Português - PUC-SP

Pontifícia Universidade Católica de São Paulo
Iniciação Cientifica Junior na PUC/SP e desenvolvimento de atividades
experimentais em Física utilizando o Classmate PC
ANÁLISE DA QUEDA LIVRE DE UMA RÉGUA
UTILIZANDO FOTOTRANSISTOR
Plano de aula
Prof. Roger Willians Corrêa
Alunos da 3ª série do ensino médio da E.E. Profa. Alayde Domingues
Couto Macedo
Danillo Leonardo Soares de Carvalho
Irisnelda Alves de Matos
Sarah Rocksane Santos Silva de Araujo
Supervisão Profa. Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP) e Profa.
Marisa Almeida Cavalcante (PUC/SP)
Julho de 2009
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experimentais em Física utilizando o Classmate PC
Objetivos
Compreender as características do movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV).
Medir o valor da aceleração da gravidade local. Entender o funcionamento de alguns componentes
eletrônicos.
Conteúdo
Queda livre de um corpo sujeito à ação gravitacional. Características cinemáticas de um
corpo em movimento retilíneo uniformemente variado (MRUV): variação de sua posição em
função do tempo e gráfico, variação de sua velocidade em função do tempo e gráfico. Eletricidade
e componentes eletrônicos.
Competências e habilidades
Representação e comunicação
• Utilizar e compreender tabelas, gráficos e relações matemáticas gráficas para expressão do
saber físico.
• Expressar-se corretamente utilizando a linguagem física adequada e elementos de sua
representação simbólica.
Investigação e compreensão
• Conhecer e utilizar conceitos físicos. Relacionar grandezas, quantificar, identificar
parâmetros relevantes. Compreender e utilizar leis e teorias físicas.
• Construir e investigar situações-problema, identificar a situação física, utilizar modelos
físicos, generalizar de uma a outra situação, prever, avaliar, analisar previsões.
Percepção sociocultural e histórica
• Reconhecer a física como construção humana, aspectos de sua história e relações com o
contexto cultural, social, político e econômico.
Materiais utilizados
Um circuito montado em série utilizando: resistor, fototransistor, bateria 9V e led. Régua
transparente com fitas adesivas opacas, ponteira laser, duas garras jacaré, fio, plug para a entrada
de som do Classmate, softwares para análise de dados (utilizamos o Audacity, um software gratuito
de edição e análise de som e planilha de cálculo).
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Montagem
Primeiramente montaremos o circuito em série, conforme a figura a seguir:
Deve-se tomar cuidado com a correta polaridade do fototransistor e do led, de forma que
ao se iluminar o fototransistor com a ponteira laser o led acenda.
Conectaremos as duas garras jacaré às conexões do plug de microfone. Estas garras serão
presas aos terminais do resistor. A foto abaixo mostra a montagem do experimento:
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A seguir vemos detalhes do resistor ligado ao led, a conexão do plug à entrada de
microfone do Classmate, o fototransistor e a ponteira laser em seus respectivos suportes.
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Funcionamento
Quando o laser ilumina o fototransistor, ele passa a conduzir corrente elétrica. Quando a
incidência de luz diminui ou cessa, a corrente também diminui ou cessa. Quando a corrente
percorrer o circuito haverá nos terminais do resistor uma ddp proporcional ao valor desta corrente,
que será enviada à placa de som do Classmate.
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Ligado o laser, fazemos com que sua luz ilumine o fototransistor. Deixamos a régua cair
livremente, interrompendo a luz que chega ao fototransistor, variando assim a corrente no circuito.
Esta variação ocasionará variações de tensão, que serão captadas através do software com o
comando Gravar. Serão registradas, assim, os tempos onde ocorrem as alternâncias entre partes
claras e escuras da régua ao passar entre o laser e o fototransistor. Observe a figura a seguir:
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A aquisição de dados é feita tomando-se as posições dos pontos de transição escuro/claro,
claro/escuro e os respectivos valores de tempos, utilizando a escala de tempo da barra inferior do
software.
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Monta-se uma tabela destes valores e, com esta, o gráfico de posições em função dos
tempos:
Queda da régua
tempo (s)
posição (cm)
35,00
0,00
1,1054
1,49
30,00
1,1170
2,99
25,00
1,1267
4,48
1,1371
5,97
1,1457
7,46
1,1549
8,96
1,1626
10,45
1,1711
11,94
1,1783
13,44
1,1861
14,93
1,1927
16,42
1,2000
17,91
1,2064
19,41
1,2133
20,90
Posição (cm)
1,0933
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
1,0800
1,1000
1,1200
1,1400
1,1600
1,1800
Tempo (s)
1,2000
1,2200
1,2400
1,2600
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1,2192
22,39
1,2257
23,89
1,2313
25,38
1,2377
26,87
1,2431
28,36
1,2489
29,86
1,2541
31,35
Usa-se uma planilha de cálculos para, a partir do gráfico, fazer uma regressão quadrática e
obter o valor da aceleração da gravidade. Foram obtidos os seguintes valores:
Equação da curva: y = 489,23x2 - 953,78x + 457,99
Como a função de posição do movimento retilíneo uniformemente variado é
S = S0 + V0.t + (a/2).t2, o número que acompanha o termo quadrático na equação da curva equivale
à metade do valor da aceleração da gravidade.
Multiplicando 489,23 por 2 e dividindo por 100 (para ajustar a unidade de aceleração para
2
m/s ) , encontramos g= 9,78 m/s2.
Sugestão para divisão do experimento em aulas
Aula 1: Revisão: Queda livre de um corpo; montagem do circuito e breve explicação sobre seus
componentes.
Aula 2: Tomada de dados
Aula 3: Confecção do gráfico e cálculo do valor da aceleração da gravidade. Considerações finais.
Considerações finais
Medir o valor da aceleração da gravidade de um corpo em queda livre exige a tomada de
intervalos de tempo. Utilizar um cronômetro com acionamento manual não é muito preciso. Neste
experimento utilizamos o computador e componentes eletrônicos de baixo custo para encontrar
este valor. O apelo que o uso do computador exerce sobre adolescentes favorece o interesse dos
alunos para a realização do experimento e uma aprendizagem mais atraente dos conceitos físicos.
O valor da aceleração gravitacional de um local depende de sua latitude e altitude. Assim, é
necessário saber estes dois valores para encontrar g de forma mais precisa para fins de
comparação com o valor encontrado experimentalmente.
Uma outra maneira de encontrar o valor da aceleração da gravidade é construir o gráfico da
velocidade da régua em função do tempo. Como a função de velocidade do MRUV é V = V0 + a.t, o
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coeficiente angular da reta obtida neste gráfico resulta no valor da gravidade. Para maiores
informações, buscar em "Experimentos de Física com o gravador do PC", em links.
Links
Blog com mais informações sobre o experimento
http://www.picintel-profroger.blogspot.com/
• Texto sobre conversão de sinais analógico-digitais
http://xviiisnefnovastecnologias.blogspot.com/2009/01/texto-de-orientao-paraoficina-de-novas.html
• "Experimentos de Física com o Gravador do PC", Carlos Eduardo Aguiar - UFRJ
http://omnis.if.ufrj.br/~carlos/palestras/fisicaGravador/fisicaGravadorLimc.pdf
• "Variação da aceleração da Gravidade com a Latitude e Altitude", Wilson Lopes Departamento de Física, Universidade Guarulhos.
http://www.periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/viewFile/9106/8450
• Latitude e longitude de cidades brasileiras
http://www.apolo11.com/latlon.php
• Latitude, longitude, altitude e outros dados geográficos de todo o planeta
http://www.earthtools.org/
• Script para cálculo cálculo da gravidade local a partir de latitude e altitude
http://www.picintel-profroger.blogspot.com/#calc
•