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

E

Autor:

Alunos da 2ª série

Bruna Alves Freires Teixeira

Oscar Hugo Lunguinho Falchetto

Jonny Antunes Machado

Supervisão

Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP)



utilizando o Classmate PC

EESSPPEECCTTRROOSS SSOONNOORROOSS

Plano de aula

Autor: Prof. Alessandro Washington Daniel (E.E.

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)

Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP)

Julho de 2009



(E.E. José Chaluppe)

José Chaluppe

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



Introdução

As finalidades do ensino de Física no nível médio indicam como objetivos lev

compreender os conceitos, procedimentos e estratégias

estudos posteriores e adquirir formação cientifica geral, aplicando seus conhecimentos a situações

diversas, utilizando-os na interpretação da ciência

cotidianas.

É importante reconhecer que os alunos têm a intenção de aprender, mas talvez não o que

a escola lhes pretende ensinar atualmente

ver com o projeto de aprendizagem

Assim, o que a Física busca

resgate o espírito questionador, o desejo de conhecer o mundo em que se habita. Não apenas de

forma pragmática, como aplicação imediata, mas ex

propor novas questões e encontrar soluções.

É nessa perspectiva que propomos esta atividade em que conteúdos específicos

relacionados à Física Acústica serão abordados

coisas funcionam”.

Através desse 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 part

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

comprimentos. Toda atividade foi articulada de modo a possibilitar desenvolver competências e

habilidades como:

Compreender que tabelas, gráficos e expressões matemáticas podem ser diferentes 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.




As finalidades do ensino de Física no nível médio indicam como objetivos lev

compreender os conceitos, procedimentos e estratégias físicas que permitam a ele desenvolver


os na interpretação da ciência, na atividade tecnológica e nas atividades

importante reconhecer que os alunos têm a intenção de aprender, mas talvez não o que

a escola lhes pretende ensinar atualmente, ou seja, o projeto de ensino muitas vezes tem pouco a

projeto de aprendizagem.

busca no ensino médio é assegurar que a competência


forma pragmática, como aplicação imediata, mas expandindo a compreensão do mundo, a fim de

propor novas questões e encontrar soluções.


serão abordados, de modo a compreender um pouco mais “como a

sse Kit será possível estabelecer montagens, que nos permite estudar em

ressonância em tubos sonoros, tanto os geradores de ondas sonoras

quanto os analisadores de espectros sonoros são obtidos a partir de versões



tais com tubo aberto, tubo fechado em uma das extremidades em duas extremidades e diferentes

Toda atividade foi articulada de modo a possibilitar desenvolver competências e

Compreender que tabelas, gráficos e expressões matemáticas podem ser diferentes forma



traduzir entre si os significados dessas várias linguagens.



As finalidades do ensino de Física no nível médio indicam como objetivos levar o aluno a

físicas que permitam a ele desenvolver


, na atividade tecnológica e nas atividades

importante reconhecer que os alunos têm a intenção de aprender, mas talvez não o que

muitas vezes tem pouco a

no ensino médio é assegurar que a competência investigativa


pandindo a compreensão do mundo, a fim de


, de modo a compreender um pouco mais “como as

sse Kit será possível estabelecer montagens, que nos permite estudar em

ressonância em tubos sonoros, tanto os geradores de ondas sonoras

versões shareware e livres de



uma das extremidades em duas extremidades e diferentes

Toda atividade foi articulada de modo a possibilitar desenvolver competências e

Compreender que tabelas, gráficos e expressões matemáticas podem ser diferentes formas





Elaborar relatórios analíticos, apresentando e discutindo dados e resultados,

experimentos ou de avaliações críticas de situações, fazendo uso,

linguagem física apropriada.

Objetivos

Esse trabalho tem como objetivo apresentar

para compreensão de tópicos de Ondulatória e Acústi

velocidade do som. Alem da metodologia inovadora, podemos destacar a versatilidade do

equipamento de alta tecnologia e baixo

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 E

Grade Curricular e Temas Estruturadores

Esta atividade pode ser trabalhada

Tema Estruturador 4: Som, Imagem e Informação

Para situar-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 si

aparelhos receptores. Estudar esses mecanismos significa propiciar competências para




atórios analíticos, apresentando e discutindo dados e resultados,

experimentos ou de avaliações críticas de situações, fazendo uso, sempre que

Esse trabalho tem como objetivo apresentar alguns recursos experimentais desenvolvidos

para compreensão de tópicos de Ondulatória e Acústica e em particular determinaremos a

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.


imagem e comunicação tratados na 2ª série do Ensino Médio

Grade Curricular e Temas Estruturadores

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

Tema Estruturador 4: Som, Imagem e Informação (2ª serie do EM)

se no mundo contemporâneo é necessário compreender os atuais meios de


de captação, suas codificações e formas de registro e o restabelecimento de seus si




atórios analíticos, apresentando e discutindo dados e resultados, seja de

sempre que necessário, da

alguns recursos experimentais desenvolvidos

ca e em particular determinaremos a

Alem da metodologia inovadora, podemos destacar a versatilidade do

custo. Por outro lado, esses recursos permitem uma


nsino Médio

se no mundo contemporâneo é necessário compreender os atuais meios de


de captação, suas codificações e formas de registro e o restabelecimento de seus sinais nos




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 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

cortiça dentro do tubo ou através dos

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

se propaga pelo ar criando regiões de compressão e rarefação deste meio. O principio de

funcionamento da maioria dos instrumentos de sopro é a produção de ondas sonoras

estacionarias dentro de tubos (conhecido como tubo de Kundt). So

determinadas freqüências são reproduzidas

vibração, similares as freqüências que podem existir em uma corda vibrando. As possíveis ondas

estacionárias que se formam dentro de um tubo de

extremidade fechada podem ser estudadas

Calculando a velocidade do som

Quantidade de aulas necessárias para a atividade:

Materiais usados e seu funcion





televisão, os aparelhos de CDs e DVDs, o computador, o cinema ou mesmo a fo


de comprimentos de ondas através de formação de ondas estacionarias observáveis

cortiça dentro do tubo ou através dos componentes harmônios que integram o espectro sonoro

ONDAS SONORAS EM TUBOS


propagar e sua propagação tem a mesma direção que a perturbação que a causou. A onda sonora


oria dos instrumentos de sopro é a produção de ondas sonoras

entro de tubos (conhecido como tubo de Kundt). So

são reproduzidas que são chamadas de freqüências


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




televisão, os aparelhos de CDs e DVDs, o computador, o cinema ou mesmo a fotografia.


de comprimentos de ondas através de formação de ondas estacionarias observáveis com pó de

componentes harmônios que integram o espectro sonoro


causou. A onda sonora


oria dos instrumentos de sopro é a produção de ondas sonoras

entro de tubos (conhecido como tubo de Kundt). Somente ondas com

são chamadas de freqüências naturais de


comprimento L, por exemplo, com uma

a partir do procedimento proposto neste experimento.



Primeira Aula

- Explicar o objetivo do experimento, sua relação com o cotidiano

-Apresentar o material utilizado para realização do experimento;

-Explicar o funcionamento de cada um dos materiais.

a) Classemate PC, sua função é

softwares.




Figura 1: visão geral da montagem

Explicar o objetivo do experimento, sua relação com o cotidiano

Apresentar o material utilizado para realização do experimento;

Explicar o funcionamento de cada um dos materiais.

ua função é receber sinais através da placa de som e



receber sinais através da placa de som e enviar para os



Figura 2: Classmate

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

análise.

c) Pó de cortiça é utilizado para visualização d




: Classmate PC que será utilizado para a coleta de dados

, é usado para colocar o pó de cortiça e recepção do som para

Figura 3: Tubo que será utilizado

utilizado para visualização da ressonância no tubo



que será utilizado para a coleta de dados

, é usado para colocar o pó de cortiça e recepção do som para

a ressonância no tubo sonoro.



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

Figura




Figura 4: Pó de cortiça

caixas de som, é utilizada para emissão de som.

Figura 5: Caixa de som conectada ao Classamate





e) microfone, é utilizado para

Figura 6: Microfone para captar o som produzido

Segunda aula

MONTAGEM DO EXPERIMENTO

-Montar o experimento;

-Fazer demonstrações;

-Levantar hipóteses

1) Ligar o Classmate PC e acess




microfone, é utilizado para captar o som.

: Microfone para captar o som produzido no tubo

MONTAGEM DO EXPERIMENTO

o Classmate PC e acessar o software Gram v6*





Figura

2) Conectar o

Figura

3) pegar o tubo de Kundt de 50cm.




Figura 7: Tela do Classmate PC mostrando o Gram V6

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.



PC



Terceira aula

REALIZANDO O EXPERIMENTO

-Montagem e experimentação;

-Análise para elaboração do cálculo;

-Calculando a velocidade do som.

1) Conectamos o microfone no Classmate PC com software Gram

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

2) Deixamos o microfone próximo ao tubo.




Figura 9: Tubo de Kundt

Análise para elaboração do cálculo;

Calculando a velocidade do som.

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

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

Deixamos o microfone próximo ao tubo.



v6 ativo

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



Figura

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

Figura




Figura 11: O microfone próximo ao tubo

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

Figura 12: Batendo na extremidade do tubo



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



f

L.4≡λ

4) Através do Software Gram

Figura

• Para ter acesso ao software acesse:

5) A onda estacionária de menor freqüência que se formacorresponde ao maior comprimento de onda possível neste tubo. A movimento do ar dentro do tubo. Notapróximas à extremidade fechada do tubo é zero extremidade aberta (ventre). A simulação em de trabalho adotada no estudo do tubo sonoro. O comprimento de onda neste caso é relacionado ao comprimento L do tubo por

ou

e a freqüência de oscilação pode ser calculada fazendo

logo temos: *Para maiores informações sobre o Ja




L

v

.4≡

f

Através do Software Gram-v6*, analisamos o espectro de freqüência.

Figura 13: Analisando o espectro de frequencia

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

A onda estacionária de menor freqüência que se forma, também chamada de fundamental,ao maior comprimento de onda possível neste tubo. A figura

movimento do ar dentro do tubo. 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

. A simulação em Java * que produziu a figura integra a metodologia de trabalho adotada no estudo do tubo sonoro.

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

e a freqüência de oscilação pode ser calculada fazendo

Para maiores informações sobre o Java sobre ondas longitudinais acesse:



4

λ≡L

λ

vf ≡

http://www.elektrosmog.de/Software/gram6.exe

, também chamada de fundamental, mostra como se dá o

se que o deslocamento das moléculas de ar que estão e que o deslocamento máximo ocorre na

que produziu a figura integra a metodologia

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



http://www.walter-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

fendt.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




f

fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm

Tubo fechado numa extremidade

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

do som usando a seguinte fórmula:




L

v

.4≡

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.walter-



v

v

35000

175

175

=

=

f

Calculo

Foi realizado o experimento onde a freqüência registrada pelo softwar

primeira possibilidade (nó), onde a medida do tubo era de 50

diâmetro.

Usando a fórmula

temos:

F = 175 Hz

V = vamos descobrir

L = 50 cm

Logo:

Relato dos alunos:

“A velocidade do som é calculada em m/s, então transformamos 35000 cm

350 m/s. A velocidade do som se propaga

tentamos provar. Mas o objetivo é chegar a um valor mais próximo possível.




scm

v

35000

200.175

50.4=

L

vf

.4≡

Foi realizado o experimento onde a freqüência registrada pelo softwar

, onde a medida do tubo era de 50 cm de comprimento e 3cm de

é calculada em m/s, então transformamos 35000 cm

. A velocidade do som se propaga a velocidade de 340 m/s

tentamos provar. Mas o objetivo é chegar a um valor mais próximo possível.



Foi realizado o experimento onde a freqüência registrada pelo software foi de 175 Hz na

cm de comprimento e 3cm de

é calculada em m/s, então transformamos 35000 cm/s em

m/s a 15 oC. Foi o que

tentamos provar. Mas o objetivo é chegar a um valor mais próximo possível.”



Visualização da ressonância com pó de

Para esta visualização vamos considerar um tubo aberto nos dois extremos e através da simulação

disponível em http://www.walter

igual a 50 cm e verifique a freqüência para se obter o 1º harmônico:

Fig.15: freqüência observada para a freqüência fundamental do tubo

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) 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.






http://www.walter-fendt.de/ph11br/stlwaves_br.htm fixe o comprimento do 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


conecte a saída de som do classmate a caixa de som.



dativamente) e observe o pó de cortiça. Existirá um valor para o qual o pó irá


freqüência de ressonância do tubo, aberto nos dois extremos.




fixe o comprimento do tubo

igual a 344 Hz




dativamente) e observe o pó de cortiça. Existirá um valor para o qual o pó irá




Figura16: Imagem da tela do gerador de sinais: para baixar o endereço é

http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/search/label/Sine%20Wave%20Generator

Quando isso ocorre temos: � �

propagação do som onde: � �

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




da tela do gerador de sinais: para baixar o endereço é


��

�� , assim podemos obter também o valor de velocidade de

� �. 2

F.. freqüência obtida para a condição de ressonância




da tela do gerador de sinais: para baixar o endereço é


, assim podemos obter também o valor de velocidade de




Para pensar um pouco!!

1) Será que aumentando o tamanho do tubo você espera obter uma freqüência de

ressonância maior ou menor que o valor obtido?

2) O valor obtido para a velocidade do somambiente?* *Acesse o link e confira!!!! http://www.cepa.if.usp.br/e

Links

• http://picintel-profalessandro.blogspot.comencontrar mais detalhes acerca do experimento.

• http://picjrintelpucsp.blogspot.com/Junior da PUC/SP e,m parceria com a Intel

• http://xviiisnefnovastecnologias.blogspom : Link para acesso a informações sobre o kit de acústica.

• http://www.cepa.if.usp.br/edeterminação da velocidade do som publicado em Física na Escola

• Analisador de Espectros Sonoros: Gram V6. Autor: Philip Van Barenwww.monumental.com/rshorne/gram.htmlhttp://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/08/softwaresonora-gram-v6.html

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




ara pensar um pouco!!

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

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

*Acesse o link e confira!!!!

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

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 Junior da PUC/SP e,m parceria com a Intel

http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/search/label/velocidade%20do%20s: 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 artideterminação da velocidade do som publicado em Física na Escola

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

v6.html

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



umentando o tamanho do tubo você espera obter uma freqüência de

ser corrigido com a temperatura

: Blog do projeto onde você irá

: Blog do programa de Iniciação Científica

ot.com/search/label/velocidade%20do%20s

Link para o artigo sobre a

Analisador de Espectros Sonoros: Gram V6. Autor: Philip Van Baren

http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/08/software-de-analise-



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

Referências Bibliográficas

• (PCN) - Parâmetros Curriculares Nacionais Ensino Médio Matemática e suas tecnologias, pag. 229 à 237.

CAVALCANTE, M. A. e TAVOLARO

Escola (suplemento da RBEF) v.4 n.1, maio de 2003.

• http://www.cepa.if.usp.br/e

• BARBETA, V. B. e MARZZULLI, C. R. Experimento D

Velocidade do Som no Ar, Assistido por Computador. RBEF vol. 22 no 4, dezembro de

2000.

OLIVEIRA, L. M.; VEIT, E. A. e S

Física http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/index.html




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

Referências Bibliográficas

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

AVOLARO, C. R. C. Medindo a Velocidade do

(suplemento da RBEF) v.4 n.1, maio de 2003. http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/apoio/textos/a10.pdf

BARBETA, V. B. e MARZZULLI, C. R. Experimento Didático para Determinação da


E. A. e SCHNEIDER, C. Site: Novas Tecnologias no Ensino de

http://www.if.ufrgs.br/cref/ntef/index.html



http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/search/label/Sine%20Wave%20Gen

Ciências da Natureza, Conhecimentos em Física

Medindo a Velocidade do Som. A Física na

idático para Determinação da


: Novas Tecnologias no Ensino de

espectros sonoros- plano de aula

Documents