Uso do LDR e do Arduino no ensino de óptica: Medindo o sinal de refletância relativa difusa da luz em superfícies coloridas

Use of an LDR and Arduino in optics teaching: Measuring the diffuse relative reflectance signal of light on colored surfaces

Resumo

Este artigo apresenta uma proposta experimental de baixo custo voltada ao ensino de Óptica, com foco na investigação da intensidade da luz refletida por superfícies coloridas, iluminadas por LEDs de diferentes cores, por meio de medidas de fator de refletância relativa. O experimento foi realizado em uma câmara escura em formato de L, que impede interferências do ambiente externo. A detecção da luz refletida é feita com um sensor LDR conectado ao Arduino Uno. Para as superfícies coloridas, utilizaram-se fitas impressas em papel A4, produzidas por impressão a jato de tinta (sistema CMYK). As fontes luminosas foram compostas por LEDs branco, vermelho, azul, verde e amarelo. Os dados obtidos revelaram variações nas intensidades refletidas em função da compatibilidade espectral entre a cor da luz incidente e a cor da superfície, evidenciando fenômenos de absorção e reflexão seletiva. A atividade proposta possibilita explorar, de forma contextualizada, conceitos como espectro visível, natureza da luz, modelos de cor (RGB e CMYK) e interação entre luz e matéria, além de incentivar práticas investigativas com aquisição automatizada de dados. A simplicidade do aparato experimental, aliada à sua relevância conceitual, demonstra seu potencial pedagógico no ensino da Óptica, favorecendo uma aprendizagem ativa, interdisciplinar e contextualizada.

Palavras-chave:
Ensino de Óptica; Reflexão Seletiva; Arduino; Refletância; Luz e Cor

Abstract

This article presents a low-cost experimental proposal aimed at optics education, focusing on the investigation of the intensity of light reflected by colored surfaces illuminated by LEDs of different colors, through measurements of the relative reflectance factor. The experiment was carried out in an L-shaped dark box designed to prevent interference from external ambient light. The detection of the reflected light is performed using an LDR sensor connected to an Arduino Uno. For the colored surfaces, printed strips on A4 paper were used, produced by inkjet printing (CMYK system). The light sources consisted of white, red, blue, green, and yellow LEDs. The obtained data revealed variations in the reflected intensities as a function of the spectral compatibility between the color of the incident light and the color of the surface, highlighting phenomena of selective absorption and reflection. The proposed activity makes it possible to explore, in a contextualized way, concepts such as the visible spectrum, the nature of light, color models (RGB and CMYK), and light–matter interaction, while also encouraging investigative practices with automated data acquisition. The simplicity of the experimental setup, combined with its conceptual relevance, demonstrates its pedagogical potential in optics education, promoting active, interdisciplinary, and contextualized learning.

Keywords:
Optics Teaching; Selective Reflection; Arduino; Reflectance; Light and Color

1. Introdução

A Óptica constitui um dos ramos fundamentais da Física, sendo essencial para a compreensão de diversos fenômenos naturais, como o arco-íris e o pôr do sol, e para o entendimento de aplicações tecnológicas presentes no cotidiano, a exemplo dos sistemas de iluminação artificial. O estudo das propriedades da luz, tais como reflexão, absorção e intensidade luminosa, também permite explicar percepções populares, como a preferência por roupas brancas ou de cores claras em dias ensolarados, em função da menor absorção da radiação solar em comparação com tecidos escuros.

No contexto do ensino de Física, pesquisas apontam que atividades didáticas baseadas na observação da reflexão da luz podem ser eficazes para despertar o interesse dos estudantes e reduzir concepções alternativas relacionadas à natureza da luz e à interação da luz com diferentes materiais [¹]. Para tornar o ensino de Óptica mais dinâmico, recomenda-se a proposição de atividades experimentais contextualizadas, que articulem teoria, prática e saberes populares [²]. Nesse sentido, o uso de experimentos de baixo custo, integrados às tecnologias acessíveis, apresenta-se como alternativa viável para aproximar os conceitos fundamentais da Física do cotidiano dos estudantes [³].

Tais estratégias podem ampliar o interesse pela Óptica, favorecer a aprendizagem ativa, validar previsões com base em dados empíricos e promover a reformulação de concepções alternativas de maneira científica. Além disso, fortalecem o uso pedagógico de recursos tecnológicos em práticas experimentais no ensino de Física [⁴, ⁵].

Neste artigo, apresenta-se uma proposta experimental para o estudo da reflexão da luz em superfícies coloridas, por meio de medidas de refletância relativa, utilizando o LED (Light Emitting Diode) como fonte luminosa e o sensor LDR (Light Dependent Resistor) para a detecção da intensidade da luz refletida. As medições de diferença de potencial (ddp) são realizadas com o auxílio da plataforma Arduino Uno, em um experimento conduzido no interior de uma câmara escura em formato de “L”, denominada neste trabalho de caixa escura em L. Essa configuração permite investigar a relação entre a luz refletida, as características ópticas das superfícies e o tipo de fonte luminosa utilizada, promovendo uma abordagem investigativa, contextualizada e acessível para o ensino da Óptica.

2. Interação da Luz com a Matéria

Quando um feixe de luz interage com a matéria, podem ser observados os fenômenos da reflexão, refração, difração e absorção, cuja ocorrência depende das propriedades da luz incidente e das características ópticas do material iluminado, determinando como a radiação será redirecionada, transmitida ou convertida em outras formas de energia. A refração acontece quando a luz atravessa a interface entre dois meios distintos, sofrendo uma mudança na velocidade de propagação. Essa variação de velocidade provoca uma mudança na direção de propagação do feixe luminoso, cuja intensidade está diretamente relacionada aos valores dos índices de refração dos meios envolvidos [¹, ⁶].

A reflexão, por sua vez, ocorre quando a luz incide sobre uma superfície e tem sua direção de propagação alterada, permanecendo no mesmo meio. Esse fenômeno é responsável, por exemplo, pela formação de imagens em espelhos. Cada material reflete a luz de forma distinta, sendo esse comportamento influenciado por sua textura, composição e estrutura eletrônica superficial.

Em escala microscópica, a interação da luz com a matéria ocorre por meio da incidência de fótons sobre os elétrons da camada eletrônica mais externa dos átomos ou moléculas da superfície. Em materiais com superfícies polidas e metálicas, os elétrons livres oscilam sob a ação do campo elétrico da onda luminosa incidente. Essa oscilação gera ondas secundárias coerentes, que se combinam e são refletidas de volta ao meio original. Quando a superfície do material é rugosa, a luz é refletida em múltiplas direções, caracterizando a reflexão difusa [⁷].

A difração da luz [⁸] ocorre quando uma onda luminosa se propaga através de uma abertura de dimensões comparáveis ao seu comprimento de onda ou quando contorna um obstáculo, resultando em um desvio da propagação retilínea da luz prevista pela Óptica Geométrica. Como consequência desse fenômeno, forma-se um padrão de intensidade luminosa caracterizado por máximos e mínimos, decorrente da interferência construtiva e destrutiva entre as ondas difratadas. Tal comportamento evidencia a natureza ondulatória da luz e constitui um aspecto fundamental para a compreensão de fenômenos ópticos em escalas próximas ao comprimento de onda da radiação.

Já a absorção da luz consiste na transferência de energia eletromagnética para o material, o que geralmente resulta em aumento da energia interna do material, manifestando-se sob a forma de calor. De forma abrangente, se a energia dos fótons for absorvida, os elétrons podem ser excitados a níveis de energia mais elevados, podendo posteriormente liberar calor, emitir um novo fóton, fenômeno conhecido como fotoluminescência, ou participar de processos de conversão de energia, como ocorre em células fotovoltaicas.

No cotidiano, a absorção da luz é facilmente perceptível em superfícies escuras expostas à radiação solar direta, que, por consequência, absorvem maiores quantidades de energia luminosa e tendem a apresentar temperaturas mais elevadas. De outro modo, a radiação emitida por um objeto está diretamente relacionada à sua temperatura, conforme descrito pela radiação térmica, e pode ser descrita pela lei de Stefan–Boltzmann. Materiais escuros, por apresentarem bandas eletrônicas que absorvem diversos comprimentos de onda da luz visível, tendem a reter uma parcela significativa da energia luminosa incidente [⁹]. A percepção visual dos objetos é, portanto, resultado da combinação entre a luz refletida e a luz absorvida em sua superfície.

De maneira esquemática e idealizada, a Figura 1 ilustra os fenômenos de reflexão e absorção, representando o comportamento de um feixe de luz incidente ($I$) após atingir diferentes tipos de superfícies. O feixe refletido é identificado por $R$, enquanto a parte absorvida é representada por $A$. Em superfícies coloridas, observa-se a reflexão seletiva ($R_{\lambda }$), na qual apenas determinados comprimentos de onda são refletidos, dependendo da cor da superfície, enquanto os demais são absorvidos ($A_{{\lambda }^{\prime }}$). O ângulo de incidência do feixe luminoso, ${\theta }_i$, é igual ao ângulo de reflexão, ${\theta }_r$. Em superfícies rugosas, um mesmo feixe incidente com ângulo ${\theta }_i$ pode gerar múltiplos ângulos de reflexão (${\theta }_r$), devido à reflexão difusa. No entanto, a lei da reflexão continua válida em escala microscópica, sendo obedecida em cada ponto da superfície irregular.

Figura 1
Ilustração esquemática das interações da luz com a matéria, considerando um feixe luminoso incidente, representado por $I$, composto por todos os comprimentos de onda, que incide com ângulo de incidência ${\theta }_i$. Como resultado possíveis dessa interação, o feixe pode ser refletido e/ou absorvido, representados por $R$ e $A$, respectivamente: (a) em uma superfície branca, parte dos raios incidentes é refletida com ângulo de reflexão ${\theta }_r$, a outra parte é absorvida; (b) em uma superfície espelhada ocorre a reflexão; (c) em uma superfície escura, toda a luz incidente é absorvida; (d) em superfícies coloridas, apenas os feixes luminosos com comprimento de onda $\lambda$ específico são refletidos, representados por $R_{\lambda }$, enquanto todos os demais comprimentos de onda são absorvidos, representados por $A_{{\lambda }^{\prime }}$.

Como exemplo de seleção espectral, uma superfície vermelha reflete principalmente o comprimento de onda correspondente ao vermelho e absorve os demais. Superfícies brancas refletem uma grande parcela da luz visível de forma difusa, com pouca absorção, enquanto superfícies escuras absorvem grande parte da radiação incidente, com mínima reflexão. Atualmente, o Vantablack[¹⁰] é o material mais escuro já produzido artificialmente, refletindo somente 0,036% da luz incidente. Já as superfícies espelhadas refletem praticamente toda a luz incidente, apresentando absorção desprezível. Embora de forma esquemática, a Figura 1 oferece uma representação simplificada sobre a percepção das cores e a formação de imagens.

A cor, conforme discutido por Scarinci e Marineli [¹¹], constitui uma percepção visual complexa, resultante da interação entre a luz incidente, as propriedades ópticas da matéria e o processamento neural do sistema visual humano. Trata-se, portanto, de uma construção perceptiva e não de uma propriedade intrínseca dos objetos. Essa percepção humana das cores decorre da reflexão, absorção e, em alguns casos, emissão de radiação eletromagnética em comprimentos de onda específicos que atingem os fotorreceptores da retina, os cones sensíveis às regiões azul, verde e vermelha do espectro visível [¹²]. Assim, a cor percebida por um observador depende simultaneamente das características da superfície observada e do tipo de fonte luminosa que incide sobre ela.

Para medir a eficiência de uma superfície em refletir a radiação luminosa, utiliza-se o conceito de sinal de refletância relativa [¹³]. A refletância é uma grandeza óptica adimensional que é dada pela razão entre a intensidade da luz refletida por uma superfície e a intensidade de luz incidente sobre ela. Por meio da refletância é possível compreender como e por que vemos as cores dos objetos, já que a cor percebida de um material depende da fração da luz refletida em diferentes comprimentos de onda. Dessa forma, alterações no tipo de iluminação ou na natureza do material observado podem modificar significativamente a percepção visual das cores. Essa dependência reforça a importância de considerar, em atividades didáticas envolvendo luz e cor, tanto a composição espectral da fonte luminosa quanto as propriedades ópticas das superfícies envolvidas.

3. As Cores no Modelo RGB e no Sistema CMYK

Experimentos didáticos podem evidenciar a percepção da cor e sua dependência da composição espectral da luz incidente, reforçando a ideia de que a cor é um produto da interação entre a luz e o objeto, mediada por mecanismos de absorção, emissão e reflexão [¹¹, ¹⁴]. Contudo, essas demonstrações requerem um planejamento cuidadoso para garantir condições controladas de iluminação, uma seleção adequada de materiais com propriedades ópticas conhecidas e o uso de instrumentos que permitam quantificar a intensidade e o espectro da luz refletida ou transmitida. Para garantir essa clareza conceitual, é importante que seja minimizada a influência de variáveis externas, como a luz ambiente, e que se explorem comparações entre diferentes fontes luminosas e superfícies, de forma a favorecer a compreensão dos princípios físicos envolvidos e a relação entre fenômenos ópticos e a percepção visual das cores.

Os comprimentos de onda da luz visível situam-se entre 380 e 740 nm, abrangendo um conjunto específico de cores, conforme ilustrado na Figura 2. Distinguem-se as cores pigmentares, determinadas por substâncias químicas que absorvem seletivamente determinadas faixas do espectro visível, e as cores estruturais, resultantes de fenômenos ópticos, como interferência e difração em nanoestruturas [¹⁴, ¹⁵].

Figura 2
Faixa de comprimento de onda correspondente à luz visível.

Para compreender a percepção visual e tecnológica das cores das imagens, é fundamental compreender os modelos aditivo e subtrativo. Estes modelos auxiliam na análise das cores que podem ser refletidas ou absorvidas durante a interação entre uma fonte luminosa e a superfície observada, além de apresentarem aplicações diretas em dispositivos eletrônicos, processos gráficos e experimentações didáticas. A Figura 3 mostra dois modelos fundamentais de representação e reprodução de cores, o modelo RGB e o sistema CMYK, cada um adequado a um contexto diferente.

Figura 3
Combinação das cores pelo modelo RGB e pelo sistema CMYK, em que cada cor é identificada por uma letra: amarelo (Y), azul (B), branco (W), ciano (C), magenta (M), preto (K), verde (G) e vermelho (R).

O modelo aditivo, conhecido como modelo RGB, baseia-se na teoria tricromática de Young-Helmholtz e no triângulo de cores de Maxwell [¹⁶]. Ele está relacionado à emissão de luz, na qual as cores são percebidas pela combinação das cores primárias vermelho (R), verde (G) e azul (B) em diferentes intensidades. A combinação dessas três cores quando emitida em intensidade máxima resulta em uma cor que se aproxima do branco (W), enquanto a ausência de emissão luminosa gera a percepção da cor preta. Esse modelo é utilizado principalmente em telas de dispositivos digitais, como monitores, televisores, smartphones, projetores e painéis de LED, cujos pixels emitem luz diretamente.

Em contraste, o sistema CMYK é um modelo subtrativo, empregado em impressões gráficas e outros suportes físicos que dependem da reflexão da luz ambiente [¹⁷]. Ele utiliza como cores primárias o ciano (C), o magenta (M) e o amarelo (Y). Na prática, a sobreposição dessas três cores resulta em um tom acinzentado; por isso, adiciona-se o preto (K), com a função de aprofundar os tons escuros. Ainda assim, considera-se que a sobreposição de ciano, magenta e amarelo também pode produzir o preto.

Embora o modelo RGB e o sistema CMYK aparentem ser distintos, é possível realizar uma conversão aproximadamente equivalente entre eles. Isso se deve ao fato de que cada cor no modelo RGB pode ser representada por uma combinação numérica em uma escala de 0 a 255 para os componentes vermelho, verde e azul, seguindo a notação vetorial $RGB=(R,G,B)$, o que permite a geração de mais de 16 milhões de cores possíveis. O sistema CMYK também adota uma representação numérica vetorial, dada por $CMYK=(C,M,Y,K)$, utilizando valores percentuais de 0 a 100% para cada componente de cor primária.

A composição dessas cores pigmentares, quando expostas a diferentes fontes de luz, pode gerar interações ópticas associadas à reflexão e absorção da luz, influenciando diretamente a percepção visual das cores, a percepção das cores, a intensidade da luz refletida e os contrastes observados sob variadas condições de iluminação. Diante disso, este artigo propõe uma atividade experimental que visa demonstrar essas interações de maneira prática e didática, por meio da medição relativa da luz refletida em superfícies coloridas.

4. Aparato Experimental

Para esse experimento são necessários os seguintes materiais:

• Arduino Uno.

• Caixa escura em L.

• Computador ou notebook.

• Fios e cabos para conexão.

• Fitas coloridas.

• LDR de 5 mm.

• LEDs coloridos.

4.1. LED

O LED, ou diodo emissor de luz, é um componente semicondutor que emite luz no espectro visível quando polarizado e submetido à passagem de corrente elétrica. Esse fenômeno, conhecido como eletroluminescência, resulta da recombinação de elétrons e lacunas na junção $p$-$n$ do semicondutor, liberando energia na forma de fótons com comprimentos de onda específicos. A cor da luz emitida depende das propriedades do material semicondutor utilizado e da diferença de energia entre suas bandas de valência e condução [¹⁸, ¹⁹]. Os LEDs escolhidos para esta atividade têm suas características descritas na Tabela 1.

Tabela 1
Características dos LEDs utilizados. Fonte: Cromatek [²⁰].

LED	Modelo [link]	Faixa espectral (nm)	Intensidade máxima (nm)	Corrente de operação (mA)	Tensão de operação (V)
Amarelo	LED PTH 5mm Amarela encapsulamento Amarelo difuso LI321 [link]	580–595	589	30	2,3
Azul	LED PTH 5mm Azul Encapsulamento Azul Difuso – L721U-14BL-ONL [link]	435–520	465	30	3,2
Branco	LED PTH 5mm Branca Fria Encapsulamento Hialino – LI120WHU-08CD-HT [link]	400–700	460	25	3,1
Verde	Led PTH 3mm verde amarelado encapsulamento verde difuso L230 [link]	475–585	568	30	2,2
Vermelho	LED PTH 5mm – encapsulamento Vermelho difuso LI121 [link]	650–750	700	25	2,3

Diferentemente dos LEDs coloridos, o LED branco não emite diretamente luz branca, uma vez que não há semicondutores capazes de gerar essa cor isoladamente. A produção de luz branca em LEDs é geralmente realizada por meio da combinação de cores, segundo o modelo RGB, no qual as emissões dos LEDs vermelho, verde e azul são combinadas simultaneamente, ou pela utilização de fósforo [²¹]. Neste último caso, um LED azul emite luz sobre um revestimento de fósforo amarelo onde parte da luz azul é transmitida diretamente, enquanto outra parte é convertida em luz amarela. A mistura dessas radiações é percebida pelo olho humano como luz branca, mas não corresponde à luz branca solar, que cobre praticamente todo o espectro de luz visível (Figura 2). Diferentes LEDs coloridos são utilizados como fontes luminosas no experimento proposto.

4.2. Fitas coloridas

O feixe luminoso do LED incidirá sobre fitas coloridas. Foram utilizadas sete fitas coloridas (Figura 4) com dimensões de 2,$0\times 5$,3 cm². Elas foram produzidas por meio de impressão em jato de tinta sobre papel sulfite branco com gramatura de 90 g/m², um tipo de papel padrão amplamente utilizado em impressões e atividades escolares. A escolha desse tipo de papel e método de impressão foi motivada por sua ampla disponibilidade no mercado, baixo custo e boa qualidade na reprodução de imagens. Além das fitas coloridas derivadas de impressão, foi utilizada no experimento uma fita branca, correspondente à folha de papel sem aplicação de pigmentos.

Figura 4
Fita branca (papel A4 sem impressão) e fitas coloridas obtidas por impressão a jato de tinta em papel A4.

As cores utilizadas na confecção das fitas coloridas estão detalhadas na Tabela 2, que apresenta a correspondência entre os códigos de cor nos modelos RGB e CMYK, que se baseiam em princípios distintos de composição cromática.

Tabela 2
Relação entre o modelo RGB e o sistema CMYK das cores utilizadas para as fitas coloridas.

Descrição	Modelo RGB					Sistema CMYK
	Código hexadecimal	Cor	R	G	B	C	M	Y	K
preto	#000000		0	0	0	0	0	0	100
laranja	#FFC000		255	192	0	0	25	100	0
amarelo	#FFFF00		255	255	0	0	0	100	0
verde	#00B050		0	176	80	100	0	58	31
azul	#0070C0		0	112	192	100	45	0	25
vermelho	#EE0000		238	0	0	0	100	100	7

Na impressão por jato de tinta, minúsculas gotas de tinta, imperceptíveis a olho nu, são depositadas de forma controlada sobre o papel. Essa deposição, quando observada em escala macroscópica, reproduz a imagem desejada. Nesse processo, as cores são formadas segundo o método subtrativo, utilizando tintas de cores específicas aplicadas sobre um substrato refletor, o qual reflete e/ou absorve a luz incidente, resultando na formação de uma imagem colorida. Dessa forma, as fitas coloridas utilizadas neste trabalho foram produzidas seguindo o sistema CMYK e devem servir de base para o estudo da interação entre a luz e a superfície refletora.

Um estudo sobre as propriedades ópticas do papel é feito por Džimbeg-Malčić, Barbarić-Mikočević e Itrić [²²]. Quando a luz incide sobre o papel, nem todas as cores presentes no feixe luminoso são refletidas da mesma maneira. O papel, por ser um material composto por fibras de celulose e, muitas vezes, pigmentos ou branqueadores ópticos, atua como um filtro seletivo, absorvendo certos comprimentos de onda e refletindo outros. Essa interação define o espectro da luz refletida, que pode ser diferente do espectro original da luz incidente. Em uma abordagem qualitativa, é possível compreender que a cor percebida pelo observador na presença de uma fonte luminosa depende da alta capacidade de espalhamento difuso somada à absorção seletiva dos pigmentos presentes, que molda o perfil da luz refletida e, portanto, a cor percebida pelo observador. Na proposta experimental deste trabalho, a luz refletida pelas fitas coloridas será percebida pelo LDR.

4.3. LDR

O LDR [²³] é um componente eletrônico de baixo custo cuja resistência elétrica varia em função da intensidade luminosa incidente sobre sua superfície, ou seja, um sensor de luminosidade. Isso ocorre porque a luz incidente excita os elétrons da camada de valência do material semicondutor, reduzindo sua resistência elétrica. Essa característica fotossensível decorre de um efeito fotoelétrico interno, o que torna o LDR um elemento relevante em experimentos voltados à detecção de variações de luminosidade [⁴]. A Figura 5, retirada de Macêdo, Luciano e Costa [²⁴], mostra a resposta relativa do LDR de sulfeto de cádmio (CdS) para os diferentes comprimentos de onda aos quais ele é exposto.

Figura 5
Resposta espectral relativa do LDR de CdS. Fonte: retirado de [²⁴].

Embora o LDR não aponte necessariamente uma cor específica [²⁵], sua sensibilidade aos comprimentos de onda próximos do amarelo, é adequado para a percepção de variações na intensidade luminosa de forma geral. Essa característica, aliada ao baixo custo de aquisição desse sensor, torna-o um bom candidato para a medição da intensidade da luz proveniente de um LED, refletida por diferentes fitas coloridas, com valores de resposta relativa, já que o efeito fotoelétrico é facilitado para radiações incidentes com comprimentos de onda na faixa de 550 nm e, para outros comprimentos de onda, a resposta do LDR é melhorada quando a intensidade da radiação luminosa aumenta [⁴]. Contudo, é preciso um sistema que faça a interface capaz de processar os sinais elétricos resultantes da variação de resistência do LDR, convertendo-os em valores digitais que possam ser analisados e interpretados de forma precisa. Assim, foi escolhido o Arduino Uno para essa tarefa.

4.4. O Arduino Uno

O Arduino [²⁶] é uma plataforma de prototipagem eletrônica de código aberto amplamente utilizada em projetos tecnológicos. Devido à sua robustez, baixo custo, compatibilidade com diversos sensores, programação intuitiva baseada em linguagem C/C++ e à vasta disponibilidade de projetos e tutoriais, tornou-se uma ferramenta bastante útil para a demonstração de fenômenos físicos com recursos limitados. Neste projeto, foi utilizado o modelo Arduino Uno [²⁷], mostrado em detalhes na Figura 6, com algumas partes destacadas. Para a medida da diferença de potencial (ddp) sobre o LDR, foi utilizado um circuito divisor de tensão, detalhado na Figura 6.

Figura 6
(a) Arduino Uno em detalhe; (b) divisor de tensão composto por uma fonte de alimentação de 5 V, um LDR e um resistor $R$, com tensão de saída dada por $V_{ARD}$.

O microcontrolador é o componente responsável pela execução das instruções de entrada e saída no Arduino Uno, cuja comunicação com o computador é realizada por meio de uma interface USB. A placa disponibiliza pinos de alimentação com tensões de 3,3 e 5 V, utilizados para alimentar circuitos externos e sensores. As entradas analógicas permitem a leitura de tensões analógicas dentro do intervalo definido pela tensão de referência do conversor analógico-digital (ADC), que no Arduino Uno é tipicamente de 10 bits de resolução, resultando em valores inteiros entre 0 e 1023. Esses valores digitais correspondem à conversão da tensão aplicada ao pino analógico, a qual pode ser obtida, por exemplo, a partir de um circuito divisor de tensão associado a sensores resistivos.

Para este experimento, o divisor de tensão é composto por um resistor de valor $R=10k\Omega$ e um LDR, conforme ilustrado na Figura 6. A tensão efetivamente medida pelo Arduino, denotada por $V_{\text{ARD}}$, pode ser expressa pela Equação 1.

(1) $$V_{ARD}=V_E\left[\frac{N_A}{1023}\right]$$

Nessa expressão, $N_A$ corresponde ao valor de leitura analógica associado ao LDR, fornecido pelo conversor analógico-digital de 10 bits do Arduino, assumindo valores inteiros no intervalo $0\le N_A\le 1023$. A tensão de entrada é dada por $V_E$, que, neste sistema, corresponde a 5 V. Dessa forma, a Equação 1 permite estimar a tensão associada à resposta do LDR em função da intensidade luminosa incidente na configuração da Figura 6.

O experimento deve ser realizado em um ambiente controlado, de modo a minimizar interferências externas na intensidade luminosa incidente sobre o LDR e nas propriedades ópticas das superfícies analisadas. Assim, busca-se garantir que as variações observadas sejam decorrentes majoritariamente das características refletoras das fitas coloridas, desprezando fatores como iluminação ambiente, sombras acidentais ou influência direta do feixe luminoso da fonte. Por essa razão, propõe-se que o experimento seja conduzido no interior de uma caixa escura em formato de L.

4.5. A caixa escura em L

A caixa escura em L é uma caixa em formato de L que possui superfícies internas pintadas de preto para minimizar reflexos luminosos. Ela apresenta uma base com as dimensões indicadas na Figura 7, que mostra a vista superior, e altura de 5,0 cm. Uma zona inativa, formada pelas próprias paredes da caixa, existe para servir de suporte às fitas coloridas, posicionando-as em um plano inclinado a ${45}^{\circ }$, de modo a garantir um ângulo reto entre o feixe de luz incidente e aquele detectado pelo sensor de luminosidade. Guias internas mantêm as fitas coloridas fixas, com a face voltada para a fonte luminosa. Observa-se que a caixa escura em L resulta da junção de duas câmaras que acomodam a fonte de luz e o sensor óptico, indicados por 1 e 2, respectivamente. Essas câmaras estão dispostas perpendicularmente, de forma que a maior parte da luz que atinge o sensor seja proveniente da reflexão na superfície da fita colorida. O feixe de luz emitido pela fonte, identificado por $I$, percorre um comprimento de aproximadamente 6,8 cm e incide sobre a fita colorida. Ao encontrar a fita, uma parte desse feixe luminoso é absorvida e a outra parte é refletida. Esse feixe refletido, indicado por $R$, percorre 6,8 cm até atingir o sensor de luminosidade, indicado por 2. Embora essa representação seja idealizada, ela representa as maiores contribuições medidas pelo sensor de luminosidade, desprezando reflexões internas e externas.

Figura 7
Dimensões da caixa escura em formato de L. As posições da fonte luminosa e do sensor óptico são indicadas por 1 e 2, respectivamente, localizadas no centro das laterais da caixa em L. Esse alinhamento permite que o feixe incidente, $I$, seja refletido no anteparo com um ângulo de ${45}^{\circ }$, indicado por $R$, atingindo o sensor. As guias têm a função de posicionar os anteparos coloridos. A zona inativa não contribuiu para o experimento.

A Figura 8 apresenta o diagrama esquemático do sistema experimental desenvolvido para analisar o sinal relativo da luz refletida por superfícies coloridas, utilizando um microcontrolador Arduino Uno. A fita colorida é posicionada entre os guias da caixa escura em L, na intersecção das câmaras. O LED está conectado ao Arduino Uno por meio de um resistor de 100 $\Omega$, que limita a corrente elétrica do circuito. O sensor LDR, por sua vez, está acoplado a um divisor de tensão (Figura 6), sendo a tensão medida pela porta analógica A0 do Arduino Uno, permitindo a coleta e análise dos dados em tempo real. Foi usada a ddp de entrada $V_E$ de 5 V, diretamente do Arduino Uno, para energizar tanto o LED quanto fornecer a tensão base para o divisor de tensão com o LDR.

Figura 8
Diagrama representativo do aparato experimental.

A Figura 9 mostra o arranjo experimental que é utilizado para a medida de refletância relativa, com a caixa escura em L aberta na qual se observa que não existe caminho direto entre o LED e o LDR. A fita em destaque é da cor azul. As medidas são realizadas com a caixa escura em L fechada, como mostra a Figura 9. O código-fonte destinado à inserção no Ambiente de Desenvolvimento Integrado, conhecido como Arduino IDE, está disponível no Anexo I. Esse código realiza a medição do valor de $V_{ARD}$ a cada segundo, durante dez segundos, resultando em dez medidas, para cada fita colorida instalada na caixa escura em L. A média dos valores das leituras obtidas para uma mesma fita colorida é representada por $V_{ARD}$. Um intervalo entre as medições permite a substituição das fitas coloridas, viabilizando a coleta de dados de forma sequencial. O sinal de refletância relativa difusa é determinado pela razão entre a ddp apresentada pelo Arduino ($V_{ARD}$) e o valor de referência ($V_{REF}$), obtido quando a fita colorida é substituída por uma superfície espelhada. Nesse caso, considera-se que $V_{REF}$ corresponde ao maior valor medido, admitindo que essa seja a situação em que há a maior parcela de luz refletida direcionada para o LDR [²⁸].

Figura 9
Arranjo experimental mostrado em (a). Em (b), mostra-se a caixa escura em L fechada para realização das medidas.

5. Resultados Experimentais

Os resultados que possibilitam uma investigação qualitativa e quantitativa sobre a refletância relativa ($V_{ARD}/V_{REF}$) em superfícies coloridas são apresentados na Figura 10. Foram utilizadas as fitas coloridas descritas na Figura 4 para as fontes luminosas compostas por LEDs nas cores branca (Figura 10), amarela (Figura 10), vermelha (Figura 10), verde (Figura 10) e azul (Figura 10). Em cada gráfico, a sequência de fitas coloridas, para cada fonte luminosa, foi organizada em ordem decrescente de refletância relativa, indicado pelos índices que variam de ① a ⑦, respectivamente. Os LEDs utilizados têm suas características mostradas na Tabela 1.

Figura 10
Medidas de refletância relativa das fitas coloridas expostas a diferentes fontes luminosas, organizadas em ordem decrescente de ① a ⑦: (a) LED branco, (b) LED amarelo, (c) LED vermelho, (d) LED verde e (e) LED azul.

De modo geral, as medidas de $\left(V_{ARD}/V_{REF}\right)$, mostradas na Figura 10, indicam que, em uma observação simples, o papel apresenta-se como uma superfície que não reflete completamente a luz [²²], enquanto as medidas relacionadas às fitas coloridas ressaltam a seleção espectral para maiores e menores valores de refletância relativa [²⁹]. Dentre os LEDs utilizados como fontes de luminosas, as fitas nas cores branca e preta apresentaram os maiores e menores valores de refletância relativa, respectivamente.

A fita branca reflete praticamente todos os comprimentos de onda da luz visível, resultando na maior intensidade luminosa detectada pelo LDR. Parte da luz não refletida foi absorvida pelas fitas ou dispersa em outras direções, não sendo captada diretamente pelo sensor de luminosidade. Em contrapartida, a fita preta absorve a maior parte da radiação incidente, o que justifica sua baixa leitura, em relação às outras fitas. Esses valores, embora reduzidos, decorrem da presença de poucos feixes refletidos, que podem ser atribuídos às áreas não pigmentadas devido à própria limitação da impressão, uma vez que a superfície não é inteiramente coberta, e à possível não uniformidade da aplicação da tinta preta. Adicionalmente, em menor escala, pequenas reflexões nas paredes internas da caixa escura em L podem causar flutuações residuais nos baixos valores de refletância relativa, sem, no entanto, alterar a ordem de classificação das fitas.

Na sequência, as fitas nas cores amarela e a laranja ocupam, respectivamente, a segunda e a terceira posições em termos de refletância relativa para os LEDs branco (Figura 10), amarelo (Figura 10), vermelho (Figura 10) e verde (Figura 10). Esse comportamento pode ser explicado pela composição espectral dos pigmentos (Figura 4), com predominância da cor amarelo (Y), que reflete os comprimentos de onda correspondentes ao verde e ao vermelho, absorvendo o azul. No caso da fita laranja, que contém uma mistura de amarela (Y) e magenta (M), percebe-se uma absorção adicional de parte das faixas verde e azul, o que reduz seu valor de refletância relativa em comparação com a fita amarela pura. Essa característica é observada nos resultados obtidos com o LED azul (Figura 10), nos quais as fitas passam a ocupar posições inferiores no ranking de fator de refletância relativa, com destaque para a fita amarela, que ocupa a sexta posição, enquanto a fita azul posiciona-se em segundo lugar.

A Figura 10 mostra que as fitas vermelha, verde e azul apresentam valores de refletância relativa aproximadamente equivalentes quando iluminadas pelo LED branco, cuja composição espectral abrange os comprimentos de onda do modelo RGB. Já as medidas de $\left(V_{ARD}/V_{REF}\right)$ com LEDs monocromáticos (Figura 10-e) revelam padrões de concordância e oposição entre cores, relacionados respectivamente aos fenômenos de reflexão e absorção.

Essas interações fornecem subsídios para a formulação de hipóteses e propostas de controle experimental da interação entre a fonte luminosa e a superfície refletora, aspectos centrais para uma abordagem investigativa da relação entre luz e matéria, e permitem a inserção de outras tonalidades e pigmentações nas análises. Assim, os resultados destacam a viabilidade e a acessibilidade do experimento, que pode ser facilmente reproduzido em atividades de ensino mesmo com recursos limitados. Essa abordagem valoriza práticas investigativas no ensino de Física, uma vez que permite a exploração de diferentes superfícies refletoras em um contexto experimental acessível e contextualizado.

6. Proposta de Aplicação Pedagógica

Propõe-se uma sequência didática que possibilite ao professor aproximar a teoria da luz de situações concretas relacionadas às cores e às propriedades da radiação luminosa. Nessa perspectiva, busca-se articular o fenômeno das cores as interações entre a luz e os diferentes materiais, favorecendo uma compreensão conceitual fundamentada. Sugere-se, para isso, o trabalho com questões e problemas abertos, uma vez que essa abordagem parte de situações do cotidiano do estudante, incentivando a problematização e a investigação de fenômenos familiares, como, por exemplo, o uso de roupas pretas em dias ensolarados e sua relação com a absorção da radiação luminosa.

Nesse sentido, ao realizar o experimento com a caixa em L, é fundamental que os alunos compreendam que a luz branca é composta por diferentes cores e que a interação da luz com distintos pigmentos influencia a percepção das cores. Assim, os estudantes devem perceber que as cores não são propriedades intrínsecas dos objetos, mas dependem da luz que os ilumina e dos processos de absorção e reflexão envolvidos. Por exemplo, quando um objeto de cor azul é iluminado com luz branca, o material absorve grande parte das demais componentes do espectro visível e reflete predominantemente a radiação azul, razão pela qual o objeto é percebido dessa cor. Um roteiro aberto é proposto no Apêndice I.

Este experimento permite que os alunos relacionem a composição e a decomposição das cores, por meio da realização de registros, formulação de hipóteses e discussões ao longo do desenvolvimento experimental, reconhecendo o papel da absorção, da reflexão e da luz incidente na formação das cores percebidas.

7. Conclusão

A caixa escura em L possibilitou o estudo da interação entre fontes luminosas e superfícies coloridas com maior controle das condições de iluminação. Com uma montagem simples, de baixo custo e facilmente replicável a partir de materiais acessíveis, torna-se viável a exploração de conceitos fundamentais da óptica, tais como a formação da cor pelos modelos aditivo (RGB) e subtrativo (CMYK), reflexão e absorção seletiva, espectro eletromagnético e a natureza da luz. A utilização de sensores como o LDR, aliada a plataformas de prototipagem como o Arduino, favorece a introdução de práticas experimentais que envolvem automação, aquisição de dados e análise gráfica. Esta proposta reforça a importância do uso de tecnologias educacionais, da investigação científica e da aprendizagem ativa no ensino de Física. Além disso, o experimento pode ser adaptado e expandido para a investigação de outras cores de LEDs, diferentes materiais refletivos e superfícies com distintas texturas, ampliando sua aplicabilidade didática. Sua simplicidade estrutural não compromete a profundidade conceitual, o que o torna uma ferramenta eficaz para o ensino e a compreensão de fenômenos ópticos.

Material Suplementar

O seguinte material suplementar está disponível online:

Anexo I

Código-fonte.

Apêndice I

Roteiro experimental.

Disponibilidade de Dados

Todo o conjunto de dados que dá suporte aos resultados deste estudo foi publicado no próprio artigo.

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Editado por

• Editor-Chefe:
  Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  17 Abr 2026
• Data do Fascículo
  2026

Histórico

• Recebido
  25 Ago 2025
• Revisado
  08 Mar 2026
• Aceito
  08 Mar 2026