Espectros Sonoros - Plano de aula

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC

ESPECTROS SONOROS

Plano de aula

Autor: Prof. Alessandro Washington Daniel (E.E. José Chaluppe)

Alunos da 2ª série Ensino Médio da E.E. José Chaluppe Bruna Alves Freires Teixeira Oscar Hugo Lunguinho Falchetto Jonny Antunes Machado

Supervisão Profa. Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP) e Profa.

Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP)

Julho de 2009

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Introdução As finalidades do ensino de Física no nível médio indicam como objetivos levar lev o aluno a compreender os conceitos, procedimentos e estratégias físicas que permitam a ele desenvolver estudos posteriores e adquirir formação cientifica geral, aplicando seus conhecimentos a situações diversas, utilizando-os os na interpretação da ciência, ciência, na atividade tecnológica e nas atividades cotidianas. É importante reconhecer que os alunos têm a intenção de aprender, mas talvez não o que a escola lhes pretende ensinar atualmente, atualmente ou seja, o projeto de ensino muitas vezes tem pouco a ver com o projeto de aprendizagem. aprendizagem Assim, o que a Física busca no ensino médio é assegurar que a competência investigativa resgate o espírito questionador, o desejo de conhecer o mundo em que se habita. Não apenas de forma pragmática, como aplicação imediata, mas expandindo expandindo a compreensão do mundo, a fim de propor novas questões e encontrar soluções. É nessa perspectiva que propomos esta atividade em que conteúdos específicos relacionados à Física Acústica serão abordados, abordados, de modo a compreender um pouco mais “como as a coisas funcionam”.

Através desse sse Kit será possível estabelecer montagens, que nos permite estudar em detalhes os fenômenos de ressonância em tubos sonoros, tanto os geradores de ondas sonoras quanto os analisadores de espectros sonoros são obtidos a partir part de versões shareware e livres de softwares. Diversas medidas podem ser efetuadas desde a determinação da velocidade do som até estudos detalhados de diferentes espectros sonoros em múltiplas condições experimentais tais com tubo aberto, tubo fechado em uma das extremidades em duas extremidades e diferentes comprimentos.

Toda atividade foi articulada de modo a possibilitar desenvolver competências e

habilidades como: Compreender que tabelas, gráficos e expressões matemáticas podem ser diferentes formas forma de representação de uma mesma relação, com potencialidades e limitações próprias, para ser capaz de escolher e fazer uso da linguagem mais apropriada em cada situação, além de poder traduzir entre si os significados dessas várias linguagens.

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC Elaborar relatórios atórios analíticos, apresentando e discutindo dados e resultados, seja de experimentos ou de avaliações críticas de situações, fazendo uso, sempre que necessário, da linguagem física apropriada.

Objetivos Esse trabalho tem como objetivo apresentar alguns recursos experimentais desenvolvidos para compreensão de tópicos de Ondulatória e Acústica Acústica e em particular determinaremos a velocidade do som. Alem da metodologia inovadora, podemos destacar a versatilidade do equipamento de alta tecnologia e baixo custo. Por outro lado, esses recursos permitem uma montagem simples e de fácil manuseio.

Conteúdo Os conteúdos abordados nesta atividade possibilitam tratar os seguintes temas estruturadores: Ondas Sonoras, imagem e comunicação tratados na 2ª série do Ensino Ensino Médio

Grade Curricular e Temas Estruturadores

Esta sta atividade pode ser trabalhada na 2ª series do Ensino Médio

Tema Estruturador 4: Som, Imagem e Informação (2ª serie do EM) Para situar-se se no mundo contemporâneo é necessário compreender os atuais meios de comunicação e informação, que têm em sua base a produção de imagens e sons, seus processos de captação, suas codificações e formas de registro e o restabelecimento de seus sinais si nos aparelhos receptores. Estudar esses mecanismos significa propiciar competências para

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC compreender, interpretar e lidar de forma apropriada com aparatos tecnológicos, como a televisão, os aparelhos de CDs e DVDs, o computador, o cinema ou mesmo a fotografia. fo

Atividade TUBOS SONOROS

O sistema de tubos sonoros permite fazer medidas de velocidade do som no ar, medidas de comprimentos de ondas através de formação de ondas estacionarias observáveis com pó de cortiça dentro do tubo ou através dos componentes harmônios que integram o espectro sonoro do tubo de ressonância.

ONDAS SONORAS EM TUBOS

O som é uma onda mecânica longitudinal, ou seja, precisa de um meio material para se propagar e sua propagação tem a mesma direção que a perturbação que a causou. A onda sonora se propaga pelo ar criando regiões de compressão e rarefação deste meio. O principio de funcionamento da maioria oria dos instrumentos de sopro é a produção de ondas sonoras estacionarias dentro entro de tubos (conhecido como tubo de Kundt). Somente So ondas com determinadas freqüências são reproduzidas que são chamadas de freqüências naturais de vibração, similares as freqüências que podem existir em uma corda vibrando. As possíveis ondas estacionárias que se formam dentro de um tubo de comprimento L, por exemplo, com uma extremidade fechada podem ser estudadas a partir do procedimento proposto neste experimento.

Calculando a velocidade do som

Quantidade de aulas necessárias para a atividade: 4 aulas Materiais usados e seu funcionamento funcion

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Figura 1: visão geral da montagem

Primeira Aula

- Explicar o objetivo do experimento, sua relação com o cotidiano -Apresentar Apresentar o material utilizado para realização do experimento; -Explicar Explicar o funcionamento de cada um dos materiais.

a) Classemate PC, sua ua função é receber sinais através da placa de som e enviar para os softwares.

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Figura 2:: Classmate PC que será utilizado para a coleta de dados

b) tubo de Kundt,, é usado para colocar o pó de cortiça e recepção do som para análise.

Figura 3: Tubo que será utilizado

c) Pó de cortiça é utilizado para visualização da da ressonância no tubo sonoro.

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Figura 4: Pó de cortiça

d) caixas de som, é utilizada para emissão de som.

Figura 5: Caixa de som conectada ao Classamate

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e) microfone, é utilizado para captar o som.

Figura 6:: Microfone para captar o som produzido no tubo

Segunda aula

MONTAGEM DO EXPERIMENTO -Montar o experimento; -Fazer demonstrações; -Levantar hipóteses 1) Ligar o Classmate PC e acessar acess o software Gram v6*

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Figura 7: Tela do Classmate PC mostrando o Gram V6

2) Conectar o microfone a placa de som do classmate PC

Figura 8: Conectando o microfone no Classmate

3) pegar o tubo de Kundt de 50cm.

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Figura 9: Tubo de Kundt

Terceira aula REALIZANDO O EXPERIMENTO -Montagem e experimentação; -Análise Análise para elaboração do cálculo; -Calculando Calculando a velocidade do som.

1) Conectamos o microfone no Classmate PC com software Gram-v6 Gram v6 ativo

Figura 10:: Conectando o microfone no classmate e capturando o som no tubo

2) Deixamos o microfone próximo ao tubo.

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Figura 11: O microfone próximo ao tubo

3) Conforme a figura bata na extremidade do tubo forte, produzindo o som.

Figura 12: Batendo na extremidade do tubo

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Figura 13: Analisando o espectro de frequencia •

Para ter acesso ao software acesse: http://www.elektrosmog.de/Software/gram6.exe

5) A onda estacionária de menor freqüência que se forma, forma, também chamada de fundamental, corresponde ao maior comprimento de onda possível neste tubo. A figura mostra como se dá o movimento do ar dentro do tubo. Nota-se Nota se que o deslocamento das moléculas de ar que estão próximas à extremidade fechada do tubo é zero (nó) e que o deslocamento máximo ocorre na extremidade aberta (ventre).. A simulação em Java * que produziu a figura integra a metodologia de trabalho adotada no estudo do tubo sonoro.

L≡

O comprimento de onda neste caso é relacionado ao comprimento L do tubo por ou

λ ≡ 4.Le a freqüência de oscilação pode ser calculada fazendo

logo temos:

v f ≡ 4 .L

*Para maiores informações sobre o Java Ja sobre ondas longitudinais acesse:

f ≡

v

λ

λ 4

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC http://www.walter-fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm

Tubo fechado numa extremidade

Figura 14: mostra o deslocamento máximo das partículas do ar no lado aberto e representação do ventre correspondente. No lado fechado, um nó de deslocamento de partículas http://www.walterfendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm

6) Calculamos a velocidade do som usando a seguinte fórmula:

Onde:

- f : freqüência - v : velocidade - L : comprimento do tubo

Quarta aula

Cálculo e análise Visualização da ressonância com pó de cortiça

v f ≡ 4 .L

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC Calculo Foi realizado o experimento onde a freqüência registrada pelo software softwar foi de 175 Hz na primeira possibilidade (nó),, onde a medida do tubo era de 50 cm de comprimento e 3cm de diâmetro.

f ≡

Usando a fórmula

v 4 .L

temos:

F = 175 Hz V = vamos descobrir L = 50 cm

Logo:

v 175 = 4.50 v = 175 .200 v = 35000 cm s

Relato dos alunos:

“A velocidade do som é calculada em m/s, então transformamos 35000 cm/s cm em o 350 m/s.. A velocidade do som se propaga a velocidade de 340 m/s a 15 C. Foi o que tentamos provar. Mas o objetivo é chegar a um valor mais próximo possível.” possível.

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC Visualização da ressonância com pó de cortiça Para esta visualização vamos considerar um tubo aberto nos dois extremos e através da simulação disponível em http://www.walter-fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm http://www.walter fixe o comprimento do tubo t igual a 50 cm e verifique a freqüência para se obter o 1º harmônico:

Fig.15: freqüência observada para a freqüência fundamental do tubo igual a 344 Hz

Agora posicione a caixa de som em frente ao tubo e utilizando o software gerador de sinais conecte a saída de som do classmate a caixa de som.

Coloque o pó de cortiça no interior do tubo e espalhe ao longo de todo o seu comprimento.

Fixe no gerador a freqüência em trono de 344 Hz e varie este valor ( comece por exemplo com 320 Hz e aumente gradativamente) dativamente) e observe o pó de cortiça. Existirá um valor para o qual o pó irá vibrar (apenas nos extremos do tubo). Este valor para o qual a vibração é máxima corresponde a freqüência de ressonância do tubo, aberto nos dois extremos.

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Figura16: Imagem da tela do gerador de sinais: para baixar o endereço http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/search/label/Sine%20Wave%20Generator

é

Quando isso ocorre temos: propagação do som onde:

, assim podemos obter também o valor de velocidade de

. 2

F.. freqüência obtida para a condição de ressonância L.. comprimento do tubo

Figura 17: Imagem em que se observa a ressonância para o tubo aberto nos dois extremos

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Para ara pensar um pouco!!

1)

Será que aumentando umentando o tamanho do tubo você espera obter uma freqüência de ressonância maior ou menor que o valor obtido?* obtido?

2)

O valor obtido para a velocidade do som pode ser corrigido com a temperatura ambiente?*

*Acesse o link e confira!!!! http://www.cepa.if.usp.br/e http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/apoio/textos/a10.pdf

Links •

http://picintel-profalessandro.blogspot.com profalessandro.blogspot.com : Blog do projeto onde você irá encontrar mais detalhes acerca do experimento.

•

http://picjrintelpucsp.blogspot.com/: Blog do programa de Iniciação Científica http://picjrintelpucsp.blogspot.com/: Junior da PUC/SP e,m parceria com a Intel

•

http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/search/label/velocidade%20do%20s http://xviiisnefnovastecnologias.blogsp ot.com/search/label/velocidade%20do%20s om : Link para acesso a informações sobre o kit de acústica.

•

http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/apoio/textos/a10.pdf: Link para o artigo http://www.cepa.if.usp.br/e arti sobre a determinação da velocidade do som publicado em Física na Escola

•

Analisador de Espectros Sonoros: Gram V6. Autor: Philip Van Baren www.monumental.com/rshorne/gram.html ou http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/08/software http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/08/software-de-analisesonora-gram-v6.html v6.html

•

Simulação em Java.Ondas Longitudinais. Autor: Walter Fendt www.walter-fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm

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Gerador de sinais http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/search/label/Sine%20Wave%20Gen erator

Referências Bibliográficas •

(PCN) - Parâmetros Curriculares Nacionais Ensino Médio – Parte III – Ciências da Natureza, Matemática e suas tecnologias, Apresentação pag. 203 à 218 e Conhecimentos em Física pag. 229 à 237.

CAVALCANTE, M. A. e TAVOLARO, C. R. C. Medindo a Velocidade do Som. A Física na Escola (suplemento da RBEF) v.4 n.1, maio de 2003.

•

http://www.cepa.if.usp.br/e http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/apoio/textos/a10.pdf

•

BARBETA, V. B. e MARZZULLI, C. R. Experimento Didático Didático para Determinação da Velocidade do Som no Ar, Assistido por Computador. RBEF vol. 22 no 4, dezembro de 2000.

OLIVEIRA, L. M.; VEIT, E. A. e SCHNEIDER, C. Site:: Novas Tecnologias no Ensino de Física http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/index.html