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I. A breve introdução

O programa ELECTRÃO pretende simular no computador uma das experiências científicas mais importantes deste século: a experiência de Millikan para determinar a carga do electrão. Nos tempos que correm, um bom suporte para fazer passar a "mensagem da ciência" entre os jovens é seguramente o computador. Os autores esperam com esta simulação computacional fornecer a professores e alunos dos últimos anos do ensino secundário um exemplo significativo do que é a experimentação nas ciências físicas. Várias actividades escolares e para-escolares podem ser desenvolvidas em torno desta recriação da experiência de Millikan, embora o estudo desta não seja objecto explícito dos novos programas.


II. Primeiros passos

Equipamento necessário

Este programa corre num computador PC-IBM compatível, e necessita de uma placa gráfica VGA ou EGA (no mínimo com 640x350 pontos).

Se o seu computador não tem uma destas placas gráficas, o programa não corre e dá uma mensagem de erro.

A versão apresentada, programada com o compilador de C da Borland International, requer os seguintes ficheiros (indicados com a respectiva extensão):

Ficheiro principal

ELECTRAO.BAT

Ficheiros auxiliares

run.exe

milli.exe

electrao.pcx

egavga.bgi

litt.chr

sans.chr

trip.chr

millikan.txt

Como correr o programa

Recomenda-se que efectue uma cópia de salvaguarda da disquete com o programa.

Pode "correr" o programa directamente da disquete ou copiá-lo para uma directoria do disco duro.

Se o cursor estiver posicionado na disquete (A: ou B:) digite ELECTRAO, premindo de seguida a tecla «Enter». Se tiver copiado o conteúdo da disquete para o disco duro, posicione-se primeiro na directoria onde está o programa, e depois digite ELECTRAO e «Enter».

Fig. 1- Millikan e as suas gotas de óleo.

De início o programa deve ter o aspecto apresentado na figura ao lado. Este ecrã de apresentação mantém-se durante cerca de 7 segundos (se carregar em qualquer tecla desaparece imediatamente). Depois, o programa principal é executado, aparecendo o ecrã inicial.


III. Como funciona o programa

O ecrã inicial deve ter o aspecto da figura abaixo. Nele podem identificar-se os principais componentes da experiência, montada por Millikan, para medir a carga do electrão. Com este programa pretendemos simular, pelo menos em parte, a experiência original.

Fig. 2- Ecran principal do programa com os principais componentes da experiência montada por Millikan.

Na parte de baixo do ecrã (rodapé), em letras amarelas, aparecem as teclas usadas no programa, bem como a sua função. Mais adiante, apresentamos uma descrição das teclas usadas e sua função.

No canto superior esquerdo aparece "MODO DEMONSTRAÇÃO" a piscar e, imediatamente abaixo, há uma descrição rápida da fase em que a experiência se encontra num dado momento. Isto indica, então, que estamos no modo de demonstração (existem mais dois modos possíveis: automático e manual).

À esquerda podemos ver a ampola de raios X encerrada numa caixa, opaca àquela radiação mas com um pequeno orifício. O orifício pode estar aberto ou tapado, estando então o feixe de raios X ligado ou desligado, respectivamente.

Existe um condensador, constituído por duas placas metálicas circulares de cerca de 20 cm de diâmetro e espaçadas de 1,6 cm. Dispõe-se ainda de uma fonte de alta tensão (até 10000 V) constituída por um certo número de baterias ligadas em série e por um comutador que pode ligar a placa de cima à alta tensão (criando um campo eléctrico no espaço entre as placas) ou à terra (descarregando o condensador e, por isso, fazendo desaparecerão campo eléctrico).

Na experiência montada por Millikan existia ainda um atomizador de óleo que fornecia pequenas gotas. Estas entravam por pequenos orifícios na placa superior.

Na região entre as duas placas existiam então várias gotas de óleo. Com a ajuda de um pequeno telescópio (que ampliava cerca de 1000 vezes), Millikan seleccionava uma das gotas, apontando-lhe o telescópio.

Na região entre as placas está desenhado um pequeno rectângulo (a azul claro) onde se pode seguir o movimento da gota (representada com uma dimensão muito exagerada).

A escala milimétrica à direita (também a azul claro) representa o visor do telescópio (que dispunha de uma escala semelhante). Nesta escala milimétrica é possível seguir o movimento da gota de um modo muito mais preciso.

Em baixo estão representadas, num gráfico, as medidas efectuadas. Em abcissas, temos a carga calculada para cada gota (a partir das medições efectuadas em cada experiência), estando a escala calibrada em unidades de carga do electrão. Em ordenadas, cada incremento de uma unidade indica que ocorreu um dado valor de carga.

Este gráfico mostra, portanto, quantas vezes ocorreu cada valor da carga indicado em abcissa.

A este tipo de gráfico chama-se normalmente gráfico de frequências ou histograma, nome por que é referido neste manual e no programa.

Finalmente, o pequeno quadro a meio do ecrã indica contínuamente o estado de algumas variáveis da experiência.

É possível ainda observar, num pequeno visor: um cronómetro; se a gota tem carga ou não; o modo actual de execução (DEMO, AUTO ou MANUAL); e se a execução é em tempo real, acelerado ou retardado (ver adiante).

1. Resumo dos passos para uma medida

Para efectuar uma medida da carga da gota de óleo é necessário medir a velocidade com que a gota desce quando o campo eléctrico não está "ligado" (velocidade v1) e a velocidade com que a gota sobe quando está carregada e o campo eléctrico está "ligado" (velocidade v2).

Nesta simulação a velocidade de descida (v1) é calculada usando a sua expressão teórica. Só a velocidade de subida é aqui "medida" (sendo diferente para cada carga adquirida por uma gota).

Os passos necessários são então:

- No início a gota está descarregada e, portanto, é necessário carregá-la;

a gota desce.

- Entretanto, "liga-se" o campo eléctrico;

a gota desce, pois ainda não tem carga.

- Depois, é ligado o feixe de raios X durante um certo tempo: o feixe ioniza o ar entre as placas, o campo eléctrico atrai cargas negativas para cima e cargas positivas para baixo. A gota, que está acima da direcção do feixe de raios X (onde são produzidas as ionizações), fica com uma certa carga negativa;

a gota sobe, pois já tem carga.

- O feixe de raios X é desligado depois de um curto intervalo de tempo.

- O campo eléctrico é "desligado";

a gota desce pois, embora tenha carga eléctrica negativa, não há campo eléctrico aplicado.

- Mantém-se o campo eléctrico desligado até a gota passar para baixo do risco vermelho da régua do telescópio (0 mm).

- Liga-se o campo eléctrico;

a gota sobe.

- Quando a gota atravessar o risco vermelho (0 mm), o cronómetro é iniciado a zero.

- Mantém-se o campo eléctrico até a gota atravessar o segundo risco vermelho 1,303 mm.

- Quando a gota atravessa 1,303 mm, é lido o valor do tempo no cronómetro:

Equação indisponível em formato html.

A velocidade de subida é usada para calcular a carga adquirida pela gota, sendo este valor, imediatamente, colocado no histograma.

- O campo eléctrico pode ser desligado;

está completa a medida.

Para efectuar a próxima medida é necessário descarregar a gota (para lhe dar nova carga). Nesta simulação, a gota é descarregada quando toca na placa superior (ou carregando na tecla 'D' quando em modo MANUAL).

2. Teclas usadas e opções de funcionamento

A tecla 'ESC' é usada em qualquer ponto do programa para voltar ao ecrã principal. A partir do ecrã principal 'ESC' permite abandonar o programa, depois de ser pedida e dada uma confirmação.

As restantes teclas usadas no ecrã principal e suas funções são:

M - permite escolher o modo como a experiência é comandada:

    A - automático,

    D - automático com comentários de demonstração,

    C - controlo manual (ver adiante).

N - inicializações:

    H - coloca o histograma a zero,

    R - repõe todas as condições do início do programa.

O - outras opções:

    V - alterar variáveis (ver adiante),

    R - resultados,

    D - descrição das peças usadas na experiência,

    G - gráficos (ver adiante).

R - modo de tempo real (1 s do tempo da experiência é exactamente 1 s do tempo real).

+ - tempo "acelerado" (o tempo da experiência passa mais depressa do que o tempo real).

- - tempo "retardado" (o tempo da experiência passa mais devagar do que o tempo real).

A tecla de 'PAUSE' pode ser usada para parar a execução em qualquer momento, sendo esta retomada depois de se carregar em qualquer outra tecla.

Sempre que se pressiona uma tecla 'válida' ouve-se um som agudo de curta duração, seguindo-se a execução da função assim pedida. Sempre que se pressiona uma tecla 'não válida' ouve-se um som grave de maior duração e, claro, nenhuma acção é executada pelo programa.

3. Controlo manual da experiência

Escolhendo esta opção, a partir do ecrã principal, para além do pequeno quadro a meio do ecrã onde aparece "modo MANUAL" também o rodapé se altera aparecendo mais teclas.

No modo de controlo manual o utilizador deve ligar/desligar o feixe de raios X, ligar/desligar o interruptor inserido no circuito e que aplica o campo eléctrico nas placas, ligar/desligar o cronómetro que mede o tempo de subida e ainda descarregar a gota.

Para além disto mantém acesso a todas as outras opções dos modos AUTO ou DEMO.

    As novas teclas são:

    F - liga/desliga o feixe de raios X,

    I - liga/desliga o campo eléctrico,

    Z - põe o cronómetro a zero,

    X - pára o cronómetro e, a partir do valor medido para o tempo decorrido, calcula a velocidade de subida da gota, de onde se obtém a carga adquirida e se actualiza o histograma,

    D - descarrega a gota.

Os passos que levam a uma medida correcta da carga da gota podem ser obtidos consultando a reacção anterior Resumo dos passos para uma medida. A execução de uma medida é muito bastante por um pequeno quadro vermelho que sugere qual a próxima tecla a actuar.

4. Gráficos de posição, velocidade e aceleração

Fig. 3 - Gráficos da posição, velocidade e aceleração que podem ser representados na escala temporal escolhida.

Neste ecrã são mostrados os gráficos da posição, velocidade e aceleração, dos últimos segundos ou minutos.

Dispõe-se das teclas:

    A - mostrar mais valores,

    D - mostrar menos valores,

    setas - deslocar gráficos para a direita ou esquerda.

Para ampliar uma zona de interesse usa-se em conjunto a tecla D para ampliar e as setas (direita e esquerda) para manter a zona de interesse no gráfico apresentado.

5. Alterar variáveis

Ao escolher esta opção é possível alterar diversas variáveis usadas nos cálculos da carga e que descrevem o ambiente físico em causa.

Fig. 4 - Aspecto do ecrã enquanto se altera o valor de alguma variável usada na experiência.

É sempre fácil voltar aos valores usados por Millikan escolhendo a opção respectiva. Depois de alterar alguma das variáveis, a execução segue logo com os novos parâmetros.

Não é feito qualquer controlo dos valores introduzidos nestes parâmetros. Como certos valores-limite podem conduzir a erros, aconselha-se o utente a efectuar as alterações com alguma prudência.


Os textos de apoio estão indisponíveis em formato html.

Por favor, obtenha o manual em papel no projecto Softciências.

 
 
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