Novas Tecnologias no Ensino de Física by Marisa Cavalcante

Formação Continuada de Professores em Serviço: Educação de Qualidade para uma Sociedade da Aprendizagem

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Novas Tecnologias no Ensino de Física

Marisa Almeida Cavalcante (marisac@pucsp.br) Cristiane Rodrigues Caetano Tavolaro (cris@pucsp.br) Anderson Piffer (pifer07@gmail.com)

26 a 30 de Janeiro de 2009 UFES, Vitória - ES

XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física – SNEF 2009 – Vitória, ES

1. Introdução Sistema de Numeração Binário O sistema de numeração mais utilizado é o sistema de numeração decimal, conseqüentemente estamos mais habituados com esse sistema. Para simplificar o entendimento faz-se necessário observar uma característica importante do sistema de numeração decimal para posteriormente compará-lo com o sistema binário. O sistema de numeração decimal também é chamado de sistema de base 10, denominado dessa forma porque têm em sua composição 10 símbolos diferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 que podem ser expressos por intermédio da potência de dez para se obter um numeral. Uma característica importante do sistema de numeração decimal é o seu valor de posição. Como exemplo consideremos o número decimal 285 onde o algarismo 5 encontra-se ocupando a posição ou casa decimal da unidade (5 x 1 = 5 x 100 = 5), o algarismo 8 está localizado na posição das dezenas significando 80 unidades (8 x 10 = 8 x 101 = 80), já o algarismo 2 está localizado na posição das centenas significando duas centenas totalizando 200 unidades (2 x 100 = 2 x 102 = 200). Logo, para se obter o número decimal total é necessário somar o valor correspondente das três posições 200 + 80 + 5 tendo como resultado o número 285. Sendo n o número de dígitos da parte inteira, no exemplo mencionado n = 3, pode-se escrever o número 285 de outra maneira: 285 = 2 x 10 n-1 + 8 x 10 n-2 + 5 x 10 n-3. É importante observar que o algarismo 2 está localizado na extrema esquerda (3.ª casa decimal) tem peso 2 (n–1 = 3–1 = 2), maior do que o dígito 5 que está localizado na 1.ª casa e o dígito 8 que está localizado na 2.ª casa (n2 = 3-2 = 1) e tem peso 1, ou seja, a posição do algarismo com relação ao ponto decimal determina seu peso, e ainda, o algarismo situado à extrema esquerda do número está sendo multiplicado pela potência de dez maior, e portanto, é considerado o dígito mais significativo). O sistema de numeração binário, comumente chamado de sistema de numeração de base 2, utiliza-se de apenas dois símbolos (0 e 1). Cada dígito binário é chamado de bit (Binary Digit) e um conjunto de 8 bits é um byte. Esse sistema de numeração é extensivamente utilizado em processamento de dados digitais A característica de valor de posição mencionado no sistema de numeração decimal está presente em todos esses sistemas de numeração e pode ser utilizado em contagens. Assim, a cada posição de cada algarismo de um número binário corresponde uma potência de 2, da mesma forma que em números decimais correspondia uma potência de 10. Então, o princípio de posicionamento pode ser estendido a qualquer sistema numérico independentemente de sua base podendo converter um número binário para um número decimal. » Exemplo de conversão de um número binário para decimal: Número Binário 1001 n=4 1001 = 1x2n-1 + 0x2n-2 + 0x2 n-3 + 1x2n-4 = 1x23 + 0x22 + 0x2 1 + 1x20 = 1x8 + 0x4 + 0x2 + 1x1 = 8 + 0 + 0 + 1 = 9 O número binário 1001 corresponde ao número 9 em decimal.

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Assim como no sistema decimal, dependendo do posicionamento, o algarismo ou bit terá um peso, sendo o bit da extrema esquerda o mais significativo (MSB – most significant bit) e o da extrema direita o bit menos significativo (LSB – least significant bit). Também é possível converter um número decimal em binário, o método mais simples de se realizar essa operação consiste em dividir sucessivamente o número decimal por 2 até se obter o quociente zero. Sendo que os restos dessas divisões posicionados na ordem inversa correspondem ao número binário, resultado da conversão de decimal para binário. » Exemplo de conversão de um número decimal para binário: Número Decimal 60

O número decimal 60 corresponde ao número binário 111100. O número 111100 é chamado de frase binária de 6 bits, pois cada posição dessa frase binária é chamada de bit. Utilizando 6 bits é possível se obter 26 combinações, ou seja, 64 frases binárias diferentes. Portanto, o número de frases possíveis é dado por 2N onde N é o número de bits. Para facilitar o entendimento da conversão de números decimais fracionários para binário é necessário dividir processo em duas etapas. 1.ª) Etapa: conversão da parte inteira Essa primeira etapa consiste no método conhecido anteriormente de conversão do número decimal em binário. 2.ª) Etapa: conversão da parte fracionária Na segunda etapa deve ser efetuada multiplicações sucessivas do número fracionário por 2 até se obter como resultado fracionário do produto o número zero, caso contrário trata-se de uma dízima devendo ser definido o número de dígitos após a vírgula. Sendo o resultado binário dessa conversão à parte inteira dos produtos efetuados. » Exemplo de conversão de um número decimal fracionário para binário: Número Decimal Fracionário 5,625 1.ª) Etapa: Exemplo representação do numero 5 em binário. 5

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O número decimal 5 corresponde ao número binário 101 2.ª) Etapa: 0,625

0,101

0,625 x 2 = 1,250 0,250 x 2 = 0,5 0,5 x 2 = 1,0

O número decimal fracionário 0,625 corresponde ao número binário fracionário 0,101 A união da parte inteira com a parte fracionária determina o resultado da conversão, ou seja, o número decimal fracionário 5,625 corresponde ao número binário fracionário 110,101. Conversão de Sinais e numero de bits Vamos considerar que tenhamos um conversor com 3 bits; Neste caso podemos ter 23 frases binárias que são: 0

0x22+0x21+0x20

0x22+0x21+1x20

0x22+1x21+0x20

0x22+1x21+1x20

1x22+0x21+0x20

1x22+0x21+1x20

1x22+1x21+0x20

1x22+1x21+1x20

Exercícios sobre representação numérica em base decimal e base binária. No sistema decimal contamos os números até 9 e então para a unidade seguinte, retornamos ao digito zero, inserindo uma unidade na posição de ordem imediatamente superior à esquerda para indicar que já contamos todas as unidades uma vez [9 + 1= 10]. No sistema binário seguimos a mesma regra, usando os dígitos 0 e 1. Depois de contar 1, teremos usado todos os símbolos e devemos mover para a coluna da esquerda a fim de indicar que já percorremos nossa escala uma vez. 0 1 2 3 4 5

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0 1 10 (contamos uma vez) 11 100 (estamos contando pela segunda vez) 101

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1. Representação de até 5 bits. Complemente a tabela abaixo: Valor

Binário

Decimal 0

0 1 2 3 4 5 7 8 9 10

24 0 0

0.2 +0.2 +0.2 +0.2 +0.2 1.20 +0.21+0.22+0.23+0.24 0.20+1.21+0.22+0.23+0.24 1.20+1.21+0.22+0.23+0.24 0.20+0.21+1.22+0.23+0.24

23 0 0

22 0 0

21 0 0

20 0 1

2. Represente os seguintes números decimais: Decimal

Valor

27 26

Binário 24 23 22

1 2 4 8 16 32 64 128 Exemplo: Regra Prática de transformação: transformar 88 (base decimal) para base binária;

88 08 0

2 44 04 0

2 22 02 0

88 decimal

2 11 10 1

2 5 4 1

= 1011000 (base 2)

2 2 0

2 1

3. Faça as seguintes conversões: Decimal

Valor

Binário 24 23 22

83 38 95 45 67 79 234

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Conversores A comunicação de dois sistemas que possuem ambientes diferentes é realizada através de interfaces. Um computador digital processa apenas sinais discretos (digitais) enquanto que o ambiente externo possui sinais no formato analógico (sinais contínuos). As grandezas analógicas são aquelas cujas medidas podem assumir uma infinidade de valores. O mundo físico apresenta diversos exemplos de grandezas analógicas como: posição, força, intensidade de corrente elétrica, temperatura, intensidade sonora, tensão, velocidade, intensidade de luz, pressão, etc. Para que ocorra interação entre esses dois sistemas é necessário criar uma interface que transforme os tipos de sinais. Por isso foram criados os conversores que são utilizados em todos os campos de atividades em que necessita de tal operação que funcionam, portanto podemos dizer que os conversores funcionam como uma espécie de tradutor entre o mundo físico real e a linguagem binária dos computadores. Os conversores podem ser do tipo A/D que realiza a conversão do sinal analógico em um sinal digital e D/A que efetua a operação contrária constituindo dois aspectos muito importantes do processamento de dados digital. A principal aplicação do conversor analógico digital está na aquisição de dados, o conversor é um circuito integrado que converte grandezas analógicas externas em informações digitais utilizando o sistema binário para representar dois níveis de tensão, ALTO ou BAIXO, sendo um nível de tensão alto representado pelo dígito 1 e um nível de tensão baixo ou zero volt representado pelo dígito 0 (zero).

Frases binárias 0 0 0 1 1 0 0 1

Conversor Analógico

1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1

Figura 1 – Função de um conversor AD Existem vários chips no mercado que permitem a conversão de um sinal analógico para um sinal digital. O que varia de uma placa para outra ou de um chip para outro? Vários parâmetros são importantes, dentre eles temos: 9

Velocidade de transmissão

Número de bits na sua saída, que define a precisão na análise do impulso de entrada.

Canais de entrada

Tempo de resposta

Tensões de entrada

Tensões de saída...etc

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Com relação ao numero de bits na saída Este número define o intervalo de tensão que será analisado em cada frase digital ou canal. A tabela a seguir fornece um resumo das resoluções de diferentes conversores em cada caso numero de bits na saída

canais

resolução

definição desta resolução

0,125

uma parte em 8

0,0625

uma parte em 16

256

0,00390625

uma parte em 256

4096

0,000244141

uma parte em 4096

16384

6,10352E-05

uma parte em 16384

65536

1,52588E-05

uma parte em 65536

Observe que quanto maior o número de bits na saída do conversor maior será a resolução do sistema. Exemplo: Um conversor de 3 bits e um sinal de entrada de 5 V. Para 3 bits temos 8 frases binárias portanto o valor de tensão deve ser divido por 8 possibilidades. Teremos 5/8=0,625 volts de resolução. Portanto teremos: 0 a 0,625 Volts

0,625 à 1,265 Volts

1,265 à 1,875 Volts

1,875 à 2,500 Volts

2,500 à 3,125Volts

3,125 à 3,75 Volts

3,75 à 4,375 Volts

4,375 à 5,00 Volts

Graficamente:

Conversor 3 bits (8 frases binárias) Observe que sinais de entrada entre, por exemplo, 0 e 0,625 serão indistinguíveis pelo conversor e oferece uma única frase binária. Um conversor com maior número de bits, apresentará maior resolução e será, portanto, mais preciso.

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Exercício: relacionando canal e tensão Considere um conversor com 8 bits de saída e tensão de entrada igual a 5 volts e complemente os intervalos de tensão correspondentes na tabela abaixo sabendo que: 256 → 5 volts canal → x volts resolução da ordem de 20 mV (intervalos aproximados) Tensão = [5/256 ]. canal 0 à 0,020 >0,02 e <0,039 >0,0585 e <0,0781 >0,136 e <0,156

canal 1 2 4 8 16 32 64 128

Simulação utilizando o EWB – relacionando frase binária à tensão de entrada. Observação: versões gratuitas do programa EWB estão disponíveis nos endereços: http://fisica-cogeae-pucsp.blogspot.com/search/label/novas%20tecnologias%20no%20ensino http://www.geocities.com/CollegePark/Pool/9332/download.html http://www.li.facens.br/~f201176/dload.htm http://www.redes.unb.br/software.htm Encontre as frases binárias relativas às tensões de entrada em um ADC 8 bits e 5 volts de entrada e verifique através da simulação no EWB sua resposta. Tensão de entrada Canal (volt)

Frase binária obtida pelo EWB

Frase binária calculada 27

1 1,4 2,6 3,1 2,22 1,14 4,5 Instruções para utilizar o EWB 1) Acesse a pasta EWB512. Abra o aplicativo. 2) Clique em file, open e procure na pasta “circuits” o circuito “fraseadc” 3) Quando abrir o circuito relativo ao conversor você terá a seguinte tela

Para variar a tensão de entrada clique com o direito do mouse sobre a fonte de entrada

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Exemplo de conversor disponível no mercado – chip ADC 804 Um conversor Analógico Digital comercial ADC de 8 bits, permite obter 256 frases binárias diferentes que serão utilizadas para a conversão de um sinal analógico Para que estes conversores funcionem precisamos estabelecer uma tensão de alimentação que em geral é de 5V, o que nos permite estabelecer sinais de entrada que variam pelo menos em uma faixa de 0 a 5V. Para uma tensão de 0 a 5V a resolução do conversor pode ser obtida através da tensão máxima de operação dividida pelo número de frases possíveis, ou seja, 5V/256 = 0,0195V ou 19,5mV. Por outro lado estes conversores precisam de uma base de tempo a partir da qual os sinais serão convertidos. Para conversores comerciais de 8 bits os tempos de resolução são menores que 100µs, sendo possível realizar mais de 5000 conversões por segundo. Um exemplo de conversor pode ser visto na figura abaixo ADC804. Os pinos dos circuitos integrados são dispostos em um padrão definido, sendo a partir do entalhe, numerados no sentido anti-horário conforme a figura 1. 1. Liga o conversor entalhe

2. Leitura: Disponibiliza os dados convertidos nos pinos 11 a 18.

20. Conexão de alimentação Vcc

3. Escrita: lê a entrada analógica quando ativo (nível baixo) e da a ordem de início da conversão

4 e 19. Relógio: base de tempo

5. Interrupção: a saída de interrupção sinaliza ao microprocessador do sistema quando a conversão analógica digital termina

11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 e 18 saídas binárias

6 e 7. entradas analógicas 9. tensão de referência 8 e 10. terra Fig 01: esquema do circuito ADC804

Texto sobre sistema de numeração binária e conversão de sinais parcialmente retirado da Monografia da aluna Amanda Bonizzia defendida no final de 2007 sob orientação da profa Marisa Cavalcante do depto de Física da PUC/SP Veja

monografia

http://17encontroicpucsp.blogspot.com/search/label/Novas%20Tecnologias%20no%20Ensi no http://www.snef2009.org

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Aquisição de dados Utilizando Entrada e Saída de Áudio da Placa de Som Quando gravamos um sinal sonoro de um microfone, este sinal que é um sinal analógico é convertido num código binário por um conversor A/D, disponível na placa e processado pelo PC. A conversão pode ser feita em 8 ou 16 bits e com uma taxa de amostragem de até 44,1 kHz e resoluções na faixa de 23 µs. Uma desvantagem desta forma de aquisição é que não podemos trabalhar com sinais de corrente contínua, pois as placas de som possuem capacitores ligados em série nas suas entradas. A utilização da entrada de áudio da placa de som pode ser realizada através de softwares disponíveis na Web. Alguns destes softwares permitem “transformar” o PC em um osciloscópio digital e um analisador de espectro no ambiente windows. O download deste software pode ser realizado no endereço: http://www.zelscope.com/. Este osciloscópio permite que muitas aplicações possam ser realizadas, tais como; determinação da relação entre freqüência de sinais através de figuras de Lissajous, determinação de atraso entre pulsos através de um duplo feixe sincronizado, análise de sinais sonoros e suas componentes de Fourier, etc. Também podemos fazer a aquisição de dados através de softwares de edição de áudio: Cool Edit (versão shareware): http://baixaki.ig.com.br/download/Cool-Edit-2000-1-1.htm Audacity (versão freeware): http://audacity.sourceforge.net/?lang=pt Nesta oficina serão desenvolvidos diferentes experimentos explorando ao máximo os recursos disponíveis na web. Atualmente podemos contar com uma série de diferentes softwares, disponíveis na internet que nos permite tanto gerar sinais através das saídas de áudio, quanto analisar sinais através da entrada de áudio da placa de som, o que mostra um grande campo de investigação muito recente e por este motivo ainda não muito explorado pelos pesquisadores da área de ensino de física.

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Experimento 1 – Eletromagnetismo: Estudo da queda de um imã - Lei de Lenz e lei de Faraday e determinação da aceleração de queda de um imã.

Ímã Um ímã é lançado a partir de uma dada altura e, passa no interior de espiras eqüidistantes. Na passagem cada espira gera uma fem. A composição destes sinais em função do tempo será observada a partir da entrada de microfone de um PC. Utilizaremos o software Audacity para a análise e aquisição de dados.

Bobina Parte 1 - Simulação Inicialmente vamos verificar o que se espera para o sinal que deve ser observado na passagem do imã por uma espira.

Para

isso

acesse

seguintes

endereço:

http://www.pucsp.br/gopef/gopef.htm a)

Clique em menu, links e outros;

b) Clique em curso interativo Angel Franco Garcia; c)

Clique em curso interativo de Física;

d) Clique em Eletromagnetismo → Leis de Faraday →Demonstração da lei de Faraday II; e)

Clique em Atividades e execute a simulação com os valores pré-determinados para a velocidade de queda do imã e o raio da bobina.

começar a simulação

1. Reproduza o sinal obtido em uma destas espiras e justifique-o fisicamente.

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Agora efetue esta simulação nas seguintes condições: 2. Condições 1 - Velocidade do imã: 50,0 cm/s. Raio da bobina: 3,0 cm Reproduza abaixo o sinal obtido para a força eletromotriz induzida (fem):

3. Condições 2 - Velocidade do imã: 150,0 cm/s. Raio da bobina 3,0 cm Reproduza abaixo o sinal obtido para a força eletromotriz induzida (fem):

4. Explique as diferenças observadas.

5. Considerando a equação abaixo utilizada por Angel Garcia para a obtenção da fem, que alterações nesta equação devem ser introduzidas para obtermos a expressão da fem no experimento proposto? Justifique.

Justificativa

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Parte 2 - Experimento a) Conecte os cabos à bobina; b) Execute o software Audacity e clique em “gravar”; c) Abandone o ímã no interior da bobina;

gravar

Software Audacity Clicar aqui para iniciar a observação do sinal. 1.

Utilizando apenas uma bobina lance o ímã e reproduza o sinal obtido

Inverta a polaridade do ímã, efetue o lançamento e reproduza o sinal obtido. Você esperava esta alteração?

Associe duas bobinas mantendo o sentido do rolamento (em série) e observe o sinal.

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Associe estas bobinas invertendo o rolamento de uma delas (uma em oposição à outra) e verifique o que ocorre com o sinal.

Você esperava esta alteração. Explique

Associe três bobinas em série com uma dada distância entre elas e determine a velocidade média em cada trecho.

Trecho 1:.................................................................................................................................... Trecho 2:.....................................................................................................................................

∆S ∆S

Diminua a distância entre elas tentando lançar o ímã sempre da mesma altura em relação à primeira bobina e determine os novos valores de velocidade média:

Trecho 1:.............................................................................................................................................................. Trecho 2:............................................................................................................................................................. 8.

Análise os resultados obtidos nos itens 6 e 7;

Utilizando agora a montagem com todas as bobinas ligadas em série, lance o ímã e determine sua aceleração de queda.

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Posição

(cm) Tempo (s) 10. Construa o gráfico e partir da curva de regressão e determine a aceleração de queda do ímã. Equação obtida:................................................................................................................................................... Aceleração de queda:......................................................................................................................................... 11. Analise este resultado.

Experimento 2: detecção de radiação infravermelha e identificação de códigos de controles remotos. Sistema receptor Precisamos transformar o feixe de radiação infravermelha proveniente de um controle remoto em um sinal de tensão. Este conversão é realizada por fototransistor. Quando a luz atinge este fotosensor (semicondutor), os fótons deslocam elétrons da banda de valencia para a banda de condução diminuindo a resistência elétrica deste dispositivo, fazendo-o conduzir mais corrente elétrica, (o professor ao explicar o funcionamento dos fotosensores pode explorar alguns aspectos da Física Moderna, como por exemplo o comportamento corpuscular da luz, necessário para a compreensão da passagem de elétrons da banda de valencia a banda de condução quando da incidência de um fóton. O fenômeno só ocorre se a radiação incidente tiver uma energia mínima correspondente a largura da banda proibida). Para alimentar o fotosensor podemos utilizar uma bateria de 9 V (ou 4 pilhas de 1,5V) em série como mostra as figura abaixo:

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ATENÇÃO A bateria deve estar ligada em série com o fototransistor e o resistor. A partir do sistema de recepção montado segue-se uma segunda etapa experimental deste trabalho que consiste em visualizar o sinal recebido através do fotosensor através de um computador. A visualização dos sinais de recepção através de computadores Atualmente existem disponíveis na web, vários softwares de edição de áudio com versões shareware e freeware que podem ser obtidas facilmente em alguns endereços fornecidos (página 9). Estes softwares possibilitam a análise do sinal de tensão x tempo a partir da entrada de microfone de computadores. Existem ainda softwares que possibilitam transformar um PC em um osciloscópio digital de análise de sinais, para a utilização em experimentos didáticos. Deste modo basta conectar a saída do sinal do sistema receptor na entrada de microfone de um PC. As fotos que se seguem mostram o cabo de conexão utilizado para a recepção do sinal pelo PC.

Cabo de conexão para o PC

Foto que mostra a conexão no PC com tela indicando o sinal tensão x tempo

Roteiro de observações Após conectar os componentes conforme o esquema fornecido, execute o software Audacity. Clique em “gravar”.

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1. Faça uma reprodução do sinal observado para uma tecla qualquer de um controle remoto e explique fisicamente como este sinal pode ser obtido.

Analise o sinal observado:

Experimento 3 - Determinação da aceleração de queda dos corpos 1.

Como o sistema de recepção montado e utilizando uma ponteira laser podemos elaborar um experimento que permita obter o valor da aceleração da gravidade. Para isso vamos utilizar o esquema indicado abaixo. Referencia é o artigo recentemente publicado na Revista Brasileira de Ensino de Física. Cavalcante; M. A.; Bonizzia, A. e Gomes, L.C. P. (2008) “Aquisição de dados em laboratórios de Física; um método simples, fácil e de baixo custo” Revista Brasileira de Ensino de Física, 30,2, 2501-2506 (2008).

S1 S2.........

Detalhe da placa a ser lançada

Esquema de montagem

Diagrama do circuito para o fotosensor 2.

Vamos utilizar diferentemente do artigo da Revista Brasileira de Ensino de Física a entrada de microfone para a aquisição de dados e o software Audacity.

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Construa (ou utilize a placa já montada) inicialmente a placa que será lançada entre o sensor o feixe da ponteira laser e forneça abaixo o valor de cada S (figura acima)- Intervalos escuros e intervalos transparentes em média a mesma distancia é mantida

S1 = 4. 5. 6.

S2 =

Em seguida execute o Audacity. Clique em “gravar” para o registro do sinal. Abandone a placa. Reproduza abaixo o sinal obtido:

8. Justifique o sinal obtido. Mostre as diferenças entre este sinal e o sinal obtido no artigo de Cavalcante , M A. e Tavolaro, R.C. Lembrar que a entrada de microfone possui um capacitor de acoplamento que filtra a componente contínua do sinal. Justificativa do sinal:

9. Construa a tabela S x T. Posição(cm)

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Tempo(s)

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10. Construa o gráfico e determine a equação de regressão que melhor se ajusta aos dados: Equação de ajuste obtida: ..........................................................................................................................

Valor da aceleração de queda obtida: ....................................................................................................... 11. Analise os resultados obtidos:

Experimento 4 – “Escutando” a queda livre (determinação da aceleração de queda dos corpos II) (baseado em Carlos Eduardo Aguiar Experimentos de Mecânica com o Gravador do PC Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro http://omnis.if.ufrj.br/%7Ecarlos/carlos.html)

1. Amarre arruelas ao longo de um barbante, separadas por distâncias conhecidas conforme mostra a figura. 2. Conecte o microfone e em seguida execute o Audacity. 3. Clique em “gravar” e solte o barbante esticado (ver figura 1). 4. Meça os intervalos de tempo entre as batidas

Fig 1. Modernização de um experimento clássico; ver R.M. Sutton, Demonstration Experiments in Physics (exp. M84). 5. Considerando a distância entre as arruelas, anote os valores de ∆s e de ∆t correspondentes na tabela. ∆s (cm)

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∆t (s)

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6. Construa o gráfico de s x t numa planilha e, a partir da função que mais se ajusta aos dados, determine a aceleração de queda das arruelas. 7. Analise o resultado (compare-o ao dos outros experimentos).

Experimento 5 - O estudo de colisões através do som (determinação da aceleração de queda dos corpos III) (baseado em Cavalcante, M. A.; Silva, E.; Prado, R. e Haag, R. O Estudo de Colisões Através do Som. RBEF, vol. 24, no. 2, junho, 2002. e Carlos Eduardo Aguiar Experimentos de Mecânica com o Gravador do PC Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro http://omnis.if.ufrj.br/%7Ecarlos/carlos.html)

Quando uma esfera é solta de uma determinada altura e colide com uma superfície plana e lisa, possivelmente voltará a subir até uma altura menor que a inicial e novamente colidirá com o piso. Este movimento pode se repetir algumas vezes até o momento em que a esfera não mais deixará o solo e permanecerá em repouso tendo perdido toda energia de movimento. Denominamos de coeficiente de restituição a relação entre os módulos das velocidades antes e após um impacto. Uma colisão elástica é caracterizada por ε =1, diferentemente uma colisão completamente inelástica possuirá ε =0. Um modelo simplificado[1], mas que é eficiente pode ser usado para representar a colisão entre dois corpos está na Fig. 1.

Figura 1: modelo representativo de uma Usando esta figura para descrever nosso experimento, as massas m1 e m2 representam a superfície e a esfera respectivamente. A velocidade da esfera imediatamente antes do impacto é dada por v2 e, logo após perder o contato com a superfície, será v2. Assumimos, no experimento que a massa m1 possui um valor muito grande se comparada à massa da esfera, m2. Usando-se as leis de conservação do momentum linear, é possível verificar que a massa m1 permanece em repouso após o choque com a massa m2, o que está de acordo com o senso comum.

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Podemos extrair várias informações relevantes para o estudo de colisões entre a esfera e a superfície, apenas analisando o sinal sonoro produzido durante os impactos. A proposta consiste em obter o registro em um arquivo wav ou mp3 do som emitido, nos impactos sucessivos de uma esfera solta de uma altura h em uma superfície plana. Durante o impacto da esfera com a superfície de apoio, um som é irradiado, cujo registro é efetuado através de um microfone conectado à entrada da placa de som do PC. A partir do sinal sonoro, fazse uma reprodução gráfica do tempo obtido entre colisões sucessivas e com isso várias informações, tanto cinemáticas quanto dinâmicas podem ser facilmente obtidas.

Figura 2. Esquema do experimento

trabalho publicado por I. Stensgaard e E. Laegsggard [2] descreve a técnica de medida que utilizaremos para obter informações sobre o coeficiente de restituição na interação entre uma esfera e uma superfície horizontal. Os intervalos de tempo entre os impactos sucessivos podem ser facilmente obtidos diretamente pelo observador, conforme indica a Fig. 3. A cada impacto da esfera contra a superfície, ocorre a perda de energia cinética, reduzindo-se a altura máxima que ela pode atingir no seu retorno (hn+1< hn). A grandeza que determina esta fração de perda é o coeficiente de restituição ε, que pode ser determinado através da relação entre as velocidades, depois e antes da colisão. É fácil notar que quanto menor o coeficiente restituição na colisão

Figura 3. Registro das colisões

esfera-superfície maior é a taxa de redução nos intervalos de tempo entre os impactos. Esta dependência pode ser vista no gráfico da Fig. 4 para duas interações distintas, esfera de vidro colidindo com superfície de madeira e uma superfície de pedra.

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Figura 4. O gráfico mostra a taxa de variação de tempo em sucessivas colisões para dois tipos de interações distintas Para uma interação esfera-superfície, a relação entre o valor da componente vertical das velocidades antes e depois do impacto fornece o valor do coeficiente de restituição. Supondo que a fração de perda de energia cinética é constante, independendo do valor da velocidade de impacto da esfera de massa m2, teremos que:

ε=

vn + 1 vn

(1)

onde n representa o índice associado ao impacto. Para o impacto de ordem n, o valor da velocidade pode ser obtido pela relação

vn =

g ∆tn 2

(2)

onde ∆tn é o intervalo de tempo entre impactos sucessivos. Substituindo os valores das componentes verticais de velocidade na equação (1), teremos

ε=

∆t n + 1 ∆tn

(3)

Propomos o coeficiente de restituição ε seja obtido através da inclinação da reta no gráfico ∆tn+1x ∆tn. O gráfico abaixo mostra um dos resultados obtidos:

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equação de regressão: y = 0,6545x + 0,0167

tn+1 (segundo)

0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0

0,2

0,4 ∆ tn (segundo)

0,6

0,8

Parte 1 – Cálculo do coeficiente de restituição Procedimento: 1. Conecte o microfone e em seguida execute o Audacity. 2. Clique em “gravar” e solte a esfera de uma altura bem definida, aguardando que a mesma pare de quicar. 3. Não esqueça de anotar o valor da altura em que a esfera será lançada. 4. Meça os intervalos de tempo entre as batidas sucessivas (diretamente no software). 5. Repita o procedimento para diferentes superfícies (anote a superfície correspondente). 6. Anote os valores de ∆tn para diferentes superfícies, na tabela: Altura de lançamento

Bola 1 com superfície 1

Bola 1 com Superfície 2

Bola 2 com Superfície 1

Bola 2 com Superfície 2

Interva lo ∆t1 ∆t2 ∆t3 ∆t4 ∆t5 ∆t5 ∆t7 ∆t8 ∆t9 7. Construa o gráfico ∆tn+1 x ∆tn em uma planilha e determine a equação de regressão que mais se ajusta aos dados. Determine a inclinação da reta para cada superfície que corresponde ao valor de ε. Valor do coeficiente de restituição obtido para cada caso:

ε1-1

ε1-2

ε2-1

ε2-2

8. Analise os resultados obtidos:

Parte 2 - Determinação da aceleração da gravidade

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Ao considerarmos constante a fração de perda de energia cinética da esfera nos impactos sucessivos de uma esfera com uma dada superfície, estabelecemos as condições de contorno necessárias para determinar o valor da aceleração da gravidade. Para compreender de que maneira podemos determinar o valor da aceleração da gravidade, considere-se que o valor da velocidade vertical da esfera solta a altura h, antes da colisão com uma superfície plana, é dada por:

(4)

vantes = 2 gh

Por outro lado, o valor da componente vertical da velocidade depois da colisão é dada por:

vdepois = Como ε= vdepois/vantes temos

g ∆t 1 2

que:

g ∆ t 12 = 8h

Substituindo-se o valor de ε obtido graficamente e o primeiro intervalo de tempo para a interação correspondente podemos obter o valor da aceleração de queda, isto 2 é

ε 8h ∆t12

Tabela dos resultados obtidos Bola 1 x Superfície 1

Bola 1 x Superfície 2

Bola 2 x Superfície 1

Bola 2 x Superfície 2

Altura de lançamento (m)

∆t1 (s) Coeficiente de restituição ε obtido graficamente Valor obtido para g (m/s2) Valor médio obtido para g (m/s2)

10. Análise os resultados obtidos (compare com o resultado dos outros experimentos):

Referências [1] CROSS, R. The bounce of a ball. Am. J. Phys. 67 (4), March 1999, pp. 222 - 227. [2] STESGAARD, I. and LAEGSGAARD, E. Listening to the coefficient of restitution-revisited. Am. J. Phys. 69 (4), March 2001, pp.301- 305.

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