led vermelho pinMode(11, OUTPUT);//led verde pinMode(10, OUTPUT);//led azul Serial.println("Digite I para iniciar o ponto a posição inicial de x"); Serial.println("Digite L para obter as leituras de posição e comprimento de onda"); } void loop() { leitura = Serial.read();//lê o que foi digitado VLDR=analogRead(A0);// leitura da tenção sobre o LDR entre 0 a 1023, que equivale de 0 a 5V VPOT=analogRead(A1); // leitura da tenção sobre o potenciômetro
x=-0.0000001582*VPOT*VPOT*VPOT+0.0000633*VPOT*VPOT0.03906VPOT+24.02;//equação que transforma a medida da tensão em posição no eixo x dX=x-xo; // dá a diferença entre a posição inicial e posição atual dX=sqrt(dX*dX); // dá o módulo da diferença da posição componda=(d*dX)/(sqrt(dX*dX+D*D)); // calcula o comprimento da onda if(componda<450)// determina que os leds fiquem apagados para comprimentos de ondas menores que 450nm { digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(12,LOW); } if (componda>725) //desliga os leds para frequencias acima de 750nm { digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(12,LOW); } if (leitura == 'I')// Dá as condições iniciais quando teclar a tecla I { VLDR=analogRead(A0); VPOT=analogRead(A1); D=12.00000; //distância entre o anteparo e a rede de difração d=1687.3;//rede de difração em nm xo=-0.0000001582*VPOT*VPOT*VPOT+0.0000633*VPOT*VPOT0.03906VPOT+24.02; } if (leitura == 'L')//leitura dos dados { VLDR = analogRead(A0); VPOT = analogRead(A1); MVPOT=VPOT; MVLDR=VLDR;
for (i=0;i<=100;i++)// realiza 100 medias consecutivas dos dados de entrada { VPOT=analogRead(A1); VLDR = analogRead(A0); MVPOT=(MVPOT+VPOT)/2;//devolve a média dos 100 valores do potenciometro MVLDR=(MVLDR+VLDR)/2;//devolve a média dos 100 valores do LDR delay (20); } x=-0.0000001582*VPOT*VPOT*VPOT+0.0000633*VPOT*VPOT0.03906VPOT+24.02; dX=x-xo; dX=sqrt(dX*dX); componda=(d*dX)/(sqrt(dX*dX+D*D)); Serial.print(VLDR); //envia o valor da tenção do LDR para o tela Serial.print(" "); Serial.print(dX,2); // Envia o valor da distancia entre o ponto central e a primeira franja de difração para a tela Serial.print(" "); Serial.print(componda,2);// envia o valor do comprimento da onda para a tela Serial.println ( "\t"); if (componda>=601,componda<=725)// acende o led vermelho para indicar a faixa do vermelho da franja de difração { digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(10,LOW); digitalWrite(12,HIGH); } if (componda>=501,componda<=600)//acende o led verde para indicar a faixa do verde da franja de difração { digitalWrite(10,LOW);
digitalWrite(11,HIGH); digitalWrite(12,LOW); } if (componda>=450,componda<=500)//acende o led azul para indicar a faixa do azul da franja de difração { digitalWrite(10,HIGH); digitalWrite(11,LOW); digitalWrite(12,LOW); } } } Pela programação você deve ter notado que o Arduino lê a tensão no potenciômetro, esta é a principal função de nossa programação. Para que possamos girar o potenciômetro e fazermos consecutivas leituras necessitamos calibrar o programa de forma que ele interprete o valor correspondente da posição de acordo com a tensão relativa de cada posição. Se a resistência do potenciômetro fosse linear, poderíamos pular esta parte e faríamos uma conversão direta da leitura da porta analógica para a distância percorrida. Para encontrarmos a equação do potenciômetro, precisamos posicionar nosso LDR em uma das extremidades de nosso suporte. Utilizando o próprio Arduino iremos fazer a leitura da tensão a cada centímetro percorrido pelo LDR até chegarmos à outra extremidade. Com os valores encontrados, utilizaremos o Excel para encontrarmos a função que melhor se adéqua aos dados coletados. A função encontrada para o seu potenciômetro deverá ser inserida na programação do Arduino.
Figura 4 – Exemplo calibração potenciômetro.
6 - Atividades 6.1 - Espectros com um CD e difração - Experimento Real Determinando o parâmetro da rede de difração – distancia entre os sulcos do CD Ver vídeos disponíveis em: http://fisicamodernaexperimental.blogspot.com/2009/02/espectro-por-projecao-parte-1de-3.html http://fisicamodernaexperimental.blogspot.com/2009/02/espectro-porprojecao-parte-2-de-3.html Material: Um CD “sem a camada refletora” Uma fonte Laser. Uma trena. Uma folha de papel branca Procedimento: Para esta experiência, o ambiente deve ser parcialmente escurecido. Monte o experimento, conforme indica a Figura 5, sobre uma superfície plana horizontal. A fenda dupla (CD) deve estar a aproximadamente 3 metros da parede; ela deve permanecer paralela à parede, e bem perpendicular ao feixe de luz do Laser (veja Figura 5). Faça a luz do Laser passar pela fenda dupla, por uma lente de aumento e aí incidir sobre a parede da sala.
Figura 5 - Esquema para montagem do experimento. Verifique se ocorrem franjas de interferência na parede, isto é, máximos e mínimos de luminosidade (pontinhos de luz). Com a trena, meça a distância (D) entre a parede e a tela; anote esse valor. (Veja a figura 6).
Figura 6 - Ponto central e o primeiro máximo à direita e à esquerda. Demarque na folha os pontos de interferência e o ponto central. Para obter o valor da distância ΔX vamos obter um valor médio para pelo menos 3 pontos de máximo. O valor de ΔX será dado pela distância de um extremo a outro dividido pelo número de máximo. (Figura 6)
Figura 7 - Desenho esquemático para determinar o ΔX. Temos o ponto central ligado ao eixo da distância D, e os primeiros máximos à direita e à esquerda. Tabela 1 de resultados obtidos
Distância tela e CD D (cm)
2X Cm
senθ
X Cm
Determinação do parâmetro da rede Considerando as medidas acima determine o valor da distancia entre os sulcos do CD, utilize o comprimento de onda médio para o laser igual a 655nm Tabela 2 Senθ
λ (nm)
d (nm)
Obs.: Esta atividade foi adaptada do Roteiro do material da professora Drª Marisa Almeida Cavalcante.
6.2 - Determinação do comprimento de onda de uma fonte luminosa Parte 1: Determinar o comprimento de onda de uma fonte luminosa (laser vermelho) com o auxílio da placa Arduíno que fará a interpretação das distâncias, imprimindo o comprimento de onda característico. Materiais: Suporte de madeira conforme descrito acima, placa Arduíno com a programação, protoboard com os componentes eletrônicos montados conforme descrito acima. Um CD “sem a camada refletora” Uma fonte de luz (Laser vermelho) Um anteparo com uma folha de papel branca Procedimento: Para esta experiência, o ambiente deve ser parcialmente escurecido. Monte o experimento, conforme indica a Figura 8, sobre uma superfície plana horizontal.
Figura 8 – Fonte de Luz, cd, suporte. Posicione o CD “sem a camada refletora” a uma distância D do anteparo, meça esta distância com uma régua. Tome cuidado para que a fonte fique perpendicular ao o cd e ao anteparo. O feixe de luz deve passar por uma lente para termos um resultado melhor. Com programa Arduino aberto no computador, entre com o valor D que você mediu. Após você deve compilar o programa e enviá-lo novamente para a Placa Arduino. Feito isso é só começar as medidas. Posicione o LDR na posição central (ponto central).
Figura 9 - Ponto central e o primeiro máximo à direita e à esquerda. Aperte a tecla “L” do teclado do computador para o Arduino fazer a leitura da posição em que o LDR encontra-se. Depois movimente o LDR por meio da roldana maior até o primeiro máximo, aperte a tecla “H” do teclado para que o Arduino leia o novo valor da tensão no potenciômetro e imprima na tela o respectivo deslocamento do LDR. Como na programação do Arduino já esta a fórmula que nos permite calcular o comprimento de onda a partir da distância entre a fenda central e a linha espectral que queremos, basta analisarmos na tela os valores informados pelo programa. Compare este valor com valores tabelados. Repita o experimento várias vezes, mudando a distância (D), da fenda ao anteparo, e faça uma média dos valores encontrados.
Tente avaliar as medidas que o programa esta fazendo, assim como os valores que estão sendo informados. Parte 2: Repita os mesmos procedimentos para o laser verde. Atividade 3 Determinação do comprimento de onda da linha verde de uma fonte luminosa Parte 1: Determinar o comprimento de onda de linha verde do Hg. Primeiramente iremos decompor a luz através de um cd. Para isso faça as mesmas montagens que as atividades anteriores. Você deverá conseguir uma difração parecida com a seguinte:
Figura 10 – Difração da luz do Hg. Depois você deverá medir a distância D e entrar com o valor no programa e realizar os mesmos procedimentos anteriores para verificar qual o valor do comprimento de onda informado pelo programa para a linha verde. Faça a atividade varias vezes mudando a distância D, anote os valores encontrados e compare com valores tabelados. Se você dispõe de outros tipos de lâmpadas, você poderá realizar esta atividade e comparar os valores encontrados.