1 Licenciatura Noturna em Física Instituto de Física Centro de Ciências Matemáticas e da...

1

Licenciatura Noturna em FísicaInstituto de FísicaCentro de Ciências Matemáticas e da NaturezaUniversidade Federal do Rio de Janeiro

PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO

TERMOMETRIA ATRAVÉS DO COMPUTADOR

AlunoBernardo de Mello Medina Isidoro Lopes

OrientadoresRoberto Pimentel (CAp-UFRJ)

Carlos Eduardo M. Aguiar (IF-UFRJ)

2

Objetivos do trabalho

Construir um termômetro

Calibrar

Realizar experimentosqualitativos

Aplicar em sala de aula

1 2

34

Tem

pera

tura

Tempo

CAp-UFRJ

R

T

3

Vantagens do termômetro proposto

• Separação espacial entre o sensor e a unidade de leitura

• Medição em locais de difícil acesso

• Armazenamento instantâneo dos dados no computador

• Armazenamento de grande quantidade de dados

• Detecção de variações de temperatura muito rápidas ou muito lentas

• Acompanhamento da evolução temporal da temperatura

• Realização de até 3 medições simultâneas (com 3 sensores)

4

O joystick de computador

5

Personagens do trabalho...

Computador com porta de jogos DB-15

Termistores NTC da ordem de 30 k

Cabo extensor

Software para aquisição de dados

6

Montagem do termômetro: Data-MAP

Pinagem

7

Separação dos fios

termistor

8

Data-MAP montado

9

Calibração: resistência vs. temperatura

TbaeTR /)(

a

Rb

RTln

)(

Dependência exponencial

apenas 2 parâmetros

a, b

10

Qualidade do ajuste exponencial

20ºC

60ºC

100 k

aT

bR ln1

ln

11

Encontrando os parâmetros para

Temperatura

a= .....

b= .....

T1

T2

R2

R1

Resistência

a

Rb

RTln

)(

12

Curvas R x T característicasdos termistores utilizados

10 k temperaturas baixas

30 k temperaturas medianas

100 k temperaturas altas

13

Data-MAP pronto e calibrado!

Temos um termômetro!

10 k

30 k

100 k

Experimentos!

14

Comprimido de Cebion30 k

15

Comprimido de Cebion: dados30 k

adição de comprimido

16

Massinha de modelar30 k

pancada

17

Investigando o congelador

10 k

18

Abrindo a porta do congelador

10 k

15 s

30 s

60 s

19

Panela de macarrão

S1: no fundo (em contato direto com o metal)S2: dentro da própria águaS3: na alça da panela, que também é de aço inox

20

Panela de macarrão: dados 100 k

21

Aquecimento do metal100 k

22

Aquecimento do metal: dados

23

Efeito “Picanha”

24

Condução vs. Convecção 100 k

25

Condução vs. Convecção: dados

26

Resfriamento do Café

ktambamb et 0)(

100 k

Dados experimentais

Previsão Newtoniana

27

Resfriamento do Café dentro da garrafa térmica

28

Temperatura ambiente ao longo de 24 horas

meio-dia

100 k

dia quente

29

Comparando a temperatura dentro do quarto e na varanda 100 k

dia nublado e frio

30

Evaporação com álcool30 k

31

Sensibilidade da pele

30 k

30 k

30 k

32

Superresfriamento

tiosulfato de sódio

banho maria

100 k

33

Superresfriamento: dados

perturbação do sistema

transição de fase

34

Efeito M’Pemba

água quente (90ºC) água morna (50ºC)

S1 S2

35

Efeito M’Pemba: dados

10 k

início da solidificação solidificação completa para S1

36

Aplicação do Trabalho no CAp-UFRJ

Proposta aos alunos

• Montagem do termômetro

• Calibração

• Aplicação em projeto de pesquisa

37

Palestra inaugural com Prof. Carlos Aguiar

38

Oficinas de montagem com os alunos

39

Resultados da aplicação em 2005

Ilustração do trabalho entregue por um dos grupos

40

Problemas em 2005...

• Extensão do trabalho para dois bimestres, sendo

3º bimestre: montagem, calibração e experimento padrão4º bimestre: proposta e realização de experimento livre

• Termistores fornecidos “gratuitamente”

• Maior facilidade de acesso aos computadores

• Licenciandos e alunos da 3ª série como monitores da atividade em auxílio aos grupos

...modificações na aplicação em 2006

41

Resultados de 2006Experimento: “Elevador de Feijão”

Gabriel, Fábio, Lucas Djahjah, Luiz Felipe e Renato

Alunos da 2ª série do Ensino médio - Professor Beto Pimentel

42

Resultados de 2006Experimento: “Elevador de Feijão”

1 saco de feijão de 1 kg

43

Resultados de 2006Experimento: “Elevador de Feijão”

4 sacos de feijão de 1 kg

44

Resultados de 2006Experimento: “Elevador de Feijão”

1

2

3

4

5

45

Resultados de 2006Experimento: “Temperatura e Freqüência Cardíaca”

Fernanda Luz, Marina de Abreu e Raíza de Oliveira

Alunos da 2ª série do Ensino médio, 2006 - Professor Beto Pimentel

46

1- Indivíduo parado em pé 10 minutos2- Indivíduo andando rápido 2 minutos3- Indivíduo trotando 2 minutos4- Indivíduo dando pulinhos na lateral 3 minutos5- Indivíduo subindo e descendo de uma cadeira, alternando os pés 3 minutos6- Indivíduo andando devagar 5 minutos7- Indivíduo parado em pé 5 minutos

Resultados de 2006Experimento: “Temperatura e Freqüência Cardíaca”

47

Resultados de 2006Experimento: “Temperatura e Freqüência Cardíaca”

48

Resultados de 2006Experimento: “Temperatura e Freqüência Cardíaca”

49

Resultados de 2006Experimento: “Temperatura e Freqüência Cardíaca”

50

Conclusões

• Bons resultados qualitativos • Alguns compatíveis com os esperados, outros surpreendentes• Possibilidades de aprofundamento experimental• Possibilidades de modelamento matemático e/ou computacional

• Saída da rotina de sala de aula• Criação de um “mini-laboratótio” de física térmica • Conhecimento de princípios de medição indireta• Desenvolvimento de postura investigativa nos alunos• Descoberta dos próprios resultados científicos• Sem comprometimento do programa de Física da Escola• Possibilidade de interdisciplinaridade

Aplicação no CAp-UFRJ

Gerais

51

O protótipo “Data-MAP-1”

52

Programa de aquisição de dados