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Relatório I Medidas Físicas - Paquímetro Disciplina: FÍSICA TEÓRICA EXPERIMENTAL I - CCE0847 Professor (a): LUCIANE MARTINS DE BARROS. Nomes dos Alunos; DANIEL PABLO DE BRITO MALAGUTI – 201708125001. WEVELLYN PEREIRA DE REZENDE - 201708162879. ERICA DE SOUZA AGUERO – 201708124977. DEYSIANE DE SOUSA DA SILVA – 201708237241. GIOVANE LOPES CORONEL – 201708115481. Campo Grande – Ms Março de 2018 2 Sumário Relatório I ...................................................................................................................................... 1 Introdução Teórica ........................................................................................................................ 3 Precisão e Medição do Paquímetro. ............................................................................................. 7 Teoria dos Erros Simplificada ........................................................................................................ 8 Erro sistemático ............................................................................................................................ 9 Erros acidentais ou aleatórios ....................................................................................................... 9 Erros grosseiros ............................................................................................................................. 9 Algarismos Significativos (A.S.) .................................................................................................... 10 Incertezas .................................................................................................................................... 11 Critério de Arredondamento ....................................................................................................... 12 Teoria dos erros aplicada a um conjunto de medidas experimentais ........................................ 13 Valor médio ................................................................................................................................. 14 Desvios ........................................................................................................................................ 14 Desvio médio (δ) ......................................................................................................................... 15 Variância ...................................................................................................................................... 15 Desvio padrão ............................................................................................................................. 15 Propagação de erros ................................................................................................................... 16 Produto e Quociente de grandezas afetadas por erros .............................................................. 17 Objetivos ..................................................................................................................................... 17 Material Utilizado ........................................................................................................................ 17 Procedimento Experimental ....................................................................................................... 18 Conclusão .................................................................................................................................... 22 Bibliografia .................................................................................................................................. 23 3 Introdução Teórica Desde a antiguidade o homem necessitou da ideia de medidas. Para avaliações, para comparações ou até mesmo para sua curiosidade. As ideias e métodos de medidas sempre estiveram ligados a vida do ser humano, por isso é tão importante dispormos de várias técnicas de medidas para se adequarem a qualquer tipo de medição, pensando nisso o homem criou e desenvolveu muitos instrumentos que o auxiliaram nestas tarefas. Um dos instrumentos utilizados pela humanidade é o paquímetro, também nomeado de calibre, que consiste em uma régua graduada, com encosto fixo, sobre a qual desliza um cursor. Figura 1 – Paquímetro. Este instrumento de medição é utilizado para medições milimétricas de alguns objetos e dispõe de especialidades, pois proporciona a quem os utiliza a possibilidade de várias combinações de posições e tipos de medidas como a capacidade de medirem-se profundidades, extremidades ocas, cumprimentos, diâmetros internos e externos de tubos e na transformação de milímetros em polegadas e vice-versa. 4 Além do paquímetro universal que foi o utilizado neste experimento, existem outros tipos como o paquímetro digital, o paquímetro com relógio, o paquímetro duplo e outros. Com tantas atribuições o paquímetro exige algumas regras de uso para ser corretamente utilizado. E antes de se conhecer as regras de sua utilização é de grande importância que sejam conhecidas as suas partes. O paquímetro é constituído basicamente de uma régua graduada com encosto fixo sobre a qual desliza um cursor. Abaixo seguem o nome e a localização das principais partes do paquímetro; Figura 2 – Partes do paquímetro. 1. Orelha fixa; 8. Encosto fixo; 2. Orelha móvel; 9. Encosto móvel; 3. Nônio ou vernier (polegada); 10. Bico móvel; 4. Parafuso de trava; 11. Nônio ou vernier (milímetro); 5. Cursor; 12. Impulsor; 6. Escala fixa de polegadas; 13. Escala fixa de milímetros; 7. Bico fixo; 14. Haste de profundidade. 5 Alguns modos de utilização do paquímetro seguem abaixo; Figura 3 – Medindo com o paquímetro. A medida do objeto é feita com o auxílio dos bicos, orelhas e haste do paquímetro que podem se mover para “agarrarem ou alcançarem” as dimensões do objeto em estudo, com mostra a Figura 3, logo após esse procedimento a leitura da medida pode ser feita na escala superior ou inferior da régua juntamente com o nônio do paquímetro, porém para a correta leitura da medida precisamos conhecer mais detalhadamente outra parte do paquímetro, o Nônio ou Vernier. Ao medirmos um objeto observe que o nônio do paquímetro se movimenta sobre a régua (Figura 4 “b”), a partir dessa movimentação é que a leitura da medida será feita, além de observar a movimentação devemos observar também a precisão do nônio ou resolução que é dada pela fórmula ( i + 1 ) - L/n. Onde (L) é o seu tamanho na régua, (n) o número de partes iguais que o nônio é dividido, e “i” é a parte inteira do número dado pela divisão de L/n, por exemplo, veja o nônio (Figura 4 “a”), sua medida na régua é de L = 9mm e o próprio nônio é dividido em n = 10 partes, logo sua resolução é ( i + 1 ) - L / n = ( i + 1) - 9 / 10 = ( i + 1) - 0,9mm, veja que o primeiro número que forma “0,9” e que também é inteiro é o próprio zero, então, i = 0 , logo (0 + 1) – 0,9 = 0,1mm, isso quer dizer que 0,1 mm é a precisão do nônio. Vejamos outros exemplos;6 Sabendo disto a leitura deve ser feita a partir do começo do nônio na sua marcação zero, depois anote o valor inteiro que recaiu a esquerda do zero do nônio em relação à régua. Em seguida para avaliar a leitura da fração em milímetros veja o primeiro traço que se coincidem entre a régua e o nônio, olhe o número da parte correspondente a este traço no nônio e multiplique pelo valor da precisão e some mais o primeiro valor encontrado. Por exemplo, para o paquímetro de precisão 0,1 temos; Se o objeto deslocar o nônio até o intervalo 0mm e 1mm da régua teremos um objeto com a medida “0,x”mm onde “0” é o menor inteiro antes a esquerda do zero do nônio e “x” equivale ao traço que se coincide entre a régua e o nônio, se o traço que possui o primeira parte após o seu zero do nônio coincidir com algum traço da régua o “x” equivale a 1 * 0,1 = 0,1mm e a leitura ficaria 0,0mm + 0,1mm,ou seja, o objeto mediria 0,1mm; se o traço que coincidir for o correspondente a 2ª parte do nônio quer dizer que o “x” equivale a 2 * 0,1 = 0,2mm e a leitura ficaria 0,0mm + 0,2mm,ou seja, o objeto mediria 0,2mm e assim por diante. Assim sendo, a leitura da medida do objeto na escala (Figura 4 “b”) seria; O intervalo onde o nônio parou foi 2mm e 3mm da régua, ou seja, a medida será “2,x”mm. Analisando o nônio vemos que o “x” corresponde ao traço que coincide tanto da régua quanto o do nônio que neste caso é o numero da parte “7”, circulado em vermelho em “b”, portanto, 7*0,1 = 0.7, a leitura da medida do objeto ficaria 2,0mm + 0,7mm = 2,7mm. Atenção: Nem sempre o número do nônio em que está o traço equivalente ao traço da reta é igual ao numero da parte que ele representa. Nônio de 39 mm com 20 divisões Logo ( i + 1) – L/n , L/n = 39/20 =1,95; i = 1; Resolução = 2 1,95 = 0,05mm Nônio de 49 mm com 50 divisões Logo ( i + 1) – L/n; L/n = 49/50 = 0,98; i = 0; Resolução = 1 0,98 = 0,02 mm 7 Figura 4 Precisão e Medição do Paquímetro. Atenção: Nem sempre o número do nônio em que está o traço equivalente ao traço da reta é igual ao número da parte que ele representa. Lembremos que a leitura do nônio é feita pelo número inteiro que recai antes do zero do nônio em relação à régua principal e o número da parte do nônio que esta os traços correspondentes a régua e o nônio. Vejamos outro exemplo de leitura na Figura 5; Figura 5 – Leitura do paquímetro. Este paquímetro possui nônio = 39mm e com 20 partes iguais, analisando percebemos que o número 7 do paquímetro na realidade corresponde a 14ª parte logo para sua medida temos; Nônio de 39 mm com 20 divisões; Logo ( i + 1) – L/n , L/n = 39/20 =1,95; i = 1; Resolução = 2 1,95 = 0,05mm; 8 Leitura = Número inteiro antes do zero do nônio em relação à régua + ( Número da parte em que os traços da régua e do nônio se coincidem * resolução do paquímetro) Leitura = 24mm + ( 14 * 0,05) = 24 + 0,7 = 24,7mm Além deste tipo de precisão existem outras diversas, tais como paquímetros de precisões de 0,05mm e até 0,01mm Mesmo sendo um instrumento de alta precisão a leitura das medidas no paquímetro pode estar sujeita a erros, tais como: Paralaxe: Ocorre quando o ângulo de visão do observador com os traços da escala do paquímetro não é correto, isto induz a coincidência de traços, que na verdade não existem. Pressão de medição: Ocorre quando a pressão que é exercida pelo operador sobre o cursor, provoca o deslocamento do objeto entre os Bicos ou Orelhas do paquímetro, ou inclinação indevida do cursor em relação à régua sobre a qual se desloca e assim, alterando a medida. Teoria dos Erros Simplificada A Teoria dos erros é aplicada a um conjunto de medidas experimentais com a finalidade de expressar matematicamente o valor mais próximo do real. Descreveremos aqui de forma sucinta. Quando grandezas físicas são medidas experimentalmente, essas têm uma incerteza que está associada ao equipamento utilizado e ao operador, mesmo medindo repetidas vezes uma grandeza utilizando o mesmo equipamento, os resultados não são idênticos. Como confiar em uma medida? Qual seu valor verdadeiro? Para termos confiança em uma medida precisamos expressar a incerteza de modo que as pessoas entendam de uma maneira universal o grau de confiabilidade daquele valor medido. A teoria dos erros é um método estatístico adequado de se obter e manipular os dados experimentais e tem a finalidade de conseguir estimar com maior exatidão possível o valor da medida e o seu erro. Logo, o valor verdadeiro será sempre uma estimativa. O erro de uma medida é definido como sendo a diferença entre o valor medido e o valor real. Mas sabemos que existem flutuações nos valores obtidos que acompanham todas as medidas e que são as 9 causas que limitam o objetivo de se atingir o valor verdadeiro da grandeza. E estas flutuações ou erros são de origem sistemáticas, acidentais ou aleatórias. Erro sistemático Quando o erro é sistemático, dizemos que a flutuação nas medidas ocorreu por falhas nos equipamentos ou do operador, por exemplo: • equipamento com calibração errada; • cronômetro que sempre atrasa; • leitura do operador sempre adiantada em relação ao ponto correto de observação. Erros acidentais ou aleatórios Como o próprio nome diz os erros acidentais ou aleatórios estão relacionados a ações atípicas e variáveis diversas, mesmo que se meça repetidas vezes as medidas apresentam flutuações e acontecem por: • Imperícia do operador; • Cansaço; • Erro de paralaxe na leitura de uma escala. Erros grosseiros Acontecem quando o operador falha grosseiramente. Por exemplo, faz uma leitura errada, lê 100mA no lugar de 1mA. 10 Algarismos Significativos (A.S.) Ao medir o comprimento de uma peça com uma régua dividida em centímetros na figura abaixo, podemos escrever a medida da seguinte forma: Figura 1 – Régua graduada em Centímetros. Essa medida apresenta três algarismos significativos (A.S.), sendo que o último é chamado algarismo duvidoso, pois não temos certeza e fazemos uma estimativa. Definimos então, algarismos significativos de uma medida como todos os algarismos que temos certeza (os exatos) e mais um duvidoso (sempre o algarismo duvidoso é o último da direita). EXEMPLO • 7,39 cm: Temos 3 algarismos significativos (7 e 3 são exatos e o 9 é o duvidoso) • 8,65 x10–12 nm: Temos 3 algarismos significativos (8 e 6 são exatos e o 5 é o duvidoso) • 5 N : Temos 1 algarismo significativo e ele próprio é o duvidoso. 11 • 21,00: Temos 4 algarismos significativos (2, 1 e 0 exatos e o último 0 é o duvidoso) Zeros à direita da vírgula são significativos e zeros à esquerda não são. A quantidade de algarismos significativos de uma determinada medida não se altera quando fazemos uma transformação de unidades. Na medida l= 7,38 cm temos 3 A.S., se passarmos a medida para milímetros l= 73,8 mm teremos os mesmos 3 A.S. Incertezas Se 2 experimentadores fossem efetuar a medida da peça na figura 1.4, eles anotariam os 11 cm exatos, mas poderiam avaliar a fração do centímetro restante de formas diferentes, ou seja, para um experimentador o comprimento poderia ser de 11,3 cm mas para o outro 11,4 cm e nenhum estaria errado. Então o comprimento da peça seria: l = 11 + 0,3 cm ou 11 + 0,4 cm O que está errado, ou inapropriado para a medida? Quando queremos avaliar milímetros não podemos utilizar uma régua graduada em centímetros. Observea mesma peça medida com uma régua graduada em milímetros, podemos ver que a medida é com certeza 113 mm e alguma coisa que não podemos enxergar mais: Figura 2 – Régua graduada em milímetros. 12 ATENÇÃO Costumamos fazer estimativas com aproximações até décimos da menor divisão da escala do instrumento. Para a régua milimetrada a menor divisão é o milílimetro, então nossas aproximações têm que ser até décimos de milímetro. Esta aproximação chamamos de incerteza. Incerteza é a fração avaliada da menor divisão da escala, no algarismo duvidoso esta é a incerteza de uma medida. Na medida efetuada com a régua em centímetros, por exemplo, um experimentador poderia medir 11,3 cm, mas outro experimentador poderia dizer que a medida fosse 11,4 cm e outro 11,2 cm, desta forma o valor mais provável seria: l = (11,3 ± 0,1) cm, onde 0,1 seria a amplitude da incerteza ou incerteza absoluta. Critério de Arredondamento No curso de física adotaremos o seguinte critério de arredondamento, primeiro fixamos o número de algarismos significativos que queremos. Na medida L = 1,264 m, queremos arredondar para somente 3 A.S, ou seja, duas casas após a vírgula: Observamos o dígito que vem em seguida daquele que vai ser arredondado, no caso é 13 Se este dígito for menor do que 5, o número que deverá ser arredondado permanece igual. L = 1,26 cm Se fosse maior do que cinco, como por exemplo, temos agora o número 7, então: Somamos 1 ao dígito que deverá ser arredondado, então: L = 1,27 cm Teoria dos erros aplicada a um conjunto de medidas experimentais Esta seção foi escrita tomando-se como base a referência bibliográfica apostila do laboratório de física departamento de Física UNESP - Universidade Estadual Paulista - Bauru. No laboratório obtemos em um mesmo equipamento e condições uma série de valores para uma grandeza que não é igual. Qual seria então o valor mais provável dessa grandeza? A estatística tem por finalidade demonstrar matematicamente qual o valor mais provável. A Teoria dos erros é aplicada aos erros acidentais ou aleatórios. 14 Valor médio Sejam X1 , X2 , X3 , ..., Xn as n medidas realizadas de uma mesma grandeza física X. O valor médio desta grandeza denotado por X é definido pela média aritmética dos valores medidos, ou seja, Deste modo, x representa o valor mais provável da grandeza medida. Ao se realizarem várias medidas, os valores obtidos tendem a estar mais próximos deste valor. O valor médio é o que melhor representa o “valor real” da grandeza. Desvios Desvio é a diferença entre um valor medido e o valor adotado que mais se aproxima do valor real (em geral o valor médio). Se representarmos por “di” , o desvio de cada medida em relação ao valor médio, teremos: É interessante saber quanto as medidas individuais Xi se afastam, em mé- dia, do valor médio, ou seja, de que maneira as medidas Xi se distribuem em torno do valor médio. A esse fato denominamos “dispersão”. Para medir a dispersão 15 são utilizadas algumas propriedades da série de medidas, tais como o Desvio médio, a Variância e o Desvio Padrão. Desvio médio (δ) Desvio médio é a soma dos módulos do desvio de cada medida em relação a média pelo número de medidas, ou seja, Variância A variância é definida como a média aritmética dos quadrados dos desvios de todos os valores da grandeza, em relação ao valor médio, ou seja, Desvio padrão O desvio padrão é simplesmente a raiz quadrada da variância e, portanto expresso na mesma unidade da grandeza medida: Este valor representa uma estimativa da dispersão em torno do valor médio quando se tem poucos valores (uma amostra) de um universo maior de valores (população). Utilizaremos a tendência geral de indicar o desvio padrão com 2 16 algarismos significativos, além dos zeros à esquerda, apesar de em alguns casos ser necessário utilizar 1 algarismo. Propagação de erros Propagação de erros Muitas grandezas físicas não podem ser medidas diretamente e são obtidas por meio de operações com outras medidas. Se desejarmos medir a área média da face de um azulejo por meio de várias medidas do comprimento (C) e largura (L), utilizaremos, mas tanto C como A são afetadas de desvios e no produto C · A, tais desvios se combinarão e afetarão o valor da área média da face. Desta forma, quando se deseja relacionar grandezas que contém desvios tem-se a propagação de “erros” ou “desvios”. Logo a área da face é escrita da forma: As equações listadas a seguir nos permite calcular o desvio padrão (σA) e são completamente demostradas pela estatística e cálculo diferencial integral e que não cabem fazê-las neste momento. Soma e subtração de grandezas afetadas por erros A análise estatística rigorosa mostra que ao somarmos ou subtrairmos grandezas estatisticamente independentes, o erro no resultado será dado pela raiz quadrada da soma dos quadrados dos erros de cada uma das grandezas. 17 Produto e Quociente de grandezas afetadas por erros Objetivos - Conhecimento do paquímetro e familiarização com o seu uso; - Aprendizagem dos métodos de medição com os paquímetros e régua milimetrada, visando a sua melhor utilização em diferentes tipos de medições. - Determinar, após as medições de cada peça, os volumes das peças utilizadas na prática, utilizando para isso a média aritmética dessas medidas e como auxílio o conhecimento de Algarismos significativos, visando eliminar possíveis erros. Material Utilizado - Paquímetro universal; - Paquímetro digital; - Régua milimetrada; - Bloco de madeira; 18 Procedimento Experimental No laboratório realizamos medidas com a régua milimetrada, Paquímetro universal e Paquímetro digital para o comprimento (C), Altura (A) e Profundidade (P) de um bloco irregular e anotamos na tabela 1. Valores das grandezas lineares do comprimento, largura e altura para o sólido e cálculos auxiliares para determinação do desvio padrão de cada grandeza. Tabela 1 Instrumentos de medidas (C) cm (A) cm (P) cm régua milimetrada 10 7,9 3,4 Paquímetro universal 10,005 7,805 3,5 Paquímetro digital 10,038 7,872 3,476 19 Logo após medir, uma média aritmética das três medidas foi feita para eliminar possíveis erros significativos e assim fazer os cálculos pedidos no experimento. Substituindo os valores temos: A média das medidas do comprimento (C), da Altura (A) e da Profundidade (P), são: a) A = 3,458 cm b) P = 7,859 cm c) C = 10,014 cm 20 Em seguida calculamos o desvio padrão do comprimento (C), altura (A) e Profundidade (P). Podemos escrever as medidas como: C = C ± σC ⇒ C = (10,014 ± 0,016) cm P = P ± σP ⇒ P = (7,859 ± 0,039) cm A = A ± σA ⇒ A = (3,458 ± 0,042) cm Cálculo do volume da média 21 Cálculo do desvio padrão do volume em relação à média: Forma correta de escrever o volume: V= V ± σV = ( 272,1446899 ± 0,013) cm³ 22Conclusão Após esta prática percebemos que a utilização do paquímetro é muito válida para medidas de altas precisões. Aprendemos a correta utilização do instrumento. Aprendemos também as técnicas para a definição de precisões e de leituras de paquímetros. Ao serem feitas as medidas vimos também que alguns erros de medição podem ser verificados devido à variabilidade nas medidas e que alguns erros estão relacionados ao ser humano como a paralaxe e a pressão de medição. Também analisamos que é completamente plausível que alguns erros possam ter sidos acarretados pela falta de experiência na manipulação do instrumento ou pelas imperfeições geométricas das peças utilizadas. Visualizamos partes importantes do uso adequado de instrumentos de medidas e comprovando que pequenos erros nas medições podem ocasionar importantes mudanças em relação às demais medidas, usamos como exemplo onde a medição da régua milimetrada teve menos exatidão no cálculo do volume do bloco de madeira que o cálculo feito pela medição do paquímetro digital. Sendo assim, vemos que nenhum instrumento de medida é totalmente confiável, por mais preciso que ele seja sempre temos fatores externos atuando na nossa medição e então temos desvios e erros dos quais podem comprometer o resultado final. Então além da medição, deve-se sempre reduzir ao máximo a influência dos fatores externos, seja com a repetição dos experimentos e cálculo de desvios. 23 Bibliografia - http://portaldoaluno.webaula.com.br//repositorio/LD372.pdf - Livro de FÍSICA TEÓRICA EXPERIMENTAL I - autores do original LUCIANE MARTINS DE BARROS ADRIANO SILVA BELISIO - http://www.wikipedia.com/paquimetro - Site de pesquisas - http://www.google.com.br – Imagens paquímetros - Site de Busca Relatório I Campo Grande – Ms Março de 2018 Introdução Teórica Precisão e Medição do Paquímetro. Teoria dos Erros Simplificada Erro sistemático Erros acidentais ou aleatórios Erros grosseiros Algarismos Significativos (A.S.) Incertezas Critério de Arredondamento Teoria dos erros aplicada a um conjunto de medidas experimentais Valor médio Desvios Desvio médio (δ) Variância Desvio padrão Propagação de erros Produto e Quociente de grandezas afetadas por erros Objetivos Material Utilizado Procedimento Experimental Conclusão Bibliografia
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