APL 2.1 - Osciloscópio

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APL 2.1 - Osciloscópio

  1. 1. Curso de Formação: “Reacções Químicas, Cinéticas, Equilíbrio e Modelação Computacional” Formador: Prof. Vitor Teodoro Osciloscópio Trabalho realizado por: Antónia Maria Duarte Gomes (Escola Secundária de Raul Proença)
  2. 2. 1. Introdução Este trabalho insere-se no âmbito da disciplina de Física e Química – 11º ano (Componente – Física). Dentro do contexto Comunicações a Curtas e a Longas distâncias ( Unidade 2 ), surge a oportunidade de compreender como se realiza a transmissão de informação nas suas diversas formas, estudando-se os conceitos de som e radiação electromagnética, enquadrados no modelo geral da propagação ondulatória. Este estudo é feito essencialmente por meio de observação e registos gráficos, para os quais o uso do osciloscópio é fundamental. Pretende-se com a actividade Prático-Laboratorial “ Osciloscópio” que os alunos aprendam a utilizar um osciloscópio e a extrair informação diversa da representação gráfica que vêem no ecrã (diferença de potencial em função do tempo). Para cumprir os objectivos abaixo indicados, vamos utilizar um simulador de um osciloscópio que além de desenvolver nos alunos as capacidades pretendidas, torna-se mais fácil de utilizar e permite um trabalho mais individualizado (cada grupo tem um computador com o simulador). 2. Objectivos de Aprendizagem Utilizar os controlos do osciloscópio – brilho, focagem, terminais de entrada, base de tempo, para:  medir tensões contínuas e alternadas;  mostrar no ecrã, simultaneamente, a variação temporal de duas tensões;  medir amplitudes e períodos e calcular frequências de uma tensão sinusoidal;  relacionar amplitudes e frequências de diferentes sinais sonoros;  reconhecer que o valor da tensão alternada lido por um voltímetro (tensão eficaz) é inferior ao valor máximo da tensão alternada.
  3. 3. 3. Protocolo e resultados Objectivo Saber utilizar o osciloscópio e extrair informação básica da representação observada no ecrã: medições directas de diferença de potencial (d.d.p. ou tensão U) e de intervalos de tempo. Introdução teórica O osciloscópio é um aparelho que permite a visualização gráfica de sinais eléctricos variáveis no tempo. Um feixe de electrões é emitido por um filamento aquecido dentro de um tubo sem ar (tubo de raios catódicos) e bate no ecrã, produzindo aí uma cintilação. O eixo vertical, denominado Y, representa a tensão; enquanto o eixo horizontal, denominado X, representa o tempo. O osciloscópio é dos instrumentos mais versáteis que existem e é tanto utilizado por técnicos de reparação de televisores como por médicos. Um osciloscópio pode medir um grande número de fenómenos. Quando equipado com um conversor (elemento que converte uma magnitude física num sinal eléctrico) é capaz de nos fornecer o valor da pressão arterial, o ritmo cardíaco, a potência do som, o nível de vibrações num carro, etc. Para cumprirmos o objectivo do trabalho, vamos utilizar um simulador de um osciloscópio que pode ser ligado a quatro sinais externos diferentes. É possível observar-se simultaneamente dois sinais que entram por canais diferentes (CH. I e CH. II), e compararem-se amplitudes e períodos. A amplitude e o período de um sinal podem medir-se directamente no ecrã do osciloscópio. A amplitude indica a tensão (diferença de potencial, d.d.p.) do sinal eléctrico recolhido, pelo que o osciloscópio pode ser utilizado como voltímetro. A amplitude de um sinal varia no tempo, segundo a expressão y = A sin (t) A diferença de potencial de um sinal varia no tempo, segundo a expressão U = Urnáx sin (t) Departamento de Matemática e Ciências Experimentais Física e Química A 11º ano APL 2.1 - Osciloscópio
  4. 4. O osciloscópio mede tensões em circuitos com correntes contínuas (sigla DC, do inglês direct current), ou tensões variáveis no tempo como nos circuitos com corrente alternada (sigla AC, do inglês alternating current) usada em nossas casas. Denomina-se tensão eficaz (Uef) o valor da tensão alternada (AC) que produz os mesmos efeitos energéticos que uma tensão contínua com o mesmo valor. O seu valor está relacionado com o valor da tensão de pico (Upico ou Umax) por: A tensão pico a pico (Upp) é dada por Upp = 2.Urnáx Questões Pré-Laboratoriais A escala do tempo é controlada por um botão com a indicação (TIME / DIV), que indica o valor do tempo correspondente à divisão da escala horizontal do ecrã. Exemplo: Se dois ciclos completos da onda corresponderem 6 divisões na escala horizontal e se a base desse tempo indicar 2 ms / div, o tempo é 6 x 2 ms = 12 ms. Este é o tempo de dois ciclos completos, isto é, dois períodos. Logo, T = 6 ms. A escala da tensão é controlada por um botão com a indicação (VOLT / DIV), que indica o valor da tensão correspondente à divisão da escala vertical do ecrã. Exemplo: Se o botão se encontrar em 5 mV e a deflexão vertical for de 3.5 divisões, a tensão será: Umax = 3,5 x 5 mV = 17,5 mV 1. No ecrã do osciloscópio podemos ver um sinal eléctrico. Considerando os botões ao lado que nos indicam a base de tempo e de tensão, responde às questões seguintes. 1.1.Qual é o período e a frequência do sinal? 1.2.Qual é a tensão máxima do sinal? 2 máx ef U U  T = 5x10-3 s f = 200 Hz Umax = 2,5x0.5 Umax = 1,25 V
  5. 5. 1.3. Qual seria o valor lido num voltímetro que medisse a tensão fornecida pela fonte de tensão alternada? 1.4. Para se medir uma tensão, a ligação entre a fonte de tensão e o osciloscópio ou voltímetro, tem de ser feita em paralelo. Explica porquê. Trabalho Laboratorial Liga o cabo verde ao canal I e o cabo amarelo ao canal II do osciloscópio. Os sinais eléctricos que aparecem no ecrã correspondem a fontes vindas do exterior. Utiliza a escala de tempo 1ms/div para os dois canais. Para medires a tensão utiliza, para o canal I a escala 0,2 V/div e para o canal II a escala 1V/div. Para mudar de canal e visualizar cada um dos sinais, carrega no botão 1. Completa a tabela seguinte recorrendo… …aos dados retirados directamente do ecrã. …aos cálculos necessários para descobrir as diferentes grandezas físicas. Fonte Exterior T (s) f (Hz) ω (rad/s) Umax(V) Upp(V) Uef Cabo verde 4,6x10-3 2,2x102 4,4πx102 7,6x10-1 1,5 0,54 Cabo amarelo 2,3x10-3 4,3x102 8,6πx102 4,0 8,0 2,8 Uef = 2 1,25 Uef = 0,88 V O osciloscópio e o voltímetro são aparelhos com uma grande resistência eléctrica, por isso, se forem inseridos em série, no circuito eléctrico, vão alterar a intensidade de corrente que percorre o circuito. Canal I Canal II
  6. 6. Apresenta todos os cálculos efectuados 2. Escreve a expressão da tensão da fonte em função do tempo para as duas ondas. Canal I Canal II Inverte o sinal do canal II utilizando o botão 3. Escreve a expressão da tensão da fonte em função do tempo para a onda do canal II invertida. Adiciona os dois sinais utilizando os seguintes botões do osciloscópio. 4. Faz um esboço do sinal obtido e caracteriza a onda. Canal I f = 1/T f = 1/(4,6x10-3) f = 2,2x102 Hz ω = 2πf ω = 2π.2,2x102 ω = 4,4πx102 rad/s Umax = 3,8x0,2 Umax = 7,6x10-1 V Upp = 2.Umax Upp = 1,5 V 2 máx ef U U  Uef = 0,54 V Canal II f = 1/T f = 1/(2,3x10-3) f = 4,3x102 Hz ω = 2πf ω = 2π.4,3x102 ω = 8,6πx102 rad/s Umax = 4,0x1 Umax = 4,0 V Upp = 2.Umax Upp = 8,0 V 2 máx ef U U  Uef = 2,8 V U = 7,6x10-1 sen (4,4πx102t ) (SI) U = 4,0 sen (8,6πx102t ) (SI) U = 4,0 sen (8,6πx102t + π) (SI) usa-se por vezes o termo onda mas na realidade aquilo são sinais eléctricos. Uma onda é um acontecimento no tempo e no espaço. como pretende a resposta?
  7. 7. 4. Conclusão: Com esta actividade prático-laboratorial os alunos aprendem a utilizar um osciloscópio extraindo toda a informação contida na representação gráfica que surge no seu ecrã. Apesar de ser um simulador, é possível cumprir todos os objectivos de aprendizagem estabelecidos no ponto dois deste trabalho. Benedita, 15 de Outubro de 2010 Antónia Maria Duarte Gomes

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