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GUIA DO ALUNO – ROTEIRO
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.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Mestrado Profissional em Ensino de Física
Instituto de Física
GUIA DE ATIVIDADE
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*VPOT-
0.03906VPOT+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*VPOT-
0.03906VPOT+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*VPOT-
0.03906VPOT+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-1-
de-3.html http://fisicamodernaexperimental.blogspot.com/2009/02/espectro-por-
projecao-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
X
Cm
senθ
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.