Espectrômetro de luz visível como instrumento didático no Ensino de Física

Estevão Antunes Júnior

Sirlon Mata

Maria Teresinha Xavier Silva

Objetivo

Construir um espectrômetro de luz visível utilizando materiais de baixo custo e desenvolver uma proposta didática para transpor os conceitos físicos envolvidos para alunos do Ensino Médio, de modo que estes conhecimentos se tornem mais acessíveis e atraentes.

Contexto de desenvolvimento

A disciplina de Instrumentação para Laboratório do curso de Licenciatura em Física da UFRGS propõe que seus alunos desenvolvam experimentos voltados para o Ensino Médio discutindo suas possibilidades de uso, com o intuito de inovar as atividades didáticas nas escolas.

Projeto base / licença

PLOTS CERN Open HardwareLicence

Técnica de espectroscopia

Um espectrômetro ótico é um dispositivo que dispersa a radiação emitida por uma fonte, a fim de que seja possível determinar as intensidades correspondentes aos seus comprimentos de onda.

Técnica de espectroscopia

Difração de ondas luminosas

Foi utilizado um DVD como rede de difração para dispersar a radiação emitida pela fonte luminosa, projetando-a sobre o sensor de uma webcam.

Relação de dispersão de Fraunhofer

m λ = d sinθm

Técnica de espectroscopia

Foi medida a intensidade da radiação dispersa em todos os comprimentos de onda aos quais o equipamento é sensível, calibrando a escala de energia com uma fonte conhecida.

Espectro eletromagnético - faixa de sensibilidade do equipamento

Construção

Materiais utilizados:

● uma caixa de VHS como câmara escura;● um DVD sem a camada refletiva como grade

de difração;● fita isolante preta, para evitar vazamentos de

luz;● cartolina preta, para evitar reflexões internas;● uma câmera USB simples como sistema de

detecção.

Construção

Processo de montagem:

Construção

Dificuldades:

● Muitas referências diziam que a montagem era simples e rápida, o que não foi observado na prática.

● Em particular, não foi simples ajustar a posição e o ângulo de inclinação da rede de difração em relação à câmera e à fenda para obter um espectro de transmissão da forma desejada.

Construção

Faça em 15 minutos!

Software de análise

A comunidade do PLOTS também desenvolveu o software Spectral Workbench - um website para capturar, analisar e comparar espectros, possibilitando seu compartilhamento em um banco de dados aberto.

GNU General Public License

Spectral Workbench

Resultados

Espectro de lâmpada fluorescente (utilizado na calibração do espectrômetro)

Resultados

Espectro de lâmpada de vapor de mercúrio (espectro discreto)

Comprimento de emissão nominal: 435,8nm (linha G)Comprimento de emissão obtido experimentalmente: 437nm

Resultados

Espectro de lâmpada incandescente (radiação de corpo negro)

Resultados

Espectro de laser de hélio-neônio

Comprimento de emissão nominal: 632,8nmComprimento de emissão obtido experimentalmente: 629nm

Resultados

Espectro de laser de estado sólido (diodo)

Comprimento de emissão nominal: 532nmComprimento de emissão obtido experimentalmente: 529nm

Resultados

Espectro de fluorescência do corante rodamina 6G

Fonte de excitação: laser de estado sólido (diodo) de 405nm

Proposta pedagógica

● Radiações é um assunto que está na base de grande parte da Física desenvolvida a partir do século XX, especialmente a Mecânica Quântica.

● Introduzir o estudo do espectro eletromagnético pela análise experimental da sua porção visível, cujas propriedades são representativas de todo o espectro.

● A partir do estudo de espectros de diversas naturezas, buscar relacionar questões socialmente relevantes que tenham implicações no cotidiano dos alunos.

Futuras aplicações pedagógicas

● Dentro do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência (PIBID).

● Na disciplina de Física Experimental IV.

● No ensino de Astrofísica.

Exemplos de aplicação

Análise de cervejas

● Quantificação do teor de etanol de cerveja

Exemplos de aplicação

Análise de vinhos

● Determinação do teor de taninos e fenóis no vinho tinto

● Detecção de açúcar adicionado em vinho tinto

Exemplos de aplicação

Análise de café

● Discriminação de café orgânico

● Determinação de cafeína em café descafeinado

Exemplos de aplicação

Outros exemplos de aplicações:

● Na agricultura:

● análise espectral dos níveis de nitrogênio, teor de matéria orgânica e pH do solo;

● detecção de contaminantes em alimentos;● monitoramento de pesticidas (como glifosfato).

● Na medicina: testes de urina.

Possibilidades a serem exploradas

● Aprimorar o sistema ótico, ampliar a faixa de detecção para o infravermelho próximo e explorar o algoritmo de calibração com o intuito de otimizar o ajuste em comprimentos de onda maiores.

● Explorar técnicas de espectroscopia:● de absorção;● de fluorescência / infravermelho próximo;● de emissão;● por reflexão.

● Filmar procedimentos de construção, montagem e calibração, disponibilizando-os no portal do Instituto de Física livremente à comunidade.

Referências

● Spectrometer Curriculum. Disponível em: http://publiclab.org/wiki/spectrometer-curriculum. Acesso em 19/10/2014.● Spectrometer. Disponível em: http://publiclab.org/wiki/spectrometer. Acesso em 19/10/2014.● Desktop Spectrometry Kit. Disponível em: http://publiclab.org/wiki/dsk. Acesso em 19/10/2014.● Video Spectrometer. Disponível em: http://publiclab.org/wiki/video-spectrometer. Acesso em 19/10/2014.● Espectroscopia. Disponível em: http://astro.if.ufrgs.br/telesc/espectroscopia.htm. Acesso em 23/10/2014.● Spectral Workbench. http://publiclab.org/wiki/spectral-workbench. Acesso em 19/10/2014.● Mercury-vapor lamp. Disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury-vapor_lamp. Acesso em 19/10/2014.● Black-body radiation. Disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Black-body_radiation. Acesso em 19/10/2014.● Helium-neon Laser. Disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Helium-neon_laser. Acesso em 19/10/2014.● Rhodamine 6G. Disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Rhodamine_6G. Acesso em 19/10/2014.● Spectral Analysis. Disponível em: http://publiclab.org/wiki/spectral-analysis. Acesso em 19/10/2014.● Spectral yeast tests at Mystic Brewery. Disponível em: http://publiclab.org/notes/warren/8-28-2012/spectral-yeast-tests-mystic-brewery.

Acesso em 19/10/2014.● Wine spectroscopy with Adam Hasler. Disponível em: http://publiclab.org/notes/warren/1-19-2012/wine-spectroscopy-adam-hasler. Acesso

em 19/10/2014.● Testing coffee spectra at Toscanini's. Disponível em: http://publiclab.org/notes/warren/8-29-2012/testing-coffee-spectra-toscaninis. Acesso

em 19/10/2014.

MUITO OBRIGADO!