The physics textbooks presents the fundamental concepts of wave beating from an interference process of two plane waves at the time domain. In this work, we propose a teaching practice, based on computational simulation, at undergraduate level, combining the beating caused by waves transmitted from two plane circular pistons vibrating on thickness mode with the resulting acoustic field. The proposal leads to the perception of the beating at the spatial domain. The results show that the pressure amplitude generated from the beating has periodic variations along the central axis from a boundary location. This boundary is determined by the number of extreme values and the ratio between source radius and wavelength.

This work presents a didactic proposal to study atmospheric pressure. The introduction of technological resources in physics teaching is ever-increasing today. In this context, access to smartphones proves an accessible tool due to their massification and the possible uses of their built-in sensors. Therefore, we choose to use a smartphone as a barometer to measure the atmospheric pressure. We suggest experiments to measure atmospheric pressure as a function of height and time that can be easily reproduced by students in environments outside laboratories. The experimental results are compared with those provided by a meteorological station of the Company of Environmental Sanitation Technology of the State of São Paulo. Determining the atmospheric pressure variation as a function of height also allowed us to estimate the Boltzmann constant, thus establishing an experiment that can be introductory in statistical physics. Other than stimulating the practice and understanding of graphical analyses of experimental results, the proposed experiments serve as a deeper understanding of the atmospheric pressure phenomenon than that usually found in textbooks, proving to be a robust and suitable tool for physics teaching at an undergraduate level.

Abstract The optimization of three-dimensional device has widely been explored and designated as computational challenge in photonic device design. In this context, this work presents a novel multi-symmetric level (MSL) optimization procedure based on Genetic Algorithm (GA) to decrease the computational requirements in a three-dimensional photonic coupler device optimization. The proposed procedure divides the device optimization into many local regions by dimensional symmetric aspects, being based on divide- to-conquer strategies. As the optimization converges to acceptance values, the number of symmetric areas are decreasing until a unique local area that modeled the total 3D photonic device. This procedure was validated by the minimization of a photonic coupler modeled to interconnect optical waveguides with different height, width and refractive indices.

Abstract This work shows the construction, calibration and validation of a system to determine sound speed in liquids. We used the pulse method for the measurements. Piezoelectric transducers are used to transmit and receive acoustic wave pulses. The pulse travel time is determined by a counter implemented in a logic programmable device (FPGA). Initially the system is calibrated using pure water. We performed measurements in NaCl and CuSO4 solutions at different concentrations. The system detected speed variations of approximately 1.0 m/s in relation to the concentrations. Therefore, from didactical point of view, it is possible to perform experiments where small changes in the impurities concentration can be detected and measured. Further, the construction or even the enhancement of the system may be stimulant to students devoted to electronic instrumentation.

Modern electronic instrumentation techniques are being introduced in the programs of the Physics and Physical Engineering courses and, in this context, the programmable logic devices play an important role. We present the fundamental steps for the design, development, and validation of systems based on programmable logic devices. Two digital filters have been implemented for illustrating the guide procedures. The results show that the function–response complies with the common requirements of generic filter performance. This work is targeted at students and lectures and aims stimulate and challenge them to develop electronic instrumentation using programmable logic devices in teaching activities.

O estudo sobre a conservação do momento linear e as forças impulsivas nos cursos introdutórios de física tem abordagem baseada na colisão de objetos que se comportam como partículas. Neste trabalho busca-se por um aprofundamento no tema, introduzindo-se atividades experimentais direcionadas para laboratórios de ensino de física em que se considera a colisão entre uma bola de borracha e uma superfície rígida e plana. Estes experimentos permitem investigar características da colisão, tais como o tempo de impacto, a força impulsiva, a área de contato e o coeficiente de restituição. A modelagem, baseada na teoria de Hertz, inclui as propriedades elásticas da bola. Os resultados experimentais são comparados com valores teóricos provenientes do tratamento convencional (desconsiderando a deformação dos corpos) e da teoria de Hertz. Também são fornecidas indicações sobre a elaboração de experimentos visando aprimoramentos por parte de professores e alunos.

The study on the conservation of linear momentum and impulsive forces in introductory physics courses has an approach based on the collision of objects that behave as particles. In this work we search for a deepening in the subject, introducing experimental activities directed to laboratories of physics teaching in which it is considered the collision between a rubber ball and a rigid and flat surface. These experiments allow us to investigate collision characteristics, such as the impact time, the impulsive force, the contact area and the coefficient of restitution. The modeling, based on the Hertz's theory, includes the elastic properties of the ball. The experimental results are compared with theoretical values from the conventional treatment (excluding the deformation of the bodies) and the Hertz theory. Indications are also given about the elaboration of experiments aiming at improvements by teachers and students.

A medição de impedâncias elétricas é um procedimento bastante comum em laboratórios de Física. Convencionalmente, por meio de medições de tensão elétrica um circuito divisor de tensão se pode determinar a impedância elétrica de um dispositivo qualquer. Todavia, este procedimento permite que as impedâncias só possam ser medidas em faixas de valores restritas. Em componentes, como alguns transdutores piezelétricos, que apresentam larga faixa de magnitude de impedância, os resultados obtidos com este procedimento não são satisfatórios. Neste trabalho é apresentado um circuito eletrônico simples, de baixo custo, com fácil compreensão de operação por estudantes com pouco conhecimento sobre eletrônica e que amplia a faixa de determinação das impedâncias. O sistema foi testado com transdutores piezelétricos e os resultados obtidos comparados com o de um analisador de impedâncias comercial. Os resultados mostraram que é possível medir impedâncias entre dezenas de Ω e dezenas de k Ω satisfatoriamente.

The measurement of electrical impedance is a common procedure in physics laboratories. Conventionally, by means of voltage measurements a voltage divider circuit can determine the electrical impedance of any device. However, this procedure allows the impedances can be measured only in limited ranges of values. In components as some piezoelectric transducers, which have large impedance magnitude band, the results obtained with this procedure are not satisfactory. This paper presents a simple electronic circuit, low cost, easy to understand operation by students with low knowledgement in electronics and broadens the range of determination of impedances. The system was tested with piezoelectric transducers and the results compared with a commercial impedance analyzer. The results have shown that it is possible to measure impedances between tens of Ω and tens of k Ω satisfactorily.

A potência de sinal é um importante parâmetro a ser considerado em um projeto de implantação de rede de sensores sem fio no meio agrícola. Este trabalho tem como objetivo coletar dados de qualidade de sinal transmitido entre uma estação base e um nó sensor situado no interior de uma casa de vegetação, localizada no campo experimental da Faculdade de Engenharia Agrícola - UNICAMP, com o auxílio de ferramentas computacionais. Após a implantação do nó sensor foram realizados experimentos com vista a se verificar alcance e qualidade do sinal de acordo com sua potência. Através desses ensaios foi possível concluir que uma potência de sinal com valor de -12,2 dBm é suficiente para manter a transmissão entre a estação base e nó sensor. Testes também foram realizados com uma potência de sinal de -9,2 dBm e mostraram que a rede possuía qualidade classificada "muito alta" porém, através do teste de duração da bateria, nota-se que existe economia de energia ao se utilizar a potência de sinal de -12,2 dBm. Foi avaliada a influência que o valor da potência de sinal tem sobre a qualidade do sinal de transmissão e recepção, o gasto de bateria e o alcance do sinal.

The signal strength is an important parameter to be considered in a project to establish network of wireless sensors in an agricultural environment. This work aims to collect quality data signals transmitted between a base station and a sensor node located inside a greenhouse, which is an experimental field located in the College of Agricultural Engineering - UNICAMP, with the help of computational tools. After sensor node deployment, experiments were performed in order to check range and signal quality. Through these experiments, it was concluded that a radiofrequency power value of -12.2 dBm is sufficient to maintain transmissions between base station and the sensor. Tests were also performed to a radiofrequency power of -9.2 dBm, and showed that the network had quality rated as "very high". However, by testing the battery life, it is noted that there is an energy saving when the radiofrequency power of -12.2 dBm is used. It was shown that the value of the signal strength has an influence on the quality of signal transmission and reception, battery depletion and signal range.

Um estudo experimental, visando a avaliar a distância de operação adequada entre os nós de uma rede de sensores sem fio disponível no mercado, foi realizado para diferentes cultivos agrícolas (milho, pinhão-paraguaio e eucalipto), buscando oferecer aos agricultores e pesquisadores dados experimentais do desempenho da rede, que possa good yield are environmental factors, which include high temperatures and high humidity within the facilities, causing stress to the animal and consequent decreased production (SOUSA, 2005).am ser úteis para ser considerados no dimensionamento e no projeto de redes de sensores sem fio em situações semelhantes às estudadas. A avaliação mostrou que a distância de separação dos nós depende do tipo de cultura e é um fator crítico para garantir a viabilidade do uso da RSSF. Na configuração usada, com envio de pacotes a cada 2 segundos, a autonomia da bateria foi de cerca de quatro dias. Portanto, a autonomia pode ser aumentada com um intervalo maior de tempo entre o envio de pacotes.

The aim of this study was to perform an experimental study to evaluate the proper operation distance between the nodes of a wireless sensor network available on the market for different agricultural crops (maize, physic nut, eucalyptus). The experimental data of the network performance offers to farmers and researchers information that might be useful to the sizing and project of the wireless sensor networks in similar situations to those studied. The evaluation showed that the separation of the nodes depends on the type of culture and it is a critical factor to ensure the feasibility of using WSN. In the configuration used, sending packets every 2 seconds, the battery life was about four days. Therefore, the autonomy may be increased with a longer interval of time between sending packets.

Os pêndulos são muito empregados nas atividades de ensino de cursos introdutórios de física. Nessas atividades, frequentemente, faz-se uso de modelos ideais para estudar o comportamento do pêndulo. Neste trabalho é sugerido um modelo que leva em conta o amortecimento das oscilações. Uma metodologia experimental é proposta com a finalidade de detectar a diminuição da amplitude das oscilações e ajustar estes dados a um modelo matemático. Os resultados demonstram que o pêndulo simples, composto de esferas de pequeno volume e oscilando com baixas velocidades, pode ser estudado por modelos simplificados. A metodologia e o modelo matemático são compatíveis com o nível de conhecimento de alunos de cursos introdutórios de física e oferecem uma visão mais realística sobre o comportamento do pêndulo.

The pendula are largely used in teaching activities of physical introductory courses. Often, in these activities an ideal model is used to study the behavior of the pendulum. In this work a model that takes into account the oscillation damping is suggested. An experimental methodology is purposed aiming to detect the falling down of oscillation amplitude and to fit these data to a mathematical model. The results show that the simple pendulum, set up by a small volume sphere and oscillating on low speed, can be studied with simplified models. The methodology and the mathematical model are appropriated for the knowledge level of the students from physic introductory courses and offer a more realistic insight about the pendulum behavior.

Neste trabalho é apresentado um método de análise de transdutores piezelétricos baseado numa simplificação do circuito elétrico equivalente de Mason. Empregou-se uma adaptação do teorema de Thévenin para analisar o comportamento de transdutores piezelétricos usados como transmissores (conversão de energia elétrica em mecânica), levando em conta uma configuração tipicamente empregada em aplicações de alta potência. Os transdutores foram modelados uni-dimensionalmente considerando-se apenas modos de vibração longitudinais. Um circuito elétrico equivalente foi obtido e simulado computacionalmente. Os resultados experimentais e os calculados pelo modelo elétrico apresentaram bom ajuste. Aspectos referentes à simplificação do modelo empregado e sua viabilidade para ensino são discutidos.

In this work, a method of analysis of piezoelectric transducers is shown. This method is based on the simplification of Mason’s equivalent electric circuit. An adaptation of Thévenin theorem has been employed to study the behavior of piezoelectric transducers used as transmitters (electric into mechanic energy conversion). This study was restricted to transducers with a typical configuration employed in high power applications. The transducers were one-dimensionally modeled, considering only longitudinal vibration modes. An equivalent electric circuit was obtained and computationally simulated. The experimental and calculated results show a good fitting. Features related to the simplification of the model employed and their feasibility for teaching are discussed.

Quando um transdutor eletro-acústico é excitado eletricamente, ele produz no meio de propagação onde está inserido um campo acústico. Através do conhecimento dos campos acústicos pode-se colher importantes subsídios para projetos de transdutores e estudos da interação com os meios de propagação. Neste trabalho é apresentada uma proposta de atividade interdisciplinar envolvendo conteúdos de Física, Matemática e Computação ministrados nas disciplinas introdutórias dos cursos superiores de ciências exatas e tecnológicas. O trabalho propõe a discussão dos fenômenos de interferência ondulatória, o cálculo do campo acústico usando coordenadas cilíndricas e a programação do método matemático através de instruções básicas de uma linguagem de programação. As simulações de alguns campos acústicos são apresentadas na forma de gráficos bi e tridimensionais e os resultados são discutidos.

When an electro-acoustical transducer is electrically supplied, it yields an acoustic field in the propagation medium. The acoustic field knowledge allows us to obtain significant help to transducers design and propagation medium interaction studies. In this paper, it is shown a proposal of classroom work involving the studied contents of physics, mathematic and computing in the introductory lessons of degree course of exact science. It is proposed the discussion about wave interference phenomena, the determination of acoustic field using cylindrical coordinates and the software of the mathematical method applying basic instructions of a computational language. The simulations of some acoustic fields are shown in bi and tri-dimensional graphics and the results are discussed.