Construção de um detector de movimentos a laser

Outro projecto orientado pelo prof. Orlando Gonçalves, com vista à participação na VI Mostra Nacional de Ciência/20.º Concurso de Jovens Cientistas e Investigadores, foi a construção de um detector de movimentos a laser pelos alunos João Gil Ferreira (da turma 9.º/5.ª) e Alexandre Coelho, Jéssica Nunes e Mariana Costa (da turma 9.º/6.ª).

Fruto do interesse deste grupo de alunos pela área da electrónica (ver o website feira de ciências para um conjunto de tutoriais sobre electrónica básica), a construção do detector foi precedida pela tentativa de construção de um outro detector: um detector de metais para 'caça ao tessouro', que não foi bem sucedida dada a impossibilidade de obtenção de uma das peças-chave do respectivo circuito electrónico: o circuito integrado CS209A.

Após discussão de ideias e pesquisa na internet, em especial no website www.instructables.com, os alunos decidiram-se pela construção dum detector de movimentos com sensor de laser e sirene, i. é, um circuito de alarme contra intrusos como o que se pode ver no seguinte vídeo (embora o projecto desenvolvido pelos alunos seja ligeiramente diferente):





O material utilizado pelos alunos pode ser visualizado abaixo (todo ele de baixo custo e fácil de adquirir):                                                       

1. sirene de 100 dB;
2. resistência variável de 5 kΩ;
3. transístor 2N3904 (de tipo npn);
4. resistência variável com a luz (LDR);
5. placa de circuito;
6. condensador de 1000 μF;
7. pilha de 9V GRUNDIG.

A conectar os vários elementos foram utilizados fios de ligação com crocodilos. A construção do circuito, executada essencialmente pelo aluno João Gil Ferreira, teve por base o diagrama esquemático que se apresenta a seguir (elaborado com a ajuda do Sr. Ciprião Esteves):

 

 

O transístor (elemento constituído por três componentes, o emissor, e, o colector, c, e a base, b) foi a peça mais problemática de instalar, dado que, numa 1.ª tentativa de construção do circuito, a troca da base com o emissor resultou num curto-circuito. Não obstante esse percalço, a construção do detector acabou por ser o primeiro projecto com a parte prática concluída; relativamente à parte escrita, o desempenho do grupo foi menos responsável, tendo sido avaliado com as menções de Satisfaz e Satisfaz Minimamente no relatório do trabalho de grupo e póster científico, respectivamente.





A montagem do circuito (ilustrada nas duas fotografias acima) começou pela ligação dos fios de ligação, da pilha, do condensador e do LDR à placa de circuito, de molde a conectá-los à sirene. Numa 2.ª fase, procedeu-se a soldagem dos vários componentes na placa de circuito, obtendo-se como resultado final (após acabamentos estéticos) o projecto visível na fotografia abaixo (laser + caixa preta contendo o circuito detector), totalmente funcional!  

 

Visita de estudo ao Centro de Ciência Viva de Sintra (20 de Março)

A 20 de Março, os alunos inscritos no horário da prof.ª Laura Pinto participaram numa visita de estudo ao Centro de Ciência Viva de Sintra (CCVSintra), onde puderam realizar as actividades dos 29 módulos interactivos do centro, distribuídos por cinco áreas temáticas (Água, Corpo Humano, Fenómenos da Física e da Química, Ambiente e Astronomia).

Para além das actividades anteriores, os alunos participaram também em duas actividades conduzidas por colaboradores do CCVSintra, directamente relacionadas com conteúdos abordados na disciplina de Físico-Química do 8.º ano, a saber: reacções de precipitação e de ácido-base. A escolha dessas actividades residiu no facto de a maioria dos alunos na visita serem do 8.º ano de escolaridade.

A balanço da visita resultou bastante positivo, dada a adesão e gosto demonstrado pelos alunos na realização das várias actividades propostas.

Abaixo apresentam-se algumas fotografias ilustrativas da visita de estudo ao CCVSintra.

Exposição e demonstrações de Química no espaço polivalente (13 e 20 de Março)

De 12 a 23 de Março, esteve patente no espaço polivalente da escola uma exposição sobre Química, originalmente apresentada na Festa do Avante, em Setembro de 2011, a propósito da celebração do Ano Internacional da Química (ver aqui e aqui para mais detalhes).
A par da exposição, nos dias 13 e 20 de Março, os alunos do Clube de Ciências inscritos no horário da prof.ª Laura Pinto, foram responsáveis por várias actividades experimentais de demonstração de conceitos de Química direccionadas a alunos dos 1.º e 2.º ciclos do agrupamento escolar. As referidas actividades incluíram:

• experiências de cromatografia em papel;
• reacções ácido-base de bicarbonato de sódio com vinagre (ver aqui para mais detalhes sobre esta reacção química);
• experiência do 'leite mágico' (ver aqui para mais detalhes sobre a expeiência);
• reacções envolvendo o uso de indicador(es) ácido-base com vista à escrita de "mensagens secretas", tornadas visíveis pela mudança de cor do(s) indicador(es).

A 13 de Março, as actividades experimentais foram realizadas para alunos do 5.º ano da EB 2, 3 Roque Gameiro. Já no dia 20 de Março as demonstrações foram realizadas para quatro turmas: uma da EB1/JI Vasco Martins Rebolo (3.º ano); outra da EB1 Gago Coutinho (4.º ano) e duas da EB1/JI Terra dos Arcos (4.º ano).

As actividades realizadas nos dois dias decorreram bastante bem, sendo disso ilustração as fotografias abaixo.

 

Sessão de divulgação da VI Mostra Nacional de Ciência (13 de Fevereiro)

Na sequência de contactos efectuados com a Fundação da Juventude (entidade organizadora da Mostra Nacional de Ciência/Concurso de Jovens Cientistas e Investigadores), realizou-se a 13 de Fevereiro, na sala E.4.1 da escola, uma sessão de divulgação do âmbito e objectivos da VI Mostra Nacional de Ciência/20.º Concurso de Jovens Cientistas e Investigadores aos alunos do clube inscritos no horário do prof. Orlando R. Gonçalves, bem como de motivação à participação no referido evento.

Mascote da VI Mostra
Nacional de Ciência.

 A sessão, dada pela Dr.ª Paula Graça da Fundação da Juventude, despertou bastante interesse por parte dos alunos presentes (distribuídos por quatro grupos, cada um deles com o seu projecto de ciências [ver aqui para mais detalhes]), tendo estes colocado várias questões sobre as etapas de participação na Mostra.  

 

A finalizar a sessão, foram distribuídos por todos os grupos de alunos catálogos da V Mostra Nacional de Ciência (ocorrida em Maio de 2011), tendo sido ainda projectado um pequeno vídeo motivacional/ilustrativo do ambiente deste tipo de eventos, neste caso relativo à IV Mostra Nacional de Ciência (ver vídeo abaixo).

Construção de uma câmara de nevoeiro (visita de estudo à Esc. Secundária Braancamp Freire)

No âmbito do trabalho de projecto "Construção de uma Câmara de Nevoeiro", desenvolvido pelos alunos Jeenal Mangi, João Carlos Antunes, José Rafael Correia e Tiago Martins (da turma 9.º/6.ª), com vista à participação na VI Mostra Nacional de Ciência, realizou-se a 23 de Novembro uma visita de estudo ao clube de ciências da Escola Secundária Braancamp Freire (ESBF) para esclarecimento de dúvidas sobre aspectos práticos da montagem da câmara, nomeadamente: (i) a sua estrutura; (ii) o seu isolamento térmico e formas de aquecimento; (iii) contactos para o fornecimento do "gelo seco" necessário ao arrefecimento da base da câmara e fontes naturais de radiação alfa.

A visita decorreu dentro da normalidade (agradecendo-se desde já a disponibilidade dos prof. do clube de ciências da ESBF), possibilitando aos alunos obterem informações complementares às pesquisadas na internet (ver aqui o protocolo principal seguido, arquivado no website Science in School), dada a experiência prévia dos prof. do clube com o trabalho em causa.

Legenda: rastos de partículas alfa emitidas por rochas radioactivas numa câmara de nevoeiro [projecto "Detectar Raios Cósmicos e Radioactividade na Terra" do clube de ciências da ESBF (ano lectivo 2009-10)].

Não obstante as dicas dadas pelos prof., o ponto central da visita (o esclarecimento de detalhes práticos relacionados com a construção duma câmara de nevoeiro artesanal) acabou por não ter o sucesso desejado, uma vez que a câmara de nevoeiro do clube de ciências da ESBF era uma câmara construída pelo LIP (Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas) e não uma câmara artesanal (objectivo de participação dos alunos na Mostra Nacional de Ciência).                                                                                                                             

Ainda assim, após a visita de estudo, e com o auxílio do prof. coordenador do projecto (Orlando R. Gonçalves), os alunos encetaram a construção da câmara de nevoeiro a partir dum aquário de vidro (marca BOYU) e dum tabuleiro de madeira e duma base de apoio metálica construídos especificamente para o efeito, tendo a câmara ficado concluída em finais de Abril (as fotografias seguintes procuram ilustrar as várias fases desse processo: pesquisa, preparação, montagem e fase de testes).

                                                                                                                       

O tabuleiro de madeira e a base de apoio metálica foram mandados fazer (pelo prof. coordenador do projecto) a partir de desenhos esquemáticos elaborados pelo aluno José Rafael Correia (cf. imagens seguintes).

   

Além da parte prática (construção da câmara de nevoeiro e subsequente fase de testes), os alunos tiveram também de executar a parte escrita do projecto, sendo de realçar aí o esforço e empenho da aluna Jeenal Mangi (principal responsável pela execução do póster científico e relatório do trabalho de grupo, ambos avaliados com a menção qualiativa de Bom).

Visita de estudo às exposições "A Física no Dia-a-Dia" e "Explora" (Pavilhão do Conhecimento)

A 13 de Dezembro de 2011, os alunos inscritos no horário da prof.ª Laura Pinto realizaram uma visita de estudo às exposições "A Física no Dia-a-Dia" e "Explora", patentes no Pavilhão do Conhecimento/Centro de Ciência Viva.

Pese embora a perda dos registos fotográficos da mesma, é de se notar qe os alunos gostaram muito da visita.

A exposição "A Física no Dia-a-Dia", baseada no livro homónino do grande divulgador e prof. de Ciências Físico-Químicas Rómulo de Carvalho, teve por objectivo explicar várias leis e princípios da física clássica através de objectos simples do quotidiano, organizados de acordo com as divisões de uma casa (quarto, sala, escritório, despensa, cozinha e jardim), servindo cada divisão para explorar as principais áreas da física clássica.

Assente numa grande interactividade, a exposição assumiu como ponto central a total ausência de computadores (ou outros aparelhos electrónicos complexos) e a simplicidade dos vários módulos apresentados.

Já a exposição "Explora", uma das exposições permamentes do pavilhão, é já um clássico dos museus/centros de divulgação de ciência de todo o mundo, tendo sido inicialmente concebida para o Exploratorium de S. Francisco (EUA).
Os módulos da exposição encontram-se divididos por 5 áreas temáticas, intimamente relacionadas com a física, a saber:

• Luz;
• Visão;
• Percepção (ilusões de óptica);
• Ondas;
• e Sistemas Complexos.

Reacções características dos metais alcalinos e alcalino-terrosos

Como trabalho de projecto no clube de ciências, durante o 1.º período, o aluno Pedro Reis (da turma 9.º/7.ª) estudou algumas das reacções químicas características dos grupos 1 e 2 da tabela periódica (TP): os metais alcalinos e alcalino-terrosos. 

Muito reactivos, estes metais ardem com facilidade através de reacções de combustão com o O2(g) do ar, libertando-se no processo grandes quantidades de energia (geralmente na forma de luz e calor). As equações químicas dessas reacções são:

• Grupo 1: 4M(s) + O2(g) --> 2M2O(s) + energia   (M = Li, Na, K, ...)
• Grupo 2: 2M(s) + O2(g) --> 2MO(s) + energia    (M = Be, Mg, Ca, ...)

sendo as combustões dos primeiros muito mais energéticas que as dos segundos (no caso do cálcio, Ca, o calor libertado por uma simples lamparina de álcool é insuficiente para desencadear a reacção).

Estas reacções já tinham sido efectuadas nas sessões do clube do ano passado, todavia, neste ano lectivo, foi possível estudá-las com mais pormenor, bem como proceder a novos registos gráficos, como demonstra o seguinte vídeo da combustão do magnésio, Mg(s).

Outras combustões realizadas foram as do lítio, Li(s), e do potássio, K(s), ambos metais do grupo 1 da TP.

 

As combustões destes metais foram também estudadas nas aulas de Físico-Química do 9.º ano, tendo-se utilizado nas aulas das turmas 9.º/2.ª, 5.ª e 6.ª o espectroscópio construído pelo aluno José Rafael Correia (ver aqui para mais detalhes), para observação das riscas espectrais emitidas pelos átomos desses elementos aquando das reacções de combustão.

As imagens abaixo correspondem aos espectros de emissão esperados para os metais estudados: lítio, sódio e magnésio [fonte: wikipédia em língua inglesa].

Fig.1: Espectro de emissão dos átomos de lítio, Li [grupo 1 da TP].

Fig.2: Espectro de emissão dos átomos de sódio, Na [grupo 1 da TP].

Fig.3: Espectro de emissão dos átomos de magnésio, Mg [grupo 2 da TP].



Dos três espectros, apenas a risca verde do Mg foi visível com o espectroscópio construído, dada a intensidade da luz emitida durante a respectiva combustão. As riscas dos restantes espectros não puderam ser inequivocmente identificadas/visualizadas, pelo que, no próximo ano lectivo, um dos materiais a adquirir para o clube será um espectroscópio de bolso (não artesanal).

As riscas visíveis em cada um dos espectros resultam das transições dos electrões de valência dos átomos em causa (1 electrão no caso dos metais alcalinos e 2 electrões no caso dos alcalino-terrosos) quando "descem a escada energética" dos estados de maior energia (estados excitados) para o estado fundamental (estado de menor energia possível). 
As cores das radiações emitidas nestas transições (por metais destes grupos e de muitos outros) são a base dos famosos "fogos-de-artifício".

Outra reacção estudada pelo aluno Pedro Reis (e também nas aulas de Físico-Química) foi a reactividade com a água dos metais dos grupos 1 e 2 da TP, sendo disso exemplo a seguinte fotografia da reacção do potássio, K(s):

As equações químicas dessas reacções são traduzidas pelos esquemas

• Grupo 1: 2M(s) + 2H2O(l) --> 2MOH(aq) + H2(g) + energia  (M = Li, Na, K, Rb, ...)
• Grupo 2: M(s) + 2H2O(l) --> M(OH)2(aq) + H2(g) + energia (M = Mg, Ca, Ba, Sr, ...)

Tal como nas combustões, a reactividade dos metais do grupo 1 é muito maior que a dos metais do grupo 2, aumentando essa reactividade à medida que se desce em cada grupo (os electrões de valência vão ficando, em média, cada vez mais distantes dos núcleos dos respectivos átomos, sendo mais facilmente capturados pelas moléculas de água, H2O).

Este tipo de reacção é particularmente violenta com os metais do grupo 1, dada a extrema facilidade com que os átomos desses elementos perdem o seu único electrão de valência e rapidamente se forma H2(g), o combustível mais potente do Universo e um gás altamente inflamável, como demonstra o seguinte filme do desastre com o dirigível Hindenburg, ocorrido em 1937 aquando da sua aterragem em S. Francisco (EUA).