Este documento descreve a construção de um espectrômetro de luz visível de baixo custo e sua proposta de uso didático no ensino médio de física, permitindo medir espectros de diferentes fontes de luz e relacionar as observações a conceitos físicos.

1. Espectrômetro de luz visível como instrumento
didático no Ensino de Física
Estevão Antunes Júnior
Sirlon Mata
Maria Teresinha Xavier Silva

2. 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.

3. 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.

4. Projeto base / licença
PLOTS CERN Open Hardware
Licence

5. 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.

6. Técnica de espectroscopia
Foi utilizado um DVD como rede de difração para dispersar a radiação
emitida pela fonte luminosa, projetando-a sobre o sensor de uma
webcam.
Difração de ondas luminosas
m λ = d sinθm
Relação de dispersão de Fraunhofer

7. 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

8. 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.

9. Construção
Processo de montagem:

10. 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.

11. Construção
Faça em 15 minutos!

12. 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

13. Resultados
Espectro de lâmpada fluorescente (utilizado na calibração do espectrômetro)

14. Resultados
Espectro de lâmpada de vapor de mercúrio (espectro discreto)
Comprimento de emissão nominal: 435,8nm (linha G)
Comprimento de emissão obtido experimentalmente: 437nm

15. Resultados
Espectro de lâmpada incandescente (radiação de corpo negro)

16. Resultados
Espectro de laser de hélio-neônio
Comprimento de emissão nominal: 632,8nm
Comprimento de emissão obtido experimentalmente: 629nm

17. Resultados
Espectro de laser de estado sólido (diodo)
Comprimento de emissão nominal: 532nm
Comprimento de emissão obtido experimentalmente: 529nm

18. Resultados
Espectro de fluorescência do corante rodamina 6G
Fonte de excitação: laser de estado sólido (diodo) de 405nm

19. 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.

20. Futuras aplicações pedagógicas
● Dentro do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência
(PIBID).
● Na disciplina de Física Experimental IV.
● No ensino de Astrofísica.

21. Exemplos de aplicação
Análise de cervejas
● Quantificação do teor de
etanol de cerveja

22. Exemplos de aplicação
Análise de vinhos
● Determinação do teor de
taninos e fenóis no vinho tinto
● Detecção de açúcar
adicionado em vinho tinto

23. Exemplos de aplicação
Análise de café
● Discriminação de café
orgânico
● Determinação de cafeína em
café descafeinado

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. MUITO OBRIGADO!