Pontifícia Universidade Católica de São Paulo Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e o desenvolvimento de atividades experimentais em Física utilizando o Classmate PC
Determinação da frequência da rede elétrica
P l an o d e au l a
Autor: Prof. Júlio Lamon (Escola Nossa Senhora das Graças) Alunos da 2ª ensino médio da Escola Nossa Senhora das Graças Alexandre Portugal de Almeida Giuliane Roncoleta Yunes Supervisão Profa. Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP) e Profa.Cristiane Rodrigues Caetano Tavolaro (PUC/SP)
Julho de 2009
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Introdução Para construir uma visão da Física que esteja voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, capaz de compreender, intervir e participar da realidade propomos aqui uma atividade baseada nos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN+). A atividade baseia-se no tema estruturador “equipamentos eletromagnéticos e telecomunicações”, de modo que o aluno aprofundará conhecimentos sobre: corrente elétrica, resistor, Lei de Ohm, gerador e produção de corrente continua e alternada. O fototransistor permitirá ao professor introduzir conteúdos de física moderna, bem como discutir o impacto provocado pelo desenvolvimento da eletrônica no século passado, pois este fato está relacionado com uma competência importante: “Reconhecer e avaliar o desenvolvimento tecnológico contemporâneo, suas relações com as ciências, seu papel na vida humana, sua presença no mundo cotidiano e seus impactos na vida social.” Outras competências desenvolvidas pelos alunos deveram ser: •“Reconhecer e utilizar adequadamente, na forma oral e escrita, símbolos, códigos e nomenclatura da linguagem científica”; •“Elaborar comunicações orais ou escritas para relatar, analisar e sistematizar eventos,
fenômenos,
experimentos,
questões,
entrevistas,
visitas,
correspondências”; •“Reconhecer, utilizar, interpretar e propor modelos explicativos para fenômenos ou sistemas naturais ou tecnológicos”; pois os alunos deverão explicar o procedimento e o funcionamento do experimento elaborando textos em forma de relatórios. E ainda: •“Identificar em dada situação-problema as informações ou variáveis relevantes e possíveis estratégias para resolvê-la”; •“Identificar fenômenos naturais ou grandezas em dado domínio do conhecimento científico, estabelecer relações; identificar regularidades, invariantes e transformações”; 2
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•“Selecionar e utilizar instrumentos de medição e de cálculo, representar dados e utilizar escalas, fazer estimativas, elaborar hipóteses e interpretar resultados”; •“Consultar, analisar e interpretar textos e comunicações de ciência e tecnologia veiculados por diferentes meios”. Ao efetuar o experimento os alunos estarão; montando o circuito, identificando os instrumentos de medidas, as grandezas físicas envolvidas no experimento, quais grandezas possuem valores constantes ou variáveis, propondo explicações para os fenômenos observados ao mesmo tempo em que estarão pesquisando e efetuando cálculos e tabelas. Convém ressaltar que o experimento produz esta enorme variedade de ações para o aprendizado do aluno, além propiciar ao professor a oportunidade de se tornar um pesquisador.
Objetivos Compreender o conceito de corrente alternada através de atividades experimentais que utilizam componentes eletrônicos de alta tecnologia, mas baixo custo e computadores como instrumentos de coleta de dados.
Conteúdo Os conteúdos abordados nesta atividade possibilitam tratar os seguintes temas estruturadores de acordo com a Proposta Curricular do Estado de São Paulo: Som, imagem e comunicação – 2ª série do EM Luz: fontes e características físicas Ondas eletromagnéticas Transmissões eletromagnéticas Equipamentos elétricos, Matéria e Radiação – 3ª série do EM Circuitos elétricos Campos e forças eletromagnéticos Geradores Produção e consumo de energia elétrica 3
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Matéria: suas propriedades e organização Átomo: emissão e absorção da radiação Eletrônica e informática De acordo com os conteúdos específicos o professor deve explicar: - O funcionamento das lâmpadas incandescentes e fluorescentes, observando o uso e as características fornecidas pelo fabricante. - O modelo de corrente elétrica e os sistemas resistivos - Lei de Ohm. - Lei de indução de Faraday - Funcionamento dos geradores elétricos e as transformações de energia para se obter a energia elétrica - O desenvolvimento econômico e tecnológico devido à utilização da energia elétrica -Os modelos atômicos de matéria de Rutherford e Bohr. - A absorção e a emissão da radiação pela matéria, Lei de Planck e a dualidade onda-partícula. - O modelo de semicondutor e sua utilização nos componentes eletrônicos. - O desenvolvimento econômico e tecnológico devido à utilização dos componentes eletrônicos.
Grade Curricular e Temas Estruturadores Esta atividade pode ser trabalhada nas 2ª series e nas 3ª series do Ensino Médio, entretanto para os alunos das 2ª series o professor precisará fazer uma introdução do tema estruturador Equipamentos elétricos, Matéria e Radiação.
Materiais utilizados Um circuito montado em série utilizando: resistor de 680 ohms, fototransistor, bateria 9 V e LED. Ponteira laser, lâmpada incandescente, lâmpada luminescente, duas garras jacaré, fio, plug para a entrada de som do Classmate, softwares para análise de dados,conector para bateria(rabicho) e lanterna.
Atividade 4
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Quantidade de aulas necessárias para a atividade: 5 aulas 1 º aula Esta aula será dividida em duas etapas. 1- Nesta aula vamos explicar o circuito e seus componentes, qual a função e funcionamento de cada componente. É necessário que o professor explique o funcionamento do fototransistor, lembrando que a incidência de luz (fótons) provoca um aumento da corrente, este aumento da corrente é proporcional à intensidade da luz incidente.
Instruções 1.1 Ligar o LED, o resistor 680 ohms e a bateria de 9 V em série.
Fig. 1: Circuito série: Bateria, resistor e LED.
1.2 Verificar a polaridade do LED (ele deve ascender). 1.3 Ligar o conjunto LED-resistor-bateria de 9 V em série com o fototransistor.
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Fig. 2: Circuito série: Bateria, resistor e LED e fototransistor.
Deve-se tomar cuidado com a correta polaridade do fototransistor e do LED, de forma que ao se iluminar o fototransistor com a ponteira laser o LED acenda.
Fig. 3: ponteira laser
1.4 Ligar cabo com as garras jacarés e o conector para o Classmate PC em paralelo com os terminais do resistor (as garras nos terminais do resistor).
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Fig. 4: Garras tipo “jacaré” em paralelo com o resistor
1.5 O conector para o Classmate PC deve ser ligado na entrada para “mic” (cor rosa).
Fig. 5: Conexão do plug na entrada de microfone do Classmate PC.
1.6 Ligar a lâmpada (incandescente ou fluorescente) na rede elétrica, colocar o fototransistor na frente da lâmpada acesa. 1.7 O circuito deve estar de acordo com as figuras abaixo
Fig. 6: Montagem completa do equipamento.
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Função e funcionamento de cada componente. •
LED detecta se o circuito está funcionando corretamente
•
Bateria 9 V alimenta o circuito.
•
A lâmpada (incandescente ou fluorescente) ligada à rede elétrica estará ascendendo e apagado de acordo com a freqüência da rede elétrica .
•
O fototransistor detectará quando a lâmpada (incandescente ou fluorescente) está acesa ou apagada; quando a lâmpada esta acesa produz um aumento de corrente elétrica no circuito, quando a lâmpada esta apagada a corrente elétrica no circuito volta ao seu valor original.
•
Resistor 680 ohms detecta variação da corrente elétrica e da DDP em seus terminais, como o resistor está conectado com o classmate PC, esta variação de DDP é enviada para a entrada do classmate PC e mostrada pelos softwares Audacity ou Oscilloscope. Cabe aqui uma explicação mais detalhada sobre esse componente eletrônico que terá papel fundamental no experimento. O fototransistor é um semicondutor, isto é, um sólido formado por ligações covalentes, que produzem uma rede cristalina (seus átomos estão distribuídos de forma geométrica). Deste modo não existem elétrons livres, portanto um semicondutor não conduz corrente elétrica. Entretanto é possível introduzir impurezas na sua rede cristalina e esse processo chama-se dopagem. Admita que inicialmente um sólido formado por átomos de silício ou germânio. Se introduzirmos átomos que possuem cinco elétrons de valência (arsênio, por exemplo) neste sólido teremos uma 8
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dopagem do tipo N, o germânio ou silício possuem quarto elétrons de valência,assim o arsênio (sitio doador) é um portador de carga negativo, o quinto elétron do arsênio pode ser utilizado para produzir corrente elétrica. Se introduzirmos átomos que possuem três elétrons de valência (alumínio, por exemplo) neste sólido teremos uma dopagem do tipo p, o alumínio possui três elétrons de valência e o germânio ou silício possuem quarto elétrons de valência,assim o alumínio (sitio aceitador) é um portador de carga positivo,tipo P,a lacuna (no orbital falta um elétron) pode ser utilizada para produzir corrente elétrica,uma vez que um elétron pode ocupar esta lacuna. Formando um semicondutor com tipo P e tipo N, poderemos obter movimento de portadores de carga.
Observe que na figura acima o elétron do Arsênio pode se deslocar para ocupar a lacuna do Alumínio,mas isto não ocorre enquanto este elétron não receber uma quantidade mínima de energia. O elétron do Arsênio se encontra na banda de valência, ao receber esta quantidade mínima de energia (E = h.f) ele passa para a banda de condução e somente agora ele pode se mover para a lacuna do Alumínio.
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O fototransistor é formado por três pedaços de semicondutores PNP. A base será formada por dopagem N que possui elétrons que podem se deslocar, desde que recebam o valor correspondente de energia, um fóton de luz fornecerá o valor de energia mínima para que os elétrons passem para a banda de condução. Na presença dos fótons de luz teremos mais elétrons na banda de condução, portanto um aumento da corrente elétrica. Na ausência dos fótons de luz não teremos elétrons na banda de condução, portanto uma diminuição da corrente elétrica. Observe que o fototransistor é um sensor de luz, quanto maior a intensidade da luz maior será a corrente elétrica. O coletor e o emissor serão formados dopagem P, possui lacunas que podem receber elétrons.
2- Mostrar a diferença entre as curvas obtidas quando a lâmpada está alimentada pela rede elétrica e quando colocamos a lanterna. É muito importante ressaltar esta diferença Inicialmente vamos aprender utilizar os softwares Audacity e Oscilloscope.
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2-1 Utilizando software Audacity (http://audacity.sourceforge.net/download/), observe a figura abaixo.
Fig. 8: Tela do software Audacity mostrando como deve ser feita a medida do período.
2.2
Utilizando
o
software
Oscilloscope
http://polly.phys.msu.su/~zeld/oscill.html
ou
http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/MCL_down.html, observe a figura abaixo.
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Fig. 9: Tela do software Oscilloscope mostrando como deve ser feita a medida do período.
2.3 - Com a lâmpada incandescente alimentada pela rede elétrica obter a curva com os dois softwares: Audacity e Oscilloscope.
Fig. 10: Tela do software Oscilloscope mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada incandescente.
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Fig. 11: Tela do software Audacity mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada incandescente.
Os alunos devem ser questionados sobre o porque desse resultado. 2.4 Com uma lanterna alimentada por uma pilha obter a curva com os dois softwares Audacity e Osciloscope.
Fig.12: Esquema do equipamento com a lanterna no lugar da lâmpada.
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Fig. 13: Tela do software Audacity mostrando a medida do sinal obtido com a lanterna.
Fig. 14: Tela do software Oscilloscope mostrando a medida do sinal obtido com a lanterna.
O aluno deve notar que as curvas não possuem um período, elas são praticamente uma reta. 2.5- Com a lâmpada fluorescente alimentada pela rede elétrica obter a curva com os dois softwares Audacity e Osciloscope.
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Fig. 15: Tela do software Oscilloscope mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada luminescente.
Fig. 16: Tela do software Audacity mostrando a medida do sinal obtido com a lâmpada luminescente.
2.6- Os alunos devem anotar suas observações e explicar as diferenças entre as lâmpadas alimentadas pela rede e pela bateria. Questionamento que precisa ser realizado com os alunos: ao observarmos a luz emitida por lâmpadas ligadas à rede elétrica, incandescentes e luminescentes e outras ligadas à bateria (em lanternas), notamos diferenças em seus brilhos, além da diferença de intensidade? Como é possível então explicar as diferenças obtidas através do experimento? 15
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2 º aula 1- Esta aula está reservada para os alunos levantarem hipóteses para explicar as curvas encontradas. Por que a rede produz um tipo de curva diferente da curva da bateria? 1.1- O professor deve acessar o site http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuitconstruction-kit-ac_pt.jnlp e efetuar as simulações representadas nas figuras abaixo:
1.2- Os alunos devem fazer a relação entre as simulações e as curvas encontradas e propor uma explicação. É importante orientar os alunos para que levantem explicações coerentes com as
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simulações e as curvas observadas. É neste momento que os alunos devem notar a relação entre o resultado experimental e o modelo teórico de corrente elétrica alternada. 1.3 - Com a explicação proposta pelos alunos, o professor deve explicar como a corrente alternada é produzida na usina elétrica, isto é os elétrons estão oscilando na linha de transmissão, e no caso da corrente continua (produzida pela pilha ou bateria) esta oscilação não ocorre. 2- Explicar o cálculo da freqüência da rede. 2.1- Nas curvas obtidas com as lâmpadas alimentadas pela rede, medir o tempo entre dois pontos consecutivos de mesma fase (podemos tomar os dois pontos de máximo da curva). Este tempo será o período. Determinamos então a freqüência
frequência =
1 período
2.2– O professor deve notar que o período medido é o intervalo de tempo onde as lâmpadas estão acesas. Entretanto queremos o intervalo de tempo no qual as lâmpadas estão acessas e apagadas. Assim a freqüência encontrada deve ser dividida por dois. Observe a figura abaixo.
Veja animação no blog.
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Prof. Júlio - IC Jr. PUC-SP e Intel: Como o fototransistor (sensor) registra a variação da corrente elétrica.
Para as aulas 3 e 4 o professor poderá utilizar o software Microsoft Excel realizar os cálculos e tabelas. O autor utilizou este software, pois ele é prático e coloca os alunos em contato com alguns de seus conceitos básicos. 3 º aula 1- Nesta aula devemos efetuar o processo experimental para determinar a freqüência da rede elétrica utilizando a lâmpada incandescente e os softwares Audacity e Osciloscope. Lembrando dos procedimentos 2.1 e 2.2 da aula 1 e o procedimento 2.2 da aula 2. 1.1-Utilizando a lâmpada incandescente alimentada pela rede, obter a curva com o software Audacity. 1.2 –Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas).Preencher a tabela abaixo:
Calcular a freqüência média o desvio médio absoluto e o desvio padrão.
desviomédi o =
∑ xi − x n
2
desviopadr ão =
∑ ( xi − x ) n −1
Resultado final: (60 ± 3) Hz 18
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1.3- Utilizando a lâmpada incandescente alimentada pela rede, obter a curva com o software Osciloscope. 1.4 – Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas), Preencher a tabela abaixo, lembrando que no Oscilloscope devemos subtrair os intervalos de tempo
·. Calcular a freqüência media o desvio médio absoluto e o desvio padrão. Resultado final: (60 ± 2) Hz
4 º aula 1- Nesta aula devemos efetuar o processo experimental para determinar a freqüência da rede elétrica utilizando a lâmpada fluorescente e os softwares Audacity e Osciloscope. Lembrando dos procedimentos 2.1 e 2.2 da aula 1 e o procedimento 2.2 da aula 2. 1.1- Utilizando a lâmpada fluorescente alimentada pela rede, obter a curva com o software Audacity. 1.2 – Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas), preencher a tabela abaixo.
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Calcular a freqüência media o desvio médio absoluto e o desvio padrão. Resultado final: (60 ± 3) Hz 1.3- Utilizando a lâmpada fluorescente alimentada pela rede, obter a curva com o software Osciloscope. 1.4 – Efetuar a medida do período (mínimo de dez medidas), preencher a tabela abaixo, lembrando que no Oscilloscope devemos subtrair os intervalos de tempo.
Calcular a freqüência media o desvio médio absoluto e o desvio padrão. Resultado final: (60 ± 9) Hz
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5 º aula 1- Nesta aula devemos elaborar o relatório com os seguintes itens: introdução, procedimento experimental, resultados e discussão, conclusão e referências bibliográficas. 1.1 - Inicialmente o professor deve comentar dois fatos: 1.1 a - No Brasil a freqüência da rede elétrica é 60 Hz, evidentemente não é possível garantir que durante a realização do experimento esta freqüência não sofreu alguma variação. 1.1 b - Durante um experimento sempre ocorrem erros, portanto o valor encontrado para a frequência da rede não será exatamente 60 Hz. Para isso devem ser analisados os resultados finais que contém o desvio padrão da série de dez medidas e também o porque da utilização de softwares diferentes para a coleta e análise dos dados. 1.2 – O relatório deve conter as explicações dos seguintes itens: 1.2a – As diferenças entre as curvas obtidas pela rede elétrica e pela a bateria. 1.2b - Como é produzida a corrente elétrica na bateria e no gerador. 1.2c – Qual a função e funcionamento dos componentes do circuito, dando atenção especial para o fototransistor uma vez que ele permite ao professor introduzir conceitos de física moderna.
Links Blog com mais informações sobre o experimento http://picjrintelpucsp.blogspot.com/ http://picintel-profjulio.blogspot.com/ Texto sobre conversão de sinais analógico-digitais http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/01/texto-de-orientao-para-oficina-denovas.html Simulador de circuitos elétricos http://phet.colorado.edu/sims/circuit-construction-kit/circuit-construction-kit-ac_pt.jnlp Software Audacity http://audacity.sourceforge.net/download/ Software Osciloscope 21
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http://polly.phys.msu.su/~zeld/oscill.html
Outros http://www.sbfisica.org.br/arquivos/PCN_FIS.pdf http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/CienciasNatureza.pdf http://www.rededosaber.sp.gov.br/contents/SIGSCURSO/sigsc/upload/br/site_25/File/Prop_FIS_COMP_red_md_20_03.pdf http://www.pucsp.br/gopef
Referências Bibliográficas Cavalcante, Marisa Almeida; TAVOLARO,Cristiane .R.C.;BONIZZIA,Amanda ; e PIFER,Anderson. “Novas Tecnologias no Ensino de Física” GOPEF/PUC-SP 2008.
TAVOLARO, Cristiane. R. C.; e Cavalcante, Marisa Almeida. ”Física Moderna Experimental”. Barueri, Editora Manole 2003.
FEYNMAN, Richard P. “Lições de Física de Feynman volume III”. Porto Alegre, Artmed Editora. 2008.
DEUS, Jorge Dias de; PIMENTA, Mário; NORONHA, Ana; PEÑA,Teresa; e BROGUEIRA, Pedro. ”Introdução à Física”. Lisboa, McGraw-Hill 2000.
EISBERG, Robert; e RESNICK, Robert, “Física Quântica”. Rio de Janeiro, Editora Campus 1979.
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