Laboratorio 2B A.A. 2013/2014 2 - Strumentazione e Metodologia Lab 2B CdL Fisica
Strumenti di misura Prima di iniziare la misura, lo sperimentatore deve conoscere le caratteristiche, le prestazioni e i limiti degli strumenti in uso. Negli strumenti di misura si possono individuare tre parti costitutive principali: l elemento rivelatore, il trasduttore ed il dispositivo di visualizzazione. Elemento Rivelatore: rappresentato da un dispositivo sensibile alla grandezza da misurare, con la quale può interagire (es. il mercurio contenuto nel bulbo di un termometro a liquido). Trasduttore: parte dello strumento che trasforma l informazione fornita dal rivelatore in una grandezza più facilmente accessibile allo sperimentatore (es. bulbo e capillare del termometro a liquido che trasformano la variazione di temperatura in variazione di volume). Dispositivo di Visualizzazione: indicatore che ha la funzione di fornire il risultato della misura visivamente con modalità diverse (es. scala graduata con spostamento di un indice mobile, display numerico sul quale si legge direttamente il risultato, grafici riportati su schermo o registrati su carta).
Caratteristiche degli strumenti Portata e Soglia: L insieme dei valori della grandezza che lo strumento è in grado di apprezzare compresi tra il valore massimo, portata, e il valore minimo, soglia, è chiamato intervallo di funzionamento dello strumento. Prontezza: rapidità con cui lo strumento è in grado di fornire il risultato della misura. Se gli intervalli di tempo che caratterizzano le variazioni della grandezza da misurare sono più piccoli del tempo di risposta strumentale, tempo caratteristico, lo strumento non sarà in grado di apprezzare tali variazioni e quindi non fornirà alcun risultato della misura. Incertezza: La lettura della risposta dello strumento è sempre caratterizzata da una incertezza, data dalla più piccola variazione della grandezza che può essere rilevata rispetto alla corrispondente divisione della scala. Sensibilità: definita come il reciproco dell incertezza. Il calcolo della sensibilità si effettua dividendo il numero di intervalli in cui è suddivisa la scala di misura per la portata corrispondente alla scala stessa. Se, ad esempio, la scala di un voltmetro è divisa in 10 intervalli e il valore della portata è di 20 volt, la sensibilità dello strumento è pari a (10 intervalli)/(20 volt) = 0.5 intervalli/volt.
Caratteristiche degli strumenti - 2 Accuratezza (riproducibilità): capacità dello strumento di ripetere nel tempo la misura di una grandezza fisica (legata a difetti costruttivi, usura nel tempo, ). Precisione: (legata alla precedente) se diverse misure ripetute di una stessa grandezza si distribuiscono in un intervallo, tanto minore è la larghezza della distribuzione dei loro valori tanto maggiore è la precisione dello strumento. Affidabilità: resistenza e durata nel tempo. Generalmente questa caratteristica viene quantificata come tempo di vita medio o vita media dello strumento, che corrisponde statisticamente all intervallo di tempo che trascorre tra due successivi guasti (MTBF Mean Time Before Failure). Taratura (Calibrazione): corrispondenza stretta tra la risposta che fornisce lo strumento e il valore della grandezza da misurare (confronto con delle unità campione di misura o con altri strumenti più sensibili). Risoluzione: la minima variazione della grandezza fisica oggetto della misura che lo strumento riesce ad apprezzare (coincide con il valore dell ultima cifra significativa con cui si esprime il risultato della misura). Maggiore la risoluzione dello strumento, più elevata sarà anche la sua sensibilità. Lab 2B CdL Fisica
Caratteristiche degli strumenti - 3 Accuratezza e elevata precisione elevata accuratezza bassa accuratezza Precisione bassa precisione L errore casuale è la misura quantitativa della «prossimità» dei valori ottenuti in ripetute misure (precisione). L errore sistematico è la misura quantitativa di quanto i valori della misura siano «distanti» da un riferimento (accuratezza). La precisione indica la variabilità all interno dei dati; l accuratezza indica la variabilità dei dati rispetto al valore vero (più probabile). Lab 2B CdL Fisica
Strumenti analogici e digitali Strumenti Analogici: il valore della grandezza misurata è visualizzato attraverso lo spostamento di un ago o un indice mobile su una scala graduata. Il segnale in ingresso viene analizzato, senza subire modifiche e senza conversioni, dai dispositivi interni allo strumento che sfruttano fenomeni analoghi alla natura del segnale. Il termine analogico deriva dal comportamento del dispositivo che funziona in analogia a quello delle grandezze del sistema studiato. Strumenti Digitali: la misura è osservabile sul display direttamente sotto forma numerica. Principio di funzionamento: (i) lettura del segnale analogico in ingresso; (ii) un trasduttore trasforma il segnale corrispondente alla grandezza misurata in un altro segnale, ancora analogico, generalmente una tensione o una corrente elettrica; (iii) invio ad un convertitore analogico digitale (ADC), che lo trasforma in un segnale digitale; (iv) analizzato e successivamente visualizzato sul display digitale che fornisce il risultato direttamente in forma numerica. Lab 2B CdL Fisica
Buona pratica sperimentale Controllare l erogazione di tensione ed il valore della frequenza della corrente, soprattutto per strumenti costruiti in paesi esteri; Verificare l idoneità di un corretto sistema di messa a terra; Evitare l installazione dello strumento in ambienti non idonei, non soddisfacenti alle richieste specificate nelle norme di protezione (rischi di diverso tipo come incendio, produzione di vapori di sostanze tossiche o pericolose); Evitare di manipolare lo strumento o parti di esso con le mani o con oggetti bagnati, non elettricamente isolati e in assenza delle richieste precauzioni; Evitare di aprire lo strumento e di toccare parti interne senza essersi accertati di aver tolto l alimentazione; Controllare di tanto in tanto la taratura dello strumento e l azzeramento strumentale prima di ogni misura; Verificare che le linee elettriche di alimentazione forniscano corrente pulita, cioè un segnale stabilizzato; Ripetere, se possibile, la misura almeno due volte; ciò significa che, se possibile, conviene ripetere la misura molte volte; Sospendere le misure, nel caso di dubbio di malfunzionamento.
Il ruolo dello sperimentatore Dal suo comportamento e dal suo corretto operato dipende l esito positivo o negativo dell attività sperimentale. Passi da seguire: Procedere ad un analisi dettagliata dell esperimento, individuando le grandezze fisiche in esame, scegliendo le apparecchiature adatte per eseguire le misure e procurando tutto il materiale necessario allo svolgimento dell esperimento. Controllo rigoroso dell intervallo di funzionamento strumentale, onde evitare di danneggiare lo strumento tentando di misurare grandezze di valore superiore al limite massimo, oppure inferiori al valore minimo misurabile. L isolamento fisico dall ambiente e la rimozione di tutte le cause possibili di disturbo, compreso anche l allontanamento di persone estranee, possono risultare precauzioni necessarie per l esecuzione di certi esperimenti. Destrezza e capacità manuale. Disporre di un quaderno di laboratorio sul quale annotare in maniera ordinata e precisa tutte le singole fasi sia della procedura di preparazione sia di quelle relative all effettuazione della misura. Armarsi di grande pazienza: spesso l esperimento comincia a funzionare bene solo quando sarebbe ora di smettere!
Protezione e sicurezza I moderni laboratori didattici e di ricerca, presenti nei vari istituti, sono dotati di numerose attrezzature, di strumenti di misura, di dispositivi di vario genere, di differenti tipi di impianti, elettrici o idraulici. Vi possono inoltre essere conservati materiali chimici e sostanze di varia natura, potenzialmente pericolosi. E pertanto immaginabile che esista per chi opera in questi ambienti, almeno in via teorica, un ragionevole margine di rischio, tanto meno consistente quanto più questo è conosciuto, valutato e controllato. Per ottenere una corretta quantificazione e conoscenza dei pericoli connessi all attività sperimentale è necessaria una perfetta conoscenza dell ambiente in cui si opera, dei materiali e dei mezzi ivi presenti. Per questi motivi è obbligatorio leggere e seguire sempre le indicazioni contenute nei documenti predisposti dai responsabili per la sicurezza, le istruzioni dei manuali d uso e quelle riportate sulle etichette dei materiali e mezzi che si devono maneggiare, controllare che le apparecchiature nuove rispettino le norme europee, e siano contrassegnate con relativo marchio CE, verificare la loro efficienza, il corretto funzionamento e la rispondenza alle norme di sicurezza, nonchè rispettare le procedure di lavoro.
Relazione sugli esperimenti Terminata l esercitazione di laboratorio, raccolti i dati, elaborati e tratte le opportune conclusioni, si procede alla presentazione di tutto il lavoro svolto attraverso una relazione dell esperimento. Scopo dell esperimento In modo sintetico descrivere la finalità dell esperimento, quali sono le grandezze da determinare, quali sono le leggi da verificare, qual è il fenomeno da studiare, da descrivere e interpretare. Introduzione informazioni utili di carattere teorico (o storico), presentare e discutere da un punto di vista matematico i modelli che si andranno a verificare. Descrizione dell apparato sperimentale: materiali e strumenti Metodo di misura Presentazione risultati (tabelle, istogrammi e grafici) Discussione e conclusioni metodologia e strategie adottate per ottimizzare lo svolgimento del lavoro considerazioni derivate dall analisi dei dati, la definizione degli errori di misura, le possibili dipendenze tra le grandezze.