Projecto CALIOPE
Desenvolvimento de um Instrumento de Laboratorio Assistido por Computador Orientado ao Ensino da Física

A. M. Gonçalves e A. A. Melo
Departamento de Física da Faculdade de Ciências de Lisboa
M. Helena Pereira
Escola Secundária Eça de Queiroz
Portugal





Plataforma laboratorial desenvolvida

Recorrendo a metodologias estruturadas de análise de sistemas [1], desenvolvemos um instrumento de medida assistido por computador, baseado numa plataforma de hardware expans'vel, explorada atraves de uma interface gráfica com o utilizador. Com base neste instrumento, criamos um ambiente laboratorial de ensino/aprendizagem [2] capaz de responder a diferentes n'veis de ensino: do básico ao universitario introdutorio. Do ponto de vista do hardware, uma pequena unidade externa permite a ligação de diversos sensores/transductores, cobrindo uma vasta gama de grandezas f'sicas mensuraveis, a interfaces digitais e analógico--digitais dispon'veis comercialmente para computadores MS-DOS (ver fig.1). A interface gráfica com o utilizador simula no ecrã do computador, instrumentos reais: básicos, como dataloggers digitais ou anal"gicos, registadores x-y e osciloscopios com memoria; ou específicos como velocímetros ou telémetros. Estes "instrumentos virtuais" permitem visualizar as condições de aquisiçãoo de dados em simultâneo com uma representação gráfica dos mesmos.
 
 

Fig.1. Diagrama de blocos da plataforma de hardware utilizada no projecto CALIOPE





Nenhum dos instrumentos de medida contem procedimentos de análise ou de interpretação de dados. Terminada a aquisição, estes devem ser guardados e posteriormente analisados, normalmente por recurso a folhas de cálculo. É igualmente de notar que a aquisição de dados exige sempre do aluno tomadas de decis‹o expl'citas: tempos de aquisição, amplitudes dos sinais a adquirir, escalas das representações gráficas, e em alguns casos mais complexos, outros parâmetros de funcionamento. Alem disso, a procura das melhores condições experimentais, em vez de se tornar fastidiosa, estimula a "construção" da experiência por parte do aluno, com vantagens acrescidas no processo de aprendizagem.

Exemplos de aplicações

2.1. Um dos "instrumentos virtuais" utilizados no âmbito deste projecto destina-se a determinar a velocidade de passagem de um objecto atraves de lightgates (ou photogates) [3, 4]. Estes detectores de passagem de objectos s‹o essencialmente constitu'dos por um emissor e um sensor de luz colocados frente a frente. Quando um objecto interrompe o feixe, o detector fornece um sinal digital com a duração da interrupção. A amplitude temporal do sinal digital gerado pode ser visualizada, em tempo real, no ecran do computador, bem como o valor medido da velocidade de passagem. Utilizamos este veloc'metro na abordagem dos conceitos de velocidade e aceleração [5]. O objecto móvel e um comboio de brinquedo da LEGO. A situação criada no laboratório e facilmente assemelhável ˆ vida real, de modo que os conceitos introduzidos tenham alem disso significado imediato fora do ambiente laboratorial.

O mesmo comboio tem sido utilizado em conjunção com um telemetro baseado num sensor ultra-sónico, para traçar em tempo real, e em simultâneo, curvas de velocidade e posição, criando condições para a abordagem da noção de velocidade como uma grandeza com sinal.
 
 





Fig. 2. Painel de um instrumento utilizado na aquisição de dados referente ˆ queda de um corpo. S‹o vis'veis os quatro sinais digitais correspondentes a cada uma das 4 lightgates utilizadas. Verifica--se facilmente que a largura e o intervalo de tempo entre cada dois sinais consecutivos diminui, de acordo qualitativamente com a hipótese de se tratar da queda de um objecto apenas sujeito ao seu próprio peso.

2.2. As lightgates podem tambem ser utilizadas para registar a queda de corpos. Como se pode observar na fig. 2, o instrumento n‹o mede a aceleração da gravidade. Contudo, os dados obtidos permitem ao aluno traçar o gráfico da velocidade em função do tempo e determinar o declive da recta obtida. A procura das condições experimentais ideais, essencialmente determinadas pela verticalidade da montagem, conduz normalmente ˆ obtenção de valores de g próximos de (9,8±0,05)m/s2.

Uma montagem semelhante pode ser utilizada para estudar a queda de corpos em liquidos de elevada viscosidade. A comparação entre os resultados obtidos numa situação de queda livre e os obtidos em meio denso, e essencial para a compreens‹o do efeito da resistência do ar (e de outros fluidos) sobre o movimento dos corpos, e em especial, para explicar a existência de uma velocidade limite.

2.3. Em situações que obriguem ao conhecimento das forças envolvidas, e necessário associar ˆs lightgates, ou aos sensores œltra-sónicos, sensores de força baseados em fenómenos de transdução electrica ou magnetica, cuja compreens‹o está para alem dos conhecimentos dos alunos. O estabelecimento da ligação sensorial entre a força aplicada e o resultado visual obtido atraves do instrumento de medida, representado em tempo real no ecr‹ do computador, permite ultrapassar esta aparente dificuldade.

2.4. As experiências clássicas de Faraday no dom'nio da indução electromagnetica podem igualmente ser visualizadas e registadas num computador utilizando o datalogger. O protótipo dessas experiências consiste em mover um 'man atraves de uma bobine, dita de pick-up, e recolher o sinal electrico produzido. O aluno ao mover o 'man, aperceber-se-á empiricamente da relação entre a forma e a amplitude do sinal produzido e o sentido e a velocidade de deslocamento do 'man. Para este estudo desenvolvemos uma montagem constitu'da por um tubo de queda ao longo do qual se disp›em 6 bobines de pick-up ligadas em serie [6].

2.5. O mesmo datalogger permite igualmente registar outros sinais analógicos que variem no tempo. Experiências que visam o estudo da variação da resistência de um fio metálico com a temperatura, ou a visualização dos sinais transientes que se desenvolvem num circuito electrico simples quando se liga a alimentação, estes com uma persistência temporal da ordem dos micro-segundos, foram desenvolvidas e encontram-se dispon'veis para utilização didáctica.