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Practica 1 1º Bachillerato: medidas
 

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    Practica 1 1º Bachillerato: medidas Practica 1 1º Bachillerato: medidas Document Transcript

    • Departamento de Física y Química del IES Pedro Mercedes curso 2009-2010 GUÍA PARA EL TRABAJO EN EL LABORATORIO Y EXPRESIÓN DE LAS MEDIDAS CONCEPTOS PREVIOS 1.- Introducción. Entendemos que cualquier curso de física y química no puede estar completo sin la realización de trabajos experimentales ya que difícilmente podrá entenderse lo que son las ciencias empíricas sin un desarrollo de sus métodos habituales y sus aplicaciones, ya sea la resolución de problemas numéricos, la emisión y comprobación de hipótesis o la realización de trabajos prácticos en el laboratorio. La ciencia no es únicamente una cantidad importante y útil de conocimientos, es una manera de pensar ... y de hacer, una manera de pensar que incluye la necesidad de comprobar las afirmaciones que se emiten, así como constatarlas o corregir sus posibles errores, entre otros métodos, mediante la experimentación. Cuando necesitamos expresar el resultado de la medición es imprescindible indicar no sólo su valor sino la “calidad” de la misma ya que nuestros instrumentos de medida y los métodos que utilizamos tienen limitaciones, es decir, que existe una incertidumbre al expresar el resultado de una o varias mediciones, por lo que será necesario establecer procedimientos para analizar la calidad de nuestras medidas y evaluar y expresar la incertidumbre. 2.- Errores en las medidas. Tipos y causas Al hecho de determinar un valor para una magnitud se le denomina medir, lo que exige la definición de un método o procedimiento de medida. El resultado de una medición es una aproximación que sólo estará completo si va acompañado de la incertidumbre. En cualquier medición se producen fallos que dan lugar a errores. Llamamos error a la desviación entre el valor obtenido y el convencionalmente verdadero y, suele estar constituido por tres componentes Los errores sistemáticos son los debidos al mal funcionamiento o calibración de los aparatos, siempre se producen en el mismo sentido y su efecto se conoce como “desviación”. Errores sistemáticos son los “errores de cero” de las reglas o cintas métricas, los debidos a la utilización de un método inadecuado, como el paralaje, o las alteraciones que el hecho de medir provoca en la medida, como el error cometido al medir la temperatura de un líquido, debido a la dilatación del vidrio del termómetro. El tratamiento de estos errores consiste en asegurar el buen funcionamiento de los aparatos, evitar los métodos inadecuados o calcular las alteraciones del equipo y corregir las medidas realizadas. Los errores accidentales o aleatorios son debidos a múltiples factores no controlables ni predecibles y su tratamiento es estadístico y su efecto se conoce como “dispersión”. Práctica 1. Conceptos básicos y medidas directas e indirectas 1-4
    • Departamento de Física y Química del IES Pedro Mercedes curso 2009-2010 Los errores de precisión son el resultado de la limitación de los instrumentos de medida y están relacionados con la medida más pequeña que podemos realizar con ellos. Con una balanza que aprecie gramos, no podremos medir cantidades menores Este error no puede disminuirse a no ser que cambiemos de equipo de medida y lo único que podemos hacer es indicar su valor. El error total es una combinación de los tres, que nos determinará los límites de nuestra medición, por lo que tomaremos como valor del error el correspondiente al del grupo que tenga un valor mayor. 3 Error absoluto y error relativo. Al resultado de una medición menos el valor convencionalmente verdadero, se le denomina error de medida o error absoluto. Ea = Vm − Vcv Al error absoluto de medida dividido por el valor verdadero se le asigna el nombre de error relativo. El error relativo puede expresarse en tanto por uno o tanto por ciento. Eabsoluto Erelativo = ; Vconvencionalmente verdadero Eabsoluto Erelativo % = × 100 Vc v Ejercicio nº1. Determinar la incertidumbre de la medida y la incertidumbre relativa al tomar π con dos cifras decimales. 4. Método para la estimación de la incertidumbre en la medición y expresión de las medidas. La incertidumbre en la medida es debida a los errores cometidos en el proceso de medición y para conseguir una buena estimación se debe: 1º. Identificar las fuentes que pueden contribuir a la incertidumbre en la medida. 2º. Calcular la incertidumbre debida a cada componente. 3º. Calcular la incertidumbre combinada de las diferentes medidas. 4º. Expresar el resultado de la medida en la forma: ( medida ± incertidumbre ) unidad Y siempre utilizar el sentido común en la aplicación de cálculos y normas a) Para expresar el resultado de una única medida directa conviene precisar que la incertidumbre de la medida viene determinada por el error de precisión del aparato de medida, teniendo en cuenta que: i) Si el instrumento es analógico tomaremos como medida de la incertidumbre la mitad de la apreciación del instrumento de medida. Por ejemplo al medir 45 mm con una regla graduada en mm, la expresión de la medida será: 45 ± 0,5 mm ii) Si el instrumento es digital el error de precisión es la menor magnitud que podemos determinar. Si medimos 5,1 segundos con un cronómetro que aprecia centésimas de segundo, la medida sería 5,10 ± 0,01 s b) No obstante es preferible realizar varias medidas, pues si realizamos una única medida normalmente no obtendremos resultados fiables. Práctica 1. Conceptos básicos y medidas directas e indirectas 2-4
    • Departamento de Física y Química del IES Pedro Mercedes curso 2009-2010 En tal caso tomaremos como valor más fiable el valor medio de la las medidas realizadas: n m + m2 + ⋅ ⋅ ⋅ + mn ∑m i m= 1 = 1 n n La incertidumbre en la medida debida a errores accidentales o aleatorios es la desviación standar de una las medidas realizadas. n ( m1 − m ) 2 + ( m 2 − m ) 2 + ....... + ( mn − m ) 2 ∑ (m i − m)2 ε accidental = = 1 n n Como puede observarse las expresiones de la medida y de la desviación nos la proporciona el cálculo estadístico. Por tanto, tomaremos como valor más fiable de medida, la media aritmética y como incertidumbre de la medida al valor máximo entre los valores del error de precisión del aparto y del error accidental calculado. Valor de la medida = x Incertidumbre de la medida = máximo(ε precisión , ε accidental ) 5. Redondeo Una vez determinados los valores de la medida y del error es frecuente obtener resultados de las medidas con un número de cifras superiores a las que podemos apreciar o valores del error con demasiadas cifras, por lo que será conveniente redondear dichos valores, utilizando los siguientes criterios: a) Para redondear utilizaremos las mismas normas que utilizamos habitualmente con la moneda. b) La medida y el error deben expresarse en las mismas unidades. c) Expresaremos el error con una única cifra diferente de cero, salvo cuando la cifra más significativa sea el 1 que utilizaremos dos cifras. d) El valor de la medida debe tener la misma precisión que el error, pues no tiene sentido dar cifras significativas mayores que el error previsto. Supongamos que al realizar varias medidas de una longitud obtenemos un valor de 45,653 cm y un error de 0,0279 cm, observamos que la cifra más significativa, diferente de 0 es 2. Si aparece error en las centésimas carece de relevancia el error en milésimas y cifras sucesivas por lo que redondearíamos medida y error a centésimas (redondear no quitar cifras) por lo que la expresión correcta sería 45,65 ± 0,03cm . Ejercicio nº 2. Expresa correctamente las medidas siguientes y determina el error relativo: Medida: 45,3899 cm error: 0,043 cm Medida: 0,76 cm error: 2mm Medida: 0,0876 s error: 0,068 s Medida: 758,8 cm2 error; 120 cm2 6. Cálculo de la incertidumbre combinada. La incertidumbre y las expresiones matemáticas utilizadas en las ciencias: Práctica 1. Conceptos básicos y medidas directas e indirectas 3-4
    • Departamento de Física y Química del IES Pedro Mercedes curso 2009-2010 Lo más usual es que el valor de una magnitud dependa de constantes y una o varias magnitudes, o que en los experimentos realizados aparezcan varias magnitudes y las constantes propias de las ecuaciones, entonces surge la pregunta ¿cuál es la incertidumbre en la magnitud que calculamos al final?. Para una suma o diferencia, la incertidumbre combinada se calcula como la raíz cuadrada de la incertidumbre de los componentes. Para un producto o un cociente, se aplica a las incertidumbres típicas relativas la regla anterior. Por ejemplo en el caso de la determinación del área de una clase que mide 5,90 x 6,70m con una cinta métrica que aprecia centímetros. 1º Expresamos correctamente las medidas: a = 5,92 ± 0,005m y b = 6,74 ± 0,005m 2º Calculamos el área S = a × b = 5,92 × 6,74 = 39,9008m 2 3º La incertidumbre relativa en cada medida será: 0,005 0, ,005 ∆a = = 0,00084m; ∆b = = 0,00074m 5,92 6,74 4º Y, por tanto, la incertidumbre relativa combinada valdría ∆S S = ( 0,00084 2 ) + 0,00074 2 = 0,0012 5º. Calculamos la incertidumbre de la medida de la superficie ∆S = S ⋅ 0,00119 = 39,9008 ⋅ 0,001119 =0,0475m 2 6º Expresamos correctamente la medida con las cifras adecuadas y redondeando: S = (39,90 ± 0,05)m 2 Ejercicio nº 3. Medir, con una regla que aprecie mm, la superficie de un folio y expresar la medida correctamente. Ejercicio nº 5. Medir el grosor de un folio utilizando un calibre . Ejercicio nº 6. Determinar el volumen de una pesa cilíndrica, identificar las posibles fuentes de error y expresar correctamente su medida. a) Con un calibre y la fórmula correspondiente. Ejercicio nº 7. Expresar la medida de la altura de la clase tras una serie de medidas, indicando la incertidumbre de la medida y la incertidumbre relativa. Práctica 1. Conceptos básicos y medidas directas e indirectas 4-4