TEORIA DE MEDICIONES

TERORIA DE LAS MEDICIONES

OBJETIVOS

Entender el proceso de medida de una cantidad física.

-Definir los conceptos básicos usados en metrología.

-Estimar la incertidumbre de una medida directa.

-Calcular la incertidumbre de una medida indirecta.

-Expresar correctamente los datos experimentales.

-Representar gráficamente los resultados experimentales.

-Interpretar las incertidumbres estadísticas.

-Adquirir los primeros fundamentos del diseño de experimentos.

-Elaborar los informes de laboratorio bajo las normas de un artículo científico.

Bases y herramientas:

Cálculo de varias variables, nociones de estadística

Presentación.

La experimentación tiene una definición muy amplia: por experimentación se entiende al proceso completo de identificar una porción del mundo que nos rodea, obtener información de ella e interpretarla. Esta definición abarca una variedad muy grande de actividades del ser humano: desde un biólogo, hasta un industrial que desea hacer buen mercadeo de su producto.

En la experimentación, la medición es un subproceso fundamental y la base de la misma. Toda medida por cuidadosa y por más refinada que sea, está sujeta a incertidumbre. El análisis de los errores es el estudio y la evaluación de esas incertidumbres para ayudarle al experimentador a estimar que tan grande es su incertidumbre y cómo reducirla.

En esta lección se abordan los fundamentos de la teoría de la medida con el fin de darles elementos claros a los estudiantes del ciclo básico de ingeniería para que aborden las prácticas de laboratorio con suficiente seriedad y así lograr sentar las primeras bases en la formación de sus competencias de experimentador y de observador necesarias en el ejercicio futuro de su profesión.

Un curso de laboratorio en física debe proporcionar los elementos básicos para aprender a diseñar buenos experimentos. Para lograr este objetivo es necesario asumir con una muy buena actitud cada práctica de laboratorio que se aborde. Esta es precisamente la justificación de apoyarse en un curso de laboratorio de física general para enseñar experimentación. Los sistemas que "incluye" son lo bastantes sencillos para que estén cerca de ser comprensibles, y la práctica con ellos dan herramientas para enfrentar en el ejercicio profesional a sistemas más complejos.

Competencias

En general, los grandes propósitos de la enseñanza de la física general en el ciclo básico de ingeniería son dar las bases para formar en el estudiante las siguientes competencias:

• Capacidad de representar y modelar sistemas "reales".

• Habilidad de diseño experimental.

• Destreza en al manejo e interpretación de datos experimentales.

• Claridad en la redacción y presentación de informes tecno-científicos

Los conceptos de Modelo y de Sistema en esta lección:

Sistema:

Todo lo que sea susceptible de experimentación se abordará en términos de "sistemas". Por un sistema se entenderá, en general, cualquier entidad definida y aislada que funciona de una manera específica que puede ser controlado ("entradas") y el cual tendrá respuestas definidas ("salidas"). Por ejemplo, un ingeniero administrador (que será el experimentador) puede ver la economía de un país como un sistema con un extenso conjunto de entradas y la correspondiente variedad de salidas. El sistema mismo incluirá la capacidad productiva total de bienes y servicios, medios de transporte, suministro de materias primas, habitantes, oportunidades para el comercio exterior, estado del tiempo y muchas otras cosas. Las entradas son aquellas cosas que podemos controlar: la oferta de dinero, las tasas de impuestos, el gasto público, los aranceles a las importaciones, etc. Las salidas son aquellas cosas que no se pueden controlar directamente; sus magnitudes las determina el sistema y no el experimentador. Las salías de un sistema económico incluirán el producto interno bruto, el índice de desempleo, el índice de inflación, la balanza de comercio exterior, etc. Sería muy reconfortante y conveniente si se pudiera asegurar los valores deseados de esas salidas mediante una manipulación sencilla, pero no se puede hacer. No se puede ordenarle al producto interno bruto o al índice de desempleo de un país que tenga un cierto valor; solo se pueden manejar las entradas; pero en un sistema tan complejo como una economía nacional , las conexiones entre las salidas y las entradas son intrincadas e indirectas. Por ejemplo, un intento en aumentar el producto interno bruto de un país reduciendo las tasas impositivas es posible que tenga al menos un éxito parcial, pero el efecto simultáneo sobre otras salidas puede ser igualmente prominente y no tan deseable, como puede ser un posible incremento de la tasa de inflación.

Existen otros sistemas que, aunque todavía son complejos, son lo bastante sencillos para que se puedan controlar con un éxito razonable. Considérese, por ejemplo, un reactor nuclear Aquí el sistema tiene un número menor de controles de entrada y de salidas, y la situación está definida con más claridad. Las entradas incluyen la posición de las barras de control, la cantidad y el tipo de combustible, la rapidez del flujo de refrigerante, etc. Las salidas incluyen cantidades como la densidad de flujo de neutrones, la potencia total producida , la vida útil de los elementos de combustible, etc. En este caso la conexión entre las entradas y las salidas es lo suficientemente sencilla para que sea posible un nivel razonable de control.

Un péndulo simple es un sistema aún más sencillo. Es un sistema que incluye al hilo, la masa, el soporte y el aire que lo rodea. Sus entradas son un hilo y las condiciones con las que empieza el movimiento (posición y velocidad iniciales). las salidas son también reducidas e número. Aparte de pequeños efectos secundarios, incluyen sólo la frecuencia de oscilación y la amplitud de las oscilaciones. Por último, las relaciones entre las entradas y las salidas es relativamente directa y reproducible. Alterar la longitud del hilo dará pocas sorpresas cuando se mida la frecuencia de oscilación. Aquí, por lo tanto, se tiene un sistema en el que los principios de experimentación serán claramente visibles. Si se usan para desarrollar la capacidad de controlar sistemas y evaluar sus salidas , se desarrollará la competencia necesaria para estudiar problemas más complejos. He aquí la justificación para apoyarse en los cursos de laboratorio de física para enseñar experimentación.

Modelo

Por una parte se tiene un mundo "real" y nuestras percepciones de él; por la otra, las construcciones hipotéticas, imaginarias, creadas a partir de conjuntos de definiciones. Estas construcciones se denominan modelos. Además de la flor real en su mano, el botánico está consciente del concepto de esa especie, definida por un conjunto común de propiedades. Los modelos proporcionan un marco de referencia para el pensamiento y la comunicación, un descripción esquemática de los sistemas, una base para el cálculo, una guía para el estudio futuro, y muchas otras ventajas.

Los modelos son de muchos tipos diferentes, pero tienen una característica común: son hechos con conceptos inventados. Se construyen con la intención de que correspondan tan exactamente como sea posible con el "mundo real", mas ningún modelo puede ser jamás una réplica exacta de su contraparte "real". Un modelo resulta útil en la medida en que sus propiedades sí correspondan con las del "mundo real".

Un frase famosa del célebre físico Albert Einstein sobre los modelos es la siguiente:

"Un modelo debe ser lo más simple que se pueda, pero no más simple"

En general, una situación experimental incluirá, primero el sistema mismo y, segundo, a un modelo o modelos del sistema. Los modelos son cambiables y refinables.

El planteamiento de esta lección

Las tendencias mundiales en las reformas curriculares de la enseñanza de la física se basan en la idea denominada en inglés Interactive Engagement (IE), que puede traducirse como “ involucrarse interactivamente ”. En esta lección se emplea el método IE, el cual posibilita gran interactividad y retroalimentación al estudiante con su aprendizaje. La lección emplea simulaciones realizadas en Java (aún no están disponibles en la red), lenguaje de última tecnología que permite la difusión de material a través de la Internet. Estas proporcionan interactividad para reforzar el aprendizaje de aquellos conceptos de la teoría de la medida que tienen un alto grado de dificultad.

Con la masificación de medios de comunicación como la Internet y con una generación de estudiantes para los cuales esta tecnología y sus anexas son cotidianas, se hace necesario que se busquen metodologías de enseñanza que las incorporen ( Alfonso, 2004 ; Aristizábal, 2005 ; Beichner; 1996; Belloni y Christian, 2003; Bonham, Risley y Christian, 1999; Christian y Belloni, 2001; Christian y Titus, 1998; Derby y Fuller, 1999; Franco 2005; Tomlinson O'Brien y Garratt , 2000 ). La incorporación de la Internet y del aprendizaje interactivo en la enseñanza no se hace por capricho o por moda. Estudios realizados por autores como Richard Hake (Hake, 1998), muestran como los estudiantes ganan más comprensión conceptual, y más habilidades en la resolución de problemas cuantitativos cuando se les enseña con métodos IE que cuando se les enseña con los métodos tradicionales.

En cuanto al desarrollo

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