Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA RELATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL I Instrumentos de Medidas BOA VISTA, RR. 09/2014 1 MATRÍCULA ADLER F. PEREIRA FILHO 2201314717 ADRIANO J. PIMENTEL DO NASCIMENTO 1201214732 JONAS LEITE PORTELA 1201314756 NATHAN V. BORGES DO NASCIMENTO 1201214712 TALITA HELLEN GONÇAVES LOPES 1201124721 RELATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL I Instrumentos de Medidas Relatório de aula prática, apresentado como pré-requisito à obtenção parcial de nota referente à disciplina de Física Experimental I, da Universidade Federal de Roraima. Orientador: Roberto Ferreira. BOA VISTA, RR. 09/2014 2 SUMÁRIO 1. RESUMO .............................................................................................................. 3 2. TEORIA DE ERROS ............................................................................................. 4 2.1. GRANDEZAS FÍSICAS ............................................................................................. 4 2.2. PADRÕES DE MEDIDAS.......................................................................................... 4 2.3. ERROS DE MEDIDAS ............................................................................................... 5 2.3.1 VALOR MÉDIO ................................................................................................... 5 2.3.2. DESVIO DE UMA MEDIDA: .............................................................................. 5 2.3.3. DESVIO MÉDIO .................................................................................................. 5 2.3.4. DESVIO PADRÃO DE UMA MEDIDA (dp) ....................................................... 5 2.3.5. DESVIO PADRÃO DO VALOR MÉDIO (dpm) ................................................. 6 3. INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ........................................................................ 6 3.1. PAQUÍMETRO ........................................................................................................... 6 3.2. MICRÔMETRO .......................................................................................................... 7 3.3. TRENA.............................................................................................................................7 4. OBJETIVOS .......................................................................................................... 7 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................. 7 5.1. MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................... 7 5.2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 1 – PAQUÍMETRO.................................. 8 5.3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 2 – MICRÔMETRO ................................. 8 5.4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 3 – TRENA ............................................. 9 5.5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 4 – BALANÇA ....................................... 9 6. RESULTADOS E DISURSSÃO ............................................................................ 9 6.1. ATIVIDADE – 1 (PAQUÍMETRO) ......................................................................... 9 6.2. ATIVIDADE – 2 (MICRÔMETRO) ....................................................................... 11 6.3. ATIVIDADE – 3 (TRENA) .................................................................................... 13 6.4. ATIVIDADE – 4 (BALANÇA) .............................................................................. 14 7. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 15 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 16 ÍNDICE DE FIGURAS Pág.: FIGURA 3.1 – Paquímetro ............................................................................................ 6 FIGURA 3.2 – Micrômetro ........................................................................................... 7 FIGURA 5.2 – Modelos esquemático do Paquímetro ................................................... 8 FIGURA 5.3 – Modelo esquemático Micrômetro ......................................................... 8 FIGURA 5.5 – Procedimento da balança ...................................................................... 9 FIGURA 6.1 – Modelo peça metálica ........................................................................... 11 FIGURA 6.3 – Modelo esquemático dos pontos............................................................ 13 ÍNDICE DE TABELAS Pág.: TABELA 1 – Grandezas e unidades de medidas ........................................................... 6 TABELA 6.1 – Medidas da atividade 1......................................................................... 10 TABELA 6.2 – Desvios atividade 1............................................................................... 10 TABELA 6.3 – Desvios atividade 2 .............................................................................. 12 TABELA 6.3 – Dimensões do paralelepípedo............................................................... 14 3 1. RESUMO Este relatório apresenta as experiências e resultados realizados em laboratório de Física Experimental I com aplicações em medições e qualificações de comprimento e massa de alguns objetos específicos, feitos por meios de instrumentos de medição como a trena, paquímetro, micrômetro e balança. 4 2. TEORIA DE ERROS As ciências experimentais estão envolvidas com análises de resultados de medições, em geral expressos em números que devem ter claramente definidos, para interpretá-los corretamente ou se obter um resultado coerente e conciso com a realidade. Esses números estão associados às grandezas físicas que se quer medir. Quando se realiza uma medição de um determinado objeto dado, usando um instrumento de medida, percebe-se que o ato de medir está relacionado com uma comparação a uma unidade associada ao instrumento utilizado. Outra observação ressaltada é que nas medições de alguma grandeza, nem sempre esta pode ser obtida diretamente, ou seja, para quantificar uma determinada medida, primeiramente é necessário efetuar as medidas do objeto, para depois qualifica-lo ou ate mesmo realizar outros cálculos algébricos. Assim, é necessário expressar os resultados experimentais de forma a incluir o máximo de informações obtidas durante a experimentação, seja realizando uma única medição, ou realizando várias medições em medidas diretas ou indiretas. Desta forma definimos um valor verdadeiro como um valor numérico que acreditamos esteja próximo probabilisticamente do valor verdadeiro da grandeza, atribuindo-lhe ademais uma margem de segurança, ou seja, o valor mais provável a menos de uma incerteza. Assim utilizamos a Teoria de Erros para obter o valor da medição em um experimento, o mais próximo possível do valor verdadeiro com o erro cometido estimado. 2.1. GRANDEZAS FÍSICAS As grandezas físicas fundamentais são as grandezas independentes das outras. Neste caso específico do experimento são o: comprimento e massa. Grandezas derivadas são todas aquelas não fundamentais como a velocidade, aceleração, momento de inércia. 2.2. PADRÕES DE MEDIDAS Comprimento (Metro - m) – Definido pelo percursopercorrido pela luz, no vácuo, em 1/299.792.458 de um segundo. Massa (Quilograma - kg) como unidade de massa, é considerada a massa de um cilindro de liga platina - irídio (1.889). Um segundo padrão considera a massa do átomo de carbono-12, no qual um acordo internacional, especifica como sendo 1 (u) unidade de massa atômica equivalente a 12 unidades de massa de carbono, ou seja, 1 u = 1.6605402 x 10-27 kg. 5 2.3. ERROS DE MEDIDAS O erro é a diferença entre um valor obtido ao se medir uma grandeza e o valor real ou correto da mesma. Matematicamente o erro é a diferença entre o valor medido e o valor real. Quando repetimos várias vezes à medida de certa grandeza, encontraremos valores nem sempre iguais. À diferença entre o valor obtido em uma medida e o valor real ou correto dessa grandeza dá-se o nome de erro. A incerteza é uma estimativa da faixa de valores dentro da qual se encontra o valor verdadeiro da grandeza medida. o erro é a diferença entre o valor medido e o valor real. O desvio é a diferença entre um valor obtido ao se medir uma grandeza e um valor adotado que mais se aproxima do valor real. Na prática se trabalha na maioria das vezes com desvios e não erros. Matematicamente o desvio é igual à diferença entre o valor medido e o valor mais provável. 2.3.1. VALOR MÉDIO O valor mais provável da grandeza que se está medindo pode ser obtido pelo cálculo do valor médio: 2.3.2. DESVIO DE UMA MEDIDA: Denomina-se desvio de uma medida a diferença entre o valor obtido (Xi) nessa medida e o valor médio x, obtido de diversas medidas. di = Vi - Vm 2.3.3. DESVIO MÉDIO É definido como a média aritmética dos desvios encontrados. 2.3.4. DESVIO PADRÃO DE UMA MEDIDA (dp) Em uma série de medidas é definido como a raiz quadrada da razão entre a soma dos quadrados dos desvios e o número de medidas na série menos 1. n n V... 3 V 2 V 1 V m V n d d n 1i i m d d n 1 p i 2 6 2.3.5. DESVIO PADRÃO DO VALOR MÉDIO (dpm) Definido como desvio padrão de uma medida (dp) dividido pela raiz quadrada do número de medidas na série. 3. INSTRUMENTOS DE MEDIDAS Para medir certas grandezas físicas, são necessários instrumentos de medida. Estes são aparelhos que nos ajudam a estabelecer um padrão (unidade) de medida se repete, tais como: Tabela 1 – Grandezas e unidades de medidas Grandeza Física Unidade (padrão) Símbolo Massa Tempo Comprimento Intensidade de corrente Temperatura Quilograma Segundo Metro Ampère Kelvin kg s m A K Dentre os principais instrumentos utilizados, estão o: 3.1. PAQUÍMETRO Utilizado para medir comprimentos, espessuras e profundidades de orifícios com precisão de décimos de milímetro ou menos, de acordo com o Princípio de Vernier (Pierre Vernier - 1580/1637). O paquímetro possui duas escalas: uma fixa ou principal e a outra móvel. A escala móvel é chamada escala de Vernier ou Nônio. Ela permite obter medidas menores que a menor divisão da escala fixa. FIGURA 3.1 - Paquímetro 1: encostos, 2: orelhas, 3: haste de profundidade, 4: escala inferior (graduada em mm), 5: escala superior (graduada em polegadas), 6: nônio ou vernier inferior (mm), 7: nônio ou vernier superior (polegada), 8: trava. n d d p pm 7 3.2. MICRÔMETRO É um instrumento metrológico capaz de aferir as dimensões lineares de um objeto (tais como espessura, altura, largura, profundidade, diâmetro etc.) com precisão da ordem de micrometros, que são a milionésima parte do metro. FIGURA 3.2 - Micrômetro 3.3. TRENA É um instrumento de medida usada para medir distâncias. Pode designar uma fita flexível e graduada que se utiliza para medir objetos compridos ou longos, que consistem numa fita de metal, plástico ou fibra de vidro enrolada num invólucro. 4. OBJETIVOS Este experimento tem como objetivo realizar medidas de comprimento utilizando os instrumentos como o paquímetro, micrômetro e trena, e medidas de massa utilizando balança de prato e de precisão, de tal forma a familiarizar-se e entender as funcionalidades de tais instrumentos, bem como considerar os erros experimentais e obter resultados secundários a partir destas medidas. 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 5.1. MATERIAIS UTILIZADOS Instrumentos de medida: trena, paquímetro, micrômetro e balança. Uma ficha metálica. Um cilindro furado ou cilindro sólido. Pincel atômico. 8 Um paralelepípedo metálico. 5.2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 1 – PAQUÍMETRO Para realizar este experimento, foi necessário uso de um instrumento de medida, o paquímetro, e uma ficha metálica, com o objetivo de realizar e praticar medidas de espessuras da mesma. Inicialmente, tomando o paquímetro e logo após a peca metálica, colocamos e ajustamos a mesma para encaixe na parte móvel (cursor) do paquímetro, como mostrado na figura abaixo: FIGURA 5.2 – Modelos esquemático do Paquímetro f i x a d o r d o c u r s o r i m p u l s o r d o c u r s o r c u r s o r m e d i ç õ e s e x t e r n a s e s c a l a p r i n c i p a l e s c a l a m ó v e l ( n ô n i o ) p a r a m e d i r p r o f u n d i d a d e m e d i ç õ e s i n t e r n a s Depois de ajustar a peça a ser medida, trave o cursor através do fixador do cursor e realiza-se a medida da mesma. Verificando se está destravado antes de mover. Tomando sempre o cuidado de não colocar os dedos sobre a região onde as escalas estão desenhadas anotamos as medições externas da placa metálica ao longo de sua superfície. 5.3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 2 – MICRÔMETRO FIGURA 5.3 – Modelo esquemático Micrômetro g a r r a f i x a o b j e t o g a r r a m ó v e l e s c a l a m ó v e l ( n ô n i o ) e s c a l a f i x a o u p r i n c i p a l t a m b o r ( p a r a f u s o m i c r o m é t r i c o ) c a t r a c a p a r a f u s o d e t r a v a Neste experimento colocamos o fio de cabelo (como especificado na atividade 2) entre as faces das garras, conforme mostra a fira acima. Após isto, gira-se o tambor até que as faces encostem-se ao objeto (fio de cabelo) suavemente. Para tanto, utilizar-se do parafuso de fricção ou catraca que está devidamente regulado para oferecer a pressão necessária. 9 Identificamos o traço visível da escala principal antes da borda do tambor e anota-se as medidas obtidas. 5.4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 3 – TRENA Marcamos sobre a bancada três pontos, em linha reta, com um pincel atômico. Após isto, com a trena medimos a distância entre o primeiro ponto e o segundo, depois entre segundo e o terceiro ponto e por último mede-se primeiro ponto e o terceiro. Somamos agora os resultados obtidos em (a) e (b) e comparamos com o resultado obtido em (c). Teoricamente existirá uma diferença entre esses dois resultados, que será apresentado nos resultados e discursões. 5.5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 4 – BALANÇA Coloque a o paralelepípedo (peça metálica) utilizado no experimento 1, a ser aferida sobre o prato da balança. Leve o contra peso A (Conforme a figura abaixo) até o traço da escala de forma que o braço fique na horizontal ou um pouco acima. Se o caso for este último, leve o contra peso B até o traço da escala de forma que o braço da balança fique na horizontal ou um pouco acima. Se o braço da balança continuar acima da horizontal, posicione o contra peso C de forma que o braço fique na horizontal. FIGURA 5.5 – Procedimento da balança 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 g 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 g 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 g A B C 0 0 0 Assim realiza-se a leitura sempre da escala maior para a menor e então as some. 6. RESULTADOS E DISURSSÃO 6.1. ATIVIDADE – 1 (PAQUÍMETRO) a) Qual a extensão AB medida com o nônio? 10 l = p + fração de milímetro l = ( 2 + 0,6 ) mm , isto é l = 2,6 mm b) Você recebeu uma ficha metálica. Meça, usando o paquímetro, a sua menor dimensão (espessura). Faça cinco medidas desta espessura em pontos diferente da ficha e anote em uma tabela. Calcule o desvio padrão do valor médio e expresse a espessura da ficha metálica corretamente (E = Em ± dpm). Conforme expecificado no item 5.2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 1 – PAQUÍMETRO, foram obtidos os seguintes valores para da espessura da ficha metalica: TABELA 6.1 – Medidas da atividade 1 MEDIDA Escala (mm) Nônio (n) Precisão do Paquímetro (mm) Espessura ( 1 0,3 8x0,05 0,05 0,7 2 0,3 6x0,05 0,05 0,6 3 0,3 8x0,05 0,05 0,7 4 0,3 7x0,05 0,05 0,65 5 0,3 11x0,05 0,05 0,85 TABELA 6.2 – Desvios atividade 1 MEDIDA Espessura Vi Desvios (di = Vi - Vm) Desvios 2 (di 2 ) mm 2 1 0,7 0,7 - 0,7 = 0,00 0,00 2 = 0,00 2 0,6 0,6 - 0,7 = 0,01 0,01 2 = 0,001 3 0,7 0,7 - 0,7 = 0,00 0,00 2 = 0,00 4 0,65 0,65 - 0,7 = 0,05 0,05 2 = 0,25 5 0,85 0,85 - 0,7 = 0,15 0,15 2 = 0,0225 N = 5 Vi = 3,5 di = 0,21 di 2 = 0,2726 Desta forma obtemos o valor da média igual Vm = 3,5/5 = 0,7. Desvio da medida da medida é dado por di = Vi - Vm onde encontramos o valores especificados na tabela acima (6.2). Com os dados da tabela acima podemos calcular o desvio médio das medidas realizadas: di = 0,21/5 = 0,042 Calculando o desvio padrão através da formula abaixo, obtemos o seguinte resultado: di 2 = √ = 0,261 Desta forma é possível calcular o desvio padrão do valor médio expressado pela equação: d d n 1 p i 2 n d d n 1i i m 11 = √ = 0,117 (E = Em ± dpm). Isto significa que o valor mais provável da espessura da ficha metálica é 0,7 mm, com uma grande possibilidade de estar no intervalo de (0,7 - 0,117) à (0,7 + 0,117)mm, ou seja de 0,583mm ou 0,817mm. c) Calcule o volume do paralelepípedo que você recebeu. Lembre-se que, V = l1.l2.l3. Para isso, faça as medidas necessárias e avalie a incerteza tomando como base a menor divisão do paquímetro. Anote as medidas em uma tabela e obtenha o volume com a respectiva incerteza, representando-o corretamente por V = (Vm ± dpm ) unidade. FIGURA 6.1 – Modelo peça metálica V = l1.l2.l3 Vm = (4,4)(1,2)(0,7) Vm = 3,696 cm 3 0,117 6.2. ATIVIDADE – 2 (MICRÔMETRO) a) Se o paquímetro e o micrômetro são, ambos, aparelhos de medida de comprimento, quando usar um e quando usar outro? O paquímetro é um instrumento que permite medirmos a distância entre dois pontos opostos, fornecendo medidas com décimos de milímetros, enquanto micrômetro permite efetuar medidas de milésimos de milímetros. Portanto, o uso adequado de um deles, dependerá do objeto a ser mensurado. b) Realize as leituras: n d d p pm 1,2cm 4,4cm 12 0 1 2 3 4 0 5 0 1 0 e s c a l a e m 0 , 0 1 m m e s c a l a e m 0 , 5 m m L e i t u r a - . . . . . . . . . . . m m Leitura na escala principal - 4 mm Leitura no tambor - 0,2 mm Leitura - 4,2 mm 0 1 2 3 4 e s c a l a e m 0 , 0 1 m m e s c a l a e m 0 , 5 m m L e i t u r a - . . . . . . . . . . . . . . m m 4 0 4 5 3 5 Leitura na escala principal - 4,5 mm Leitura no tambor - 0,2 mm Leitura - 4,7 mm c) Meça, usando o micrômetro, a espessura de um fio de cabelo. Faça cinco medidas desta espessura em pontos diferente do fio e anote em uma tabela. Calcule o desvio padrão do valor médio e expresse a espessura da ficha metálica corretamente (E = Em ± dpm). TABELA 6.3 – Desvios atividade 2 MEDIDA Espessura cabelo Vi Desvios (di = Vi - Vm) Desvios 2 (di 2 ) mm 2 1 0,09 0,09 - 0,074 = 0,016 0,016 2 = 0,000256 2 0,07 0,07 - 0,074 = 0,004 0,004 2 = 0,000016 3 0,08 0,08 - 0,074 = 0,006 0,006 2 = 0,000036 4 0,07 0,07 - 0,074 = 0,004 0,004 2 = 0,00016 5 0,06 0,06 - 0,074 = 0,014 0,014 2 = 0,00196 N = 5 Vi = 0,37 di = 0,044 di 2 = 0,002428 Valor da média é dado por: Vm = 0,37/5 = 0,074. Desvio da medida da medida é calculado por di = Vi - Vm onde encontramos o valores especificados na tabela acima (6.3). Com os dados da tabela acima podemos calcular o desvio médio das medidas realizadas: n d d n 1i i m 13 di = 0,044/5 = 0,0088 Calculando o desvio padrão através da formula abaixo, obtemos o seguinte resultado: di 2 = √ 0,02464 Desta forma é possível calcular o desvio padrão do valor médio expressado pela equação: = √ 0,01102 (E = Em ± dpm). Assim o valor mais provável da espessura do fio de cabelo é 0,074 mm, com uma grande possibilidade de estar no intervalo de (0,074 - 0,011) à (0,074 + 0,011) mm, ou seja de 0,063 mm ou 0,085 mm. 6.3. ATIVIDADE – 3 (TRENA) Marque sobre a bancada três pontos, em linha reta, obrigatoriamente com um pincel atômico. Meça agora as seguintes distâncias: a) a distância entre o primeiro ponto e o segundo, b) a distância entre o segundo e o terceiro ponto, c) a distância entre o primeiro ponto e o terceiro. Segundo os PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 3 – (TRENA) foram obtidos, conforme mostrado na figura abaixo, as seguintes medidas: FIGURA 6.3 – Modelo esquemático dos pontos Some agora os resultados obtidos em (a) e (b) e compare com o resultado obtido em (c). Teoricamente existe uma diferença entre esses dois resultados. Discuta essa afirmação com seus colegas. d d n 1 p i 2 n d d p pm 14 Somando os resultados (a) (b) com (b)(c) obtém-se um total de 19cm, e verifica-se que existe uma diferença entre as somas dos P1 à P3, ocasionada pela margem de erro na medida entre os extremos dos pontos P1 e P2, desta forma há uma pequena variação na medição dos pontos que depende do da localização inicial da trena. d) Meça as dimensões do paralelepípedo e anote em uma tabela, com o respectivo erro do instrumento. Calcule o volume, expressando-o corretamente por V = (Vm ± dpm) unidade. TABELA 6.3 – Dimensões do paralelepípedo Comprimento Largura Altura Erro 4,4 cm 1,2 cm 0,7 cm 0,01mm V = (4,5cm)(1,3cm)(0,8cm) = 3,68 cm 3 0,1mm 6.4. ATIVIDADE – 4 (BALANÇA) a) Meça a massa do paralelepípedo usado na atividade do paquímetro e avalie uma incerteza. Obtenha a densidade do paralelepípedo (d = d ± d), usando o valor do volume já determinado. (densidade(d) = massa/volume) A massa pesada nos PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 4 – BALANÇA foi equivalente a 3,56g. Usando o resultado da atividade 1, podemos calcular a densidade do paralelepípedo: cm3 Levando a margem de erro, podemos concluir que a densidade é igual a 0,963 g/cm 3 0,117. 15 7. CONCLUSÃO O experimento proporcionouuma ideia mais prática do uso e manipulação dos equipamentos de medição utilizados em laboratório, assim como foi possível aplicar em prática os conhecimentos adquiridos de erros de medidas e a utilização dos mesmos. Assim constatou-se que os erros de medidas podem influenciar no resultado, tendo em vista que é necessário o conhecimento das grandezas físicas e unidade de medidas do SI, além de saber diferenciar o equipamento adequado para o determinado tipo de objeto que se quer dimensionar. Conclui-se então, que ao realizarmos medidas, não é possível obter uma medida exata, mas podemos obter medidas precisas e próximas dos valores reais, levando em consideração os erros e técnicas de aproximação utilizadas nestes experimentos. 16 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Hennies, C.E; Guimarães, W.O.N e Roversi, J.A. - Problemas Experimentais em Física vol. I Ed. Unicamp. Pimentel, C.A.F. Laboratório de Física I. Apostila para Escola Politécnica. IFUSP 1980. Instrumentação para Metrologia Dimensional: Utilização, manutenção ecuidados – Mitutoyo do Brasil Indústria e Comércio Ltda. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física 1: mecânica. Livros Técnicos e Científico.
Compartilhar