guia do aluno

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

http://www.arduino.cc/

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);



}

if (componda>725) //desliga os leds para frequencias acima de 750nm

{




}

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(12,HIGH);

}

if (componda>=501,componda<=600)//acende o led verde para indicar a

faixa do verde da franja de difração

{




}

if (componda>=450,componda<=500)//acende o led azul para indicar a

faixa do azul da franja de difração

{




}

}

}

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:


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.

http://fisicamodernaexperimental.blogspot.com/2009/02/espectro-por-projecao-parte-1-de-3.html




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.


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.

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