Roteiro completo da atividade

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Coleta de Dados

Montando o experimento Coletando Dados

Movendo a fonte luz

LIQD com o Arduino: Descrição do Experimento

Este post é dedicado à investigação da Lei do Inverso do Quadrado da Distância (LIQD) com o auxílio do Arduino. 

A seguir, o roteiro resumido do experimento ( você pode ver o roteiro completo clicando aqui)

a) Material:  Régua,  Lanterna, Jumpers e Jumpers Garras Jacaré,   Papel cartão para construção da canaleta, Fita adesiva,  Sensor LRD,  Resistência de 33KOhms, Placa Arduino,  Computador;

      b) Montagem:

•      Primeiramente montamos a placa Arduino segundo o esquema abaixo:

•     O software da placa Arduino é livre é pode ser baixado em http://arduino.cc/  ( neste site você também encontra uma série de códigos e dicas de uso do Arduino). 
•      A seguir programamos a placa Arduino para fazer a leitura da porta serial e retornar o valor da tensão e da resistência no LDR de acordo com a intensidade da luz no ambiente.
•      Prendemos o sensor LDR numa canaleta graduada e protegida da luz do ambiente externo.
•      Uma fonte de luz é movida ao longo da canaleta de 1cm em 1cm. Em cada posição, o LDR lê 10 dados e faz uma média dessas 10 leituras.
•     Esses dados são coletados e transferidos para uma planilha eletrônica na qual a relação distância fonte de luz ao LDR versus resistância é obitda graficamente.
•     Como a intensidade não pode ser calculada diretamente, optou-se por fazer uma relação entre a distância de separação da fonte luminosa com a condutância no LDR (em unidades arbitrárias).
•      Por fim, um gráfico é construído com os dados, para analisar sua relação com a Lei dos Inversos dos Quadrados das Distâncias.

A seguir, o código do programa com o qual a placa Arduino foi alimentada e uma imagem da montagem experimental são fornecidos na sequência desse post.

Mais sobre Intensidade da Luz e LIQD

A Lei do Inverso dos Quadrados é uma relação matemática muito simples, mas de grande importância em diversos campos da física. Podemos observá-la nos estudos de Gravitação, Intensidade Sonora e Intensidade Luminosa, entre outros. A relação pode ser expressa mais simplesmente como: 1/d^2 (um sobre o quadrado da distância.


Ela é consequência do fato de que a radiação emitida por um corpo, ou seja, sua energia, vai se espalhando uniformemente no espaço à medida que se afasta da fonte. Isso faz com que haja um decréscimo no brilho do objeto à medida que a distância aumenta. Assim, observamos a radiação emitida por uma fonte distante como sendo mais fraca por que a maior parte dela foi espalhada em direções que não serão registradas pelo observador.

Raios X ( como uma boa onda eletromagnética)  também obedecem essa lei. Essa propriedade é fundamental no controle dos Raios X na Radiologia.

Essa lei também pode ser aplicada para determinar a intensidade luminosa de estrelas. Geralmente usamos a Terra como referência, e a partir dela, verificamos a intensidade luminosa das Estrela, como o Sol, por exemplo. Mas como conhecemos as distâncias entre o Sol e outros planetas do nosso Sistema Solar, podemos questionar sobre a intensidade da luz do Sol em Mércúrio ou Urano.

Generalidades sobre a Lei do Inverso do Quadrado da Distância

Generalidades sobre a LIQD

Na física, uma lei do inverso do quadrado é qualquer lei que estabelece que uma quantidade física específica ou intensidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte daquela quantidade física.

Essa lei geralmente aplica-se quando alguma força, energia, ou outra quantidade conservada é irradiada radialmente a partir de uma fonte puntual.


Desde que a área superficial de uma esfera (4πr ²) é proporcional ao quadrado do raio, assim que a radiação emitida afasta-se da sua fonte, ela deve se espalhar por uma área que é proporcional ao quadrado da distância dessa fonte.
Portanto, a radiação passando através de qualquer unidade de área é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte puntual.


Onde se observa essa lei?


Gravitação
Força gravitacional



Eletrostática
Força elétrica





Campo elétrico



Acústica
Pressão sonora de uma frente de onda esférica



Velocidade de uma partícula nessa frente de onda esférica



Intensidade sonora



Luz e outras radiações eletromagnéticas

Intensidade luminosa é igual à potência dissipada sobre a área irradiada.

Com o auxílio de um LDR (Light Dependent Resistor) é possível medir a intensidade luminosa de uma fonte puntual posicionada a uma distância fixa do LDR, por exemplo.


Um LDR (do inglês Light Dependent Resistor ou em português Resistor Dependente de Luz) é um tipo de resistor cuja resistência varia conforme a intensidade de radiação eletromagnética do espectro visível que incide sobre ele.

Um LDR é um sensor que converte a luz em valores de resistência. 

É fabricado com sulfeto de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe). 

Sua resistência elétrica diminui quando a intensidade luminosa se eleva. Quando a intensidade da luz diminui, a resistência elétrica no LDR aumenta. 

Pode-se acoplar um multímetro ao LDR e medir a resistência elétrica em situações de escuridão e/ou na presença de luz intensa. 

Os resultados típicos para um LDR padrão são listados abaixo:

• Escuridão : resistência máxima, geralmente acima de 1MOhm.

• Luz muito brilhante : resistência mínima, aproximadamente 100 Ohm.

Assim, com o auxílio de uma escala (uma régua, por exemplo) pode-se deslocar uma fonte luminosa em direção a um LDR e pode-se coletar dados de resistência elétrica no sensor em função da distância de separação entre os dois.

De posse desses dados, pode-se calcular a intensidade da luz em função da distância.

A coleta de dados pode ser realizada de forma automatizada com o auxílio de uma placa de microcontrolador.
O microcontrolador open source Arduino, por exemplo, é uma excelente opção para quem deseja montar um experimento desse tipo e que tem em mente sistematizar o processo de coleta de dados.

Com o microcontrolador, pode-se acoplar o sensor LDR em uma protoboard, criar um circuito elétrico que permita fazer as medições de resistência no LDR e passar esses dados para o computador.

Programando-se adequadamente a placa Arduino, pode-se ainda obter o valor médio da propriedade medida sem a necessidade de remontar o experimento a cada medida feita.

Assim, é possível obter dados consistentes e fidedignos e abordar questões da Física de maneira inovadora e instigante, promovendo uma aprendizagem significativa de conceitos da física e integrando a tecnologia à sala de aula.

Mais sobre o Arduino e o experimento de verificação da Lei do Inverso do Quadrado da distância nos próximos posts.

Arduino

 




Arduino é uma plataforma de prototipagem baseada no uso livre de software e hardware. Ele foi inicialmente planejado para artistas, designs e outros interessados em criar ambientes e objetos.

Não demorou muito para que esta plataforma logo fosse aplicada no Ensino da Física, com inúmeras possibilidades.


O Arduino Duemilanove ("2009") é uma placa de microcontrolador baseada no ATmega328. Ele possui 14 pinos de entrada/saída digital (dos quais 6 podem ser usados como saídas analógicas PWM), 6 entradas analógicas, um cristal oscilador de 16 MHz, uma conexão USB, uma entrada para alimentação, um cabeçalho ICSP e um botão de reset. Ele contém tudo que é necessário para que o microcontrolador funcione; para começar, apenas faça a conexão com um computador através de um cabo USB ou use uma fonte de alimentação de corrente contínua ou uma bateria.

"Duemilanove" significa 2009 em italiano e o nome foi escolhido pelo ano de lançamento. O Duemilanove é a mais recente de uma série de placas Arduino USB.

Para aqueles mais interessados no esquema de montagem da placa há esse link que leva direto para um arquivo PDF no site http://arduino.cc .

Na sequência do post, algumas informações técnicas adicionais do Arduino.