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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO FACULDADE DE CIÊNCIAS FARMACÊUTICAS DE RIBEIRÃO PRETO Departamento de Física e Química Física Aulas Práticas Introdução à Teoria dos Erros A. Caliri M. A. Alves da Silva RIBEIRÃO PRETO 2013 1 ÍNDICE SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) ........................................2 NOÇÕES SOBRE MEDIDA DE GRANDEZAS FÍSICAS ...........................................3 Parte 1 - Experimento Ilustrativo...........................................................................................3 Parte 2 - Erros: conceitos e aplicações ..................................................................................5 2 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) Unidades básicas Grandeza física Símbolo Grandeza __Unidade__ Símbolo Unidade 1-Comprimento l metro m 2-Massa m kilograma Kg 3-Tempo t segundo s 4-Corrente elétrica I ampere A 5-Temperatura termodinâmica T kelvin K 6-Intensidade luminosa I candela cd 7-Quantidade de matéria n mol† mol † ou mole (Português europeu) Unidades suplementares Grandeza física Símbolo Grandeza __Unidade__ Símbolo Unidade 1-Ângulo plano radiano rad 2-Ângulo sólido esterradiano‡ sr ‡ ou esferoradiano 3 NOÇÕES SOBRE MEDIDA DE GRANDEZAS FÍSICAS Objetivos da parte prática (Laboratório) da disciplina de Física: - Propiciar o contato direto do aluno, por meio de experimentos, com conceitos e princípios físicos. - Desenvolver o procedimento cientifico perante as tarefas de medir grandezas físicas, e de relatar o seu resultado. Parte 1 - Experimento Ilustrativo No processo de medida de grandezas físicas como massa, pressão, carga elétrica, etc., técnicas e instrumentos específicos são usualmente utilizados, isto é, cada grandeza a ser medida, em particular, exige procedimentos e equipamentos próprios. De fato, dependendo da precisão necessária, instrumentos sofisticados e pessoal qualificado poderão ser necessários. ___________________________________________________________________________ A grandeza "tempo" será utilizada nesta aula preliminar, como objeto de medida. Com isso objetivamos introduzir noções básicas que facilitarão o entendimentos conceitos matemáticos e estatísticos envolvidos na tarefa de se medir grandezas físicas. DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO Será utilizado como instrumento de medida do tempo um cronômetro digital, de precisão de um centésimo de segundo (0,01s). Grandeza a ser medida. O objetivo do experimento consiste em estimar o “tempo de reação ao estímulo mecânico” Na prática, os integrantes de cada grupo formam um circuito fechado: cada indivíduo segura o punho de seu vizinho à sua esquerda, tendo o seu próprio punho direito seguro pelo vizinho da direita; ver figura ao lado. Um dos integrantes do circuito dispara o cronômetro no mesmo instante em que aciona (levemente) o punho de seu vizinho à esquerda; este por sua vez, ao perceber o sinal mecânico em seu punho direito, deve prontamente acionar o punho do seu outro vizinho (à sua esquerda), e assim, sucessivamente, até que o sinal emitido pelo “cronometrista” retorne ao mesmo, o qual então, neste instante, trava o cronômetro. Registro do valor numérico obtido. O tempo para o sinal mecânico percorrer todos os integrantes do circuito, representado aqui pela letra T, é então anotado, conforme a precisão do equipamento empregado. TRATAMENTO DA MEDIDA. O procedimento descrito acima deverá ser repetido até que cada um dos integrantes do grupo tenha operado o cronômetro. Repetição do experimento. Além de possibilitar a participação de todos, a repetição do experimento nos ajudará a encontrar possíveis falhas, deficiências e limitações (materiais e humanos) no processo de uma medida, aos quais denomina-se, tecnicamente, por erros de uma medida. Ao final do processo, 4 deve-se ter coletada uma série de medidas contendo, digamos, N valores para a grandeza física tempo de reação do grupo ao estímulo mecânico, representado pelo conjunto {Ti}, onde i = 1, 2, 3, ..., N, rotula cada um dos N valores obtidos. Note que no presente caso N coincide com o número de integrantes do grupo. Cálculo do valor médio T do tempo de reação. O tempo de reação do grupo é melhor representado pelo valor médio T do conjunto {Ti}, o que se obtém pela razão da soma (T1 + T2 + T3 + ... TN) de todos os tempos obtidos, pelo número N de parcelas, isto é: N i iTN T 1 1 (1) Assim, T é dito ser uma estimativa do valor verdadeiro do tempo de reação do grupo T. Dispersão das medidas T . Uma primeira idéia de dispersão dos valores numéricos obtidos na medida de uma grandeza pode ser obtida pela observação da diferença entre o maior tempo (Tmax) e o menor tempo (Tmin) dentre os valores da série T1, T2, T3, ... TN obtidos, isto é minmax TTT (2) T nos dá uma primeira noção da magnitude do erro na medida de T . Tempo de reação individual. O tempo médio de reação individual ao estímulo mecânico pode ser estimado pela razão do tempo médio de reação T do grupo, pelo número m de integrantes do grupo, isto é, m T . (3) Observação sobre erros. Diversos fatores podem interferir na medida de grandezas físicas. Queremos, particularmente, identificar aqueles pro- cedimentos ou tendências que induzem a erros que são perfeitamente evitáveis. Tais “erros grosseiros” podem ser totalmente eliminados por meio de: (i)- familiarização com a grandeza a ser medida, (ii)- desenvolvimento de técnicas específicas, e (iii)- emprego de técnicas e equipamentos apropriados. ATIVIDADES Para ilustrar a necessidade do desenvolvimento da prática na realização de medidas, o presente experimento será inicialmente repetido preservando-se as mesmas condições da medida anterior. Daí então, outras medidas serão feitas usando diferentes metodologias, no intuito de se eliminar influências espúrias. Exemplos de alternativas metodológicas: - Medidas feitas com os olhos fechados. - Circuito fechado com os indivíduos de costas uns para os outros. Assim: -Fazer duas novas séries de medidas com metodologias distintas, comparando os resultados. Anotar as discrepâncias observadas entre as medidas, e discutir no grupo suas possíveis causas. - Finalmente, comparar os resultados entre grupos distintos. Exemplo de uma tabela para a organização da medida. Medida Valor de T 1 2 . . N Grandezas Estimativas T = Tmax = Tmin = T = T /T = 5 Parte 2 - Erros: conceitos e aplicações Nesta segunda parte, vamos introduzir, de forma estruturada, conceitos e técnicas para o tratamento adequado das medidas de grandezas físicas. Serão abordados os seguintes tópicos: unidades; tipos de medidas; precisão de uma medida, erro relativo e algarismos significativos. Adicionalmente, será introduzido os primeiros conceitos estatísticos elementares, com a finalidade de abordar especificamente a questão do tratamento de dados experimentais. Finalmente, serão identificados alguns tipos de erros potencialmente presentes durante a medida de grandezas físicas, e a forma com que estes erros se propagam como resultado de operações matemáticas. INTRODUÇÃO - UNIDADES Considere uma grandeza física qualquer, que pode ser corrente elétrica,tempo, massa, ou pressão, e vamos representá-la por G. Em conformidade com nossa experiência cotidiana, diferentes quantidades da mesma grandeza G podem ser consideradas, e assim temos tempos diferentes, massas diferentes, etc. Então, definimos genericamente que o ato de medir uma certa grandeza equivale a compará-la numericamente a uma certa quantidade u da mesma grandeza, tida como padrão, à qual atribui-se o status de unidade daquela grandeza. Tecnicamente, na medida de uma grandeza física elege-se inicialmente a unidade u, e em seguida determina-se, comparativamente, a proporção q com que tal unidade está contida na grandeza G, isto é: uG q . O número q é então a medida quantitativa da grandeza G, na unidade escolhida. TIPOS DE MEDIDAS Temos basicamente dois tipos de medidas: Medida direta: neste caso, a medida da grandeza é meramente mecânica, por exemplo, medida de tempo com cronômetro, medida de massa com balança, medida do comprimento com uma trena. Medida indireta: aqui, a medida da grandeza é calculada a partir da combinação de outras grandezas (medidas diretamente), com auxilio de relações existentes entre elas. Por exemplo: aceleração a a partir da medida da força f e da massa m ( mfa / ); velocidade v ( dtdxv / ); diferença de potencial V ( IRV ). PRECISÃO DE UMA MEDIDA. Erro relativo: erro relativo é a razão entre o erro da medida e o valor da medida da grandeza, isto é medidadavalor medidadaerrolativoErro Re (1) O erro relativo é muito freqüentemente expresso em percentagem, e para isso basta multiplica-lo por 100, isto é Erro (%) = Erro Relativox100 (2) Exemplo: Seja a massa de um becker estimada como sendo de 25,0 gramas, com um erro de 0,5 gramas. Então o Erro Relativo = 0,5/25,0, isto é, 0,02; ou ainda 2%. Precisão de uma medida. A precisão de uma medida é determinada pelo erro envolvido na mesma. O erro relativo, expresso em percentagem, nos fornece uma noção clara da precisão da medida. Por exemplo, se a medida do comprimento L de um fio de ouro foi estimada em como sendo L = 10,000m, com erro provável de 1mm (0,001m), dizemos que a medida foi significantemente precisa, pois com um erro Win7 Highlight Win7 Highlight 6 da magnitude de 0,01% podemos admitir que estamos próximos do valor verdadeiro1 do comprimento do fio, pois a incerteza no valor do comprimento do fio é de 0,01% (a mais ou a menos) de seu valor provável, estimado em L=10,000m. Por outro lado, se a massa m de uma amostra de sulfato de cobre foi estimada como sendo m = 0,025g, com erro de 0,005g, usualmente afirmamos que esta medida foi executada em condições precárias, pois o erro relativo, no caso, erro de 20%, nos sugere que se trata de uma medida de muita baixa precisão, pois o seu valor verdadeiro estaria numa faixa de incerteza grande: 0,020g < m < 0,030g , isto é, entre 0,020g e 0,030g: Unidades adequadas devem ser empregadas para diferentes grandezas físicas. Por exemplo, para expressarmos distâncias muito grandes, como aquela entre estrelas, utilizamos como unidade de distância o ano-luz2, que é da ordem de 9,46x1015 metros. Já no outro extremo, para grandezas físicas do mundo atômico e molecular, usamos como unidade de distância o Angstron (Å) (1Å = 10-10 metros), ou o nanômetro (nm) (1nm = 10-9 metros), assim como para a medida de energia no mundo atômico é usual o emprego do elétron Volt (eV): 1eV = 1,602 176 462 10-19 Joule. Algarismos significativos. Os algarismos significativos de uma quantidade numérica determinam a sua precisão. Por exemplo, considere que a medida do comprimento l de um prego, por meio de uma régua (graduada em décimos de centímetros), forneceu l = 4,15cm. Este número contém 3 dígitos, porém se somente sobre os dois primeiros dígitos podemos ter absoluta certeza -o terceiro dígito, a saber “5”, poderia ter sido estimado por interpolação entre os valores 4,1 e 4,2cm, então estes dois algarismos (“4” e “1”) são considerados os algarismos significativos do número 4,15. 1 Ver a definição de valor verdadeiro no tópico “Tratamento estatísticos das medidas”. 2 Um ano-luz é a distância que percorre a luz em um ano. Assim, seja n o número de dígitos de uma quantidade numérica sobre os quais se tem absoluta certeza. Então, convenciona-se que esta quantidade numérica possui N algarismos significativos, N = n+1, (3) sendo n o número de dígitos conhecidos com absoluta certeza, e +1 dígito que representa o dígito duvidoso Exemplo: seja a expressão de uma distância como sendo D = 326,2 Km, com a afirmação adicional de que este número tem a precisão correspondente à três algarismos significativos. Isto quer dizer que sobre os dois primeiros algarismos, “3” e “2”, temos certeza absoluta, e o algarismo 6 é tido, então, como duvidoso. Portanto, a casa fracionária, representada neste caso por 0,2, não tem significado, pois há dúvida já sobre o dígito precedente, de ordem superior, e assim a casa decimal dever ser ignorada. Expressamos então a distância em questão como D = 326 Km erro, com o erro incidindo sobre a casa da unidade. Supondo erro da ordem de 4 Km, temos finalmente D = 326 4 Km. Algarismos significativos e a notação científica. A forma padrão de se expressar o número de algarismos significativos de uma quantidade numérica se dá por meio da notação científica, onde o número de dígitos apresentados explicitamente é exatamente o número de algarismos significativos. Exemplos: Valor numérico número de algarismos significativos 6,022 10-23 4 9,10 10-31 3 8,3145 10 0 5 2,99792458 108 9 Win7 Highlight 7 Existem outras formas de se indicar a precisão de uma medida, que depende da área profissional, de um ramo científico específico, ou mesmo por razões de simplificação (se o contexto permitir). Exemplos: * Considere dois valores da mesma grandeza física, expressas como A = 2 e B = 2,000. Estas quantidades possuem a mesma magnitude, mas se ambas as medidas foram relatadas no mesmo contexto, podemos entender que a grandeza B foi expressa com quatro algarismos significativos e A com apenas um. * Certas grandezas medidas experimentalmente, como a constante de Planck (representada por h) costumam ser expressas da seguinte forma: h = 6.6260693(11) 10-34 Js. Neste caso, os dois dígitos entre parênteses se referem ao erro experimental envolvido na medida. Nota: em nossas atividades no laboratório, o erro de uma medida será sempre expresso com apenas um algarismo significativo, pois estaremos assumindo que o erro incidente sobre o erro da medida é da ordem de 20%. TIPOS DE ERROS Erros nas medidas experimentais são inevitáveis. Contudo, alguns tipos de erros podem ser totalmente eliminados por meio da atenção aprimorada, desenvolvimento de boas técnicas e conhecimento suficiente da matéria envolvida nas grandezas sendo tratadas. Contudo, outros são inerentes à limitação instrumental disponível no momento do experimento (precisão do equipamento) e às variações inevitáveis nas condições física envolvidas. A seguir são classificados os tipos de erros mais comuns. Erros sistemáticos: são erros que caracterizam-se por ocorrerem sempre num mesmo sentido e conservarem, em medições sucessivas, o mesmo desvio em relação ao valor verdadeiro da medida. Exemplos: * Falhas do operador: emprego de unidade equivocada; erro de contagem; paralaxe (e.g., leitura de uma escala sob um ponteiro); etc. * Equipamentoinadequado: instrumento avariado; calibragem errada, condições ambientais inadequadas (temperatura, umidade), etc. * Método inapropriado: por exemplo, na determinação da resistência elétrica de um condutor, utilizando-se para isso um voltímetro e um amperímetro, pode haver erro sistemático significativo decorrente do fato de não se levar em consideração as resistências elétricas internas dos instrumentos. Erros grosseiros: decorrem da falta de prática ou de cuidado do operador. Por exemplo, erros de leitura, erros de cálculo, e erros oriundos do manuseio inadequado do instrumento de medida, ou mesmo por causo do emprego de equipamentos defeituosos. A repetição cuidadosa e independente das medições podem ajudar a descobrir a ocorrência de tais erros. Nota: um valor muito discrepante dos demais pode ser um indicativa de erro grosseiro, e deve ser eliminado da série de medidas. Erros acidentais: são aqueles erros cuja causa é de natureza aleatória, e portanto não se comportam de forma correlacionada. Tais erros não podem ser totalmente controlados ou corrigidos, mas podem ser tratados estatisticamente. Exemplos: * Estimativas de frações da menor divisão de uma escala; * Arredondamentos decorrentes de instrumentos digitais; * Flutuações sistemáticas gerais nas condições das medidas (oscilações da temperatura em ambiente condicionados, variação da tensão elétrica, etc.); * Erros devido a inconstâncias das características das grandezas a serem medidas, como a do comprimento de um objeto, devido à rugosidades ou imperfeições. 8 . TRATAMENTO ESTATÍSTICO Somente os erros acidentais podem ser tratados estatisticamente; os demais tipos de erros devem ser completamente eliminados. A seguir, abordaremos alguns conceitos e definições envolvidos no processo de medida de grandezas físicas e no tratamento estatístico dos resultados. Valor verdadeiro de uma grandeza Trata-se de um conceito idealizado que pode ser imaginado como o valor numérico (hipotético) de uma grandeza obtido, digamos, através de técnicas e equipamentos idealmente perfeitos. Valor médio ou média ( x ). É a média aritmética da série {xi} de medidas, N i ixN x 1 1 (4) onde xi representa uma de cada medida da série xi = x1; x2; x3; ... xN , e N é o número total de medidas da série. Estimativa do valor verdadeiro. O valor médio x de uma série {xi} de medidas é freqüentemente empregado como uma estimativa do valor verdadeiro da grandeza x que se está medindo, e é expresso como x x . Desvio absoluto médio ( x ). Trata-se de uma estimativa da dispersão dos valores obtidos numa medida. É dado pela média aritmética dos valores absolutos (módulo) dos desvios das medidas em relação à média, isto é, N i ixN x 1 1 (5) onde xxx ii , e ix é o valor absoluto de ix . Variância (x2) e Desvio Padrão (x). A variância de uma série {xi}de medidas é média aritmética dos desvios quadráticos 2)( xi em relação a sua média, isto é, N i ix x N 1 22 1 1 (6) Por sua vez, o desvio padrão é a raiz quadrada da variância, 2xx , isto é N i ix x N 1 2 1 1 (7) Obs.: Como se pode observar por inspeção direta das fórmulas correspondentes, tanto o desvio médio, quanto o desvio padrão de uma série de medidas xi, fornecem uma idéia da dispersão dos valores da medida em relação ao valor médio; quanto maior são seus valores, maior a dispersão. Desvio padrão da média ( x ). Imagine vários alunos fazendo a medida da mesma grandeza x. No final obtemos uma série de médias, { kx }. Com estes valores, podemos calcular a média das médias { kx } e os desvio de padrão destas médias. É possível demonstrar que denominado desvio padrão da média, representado por x . É possível mostrar que Nxx / , ou seja, N i ix x NN 1 2 1 1 (8) Como o próprio nome indica, o desvio padrão da média corresponde à dispersão dos valores de um conjunto de médias (da mesma grandeza) determinadas de forma independente. Estimativa do erro de uma medida Tomando os devidos cuidados, o desvio padrão da média poderá ser utilizado como uma estimativa do erro acidental da medida. Assim, expressamos o valor experimental de uma grandeza física genérica x na forma xxx (9) Win7 Highlight Win7 Highlight Win7 Highlight Win7 Highlight Win7 Highlight Win7 Highlight Win7 Highlight 9 É importante enfatizar que o erro represen- tado por x é quem determina a precisão da medida, pois o mesmo identifica os algaris- mos significativas da média x . Assim, so- mente depois de determinarmos x é que se processa o arredondamento de x . Erro inerente. A limitação da precisão de um equipamento é representado pelo erro inerente (próprio) do equipamento. Quando o erro acidental é menor do que o erro inerente, este último é usado como o erro incidente na medida. PROPAGAÇÃO DE ERROS Numa operação matemática em que são envolvidos valores numéricos que contêm erros acidentais, estes erros se combinam de alguma forma para produzir um certo erro “resultante”. A seguir, a maneira com que estes erros se propagam são ilustrados para algumas operações matemáticas. Para isso, consideremos duas grandezas físicas arbitrárias, a saber, x e y, determinadas experimentalmente, e cujos valores são expressos adequadamente na forma .e; yx yyxx (10) Operação tipo soma (ou subtração): Seja a grandeza S uma função de duas variáveis independentes, x e y, sendo que yxS (ou yxS ) (11) Assim, uma estimativa de S é SSS , (12) onde yxS , (13) e 22 yxS (14) Operação tipo produto de potências: Considere agora a grandeza W dada por qp yxW . (15) onde as variáveis x e y são independentes. Semelhantemente ao item anterior, uma estimativa de W é WWW (16) com qp yxW (17) e 2 2 2 2 y q x pW yxW (18) Nota: O efeito dos erros inerentes sobre a estimativa de uma medida é de natureza estocástica (aleatória). Portanto, para efeito de propagação de erros, as fórmulas acima estabelecidas são igualmente válidas. Portanto, tanto as fórmulas quanto sua notação, serão igualmente utilizadas no tratamento estatístico das medidas. Exemplo. Expresse o valor da energia cinética de uma massa m =15,0 Kg 0,1Kg, quando animada por uma velocidade v = 30,00m/s 0,05m/s. A energia cinética é dada pela expressão 2 2 1 mvK (observe os expontes “1” da massa m e expoente “2” da velocidade v). Assim, 2/)00,30(0,15 2K , ou seja, 6750 J. Por sua vez, o erro K em K será 2 2 2 2 00,30 05,02 0,15 1,016750 K dando K = 50,311529 ... . Contudo, tendo o erro somente um algarismo significativo (por nossa convenção), vamos reportá-lo como K = 5 101 , o que determina finalmente o arredondamento para a expressão da energia cinética com três algarismos significativos, isto é, o erro incide sobre a casa das dezenas da cifra 6750, exatamente no dígito 5: K = (6,75 ± 0,05) 103 J. Tópico avançado. Para uma função genérica f(x, y) deduas variáveis, se erros em x e em y são conhecidos, conforme explicitado na Eq.10, então o erro f , em f é dado como 2 2 2 2 yxf y f x f (19). A função f e Eq.9 podem ser prontamente generalizado para 3 ou mais variáveis. Win7 Highlight Win7 Highlight 10 Instruções gerais para a confecção de Relatórios Na disciplina de Física, a confecção do relatório tem como propósito ajudar a compreender e fixar os conceitos abordados em cada experimento, assim como desenvolver a comunicação de uma forma clara e precisa. Portanto, além de reportar os resultados obtidos, o relatório deve citar os conceitos envolvidos no experimento. A descrição do experimento executado pode ser breve, mas deve ser redigido de forma lógica e concludente. Também, o design de cada experimento propicia ao aluno o desenvolvimento da iniciativa e independência, e permite o emprego de estilo de próprio ou preferências na condução da tarefa de executar medidas de grandezas físicas. Regras gerais: -Cada grupo de trabalho (máximo de 3 alunos em cada grupo) deverá entregar um único relatório, devidamente identificado: nome do experimento; nomes dos integrantes; turma (A; B, etc.); e data. -O relatório deverá, preferencialmente, ser concluído e entregue na mesma aula da execução do experimento. Sugestões para relatar o seu experimento -O relatório deve contemplar os tópicos desenvolvidos no guia correspondente ao experimento: objetivos, fundamentos teóricos, etc. -Organizar os dados obtidos (séries de medidas) em tabelas, para facilitar o uso de recursos da planilha eletrônica nos cálculos matemáticos. -Indicar as dimensões das grandezas envolvidas, o que pode ser feito, por exemplo, uma única vez no cabeçalho das tabelas. -Destacar em negrito as estimativas das grandezas físicas e dos erros incidentes (erro acidental ou erro inerente) obtidos. -Expressar os resultados com o número correto de algarismos significativos. Lembre-se: o erro é quem determina a precisão da medida; portanto você deve primeiro estimar o erro e somente depois arredondar o valor estimado da medida. -O erro possui, como convencionamos, somente um algarismo significativo. -Finalmente, elaborar uma conclusão à luz dos objetivos do experimento indicados a priori. Objetivos e conclusão precisam estar consistentemente ligados. Exemplo: uma forma simples de relatar um experimento: - Parágrafo inicial descrevendo resumidamente o experimento realizado, citando a grandeza final a ser obtida e as condições ambientais influentes, como temperatura. - Resumo sobre os fundamentos teóricos envolvidos (conceitos, princípios e leis físicas pertinentes), destacando o resultado teórico a ser utilizado no experimento (uma equação, uma lei, etc.). - Descrição sucinta da técnica utilizada (materiais, equipamentos de medida) registro das medidas obtidos na forma de tabelas e tratados estatisticamente. - Conclusão: reportar o resultado obtido,na forma xxx , isto é: fornecer uma estimativa da grandeza física em questão, usualmente expresso como valor médio de uma série de medidas ( x ), acompanhada do erro estatístico ( x ). Eventuais comentários, relacioando o resultado com os objetivos do experimento, descrevendo eventuais dificuldades com a medida, assim como estratégias utilizadas para eliminar erros grosseiros são bem vindos. 11
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