Física Experimental IV (2014)

Considerações gerais

Tem sido comum, ao longo dos anos, a percepção, por parte de alunos, de que as disciplinas experimentais focam mais em elementos “burocráticos”  do que em estimular a investigação e criatividade dos alunos. Estes elementos burocráticos são os inúmeros relatórios, sínteses e documentos necessários para acompanhamento e avaliação das disciplinas.

Este sentimento não é exclusivo das disciplinas de bacharelado e está presente nas disciplinas de outros cursos e outras universidades no Brasil. É comum nas avaliações das disciplinas surgirem comentários a propósito da carga excessiva como fator que desmotiva o aluno e o distancia  da curiosidade e do prazer da exploração dos fenômenos físicos: pois ele fica focado apenas em cumprir as obrigações requisitadas para obter aprovação na disciplina.

Acreditamos que a diminuição desta carga “burocrática” pode ter um efeito positivo e aumentar a curiosidade investigativa do aluno.

Com esse propósito, propomos uma reestruturação no método de avaliação das disciplinas de Física Experimental III e IV. Esta reestruturação é compatível com as ementas recentemente aprovadas no IFUSP e cobre todo o conteúdo propostonas mesmas.

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. Sendo assim, não serão cobradas sínteses semanais e nem relatórios dos experimentos, atividades que demandavam um enorme esforço por parte dos alunos em detrimento da qualidade investigativa de fenômenos físicos. O formato das atividades experimentais continua sendo o de laboratório aberto, com aula expositiva no começo da semana e horários diversos para realização de práticas experimentais por agendamento online.

A disciplina contará com quatro experimentos regulares, que variam entre duas e quatro semanas cada um (ver calendário na sequência) e um projeto. Os experimentos regulares serão realizados por equipes de dois alunos de uma sala e o projeto será realizado juntando-se duas equipes. Recomenda-se que o projeto comece a ser executado desde as primeiras semanas de aula. Contudo, ao final do semestre haverá três semanas disponíveis para desenvolvimento do projeto. A avaliação do projeto será feita por apresentação de pôster e relatório, sendo este o único da disciplina.

Os experimentos regulares serão avaliados através de perguntas específicas que serão colocadas aos alunos logo no início de cada experimento e devem ser entregues respondidas até a data estabelecida no calendário para cada experimento.

As perguntas devem ser respondidas com o rigor científico necessário, com base nas evidências coletadas, isto é, contendo, quando necessário, tabelas, gráficos, ajustes, testes de chi2 e significância, comentários, comparações com valores previstos, com dados de outros grupos, etc. Não serão cobrados relatórios dos experimentos. Também não será necessário a entrega de tarefas semanais e sínteses. Nas duas disciplinas experimentais iniciais, foi exigido que  os alunos utilizassem um caderno de dados para manter registro de suas atividades. Na disciplina atual a cada semana o professor sugere atividades com o intuito de gerar a base necessária para responder o questionamento de cada experimento. 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 foca-los em objetivos físicos bem determinados. Abaixo copiamos os trechos relevantes da ementa de Física Experimental IV aprovada pela Congregação do Instituto de Física da USP em maio de 2013, que tem sua implementação iniciada nesta disciplina.

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:

1. Circuitos elétricos em corrente alternada
2. Campos eletromagnéticos
3. Propriedades ondulatórias da luz: reflexão, refração, interferência e difração
4. Espectrofotometria em frequências próximas à da luz visível

Objetivos específicos:

1. Explorar técnicas avançadas para realização de medidas.
2. Noções de automatização de experimentos.
3. Realizar simulações de modo a planejar experimentos e entender resultados experimentais.
4. Saber resolver ambiguidades experimentais. Identificar e saber tratar dados correlacionados (covariância).
5. Explorar fenômenos físicos complexos, nos quais previsões teóricas se mostram insuficientes para o entendimento completo do problema.
6. Divulgar resultados através de textos compactos, no estilo de artigos científicos.
7. Confrontar resultados e debater experimentos através de apresentações orais.

Conteúdo

Estudar experimentalmente aspectos do eletromagnetismo, dentre os quais:

1. Circuitos elétricos em corrente alternada
2. Campos eletromagnéticos
3. Propriedades ondulatórias da luz: reflexão, refração, interferência e difração
4. Espectrofotometria em frequências próximas à da luz visível

Através da realização de experimentos que requerem a realização sistemática de medidas experimentais e suas correlações:

1. praticar tomadas de dados cuidadosas e sistemáticas;
2. automatizar os experimentos;
3. correlacionar conjuntos de dados independentes de forma a extrair uma interpretação física mais complexa;
4. desenvolver a análise crítica do conjunto de dados.

Para o tratamento de dados, introduzir formalmente os conceitos de:

1. simulações experimentais, método de Monte Carlo;
2. ajustes de funções genéricas e não lineares. Método de máxima verossimilhança;
3. análise de dados correlacionados (covariância);
4. propagação de incertezas com covariância entre parâmetros;
5. extrapolação de curvas;
6. tratamento de grandes volumes de dados;
7. ncertezas sistemáticas de medidas.

Para a análise, síntese e apresentação dos resultados:

1. elaborar sínteses de experimentos, selecionando adequadamente as informações obtidas e correlacionando-as com medidas previamente realizadas;
2. elaborar apresentações orais de resultados experimentais.

Métodos utilizados