65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 2. Ensino de Física

APLICAÇÃO DE CÂMERA USB NA REALIZAÇÃO DO EXPERIMENTO DE PÊNDULO SIMPLES

Diogo Santos Silva da Costa - Instituto de Física – UERJ Alan Freitas Machado - Prof. Dr./Orientador – Depto. de Física Teórica – UERJ André Wiermann - Prof. Dr./Co-orientador – COGE - Observatório Nacional – ON

INTRODUÇÃO:

Os laboratórios do Instituto de Física da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, como muitos outros laboratórios de instituições de ensino, enfrentam freqüentes problemas de limitação de recursos. Neste trabalho mostraremos como é possível criar uma excelente ferramenta para o auxílio às tarefas experimentais, com o uso de tecnologia de baixo custo. Para isso, criamos um instrumento capaz de medir a posição e o movimento de objetos alvo em experimentos de Física, utilizando uma câmera USB (webcam) conectada a um computador pessoal. A eletrônica e o conjunto ótico contidos em uma câmera digital moderna constituem os pré requisitos necessários para a construção de tal instrumento. Será detalhado como esta ferramenta foi aplicada em um experimento de pêndulo simples, sendo também apresentado o procedimento necessário para realização desta atividade.

OBJETIVO DO TRABALHO:

O objetivo deste trabalho é demonstrar que tecnologias de baixo custo podem caminhar em conjunto com o ensino de Física, auxiliando na promoção de uma melhoria das condições em que tarefas experimentais são feitas em salas de aula. A metodologia proposta tem ainda potencial para o uso de recursos preexistentes de forma complementar, contribuindo para o seu melhor aproveitamento.

MÉTODOS:

O pêndulo simples se define como um composto por um objeto de massa m (chamada de peso do pêndulo) suspenso por uma das extremidades de um fio inextensível, de massa desprezível e comprimento L, cuja outra extremidade está fixa. Este peso deve oscilar em um plano normal ao que será feita a observação. A montagem do experimento consiste em uma massa esférica suspensa por uma linha fixada a uma haste a certa altura. Uma câmera USB é fixada em uma posição tal que em sua captação de imagens consiga enquadrar toda a trajetória de movimento desta massa, registrando a posição instantânea e, consequentemente, o seu período de oscilação. A aquisição de imagens se dá por meio de dois vídeos. O primeiro é realizado com o pêndulo estático para determinação de sua origem e o segundo com o pêndulo em movimento para determinação de seu período de oscilação. As imagens obtidas pela câmera são processadas por rotinas computacionais criadas especificamente para este trabalho, produzindo dados métricos posicionais e de tempo para a determinação do período de oscilação. Com o período de oscilação do pêndulo e a equação característica do movimento de um pêndulo simples,são realizados os cálculos para a obtenção da aceleração da gravidade local.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

As oscilações descritas pelo pêndulo foram registradas durante dez segundos, realizando uma tomada de imagens a 15 quadros por segundo. A câmera utilizada possui um frame rate máximo de 30 quadros por segundo e uma resolução de 480 x 640 pixels. O comprimento do fio utilizado foi de 34,39 cm e seu erro estimado em 0,05 cm. O período de oscilação calculado pelo programa foi de 1,1843 s e seu erro estimado em 0,0333 s. A aceleração gravitacional determinada foi de 9,68 m/s2 com um erro percentual de 1,28% em relação à aceleração de referência do laboratório. Os resultados obtidos se mostraram extremamente satisfatórios, comprovando a confiabilidade do método neste experimento de pêndulo simples.

CONCLUSÕES:

Foi observada a viabilidade do método proposto. Uma tecnologia de baixo custo e acessível que pode auxiliar nas tarefas experimentais do ensino de Física. Pode-se substituir a maneira habitual em que um aluno faz as medições do período de maneira visual, carregando erros enormes associados às medidas. Tal metodologia não substitui a função do professor na orientação do experimento, tão pouco a função do aluno de utilizar as ferramentas instrumentais do laboratório. Aqui foi demonstrado que através de equipamentos simples pode-se melhorar em muito a aquisição de dados neste experimento. Em escolas técnicas e universidades, a implantação do ensino experimental é algo muito mais natural do que em escolas do ensino médio. Porém esta metodologia se torna perfeitamente funcional em qualquer unidade de ensino. Visto que, mesmo um estudante de ensino médio em uma formação geral, também necessita dos conhecimentos experimentais para uma melhor aceitação da teoria.

Palavras-chave: Física Experimental, Pêndulo Simples, Tecnologia de baixo custo.