Proposta da disciplina
Considerações gerais
Nesta disciplina, partimos da premissa de que a responsabilidade pela realização dos experimentos e análise de dados é dos alunos, cabendo ao professor e monitores introduzir os conceitos necessários, estimular a curiosidade e oferecer meios para que análises sejam realizadas com qualidade.
A disciplina contará com três experimentos regulares, que variam entre quatro e seis semanas cada um (ver calendário na sequência) e um projeto. Os experimentos regulares serão realizados por equipes de até três alunos de uma sala e o projeto será realizado juntando-se várias equipes. O projeto deve ser executado em paralelo aos experimentos regulares. O projeto será avaliado a partir da sua proposta e de uma apresentação final. Os experimentos regulares serão avaliados através de relatórios a serem entregues uma semana após o término de cada experimento, com datas estabelecidas no calendário da disciplina.
A cada semana o professor sugere atividades com o intuito de gerar a base necessária para atingir os objetivos dos experimentos. Recomenda-se que o aluno discuta com o seu professor semanalmente, e/ou envie seus resultados parciais, para análise de modo a ter sempre um registro do experimento que permita que possa responder de maneira satisfatória as questões correspondentes a cada experimento.
Em termos de conteúdo, procuramos reestruturar os experimentos de modo a focá-los em objetivos físicos bem determinados.
Objetivos
Disciplinas experimentais devem contribuir para sedimentar nos estudantes as bases da metodologia científica bem como apresentar com clareza a importância das atividades experimentais no processo de produção do conhecimento. A fim de se atingir esse objetivo, deve-se dar ênfase ao desenvolvimento da habilidade de analisar e interpretar quantitativa e rigorosamente as medidas realizadas, com o uso dos princípios da teoria de erros, conhecimento sobre a instrumentação utilizada e de técnicas avançadas de análise de dados, inclusive simulações computacionais, assim como a habilidade de avaliar os resultados obtidos, comparando-os com teorias, modelos e outros experimentos, identificando limitações e propondo aprimoramentos. Todas as atividades devem ser planejadas para estimular o raciocínio e senso crítico, bem como para orientar o desenvolvimento da capacidade de trabalho coletivo dos alunos.
Este curso deve estimular o amadurecimento e independência dos alunos dentro de um laboratório científico. A disciplina será constituída de no máximo cinco experimentos de complexidade avançada onde o tempo médio de duração de um experimento seja de um mês. Os resultados experimentais só serão obtidos através de uma análise sistemática e complexa de vários conjuntos de dados, obtidos ao longo das várias semanas do experimento. Devemos focar na ideia que experimentos “não dão errado” e sim que, muitas vezes, a Natureza é demasiadamente complexa e as ferramentas que temos à disposição (experimentais e teóricas) podem ser limitadas para o seu entendimento por completo. Devemos introduzir os alunos à automatização de experimentos e simulações numéricas.
O objetivo desta disciplina é aprofundar as bases da metodologia científica através de experimentos complexos envolvendo, principalmente, aspectos do eletromagnetismo, dentre os quais:
- Circuitos elétricos em corrente contínua e alternada
- Medidas de campos elétricos e magnéticos
- Movimento de partículas em campos elétricos e magnéticos
- Aspectos das leis de Gauss, Ampère e Faraday
Introduzir conceitos sobre:
- Aperfeiçoamento do conceito físico de medida.
- Aprendizado de técnicas para a realização de medidas científicas, tratamento e apresentação dos resultados.
- Aprofundamento à teoria de probabilidades e sua aplicação no tratamento de dados experimentais.
- Desenvolvimento de espírito crítico na confrontação de modelos teóricos e resultados experimentais.
- Desenvolvimento da capacidade de leitura e redação de textos científicos. Desenvolvimento da habilidade de aplicar conhecimentos adquiridos em novas situações.
Conteúdo:
Estudar experimentalmente aspectos do eletromagnetismo, dentre os quais:
- Circuitos elétricos em corrente contínua e alternada
- Medidas de campos elétricos e magnéticos
- Movimento de partículas em campos elétricos e magnéticos
- Aspectos das leis de Gauss, Ampère e Faraday
Através da realização de experimentos diversos, desenvolver habilidades para:
- Praticar tomadas de dados cuidadosas e sistemáticas;
- Identificar a existência e quantificar incertezas experimentais;
- Desenvolver a análise crítica do conjunto de dados.
Para o tratamento de dados, introduzir formalmente os conceitos de:
- Distribuições de probabilidade, incluindo gaussiana, binomial e de Poisson;
- Métodos diversos de ajustes de funções. Ajustes de funções não lineares.
- Testes de significância. O teste-t de Student
Para a análise, síntese e apresentação dos resultados:
- Sistematizar a apresentação e análise dos dados através de tabelas gráficos e histogramas;
- Continuar estimulando a utilização do computador para a organização e análise de dados. Pode-se ampliar a utilização do computador, estimulando a utilização de simulações na descrição e previsão dos resultados;
- Obter da compilação dos dados as informações sobre o experimento e sobre o fenômeno físico em questão;
- Realizar comparações de resultados obtidos por diferentes metodologias;
- Criticar discrepâncias encontradas, levando em conta limitações experimentais e teóricas envolvidas na obtenção dos resultados;
Métodos utilizados
Experimentos diversos focando principalmente aspectos do eletromagnetismo
O formato adotado para a disciplina é o do laboratório aberto, ou seja, os alunos têm uma aula formal, de duas horas, no início da semana, onde são discutidos objetivos, métodos e análises anteriores. Neste formato, os alunos têm os laboratórios à disposição durante a semana para fazer as medições propostas, através de reserva antecipada.