Revista Brasileira de Ensino de Física, Volume: 32, Issue: 3, Published: 2010
  • Plastic optical fiber as a tool for experimenting with simple pendulum

    Kovačević, Milan S; Simić, Saša

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho uma experiência com fibra óptica de plástico para controlar o movimento de um pêndulo simples foi descrito. O sistema de monitoramento da posição do pêndulo é baseado em curva perda de fibra óptica de plástico, que depende do raio de curvatura. Como um dispositivo de gravação de uma placa de som do PC foi usado. Com esta técnica de medição de que somos capazes de visualizar expectativa teórica e extrair alguns dos valores dos parâmetros a partir dos dados registados como posição, velocidade e aceleração do pêndulo. O deslocamento angular, velocidade e aceleração são plotados usando Mathematica, um programa de computador disponível simbólico que nos permite plotar facilmente a dependência obtidos, bem como seu comportamento teórico. Boa concordância entre as medidas e predição teórica foi observada

    Abstract in English:

    In this paper an experiment with plastic optical fiber to control the motion of a simple pendulum was described. The monitoring system of pendulum position is based on bend loss in plastic optical fiber which depends of bend radius. As a recording device a PC sound card was used. With this measurement technique we are able to visualize theoretical expectation and to extract some of the parameter values from the recorded data as the position, velocity and acceleration of pendulum. The angular displacements, velocity and acceleration are plotted using Mathematica, an available symbolic computer program that allows us to plot easily the obtained dependence as well as their theoretical behavior. Good agreement between measurements and theoretical prediction was observed
  • Issues on beam-plasma instability: early simulations focusing on the development of a compact neutron generator

    Araujo, Wagner Leite; Campos, Tarcisio Passos Ribeiro de

    Abstract in Portuguese:

    A primeira consideração no projeto de um gerador compacto de nêutrons é a definição do processo de produção de plasma seguido da definição da análise do estado físico desse plasma. As características do plasma e as reações nucleares de fusão envolvidas na operação do gerador, deutério-deutério ou deutério-trítio, bem como o sistema que determina as trajetórias das partículas e o alvo, são decisivos para estimar o rendimento de nêutrons do gerador. Dessa forma, a análise do comportamento do plasma sob condições estabelecidas se torna uma evidencia importante. Essa análise pode ser feita por modelos de simulação de plasma. A simulação de partículas de plasma, empregada desde a década de 1960, fornece uma descrição das características gerais do plasma. A física de plasma é determinada, na maioria dos casos, por equações simples, isto é, equações de movimento de elétrons, íons e átomos neutros incluindo o efeito das colisões e campos elétricos e magnéticos auto-consistentes. As simulações computacionais de plasma compreendem duas áreas gerais baseadas em cinética e análise fluidodinâmica. Enquanto a simulação em dinâmica de fluidos se procede por meio da resolução numérica de equações da magnetohidrodinâmica (MHD), assumindo coeficientes de transporte; a simulação cinética considera modelos mais detalhados de plasma, envolvendo interações das partículas com os campos eletromagnéticos. Esse artigo é focado na simulação e análise de um feixe de elétrons injetado dentro de um plasma estacionário e periódico. O modelo de cálculo empregado, para este propósito de simulação, é referente a um código unidimensional, baseado em simulação cinética, que simula plasmas periódicos ilustrando várias considerações fundamentais em simulação de plasma e se torna útil em simulações do sistema da optica de feixe para geradores de nêutrons. O objetivo principal desse estudo é explorar o código PIC revisando a teoria física e computacional necessária para construir a estrutura dos princípios elementares com intenção de introduzir conceitos da teoria física de plasma e da teoria computacional. Além disso, os fundamentos da análise de plasma para geradores de nêutrons serão declarados

    Abstract in English:

    The first issue on compact neutron generator design is the definition of the plasma generation process following the analysis of the physical plasma state. The plasma features and the nuclear reactions of fusion involved in the operation of the generator, deuterium-deuterium or deuterium-tritium, as well as the system which determines the trajectories of the particles and the target, are decisive to predict the neutron yield from the generator. Hence, the plasma behavior analysis under established conditions becomes an important evidence. This analysis may be done by means of plasma simulation models. Particle simulation of plasmas, employed since 1960s, provides a picture of the general plasma characteristics. Plasma physics is determined in most cases by simple equations, i.e. equations of motion of electrons, ions and neutrals atoms including the effect of collisions and self-consistent electric and magnetic fields. Computer simulation of plasmas comprises two general areas based on kinetic and fluid. While fluids simulation proceeds by solving numerically the magnetohydrodynamic (MHD) equations, assuming approximate transport coefficients, kinetic simulation considers more detailed models of plasma involving particle interactions through the electromagnetic fields. This article is focused on the simulation and analysis of injected beam into a steady state and periodic plasma. The applied calculation model, for this simulation purpose, is referring to an electrostatic one dimension code, based on kinetic simulation, which simulates periodic plasmas illustrating various fundamental considerations of plasma simulation and make it useful in simulations of the beam optic system for neutron generators. The main goal of this research is explore the PIC code reviewing the computational and physics theory necessary to build the structure of the elementary principles intending to introduce concepts of plasma physics and the computational theory. Moreover, foundations of plasma analysis for neutron generators will be stated
  • Huyghens principle, Fourier optics and laser beam propagation Artigos Gerais

    Campos, E; Fernandes, T.J; Rodrigues, N.A.S

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho é apresentada uma abordagem que foi adotada para o ensino de óptica física e de propagação de feixes de laser para alunos provenientes de um Curso de Bacharelado em Matemática, no programa de Iniciação Científica do Instituto de Estudos Avançados. Inicialmente é feita uma apresentação fenomenológica do Princípio de Huyghens e de como o tratamento matemático adequado deste princípio resulta nos conceitos básicos da optica de Fourier. Posteriormente é postulada a existência de um feixe de laser cuja distribuição de amplitude de campo elétrico é dada por uma função gaussiana e foi calculada a propagação deste feixe usando a óptica de Fourier. Como resultado deste cálculo foram obtidas as propriedades de propagação do feixe de laser gaussiano. Embora os resultados a respeito da propagação de feixes de lasers gaussianos encontrados neste trabalho sejam amplamente divulgados na literatura, a abordagem se mostrou muito útil para iniciar alunos na área de óptica física sem que seja necessário passar pela teoria do eletromagnetismo

    Abstract in English:

    This paper presents the approach adopted to teach diffraction and laser beam propagation to under graduation students of Mathematics. First it is presented a phenomenological approach for the Huyghens Principles and how an adequate mathematical analysis of this principle can result the basics of the Fourier optics. Later it was postulated an laser beam with a electric field amplitude distribution given by a gaussian function and the propagation of this beam was calculated by using the Fourier optics. As result of this calculation it was obtained the propagation properties of a gaussian laser beam. Although the propagation of gaussian beams is largely known in the literature, the approach showed to be very useful to introduce students into the wave physics without using the electromagnetism theory
  • Calculation of concurrence to the Heisenberg model

    Castellanos, R; Franco, R; Silva-Valencia, J

    Abstract in Spanish:

    La concurrencia es una cantidad que nos permite medir el grado de entreveramiento que presenta un sistema cuántico y se puede calcular a partir de la matriz densidad reducida. En este artículo mostramos explicitamente como calcular la concurrencia para una cadena finita de espines s =1/2 descrita por el modelo de Heisenberg anistrópico. Nosotros mostramos que para cadenas finitas la concurrencia tiene un máximo en el punto crítico Δ = 1, la cual es una de las principales características en el límite termodinámico. Se mostró que es posible obtener información sobre las transiciones de fase del modelo calculando la concurrencia para cadenas de por lo menos 12 sitios

    Abstract in English:

    The concurrence is a quantity that allows us to measure the entanglement of a quantum system and can be calculated from the reduced density matrix. In this paper we show explicitly how to calculate the concurrence for a finite chain of spins s =1/2 described by the anisotropic Heisenberg model. We show that for finite chains the concurrence has a maximum at the critical point Δ = 1, which is the main feature in the thermodynamic limit. We observe that it is possible to obtain information about quantum phase transitions of the model by calculating the concurrence for chains of at least 12 sites
  • Collision with the 'slingshot effect' Artigos Gerais

    Silveira, Fernando Lang da; Braun, Luci F.M; Braun, Thomas

    Abstract in Portuguese:

    Abordamos teoricamente a colisão com o 'efeito estilingue' onde um corpo transfere momento linear e energia cinética para um segundo corpo de massa menor, fazendo com que a energia mecânica desse segundo corpo cresça de forma surpreendente. Mostramos que, mesmo quando as colisões são inelásticas, o ganho de energia mecânica pode ser grande. Apresentamos um estudo experimental do interessante efeito realizado a partir de um vídeo. Finalmente discutimos o 'efeito estilingue gravitacional' utilizado para aumentar a energia mecânica de sondas espaciais ao passarem nas imediações de planetas

    Abstract in English:

    Collision with the 'slingshot effect'. We discuss theoretically the collision with the 'slingshot effect' where a body transfers linear momentum and kinetic energy to a second smaller body mass, causing the mechanical energy of this second body to grow dramatically. We show that even as the collisions are inelastic, the gain of mechanical energy can be large. We present an interesting experimental study of the effect achieved from a video. Finally we discuss the 'gravitational slingshot effect' used to increase the mechanical energy of the spacecraft passed nearby planets
  • Numerical evaluation of the escape time of a classical point particle from an annular billiard

    De Luca, R

    Abstract in Portuguese:

    Consideramos neste trabalho um bilhar bidimensional que consiste em uma região circunscrita por duas circunferências concêntricas de raio externo R e interno r, respectivamente. O tempo de escape de uma partícula projetada por um certo ângulo dentro deste sistema é calculada numericamente em termos do tamanho da abertura no bilhar. O problema é resolvido usando mecânica clássica em um nível que pode ser apresentado a estudantes do ensino médio e graduandos em física

    Abstract in English:

    A two-dimensional annular billiard consisting of a region confined within two concentric circumferences, the outer of radius R and the inner of radius r, is considered. The escape time of a point particle projected at a given angle within this billiard is numerically evaluated in terms of the size of the opening in the billiard. The problem is solved by means of classical mechanics and can be of interest for advanced high school physics students or undergraduate college physics students
  • A Newtonian description of the motion of a spherical pendulum Artigos Gerais

    Barbosa, Valmar Carneiro; Moraes, Pedro Cláudio Guaranho de

    Abstract in Portuguese:

    O sistema físico conhecido como pêndulo esférico é normalmente tomado como um exemplo das aplicações da mecânica analítica. Isto priva as pessoas que não tiveram contato com esta abordagem da mecânica clássica do entendimento completo de como este sistema se comporta. Assim, neste trabalho, usamos a mecânica newtoniana para apresentar um estudo do movimento de um pêndulo esférico. Para fazer isto, obtemos as equações de movimento, determinamos as quantidades que são conservadas durante a evolução temporal deste sistema, analisamos a sua energia potencial efetiva e discutimos os diferentes movimentos que este sistema pode ter. Apresentamos vários resultados numéricos e fazemos uma comparação qualitativa com dados experimentais

    Abstract in English:

    The physical system known as spherical pendulum is usually taken as an example of the applications of analytical mechanics. This deprives those people who had no contact with this approach to classical mechanics of the complete understanding of how this system behaves. So, in this work, we use Newtonian mechanics to present a study of the motion of a spherical pendulum. To do this, we obtain its equations of motion, determine the quantities that are conserved during the time evolution of this system, analyze its effective potential energy and discuss the different motions that this system can have. We present several numerical results, and a qualitative comparison with experimental data is made
  • Boltsmann's constant Artigos Gerais

    Lopes, Wilson

    Abstract in Portuguese:

    Estabeleceu-se, neste trabalho, uma equação barométrica para relacionar as grandezas físicas da baixa atmosfera terrestre: pressão, altitude e temperatura, com a razão entre a constante de Boltzmann e a massa média das moléculas dos gases constituintes. Para uma altitude geopotencial não superior a 33 km e considerando-se a massa média da molécula 4,809 x 10-26 kg, obteve-se um valor médio para a constante de Boltzmann de 1,373 x 10-23 J/K

    Abstract in English:

    In this work, a barometric equation was established to relate the physical quantities of the low atmosphere: pressure, altitude, and temperature with the ratio between the Boltzmann's constant and the medium mass of molecules of the constituent gases. For geopotential altitude not superior to 33 km and assuming the medium mass of the molecule 4,809 x 10-26 kg, a medium value was obtained for Boltzmann's constant of 1,373 x 10-23 J/K
  • Electric potential of point charges distributions: on the convergence criteria of infinite series Artigos Gerais

    Macedo, Diego Ximenes; Guedes, Ilde

    Abstract in Portuguese:

    Neste trabalho calculamos o potencial elétrico para algumas distribuições infinitas de cargas puntiformes. Para cada distribuição discutimos os critérios de convergência das séries obtidas. Calculamos também a densidade de carga superficial induzida em um plano condutor infinito "aterrado" e em uma esfera condutora "aterrada" de raio a por uma distribuição infinita de cargas puntiformes com sinais alternados e magnitude que diminui harmonicamente com n (~ q/n)

    Abstract in English:

    In this work we obtain the electric potential for some infinite distributions of point charges. The convergence criteria for the resulting series are discussed. We also calculate the surface charge density induced on an infinite grounded conducting plane and on a grounded conducting sphere of radius a by an infinite distribution of point charges with alternate signs and harmonically decreasing magnitude (∼ q/n)
  • Research Center: Elementary School articulation: contributions to the scientific and technological literacy Pesquisa Em Ensino De Física

    Caramello, Giselle Watanabe; Strieder, Roseline Beatriz; Watanabe, Graciella; Munhoz, Marcelo G

    Abstract in Portuguese:

    Neste artigo são discutidos aspectos relacionados à seleção e organização dos conteúdos a serem abordados durante e após visitas a laboratórios de pesquisa em física. Utilizando como exemplo o trabalho de divulgação realizado no acelerador de partículas Pelletron (Instituto de Física da Universidade de São Paulo), com alunos do ensino médio, procuramos identificar elementos que podem orientar o desenvolvimento de propostas escolares organizadas a partir de visitas a centros de pesquisa. Nesse sentido, destaca-se o potencial dessas visitas para a realização de discussões sobre as relações entre Ciência-Tecnologia-Sociedade e a importância do estabelecimento de vínculos com o conteúdo escolar

    Abstract in English:

    In this article, we discuss the content selection and organization of visits to physics research laboratories. We use the visits organized for high school students at the Pelletron Laboratory, a particle accelerator from the Instituto de Física da Universidade de São Paulo, as an example for this work. We identify elements that can guide the development of high school activities based on visits to research laboratories. We discuss the potential of these visits for discussions on the relations among Science-Technology-Society and the importance of the establishment of constraints with the high school contents
  • Impact evaluation of an itinerant science exposition in a poor region of Rio de Janeiro: a case report Pesquisa Em Ensino De Física

    Pereira, Grazielle Rodrigues; Coutinho-Silva, Robson

    Abstract in Portuguese:

    O presente artigo relata por meio de um estudo de caso, o processo de investigação do impacto de uma exposição científica itinerante em um município da Baixada Fluminense (RJ), essa investigação se deu por meio da metodologia da lembrança estimulada. Realizamos uma exposição científica que versou sobre temas da óptica em uma escola, onde retornamos quatro meses após a realização da exposição. Buscamos avaliar o impacto dessa exposição em longo prazo, com o auxílio de fotografias digitais dos experimentos presentes na exposição. Os resultados desse trabalho demonstraram que a exposição exerceu sobre os estudantes um impacto positivo, cumprindo o papel de fomentar nesses alunos o interesse pela ciência, além de iniciar o processo de aquisição do conhecimento em espaços de educação não formal por meio da experimentação

    Abstract in English:

    This work, using a case report, describes the impact of an itinerant science exposition on a city of Baixada Fluminense (RJ). The methodology used on this investigation was stimulated recall. We have produced a science exhibition about themes of optics in a school where we returned four months latter for further analysis. We aim to evaluate the impact of this exposition in long term, with use of digital photographs of the experiments that made part of exhibition. The results of the investigation have shown that the exhibition has a positive impact on the students, fulfilling its role in fomenting on them the interest in science, besides initiate the knowledge acquisition process on informal science education center based on experimentation
  • Building a low cost gaussmeter Pesquisa Em Ensino De Física

    Magno, Wictor C; Andrade, Mariel; Araújo, Alberto E.P. de

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho apresenta uma proposta de construção de um sensor de campo magnético utilizando uma sonda de efeito Hall e componentes eletrônicos simples e de baixo custo. Apresentamos a calibração do sensor e mostramos uma aplicação específica, no mapeamento do campo magnético de um par de bobinas de Helmholtz. Diferentes experimentos podem ser realizados com o gaussímetro proposto, permitindo comprovar experimentalmente as leis de Ampère, de Faraday e de Gauss para o magnetismo, bem como medir e estudar propriedades magnéticas de materiais

    Abstract in English:

    The goal of this paper is to present a magnetic field sensor using a Hall probe and low cost electronic components for use in experimental classes. We show how to make the sensor calibration and its use in the measurement of the magnetic field generated by a system of Helmholtz coils. Many others different experiments can be accomplished with a probe hall gaussimeter. So, this simple mounting allow to demonstrate experimentally the Ampère, Faraday and Gauss laws of magnetism, as well to measure and study magnetic properties
  • Blue skies and red sunsets Produtos E Materiais Didáticos

    Rocha, M.N; Fujimoto, T.G; Azevedo, R.S; Muramatsu, M

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho expõe uma dedução da intensidade da luz espalhada por pequenas partículas na atmosfera, o que explica o porquê do azul do céu e o vermelho do pôr-do-sol. Mostramos, também, uma experiência bem simples, sobre os temas abordados, que foi elaborada com o intuito de aplicar a alunos do Ensino Médio

    Abstract in English:

    This paper presents a deduction to the light intensity scattered by small particles in the atmosphere, which explains why the sky is blue and the sunsets is red. We also show a very simple experience about the subjects treated, which was prepared in order to apply to high school students
  • Making holograms at school and at home

    Toledo, Rolando Serra; Yeras, Alfredo Moreno; Magalhães, Daniel S.F; Muramatsu, Mikiya; Lemus, José B

    Abstract in Spanish:

    La comunidad científica que se ocupa de los problemas relacionados con el proceso de enseñanza-aprendizaje de la físicas, ha dedicado muchos esfuerzos en los ultimos años al perfeccionamiento del mismo, motivado en primera instancia, por las demandas de renovación que el impetuoso desarrollo científico-técnico le impone en la actualidad a la enseñanza de las ciencias. En los últimos años se ha producido un desarrollo vertiginoso en la fabricación de diodos láser que emiten en el espectro visible, esto ha permitido su utilización creciente en múltiples aplicaciones y hace factible su utilización en la enseñanza aprendizaje de la física universitaria y en particular de la holografía, por sus grandes ventajas frente a los láseres convencionales de gran costo y difícil manipulación. En el trabajo se describen la instalación experimental portátil diseñada para la obtención de hologramas en la escuela y en la casa con la utilización de diodos láser, la metodología de trabajo a seguir, los métodos de procesamiento utilizados para diferentes tipos de emulsiones holográficas y un análisis de los defectos que pueden presentar los hologramas producidos y la forma de detectarlos y erradicarlos

    Abstract in English:

    The scientific community that deals with the problems related with the teaching-learning process of Physics has devoted many efforts in its perfectioning in the last years motivated, in the first instance, by renewal demands that the rapidly scientific-technological development currently requests in the teaching of science. In the last few years a rapid development in the production of visible-emission diode lasers has been made, this has allowed their increasing use in many applications and makes possible their utilization in the teaching-learning of the physics in the university and particularly of holography, for their great advantages over the high-cost conventional lasers and difficult handling. In this work we describe the portable experimental setup designed for the obtainment of holograms at school and at home using diode laser, the working methodology to be followed, the processing methods used for different types of holographic emulsions and an analysis of frequent defects in the recording and how to detect and eradicate them
  • Contribution from the Brazilian physicist Sergio Porto to laser applications and its introduction in Brazil História Da Física E Ciências Afins

    Santana, Walker Antonio Lins de; Freire Junior, Olival

    Abstract in Portuguese:

    Este trabalho narra a contribuição do físico brasileiro Sergio Porto (1926-1979) para o desenvolvimento de aplicações do laser, em especial ao efeito Raman, e para a introdução da pesquisa sobre o laser no Brasil. Fazemos também um esboço da biografia de Porto, localizando-a nos contextos científico, social, econômico e político em que ele atuou, mas o foco da nossa narrativa está concentrado no período 1959-1979, período que cobre sua migração para os Estados Unidos, saindo do ITA para os Laboratórios da Bell, em 1960, e seu ulterior retorno ao Brasil, da Southern University of Califórnia para a Unicamp, no início da década de 1970. Para o seu retorno, analisamos as motivações para o convite feito pelo então Ministro Reis Velloso, parcialmente relacionados às potencialidades da pesquisa de Porto para a área nuclear. Analisamos, a seguir, a diversidade das suas contribuições para a aplicação do laser em áreas como medicina, separação isotópica e comunicações. Analisamos também sua contribuição para a formação de pesquisadores para a física brasileira. O trabalho realça a relevância do trabalho de Porto no cenário internacional da física e a sua expressiva contribuição para o desenvolvimento da pesquisa sobre o laser no Brasil. Notamos, por fim, que o reconhecimento, no Brasil, não parece corresponder à magnitude das realizações científicas de Porto. Algumas conjecturas sobre esse descompasso são oferecidas

    Abstract in English:

    We make an account of the role played by the Brazilian physicist Sergio Porto (1926-1979) in the development of laser applications, in particular to Raman effect, and in the introduction of the laser research in Brazil. We make a short biographical note on Porto, covering the period between 1959 to 1979, which includes his stay in the US at the Bell Laboratories and at the University of Southern California, when his professional career rocketed, and his return to Brazil, invited by Minister Reis Velloso, to the newly founded Unicamp. We also discuss the variety of his contributions to laser applications in fields such as medicine, isotopic separation, and communications. Finally we remark that his wide international recognition has no counterpart in a similar recognition in Brazil and we try to conjecture an explanation for these different prestige
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