Adaptação de uma webcam para uso astrofotográfico amador

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Adaptação de uma webcam para uso astrofotográfico amador
(Adapting of a webcam for amateur use astrophotographic)
Edgard Gomes Duarte1, Msc. Edson Benício de Carvalho1, Esp. José
Ricardo Peixoto de Melo1
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Curso de Física - Universidade Católica de Brasília
Este trabalho tem por objetivo a adaptação de uma webcam para astrofotografia. Pretendese facilitar o registro de imagens de observacões feitas por astrônomos amadores. São
apresentadas algumas fotos de planetas do nosso sistema solar, com detalhes suficientes
para realizar estudos sobre seus satélites naturais, e da Lua e suas crateras, obtidas com
auxílio da webcam adaptada, de um computador portátil, de telescópios e alguns programas
de captura e tratamento de imagens. Constata-se que o projeto funciona e que as imagens
capturadas podem ser usadas também para despertar o interesse de alunos pela ciência, e
por conteúdos de física relacionados à astronomia.
Palavras chave: CCDs, adaptação da webcam, astrofotografia.
This work aims to adapt a webcam for astrophotography. It is intended to facilitate the
registration of images from observations made by amateur astronomers. Are some pictures
of planets in our solar system, with enough detail to carry out studies on its natural satellite
and the moon and its craters, obtained with the help of adapted webcam, a laptop, a
telescope and some programs capture and treatment images. And contacting the project
works and captured images can also be used to interest students in science, and physics
content related to astronomy.
Keywords: CCDs, adaptation of webcam, astrophotography.
1. Introdução
Ao olharmos para o céu a olho nu podemos ver imagens que gostaríamos de
guardar por serem muito belas e com o uso de telescópio elas ficam ainda mais
encantadoras. Planetas, constelações, aglomerados e nebulosas, são alguns dos
fantásticos objetos que consegui-se contemplar. Além disso, por meio do registro
dessas imagens diversos estudos científicos podem ser realizados, tornando a
astrofotografia muito importante.
A astrofotografia tem crescido muito acompanhando o desenvolvimento da
tecnologia. Nos Estados Unidos e Europa, as câmeras têm preços mais acessíveis
aos astrônomos amadores, entretanto, aqui no Brasil, elas são muito caras. A
câmera Orion StarShoot Pro V2.0 Deep Space CCD Color, com detector CCD
resfriado, própria para astrofotografia, custa cerca de quatro vezes o preço do
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mesmo equipamento no exterior. Com o preço elevado desses equipamentos tornase necessária outra saída para a astrofotografia amadora, o uso de webcams.
Porém elas precisam ser adaptadas. A Philips SPC900NC, que contém a tecnologia
CCD necessária para obtenção de fotos astronômicas, custa em média trezentos
reais, tornando-a mais acessível.
Uma revolução tomou conta da astronomia com a introdução dos CCDs. Eles
são dispositivos eletrônicos lineares capazes de registrar imagens com uma
eficiência muitas vezes maior do que um filme fotográfico. Por essa razão a
fotografia convencional em astronomia é o análogo hoje ao disco de vinil.
(CACELLA, 2004).
A tecnologia CCD nos permite a captação da informação com bastante
aproveitamento, grande qualidade, com luminosidade muito baixa e grande
eficiência na captura dos fótons. Todos esses itens são importantes para obtenção
de imagens de objetos astronômicos. Mas, também é importante ressaltar que a
câmera que será utilizada para a adaptação é uma webcam e possui grandes
limitações comparadas às CCDs para astrofotografia.
Esse trabalho tem por objetivo principal a adaptação da uma webcam Philips
SPC900NC para uso astrofotográfico amador, permitindo aos astrônomos amadores
a gravarem imagens de suas observações com maior facilidade. Após a adaptação
será possível tirar fotos de qualidade que podem ser usadas não somente como
imagens artísticas, mas como objetos de estudos astronômicos. Mesmo a webcam
não sendo construída para esse fim, é possível registrar imagens importantes que
podem ser usadas para finalidades científicas e educacionais. Portanto podem ser
usadas para estimular o uso da astrofotografia como meio didático para o ensino de
ciências.
2.
Referencial teórico
2.1
CCD (charge-coupled device)
O CCD é um sensor de captação de imagens geradas através da captura dos
elétrons desprendidos pelo efeito fotoelétrico. Existem alguns materiais que são
sensíveis à luz e liberam esses elétrons quando são atingidos por fótons, como o
silício que é usado nos painéis fotovoltaicos e nos minúsculos painéis dos CCDs,
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com tamanho de 125 a 500 micrômetros de espessura e alguns milímetros de
largura (RÉ, 2005). A Figura 1 é a foto de um detector CCD.
Figura 1: chip CCD. Fonte: DYXUM (2011).
Os elétrons que se desprendem do painel são capturados por eletrodos, que
são dispositivos carregados positivamente para a captura de cargas negativas como
os elétrons, e estão espalhados por toda a placa em colunas como na Figura 2, as
quais são isoladas uma das outras para que não ocorram interferências eletrônicas
entre elas. Cada trio de eletrodo forma um “pixel” ou elemento de imagem (RÉ,
2005). Esses elétrons são descarregados em fila, acoplados uns nos outros, daí o
nome CCD (dispositivo de carga acoplada).
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Figura 2: representação das colunas do CCD. Fonte: PUCPR (2011).
Após a descarga desses elétrons é feita a leitura das informações respectivas
a cada pixel, as voltagens desses elementos de imagens são obtidas através da
transferência de carga, esses valores passam por um amplificador, um aparelho que
converte a imagem analógica para digital, logo após é direcionada à memória de um
computador, com isso é possível obter a imagem em um formato digital, podendo
ser processada e gravada. A Figura 3 mostra os pixels de um detector CCD.
.
Figura 3: pixels do CCD. Fonte: ROCKETROBERTS (2011).
O CCD tornou-se o principal sensor em imagem digital. São várias as suas
vantagens: Apresentam pouco ruído, resultando em uma imagem com menos
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interferência. Atualmente estão disponíveis modelos com maior qualidade e maior
número de pixels, garantindo ótimas resoluções de imagens. Sua sensibilidade a luz
é muito grande, registrando objetos com iluminamento, que é o fluxo luminoso que
incide numa determinada superfície, muito pequeno.
Os CCDs produzem ruídos a altas temperaturas, saturando as imagens
quando o tempo de exposição aumenta. Por isso os CCDs para astronomia são
refrigerados para garantir um baixo nível de ruído e, proporcionando, um tempo
maior de exposição que é essencial para obter imagens do céu profundo, sem que
haja interferência na imagem.
2.2
A webcam
Webcam é uma micro câmera que dever ser ligada a um computador, criada
para uso da internet e pode ser usada em videoconferências, produção de vídeos e
imagens. Com exceção das que são embutidas nos notebooks, são portáteis e sua
conexão, na grade maioria, acontece através de um cabo USB.
Alguns itens são bastante importantes na hora de escolher uma webcam
(CARVALHO, 2011):

Webcams com sensor CCD;

Possibilidade de usar altas taxas de gravação de vídeo (ideal entre 5 e 30fps);

Baixa compressão de imagens (alta qualidade), formatos de vídeo
diversificados (.AVI, seqüência .BMP, RAW, etc) e boa resolução (ideal 640x480px);

Que tenha lente de fácil remoção ou que se tenha facilidade em desmontar e
montar a caixa de lentes;

Que tenha, ou permita, o uso de softwares de fácil manuseio com funções de
ajuste dos parâmetros básicos da câmera (exposição, ganho e controle de cores)
plenamente funcionais.
Uma das webcams mais usada pelos astrônomos amadores é a Philips
SPC900NC (Figura 4), comprada por duzentos e noventa reais, possui um sensor
CCD que cumpre todos os requisitos citados.
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Figura 4: Philips SPC900NC.
2.3
Astrofotografia
Astrofotografia é a captura de imagens de objetos astronômicos. Antes de
discorrer sobre suas contribuições, é importante conhecer um pouco de sua história,
mostrando alguns astrônomos e suas importantes realizações.
Destacamos Lewis M. Rutherford (1816-1892) que construiu em 1864 o primeiro
telescópio fotográfico com o principal objetivo de obter imagens astronômicas. De
1874 a 1882 foram realizadas as primeiras tentativas de se detectar a paralaxe solar
e consequentemente determinar a distancia da Terra ao Sol, se baseando em vários
registros fotográficos dos trânsitos de Vênus. Em 1881 na França, M. Janseen
utilizou um telescópio com 500 mm de abertura e fotografou o cometa Tebbut. Ele
conseguiu registrar a calda, um grande avanço para a época. Na descoberta e
estudos de nebulosas e da própria Via Láctea, citamos Paul Henry, Prosper Henry
(os irmãos Henry) e E. E. Barnard, cujas várias astrofotografias realizadas
mostraram as chamadas nebulosas absorção, gigantes nuvens de poeira e gás que
absorvem grande parte da luz incidente. Começamos a ver que tais astrofotografias
já estavam contribuindo para o avanço da Astrofísica [...]. William Huggins (18241910) fotografou a estrela α da constelação de Lira (Estrela Vega) e na imagem, era
possível identificar duas linhas espectrais associadas ao hidrogênio. Ele também
fotografou o espectro do cometa Tebbut já citado anteriormente. (BARRETO E
ALMEIDA, 2009)
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O desenvolvimento da astrofotografia, com o passar dos anos, contribuiu para
vários estudos: a fotometria, que estuda a luz emitida por objetos e como ela é
interpretada pelo olho humano; a astrometria que lida com a posição, tamanho,
distância e movimentos de objetos astronômicos; descoberta das manchas solares,
galáxias e do formato de algumas nebulosas; também auxilia no monitoramento de
planetas e seus satélites, entre outras finalidades.
A astrofotografia também é considerada uma arte, pois para o registro das
imagens de nebulosas, por exemplo, é necessário além do equipamento ideal,
paciência e conhecimento sobre astronomia.
3.
Materiais e métodos
Esse trabalho tem por objetivo principal a adaptação de uma webcam para
uso astrofotográfico amador, com intuito principal de registrar imagens de planetas
do nosso sistema solar e algumas de suas luas.
Será utilizada, nesse estudo, a webcam Philips SPC900NC e três telescópios
diferentes: Celestron NexStar 6" Schmidt Cassegrain, Meade LX 200 8" Schmidt
Cassegrain, de propriedade da Universidade Católica de Brasília, e Seben Star
Sheriff 1000-114 1,25" Reflector Telescope. Em algumas fotos da Lua foi usado um
filtro de luminosidade.
Os programas usados para captura foram o wxAstroCapture e Vlounge,
software original da webcam. Para tratamento foi utilizado o Registax 5. Todos esses
programas são gratuitos, bastando baixá-los da internet, em alguns sites que serão
citados mais a frente.
O objetivo da adaptação é fazer com que a webcam seja ligada ao telescópio
em substituição à ocular. Para tanto é necessário a retirada da lente da câmera e
trocá-la pelo adaptador, além disso, é preciso cobrir o LED, que indica que a
webcam está ligada, pois ao emitir luz causa ruído na imagem capturada. A
adaptação da webcam teve como base o projeto feito por José Luiz 1, com algumas
mudanças e adaptações, visando melhorar o projeto.
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1
José Luiz é o autor de um blog que ensina a adaptação da webcam Philips SPC900NC.
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O adaptador, mostrado na Figura 5, é de alumínio, produzido especialmente
para a adaptação ao focalizador dos telescópios e suas dimensões são: 13 mm de
diâmetro e 10 mm de altura a parte que se encaixa no local da lente da webcam, e
32 mm de diâmetro e 33 mm de altura a parte que se encaixa no lugar da ocular do
telescópio. Essa peça foi confeccionada por um profissional torneiro mecânico.
Figura 5: Adaptador.
O primeiro passo é a escolha das ferramentas e materiais: chaves de fenda
para relojoeiro, canivete para eventuais auxílios na retirada dos parafusos, estilete,
cotonetes, spray preto fosco de esmalte sintético para metais, adaptador e a
webcam, como mostrado na Figura 6.
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Figura 6: Ferramentas necessárias para adaptação da webcam.
Para retirar a lente basta girar totalmente o suporte, mostrado na Figura 7,
para a direita e então puxá-lo, sai com facilidade, um pequeno estalo é normal. A
lente fica livre podendo ser desenroscada para a esquerda, mas não é bom retirá-la
agora, pois protegerá o detector CCD enquanto a câmera é desmontada.
Figura 7: Suporte da lente.
Retiram-se as tampas laterais com auxílio do estilete como na Figura 8. A
tampa é colada e tem três pequenos pinos que ajudam na fixação; gire o estilete em
torno dela com cuidado, e abra devagar como na Figura 9.
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Figura 8: Retirada das laterais.
Figura 9: Retirada das laterais.
A Figura 10 mostra onde devemos pressionar com a chave de fenda, uma das
quatro travas que prendem as partes da capsula da webcam. Basta pressionar as
travas que as partes se separam como na Figura 11.
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Figura 10: Trava da capsula.
Figura 11: Capsula aberta.
A Figura 12 mostra a parte frontal da capa retirada e os dois botões usados
para registrar fotos e filmes no uso normal da webcam.
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Figura 12: Parte frontal da capsula retirada.
A Figura 13 mostra a lente exposta, nesse momento é necessário retirá-la
para que a desmontagem continue.
Figura 13: Retirada da lente
Com a retirada da lente da webcam o sensor CCD fica exposto como
mostrado na Figura 14.
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Figura 14: Sensor CCD.
A Figura 15 mostra a retirada de uma pequena borracha que ajuda na fixação
da capa de proteção do circuito da webcam. Basta retirá-la com o auxílio da chave
de fenda.
Figura 15: retirada da borracha de fixação.
Após a retirada da borracha é necessário destravar a capa de proteção como
mostrado na Figura 16, são dois pinos de cada lado.
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Figura 16: Pinos de travamento da capa de proteção.
A Figura 17 mostra a parte anterior da placa da câmera, que sai junto com a
parte frontal da capa de proteção.
Figura 17: Parte anterior da capa da webcam.
Para facilitar a desmontagem até encontrarmos o LED é necessário retirar o
plugue que liga os cabos na placa da webcam, como mostrado na Figura 18.
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Figura 18: Retirada do plug.
O parafuso mostrado na Figura 19, e o outro do lado oposto da placa devem
ser retirados para que a outra metade da capa de proteção seja retirada e o LED
fique exposto como mostrado na Figura 20.
Figura 19: Retirada do parafuso.
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Figura 20: O LED é mostrado acima do detector CCD.
Para cobrir o LED basta usar o algodão do cotonete, fazer uma pequena bola,
molhar com a tinta preta e colocá-la sobre ele, espere secar um pouco e passe uma
camada de tinta por cima, usando o próprio cotonete, repita esse procedimento até
que chegue a quatro demãos de tinta. O resultado e mostrado na Figura 21.
Figura 21: LED coberto.
Após a cobertura do LED, basta remontar a webcam seguindo os passos
inversos da desmontagem, acoplar o adaptador que foi pintado por dentro com a
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tinta preto fosco, como visto na Figura 22, para diminuir o ruído, e por fim temos a
webcam adaptada mostrada na Figura 23.
Figura 22: Adaptador pintado por dentro.
Figura 23: Webcam adaptada.
Para a captura das fotos é necessário a escolha de um bom lugar para
observação astronômica, ou seja, um local com a menor poluição luminosa possível
e com baixas temperaturas. Para o registro de imagens de planetas é importante
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que o telescópio seja automático, capaz de acompanhar o astro com precisão,
resultando numa melhor qualidade da imagem a ser tratada posteriormente.
Monte o telescópio, aponte-o para o objeto a ser fotografado, observe o
planeta com a ocular verificando se ele está no centro. Após esses procedimentos é
preciso ligar o computador, conectar a webcam, abrir o programa de captura e
acoplá-la no telescópio, como mostra a Figura 24.
Figura 24: Webcam acoplada no telescópio Seben Satr Sheriff 1000-114 1,25" Reflector
Telescope.
A imagem deve aparecer na tela do computador com isso é possível focalizar o
objeto e acionar no programa de captura as ferramentas e opções desejadas, o que
permite iniciar a captura. As imagens são capturadas em forma de vídeo e imagem,
que posteriormente serão tratadas em outro programa.
4.
Resultados e discussão
4.1
Adaptação da webcam
O processo de adaptação foi concluído sem dificuldades, mas é importante
ressaltar que o cuidado como os circuitos é fundamental para não acontecer
nenhum tipo de avaria que comprometa o funcionamento da webcam. A cobertura
do LED foi testada ligando a câmera em um ambiente escuro, e foi comprovado que
nenhuma luminosidade passou por ela. As mudanças que aconteceram em relação
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ao projeto do José Luiz, foi basicamente a troca de alguns passos na desmontagem
e a substituição da fita isolante que cobria o LED pelo algodão molhado na tinta, o
que ao contrário do projeto original, cobriu totalmente a luminosidade do LED.
A pintura do interior do adaptador fez com que a luz capturada pelo telescópio
não refletisse em suas paredes, diminuindo a interferência na imagem obtida.
4.2
Processo de obtenção de imagens
Os programas usados para captura e tratamento de imagens podem ser
encontrados nos seguintes sites:
 Registax: http://www.astronomie.be/registax/download.html.
 wxAstroCapture: http://arnholm.org/astro/software/wxAstroCapture/.
 Vlouge: É o programa original da webcam Philips SPC900NC, vem com a
câmera.
Nesse projeto foram utilizadas apenas configurações básicas dos programas
como mostrado abaixo.
A figura 25 mostra a tela principal do wxAstroCapture:
Figura 25:Tela do wxAstroCapture
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Na tela acima basta clicar na ferramenta camera, e solicitar a conexão da
webcam no programa. A imagem aparece no lugar da tela preta, ao clicar em
properties aparece a tela menor onde se escolhe a quantidade de 30 frames por
minuto, posteriormente captura-se a imagem usando o botão capture, aguarda-se
cerca de 20 segundos e clique no botão stop. O vídeo capturado é enviado para
uma pasta no computador e poderá ser acessado pelo Registax para tratamento.
A figura 26 mostra a tela principal do Vlounge:
Figura 26: tela principal do Vlounge.
Ao clicar no ícone relativo a esse programa, o programa é aberto e na tela
inicial aparece automaticamente a imagem gerada pela webcam, no lugar da
imagem preta. Clicando em video inicia-se a gravação e novamente em clica em
stop para interrupção do vídeo que também é gravado no computador e usado pelo
Registax.
O programa de tratamento Registax tem mais detalhes em sua utilização
portanto é necessário um estudo um pouco maior de suas ferramentas, com isso é
21
preciso acessar um tutorial2 na internet, que fornece todos os passos para o
tratamento de imagens.
4.3
Imagens
As imagens abaixo são resultado da observação com o material descrito
acima, foram observados Júpiter, Saturno e a Lua.
A Figura 27 mostra Júpiter, imagem tirada com auxílio do telescópio menos
potente daqueles citados.
Figura 27: Júpiter. Imagem final obtida com webcam Philips SPC900NC, com o auxílio do
telescópio Seben Star Sheriff 1000-114 1,25" Reflector Telescope, tratada com o software Registax
5. Obtida em 14/05/2011
A Figura 28 mostra Saturno.
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Esse tutorial foi desenvolvido por Luneque Del Rio Junior e está no seguinte site:
http://images.luneque.multiply.multiplycontent.com/attachment/0/S2GQ1gooCswAADH1FAY1/R
egistax_Cookbook_v1.0.pdf?key=luneque:journal:2&nmid=313678896
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Figura 28: Saturno. Imagem final obtida com webcam Philips SPC900NC, com o auxílio do
telescópio Meade LX 200 8" Schmidt Cassegrain, tratada com o software Registax 5. Obtida em
25/04/2011.
A Figura 29 mostra detalhes do espaço entre o planeta saturno e seus anéis.
Figura 29: Saturno. Imagem final obtida com webcam Philips SPC900NC, com o auxílio do
telescópio Meade LX 200 8" Schmidt Cassegrain, tratada e girada com o software Registax 5. Obtida
em 25/04/2011.
Na Figura 30 é possível ver várias crateras da lua em sua fase crescente.
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Figura 30: lua crescente. Imagem final obtida com webcam Philips SPC900NC, com o auxílio
do telescópio Celestron NexStar 6" Schmidt Cassegrain, sem tratamento. Obtida em 25/04/2011.
A Figura 31 mostra a imagem da lua capturada usando o filtro de
luminosidade.
Figura 31: Lua. Imagem final obtida com webcam Philips SPC900NC, com o auxílio do
telescópio Celestron NexStar 6" Schmidt Cassegrain, com filtro de luminosidade, sem tratamento.
Obtida em 14/05/2011.
Outra parte da lua é mostrada na Figura 32, em contraste com o céu
profundo.
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Figura 32: Lua. Imagem final obtida com webcam Philips SPC900NC, com o auxílio do
telescópio Celestron NexStar 6" Schmidt Cassegrain, sem tratamento. Obtida em 14/05/2011.
As fotografias foram feitas usando as ferramentas básicas dos softwares.
Fotos de outros planetas também podem ser capturadas com essa webcam e
quanto maior a capacidade do telescópio mais detalhes serão obtidos dos objetos.
5.
Conclusão
Com base nos resultados acima torna-se viável o uso de webcams, que
contenham a tecnologia CCD, para astrofotografia, obviamente considerando suas
limitações. As fotos mostram detalhes das crateras lunares registrando e mapeando
sua topografia com riqueza de detalhes. As luas de Saturno também podem ser
observadas possibilitando estudar seus movimentos. As informações contidas nas
imagens são imprecisas em termos de espectro e limitadas em número de bits para
se fazer qualquer tipo de fotometria de precisão.
Os problemas com pouco tempo de exposição podem ser parcialmente
contornados adaptando um cooler à placa da câmera, diminuindo sua temperatura.
"De um modo geral, o ruído de uma imagem decresce 50% por cada 6 ºC de
refrigeração. Na maioria das câmeras CCD, o detector só pode ser refrigerado até
cerca de 35 ºC abaixo da temperatura ambiente" (RÉ, 2007). Isso para um projeto
futuro.
Com maior domínio dos softwares de captação e tratamento das imagens é
possível torná-las ainda mais nítidas, por exemplo, usando poucos frames por
25
segundo a imagem gerada tem maior qualidade, porque a velocidade de
transmissão de dados é baixa.
Destaca-se que esse projeto pode ser usado na divulgação do ensino de
ciências, assim como permite tratar de diversos temas na área da Física, não
somente com astronomia, mas também nas Leis de Kepler, Mecânica, Física
Quântica e Ondas, além de promover a interdisciplinaridade com conteúdos da
Química e Biologia.
Agradecimento
Agradeço primeiramente a Deus por ter criado o universo e dado ao homem
inteligência para estudá-lo através da ciência. Aos meus pais e avós que sempre me
deram enorme apoio ao longo da minha vida escolar e acadêmica. A minha esposa
que sempre me incentivou e animou nos momentos difíceis. Ao meu orientador e
professor José Ricardo pela paciência e solicitude com que me guiou durante esse
trabalho. Ao professor Edson Benício, por ter me auxiliado no TCC I e astronomia,
indicando o tema desse trabalho. A todos os professores do curso de Física, que me
passaram tanto conhecimento e me ensinaram a desenvolvê-lo, sem os quais
certamente não conseguiria chegar ao final da graduação e elaborar esse projeto.
Aos meus amigos e familiares que me proporcionaram força e coragem para lutar e
me tornar quem eu sou. Finalmente a todos aqueles que contribuíram para
realização desse trabalho.
6.
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