Tópicos sobre o trabalho laboratorial e o. registo de dados experimentais

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1 Capítulo I Tópicos sobre o trabalho laboratorial e o registo de dados experimentais 1.1. Etapas na realização de uma experiência A função do logbook em TLF Descrição geral do conteúdo de um logbook Algumas regras gerais na utilização de um logbook Indicações para a elaboração de relatórios 20 Departamento de Física da FCTUC 14

2 Tópicos sobre o trabalho laboratorial e o registo de dados experimentais Cientistas e engenheiros dedicam muito tempo à preparação e realização de trabalho experimental. Como sabe, todas as hipóteses e teorias científicas têm que ser submetidas a testes experimentais e os avanços científicos e tecnológicos apoiam-se incontornavelmente na experimentação. Projectar e preparar uma experiência para testar uma hipótese científica pode não ser uma tarefa fácil mas enquanto não puder ser realizada e os resultados confirmados independentemente por outros investigadores, qualquer hipótese ou teoria não poderá ser verdadeiramente aceite. Além disso, experiências cuidadosamente executadas podem acabar por revelar novos aspectos ou mesmo alterar os pressupostos até então admitidos. A um outro nível, as experiências realizadas no âmbito de uma disciplina universitária básica como TLF não têm por finalidade descobrir novas teorias ou testar as que são presentemente aceites. Na verdade, são utilizadas para facilitar a aprendizagem do conhecimento científico actual. Ver algo acontecer tem, regra geral, muito mais impacto do que apenas ler a sua descrição. E mais do que ver algo acontecer, fazer algo acontecer, realizar uma experiência, deixa uma impressão ainda mais viva na mente. Este aspecto deve ser objecto de reflexão por parte dos estudantes que, tantas vezes, dão muito pouca atenção às componentes laboratoriais das disciplinas, nomeadamente não preparando previamente o trabalho que vão executar e lendo os guiões à pressa no início da aula. Como é evidente, esse tipo de atitude limita muito a aprendizagem que a componente laboratorial visa facilitar. A realização de experiências pode apresentar algumas dificuldades. Certas experiências requerem, por exemplo, que se domine minimamente uma dada técnica ou aparelho (alguns bastante sofisticados) e, muitas vezes, os objectivos em causa exigem uma análise mais ou menos complexa dos dados obtidos. A finalidade principal desta disciplina não é ensinar a utilizar instrumentos e técnicas específicas (ainda que também haja algo disso) mas antes fornecer conhecimentos de natureza mais geral envolvendo diferentes aspectos da realização experimental, com especial atenção para a análise de dados Etapas na realização de uma experiência Comecemos por considerar as principais etapas na realização de uma experiência 1, quer seja no âmbito de uma aula prática de TLF ou de outra disciplina, quer seja enquadrada num tema de investigação. a. Objectivo Este é o ponto de partida de qualquer experiência. O que queremos descobrir ou verificar? Qual o objectivo do nosso trabalho? b. Planificação Determinado o objectivo, vejamos o que é necessário para o realizar. Que grandezas físicas devem ser medidas? Qual o equipamento que tenho disponível? Que metodologia devo seguir para medir as grandezas com esse equipamento? 1 Em parte, adaptado de Kirkup L., Experimental Methods, John Wiley & Sons, Australia, Departamento de Física da FCTUC 15

3 c. Preparação Esta fase implica a reunião dos aparelhos e a montagem do sistema de medida. Nos trabalhos laboratoriais de TLF esta etapa está muito ou totalmente facilitada, uma vez que as componentes experimentais necessárias estão já montadas (de outra forma não haveria tempo para atingirmos os objectivos da disciplina). Contudo, será sempre necessária a familiarização com o funcionamento dos aparelhos que vai utilizar. Atenção às suas características como, por exemplo, escalas, factores de amplificação, curvas de calibração e incertezas especificadas pelo fabricante. d. Experiência preliminar Uma vez a montagem pronta, é costume realizar-se uma ou mais experiências preliminares de modo a promover a familiaridade com o sistema experimental e com a metodologia a utilizar. Serve também para tentarmos perceber se existem aspectos da realização experimental que necessitem de algum ajuste, alteração ou de maior cuidado na execução. Além disso, as experiências preliminares permitem obter uma ideia da ordem de grandeza dos valores que vamos obter quando a experiência for realizada com mais cuidado. e. Aquisição dos dados experimentais Começa então a fase da aquisição dos dados. Estes devem ser cuidadosamente registados (por vezes organizando-os em tabelas), de modo a não serem cometidas incorrecções nos valores, nas unidades e nas incertezas associadas, o que pode chegar a invalidar a experiência e exigir a sua repetição. f. Repetição Sempre que possível, as experiências devem ser repetidas de modo a verificar a sua reprodutibilidade. A repetição de uma experiência não gera, regra geral, valores exactamente iguais. Contudo, grandes variações entre os dados obtidos levantam suspeitas sobre os aparelhos ou sobre o método utilizado e devem ser investigadas. Nas aulas práticas de TLF não haverá tempo nem será necessário repetir experiências, como se compreenderá. No entanto, este ponto é de grande importância, sobretudo quando está em causa um trabalho científico inovador e a sua publicação. g. Análise dos dados obtidos Quando se considera que existe um número suficiente de dados coligidos (o que, obviamente, depende do tipo de experiência que estamos a realizar e do seu objectivo), segue-se então a análise e tratamento desses dados. Esta análise deve ser a adequada ao objectivo da experiência e pode envolver cálculos matemáticos e representações gráficas. h. Discussão e conclusões Uma vez os dados analisados, é agora altura de discutir os resultados dessa análise tendo em vista o objectivo do trabalho e a metodologia utilizada. Esta parte termina, geralmente, por uma ou mais conclusões. i. Relatório da experiência É geralmente útil (e muitas vezes obrigatório!) elaborar um relatório claro e conciso que descreva os aspectos mais importantes da experiência, tais como o objectivo, o método, os dados, a sua análise e as conclusões. Na disciplina de TLF não será necessário preparar um relatório no final de cada experiência, Departamento de Física da FCTUC 16

4 mas cada grupo deverá elaborar dois relatórios de dois dos sete trabalhos práticos realizados (à escolha) no final do semestre (antes do exame teórico). Como nota final e pensando concretamente nos trabalhos de TLF, sugere-se que, no final de cada aula, passe pela montagem do trabalho prático que vai executar a seguir e identifique todas as componentes experimentais que serão utilizadas. Isso vai ajudá-lo bastante quando ler o guião para preparar esse trabalho A função do logbook em TLF Uma experiência pode realizar-se numa hora ou estender-se por vários dias, dependendo da complexidade e duração da mesma. Durante esse período, quanto mais informação registarmos sobre o modo como a experiência foi montada, decorre, etc., mais fácil será a avaliação da mesma, qualquer que seja o seu objectivo. Deste modo, um caderno de notas de laboratório, comummente designado por logbook, é um elemento indispensável num trabalho experimental. É neste tipo de caderno que cientistas e engenheiros registam todos os detalhes de uma experiência, mesmo aqueles que não parecem importantes na altura. Manter um livro de registos de laboratório é uma das práticas que irá aprender nesta disciplina. A manutenção de um logbook é parte integrante de qualquer experiência científica e constitui prática corrente em todos os laboratórios. Também neste laboratório didáctico, a manutenção de um logbook é essencial e vai ajudá-lo a criar bons hábitos de trabalho enquanto cientista. Por outro lado, o registo passo a passo da execução experimental e uma análise rápida dos dados em bruto que vão sendo anotados no logbook, permitir-lhe-ão obter mais rapidamente ajuda da parte dos instrutores, caso encontre algum problema ou imprevisto durante a realização dos trabalhos. Um logbook mal cuidado será uma fonte de frustração. É muito difícil responder a questões do tipo porque é que a minha experiência não funciona? ou porque é que os meus resultados diferem do valor esperado em mais de uma ordem de grandeza? sem ser capaz de claramente verificar o que foi feito a partir do logbook. Não espere poder lembrar-se de qual a escala do voltímetro que utilizou um dia depois da aula prática! Quanto mais várias semanas depois! Além disso, em TLF, o logbook é um elemento fundamental de avaliação. Não será possível realizar uma experiência sem o logbook. Se o logbook for levado para casa para completar alguma análise dos dados, deverá voltar para o laboratório impreterivelmente no início da aula prática seguinte. Se se esqueceu de trazer o logbook não poderá realizar o trabalho, impedindo também o seu colega de grupo de o fazer Descrição geral do conteúdo de um logbook a. No início do logbook crie um índice, reservando-lhe as duas primeiras páginas. Por vezes podem ser precisas mais páginas, mas como se trata de um caderno para ser utilizado só em TLF, duas páginas são suficientes. Este índice terá a forma Data Conteúdo Página e deverá ser actualizado após cada experiência. Daqui se deduz que deve paginar ou ir paginando o seu logbook. Até porque pode dar jeito referir, por exemplo, usando as mesmas fórmulas de cálculos da incerteza da página 14. b. Data a data referencia o dia ou dias em que a experiência foi montada e os dados adquiridos. Por isso, cada vez que pegue no logbook, quer para realizar Departamento de Física da FCTUC 17

5 uma experiência quer para completar o tratamento de dados, deve começar sempre por registar a data. c. Título quem lê não deve ter dúvidas sobre a experiência em causa. d. Objectivo é importante que este esteja claramente estabelecido, embora por vezes o próprio título seja já uma definição do objectivo. Nesse caso basta o título, é claro. e. Descrição do aparelho ou do sistema experimental Em muitas experiências, uma breve lista das componentes experimentais é suficiente. Geralmente, um pequeno desenho esquemático da montagem experimental e uma legenda vale mais do que mil palavras. Em todo o caso, quando tal facilita, pode sempre incluir a cópia do sistema fornecido no guião experimental. E, muito importante, não se esqueça de anotar as características relevantes dos aparelhos de medida (escalas, factores de amplificação, curvas de calibração, incertezas especificadas pelo fabricante, ). f. Método experimental Se a metodologia tiver sido criada por si, o melhor é descrevê-la com detalhe, de modo a que mais tarde (ou outro investigador) possa usar a mesma metodologia ou alterá-la convenientemente. Se o método for dado no guião sob a forma de uma série de instruções a seguir, como acontece em TLF, então deve avaliar bem que informação é relevante incluir no logbook. Não exagere! Por vezes, perante os aparelhos descritos e os dados registados no logbook, a metodologia torna-se evidente e é necessário acrescentar muito pouco. Contudo, se lhe parecer que é mesmo necessário passar a metodologia para o logbook, mais vale cortar e colar as instruções do guião no caderno. Também por isso, convém ler o trabalho com atenção antes da aula e ponderar estes aspectos, para vir preparado. g. Resultados das medidas Os valores medidos durante uma experiência (e respectivas incertezas) são registados directamente no logbook e nunca numa folha solta à parte. Se organizar os dados obtidos em tabelas, não se esqueça de referenciar bem a grandeza representada na linha ou coluna e a respectiva unidade. Neste caso, a estimativa da incerteza experimental associada a cada valor medido (que deve ser sempre claramente registada no logbook) costuma ser também incluída na tabela. h. Gráficos Os gráficos são muitas vezes a forma mais adequada de perceber claramente a relação entre as grandezas físicas investigadas e a sua variação. Por vezes é mesmo útil esboçar gráficos preliminares e não aguardar até ao fim da experiência para inspeccionar visualmente a qualidade dos dados e verificar se seguem a tendência esperada. Quer sejam feitos em papel milimétrico (em TLF, um dos gráfico terá que ser feito manualmente, em papel milimétrico) ou preparados num programa de cálculo e impressos, todos os gráficos devem depois ser colados no logbook. Além disso, não devemos esquecer que as grandezas físicas e unidades têm que estar devidamente identificadas nos eixos e que as incertezas associadas aos valores representados devem também estar indicadas. i. Cálculos Se necessitar de realizar cálculos sobre os dados medidos, o que geralmente acontece, explicite claramente todas as fórmulas que utilizar. O Departamento de Física da FCTUC 18

6 mesmo relativamente ao cálculo das incertezas associadas às grandezas derivadas (propagação de erros). j. Comentários um logbook não é, em geral, o lugar adequado para uma discussão detalhada dos resultados. Contudo, no final da análise e tratamento de dados, devem ser incluídos comentários sobre a forma como decorreu a experiência (nomeadamente se houve algum acontecimento irregular ou inesperado), sobre possíveis fontes de erro experimental e uma breve conclusão, tendo em conta o objectivo previsto Algumas regras gerais na utilização de um logbook Normalmente usa-se um caderno quadriculado ou de linhas, para ajudar a organizar um pouco a escrita, mas o mais importante é que o caderno não tenha folhas que se soltem facilmente. O que nele se escreve precisa de ser inteligível para a pessoa a quem pertence mas, se outras pessoas estão associadas à mesma experiência e utilizam o mesmo logbook (é o caso de um logbook associado a um sistema experimental e não a um investigador), os registos devem ser claros e a ordenação minimamente lógica. De cada vez que acrescentar dados, gráficos ou comentários ao logbook, registe a data dessa anotação. Deixe 3 a 4 folhas em branco entre cada experiência (para anotações e cálculos futuros). Os registos no logbook devem ser sempre feitos a caneta ou esferográfica, nunca a lápis. Não apague (com borracha ou tinta branca) nada do logbook, nem lhe arranque páginas. Os enganos ou incorrecções devem ser simplesmente riscados com uma linha por cima da entrada julgada errada, de modo a que o registo continue claramente legível. Alguns procedimentos ou medidas julgados errados podem vir ainda a ser úteis; mostram como decorreu a experiência e ajudam a evitar esses enganos noutras ocasiões. Não são aceitáveis páginas soltas num logbook! Gráficos e tabelas feitos à mão ou no computador devem ser colados ou agrafados. Identifique a localização de eventuais ficheiros de dados no caso de serem demasiado extensos para ficarem apensos ao livro e também os programas de análise que tenha utilizado. Inclua ainda as funções usadas na análise e ajuste de curvas, mesmo que tenham sido as da sua calculadora pessoal. Um logbook não precisa de ser bonito ou perfeito. Deve ser claro, fiel, honesto, detalhado nos pormenores potencialmente relevantes e omisso nos declaradamente irrelevantes. Departamento de Física da FCTUC 19

7 Não esqueça o mais importante, todas as escolhas e ideias devem ser anotadas no seu logbook; a calibração dos aparelhos escolhidos, os problemas que vai encontrando e como os resolve; as eventuais falhas, avarias, percepções de que o método não é o adequado para atingir o objectivo, etc. Todas essas indicações serão indispensáveis se precisar de repetir a experiência, realizar uma outra experiência ou mesmo para publicar os resultados da sua investigação. Não se esqueça que as experiências que desenvolver devem poder ser repetidas por qualquer outro investigador em qualquer laboratório do mundo e as indicações que fornece num artigo científico são, portanto, uma mais-valia para o avanço do conhecimento científico, em geral, e para a comunidade científica que investiga na mesma área, em particular Indicações para a elaboração de relatórios O relatório deve conter: 1. Cabeçalho - Título do trabalho, autores, disciplina, curso e data 2. Introdução (o mais resumida possível) deve conter o objectivo do trabalho e a informação estritamente necessária para se perceber porque foram realizadas determinadas medidas experimentais. 3. Método experimental Deve conter, sempre que possível, uma ou mais figuras que ilustrem a montagem experimental utilizada e legendas adequadas. Deve especificar-se claramente de que grandezas físicas foram feitas medidas experimentais directas e que instrumentos de medida foram utilizados. 4. Resultados Apresentação dos resultados medidos e calculados a partir dos valores medidos, utilizando tabelas e gráficos, sempre com legendas completas. 5. Discussão e conclusões Considerações adequadas sobre os dados obtidos e sua análise, relacionando-os com o objectivo do trabalho. Por vezes, pode dar jeito a discussão ser feita juntamente com a apresentação de resultados e apenas se separarem as conclusões do trabalho. O relatório não deve exceder as seis páginas. Departamento de Física da FCTUC 20