Curso 2009/2010 Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla 1/45 Teoría de errores y...
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Curso 2009/2010 Dpto. Física Aplicada III Dpto. Física Aplicada III Universidad de SevillaUniversidad de Sevilla
11/45/45
Teoría de errores y presentación de
resultados
Fundamentos Físicos de la Ingeniería1º Ingeniería Industrial
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Curso 2009/2010Curso 2009/2010 Dpto. Física Aplicada IIIDpto. Física Aplicada IIIUniversidad de SevillaUniversidad de Sevilla
22/45/45
Índice Unidades Cifras significativas Error en la medida
Expresión de una magnitud con su error Regla de redondeo
Cálculo de errores Medida directa Medida indirecta
Rectas de mejor ajuste
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Unidades Se recomienda siempre el Sistema
Internacional (SI): m, s, kg, A, C, V, Ω, Hz, H, F, T...
Los prefijos pueden usarse con moderación en los resultados finales pF, mA, kHz,... SÍ mV/mA, kΩ·μs, μs-1,... NO
Todas las cantidades con dimensiones deben ir acompañadas de sus unidades
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Cifras significativas
Número de cifras de un dato
3318 kg
Ambiguo45000 m
423.30 J
30.0321 A
412.45 V
Cifras significativasDato
Ejemplos:
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Error en la medida
Tipos de error (según la causa) Sistemático eliminable si se conoce Aleatorio bandas de error
Expresión del error: x ± Ex
Ej: V0 = 3.2±0.3 V
Forma compacta: V0=3.2(3) V El error absoluto tiene unidades Error relativo: εx= Ex/x (¡Adimensional!)
Mejor llamarlo incertidumbre
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Expresión de la cantidadcon su error
La banda de error limita el número de cifras significativas:
U = 2.32865±0.312689 J Si el resultado es incierto en su primera
cifra decimal no tiene sentido dar más
U = 2.3±0.312689 J Las primeras cifras del error nos dicen
donde está la incertidumbre
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Reglas de redondeo1. Se escriben cantidad y error con todas sus cifras:
2. Se examinan las dos primeras cifras del error: ¿Son ≤25?
Si: se retienen ambas y se redondea No: se retiene la primera y se redondea
3. Se toman las cifras significativas que marca el error y se redondea
R R = 2.83256 = 2.83256 ± 0.08621± 0.08621ΩΩ
R R = 2.83256 = 2.83256 ± 0.09 ± 0.09 ΩΩ
R R = 2.83 = 2.83 ± 0.09 ± 0.09 ΩΩRedondeo: afecta a la última cifra retenida• Si la siguiente cifra es <5: se mantiene• Si la cifra siguiente es ≥5: se incrementa una unidad
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Reglas de redondeo1. Se escriben la cantidad y su error
con todas sus cifras:
I = 2.30408415 ± 0.002156 A
I = 2.30408415 ± 0.03674 A
I = 2.30408415 ± 0.2036 A
I = 2.30408415 ± 2.87 A
I = 2.30408415 ± 234 A
I = 2.30408415 ± 0.00962 A
I = 2.30408415 ± 0.257 A
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Reglas de redondeo2. Se examinan las dos primeras cifras
del error: ¿Son ≤25? Si: se retienen ambas y se redondea No: se retiene la primera y se redondea
I = 2.30408415 ± 0.00962 A
I = 2.30408415 ± 0.257 A
I = 2.30408415 ± 234 A
I = 2.30408415 ± 2.87 A
I = 2.30408415 ± 0.2036 A
I = 2.30408415 ± 0.03674 A
I = 2.30408415 ± 0.002156 A 0.0022 A0.0022 A
0.04 A0.04 A
0.20 A0.20 A
3 A3 A
230 A230 A
0.3 A0.3 A
0.010 A0.010 A
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I = 2.304 ± 0.010 A
I = 2.3 ± 0.3 A
I = 0 ± 230 A
I = 2 ± 3 A
I = 2.30 ± 0.20 A
I = 2.30 ± 0.04 A
I = 2.3041 ± 0.0022 A
Reglas de redondeo
3. Se toman las cifras significativas que marca el error y se redondea
I = 2.30408415 ± 0.010 A
I = 2.30408415 ± 0.3 A
I = 002.30408415 ± 230 A
I = 2.30408415 ± 3 A
I = 2.30408415 ± 0.20 A
I = 2.30408415 ± 0.04 A
I = 2.30408415 ± 0.0022 A
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Reglas de redondeo
4. Resumiendo...
I = 2.30408415 ± 0.257A
I = 2.30408415 ± 0.00962A
I = 2.30408415 ± 234A
I = 2.30408415 ± 2.87A
I = 2.30408415 ± 0.2036A
I = 2.30408415 ± 0.03674A
I = 2.30408415 ± 0.002156A
I = 2.3(3)AI = 2.3 ± 0.3A
I = 2.304(10)AI = 2.304 ± 0.010A
I = 0(230)AI = 0 ± 230A
I = 2(3)AI = 2 ± 3A
I = 2.3(2)AI = 2.3 ± 0.2A
I = 2.30(4)AI = 2.30 ± 0.04A
I = 2.3041(22)AI = 2.3041 ± 0.0022A
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Cálculo de errores
Estudiaremos diferentes casos: Medida directa
Una sola medida Varias medidas
Medida indirecta Función de una sola variable: z = f(x) Función de varias variables: z = f(x,y,…)
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Error de una medida directa El error depende de la precisión del
aparato (mínimo incremento entre medidas)
Aparatos digitales (respuesta discreta): se toma como error la propia precisión.
Excepción en el redondeo: 0.1 en vez de 0.10
Si ha de enrasarse por dos extremos: doble error
Aparatos analógicos (respuesta continua): se toma como error la mitad de la precisión.
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Ejemplos de medidas directas
Un amperímetro analógico
Cursor de un osciloscopio
Cursor de un osciloscopio
Amplitud pico a pico con dos cursores
3 4
3.2±0.1
3.6±0.1
3.8±0.10
1
Lectura directa:
0.8±0.1V
0
1Al mover el cursor el display indica 0.72, 0.76, 0.80:
0.76±0.04 V-1
1 Directa:1.6±0.2V
Display:1.52±0.08V
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Si Ex es menor que el error del instrumento de medida, se escoge este último
Error de varias medidas directas
Se realizan si existe una incertidumbre no achacable al aparato de medida:
1
1 n
ii
x xn
1 2 3, , ,..., nx x x x
2( )2 2
( 1)ii
x x
x xE
n n
Medidas: Resultado: media aritmética
Error: doble de la desviación cuadrática media de la media de los datos
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Error de varias medidas directas
Error: cantidades relacionadas σn : desviación estándar
de la población (xσn en las calculadoras)
σn-1 : desviación estándar de la muestra (xσn-1 en las calculadoras)
12 2
1n n
xEn n
2( )iin
x x
n
2
1
( )
1ii
n
x x
n
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Error de una medida indirectaFunción de una variable
Suponemos: Resultado:
Error:0
z xx
fE E
x
0 con ( )xx x E z f x
0 0( )z f x
Ejemplo: sección de un cable:
20
4
DS
Error de la medida:
0
0
2s D DD
DSE E E
D
D
x
z f(x)
x0
z0df/dx
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1818/45/45
Error de una medida indirectaFunción de una variable
Algunos casos sencillos:
y Kx
Una variable proporcional a otra:
Función exponencial:
Logaritmo:
0
y x xx
yE E KE
x
xy ae xy x xE ae E yE
lny x xy
EE
x
y x
y xE
y xE
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1919/45/45
Error de una medida indirectaFunción de varias variables
Suponemos:
0 00
22 22 2 2
z x y wx wy
f f fE E E E
x y w
0 0 0 ; ; x y wx x E y y E w w E
0 0 0 0, ,z f x y w
( , , )z f x y w
Resultado: Error:
Válido si las variables son independientes
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2020/45/45
Ejemplos de errores Suma o diferencia
z x y 2 2z x yE E E
x yz
u v
2 2 2 2z x y u v
ln ln ln ln lnz x y u v
Producto o cociente
Estimación: el error relativo de z es del orden del mayor de los errores relativos de sus argumentos
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2121/45/45
Unidades y errores Todos los datos deben ir acompañados de
sus errores, si se conocen, y de sus unidades.
Serie de medidas consecutivas17(1) mm – 15(1) mm – 12(1) mm – 8(1) mm
17 – 15 – 12 – 8 ( ±1mm) Tablas:
I(±0.1mA) V(±0.1V)
1.0 2.1
2.0 4.3
3.2 6.2
I(mA) V(V)
1.0(1) 2.1(1)
2.0(3) 4.3(1)
3.2(2) 6.2(2)
I V(V)
1.03(1) mA 2.1(1)
870(1) μA 1.8(1)
640(1) μA 1.3(2)
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2222/45/45
Rectas de mejor ajuste
Verificar relación lineal Determinar una magnitud de forma indirecta
Interpolación o extrapolación
Ajustar una función no lineal en una región restringida
Estudio de la dependencia (lineal) de una variable con otra. Permite:
V
I
V
I
R
V
I
V
I
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2323/45/45
Gráfica de los datos
Paso 1: gráfica de los datos Permite verificar relación
lineal. Permite eliminar puntos
erróneos.
V(±0.1mV) I(±0.1mA)
1.0 2.8
2.0 6.2
2.9 9.1
3.9 12.5
5.0 14.7
6.1 18.1
7.0 21.0
8.2 24.2
9.0 26.5
10.2 30.0
11.1 33.5
11.9 35.9
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2424/45/45
Gráfica de los datosV frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
V(±0.1mV) I(±0.1mA)
1.0 2.8
2.0 6.2
2.9 9.1
3.9 12.5
5.0 14.7
6.1 18.1
7.0 21.0
8.2 24.2
9.0 26.5
10.2 30.0
11.1 33.5
11.9 35.9
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Curso 2009/2010Curso 2009/2010 Dpto. Física Aplicada IIIDpto. Física Aplicada IIIUniversidad de SevillaUniversidad de Sevilla
2525/45/45
Gráfica de los datosV frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
Marcar claramente datos experimentales (aspas si se representan a mano)
No señalar datos experimentales en los ejes
Magnitudes y unidades en los ejes
Debe ocupar toda la página
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2626/45/45
Gráfica de los datosV frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50
I(mA)
V(m
V)
Marcar claramente datos experimentales (aspas si se representan a mano)
No señalar datos experimentales en los ejes
Magnitudes y unidades en los ejes
Debe ocupar toda la página
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2727/45/45
Coeficiente de correlación Paso 2: Obtención del coeficiente de
correlación (r) Es una medida del grado de alineación r (-1,1)
Ejemplos r = 0.999678 r = 0.9996
r = -0.99128 r = -0.991 r = 1.099678 ERRÓNEO
Redondeo: hasta la primera cifra distinta de 9.
No tiene error No tiene unidades
r ≈ 0 r ≈ 1 r ≈ -1r > 0
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2828/45/45
a y b lo dan lascalculadoras
Pendiente y ordenada en el origen
Paso 3: Obtención de pendiente y ordenada en el origen: y = a+bx Tienen unidades que hay que especificar Tienen error: hay que redondear
r = 0.99934675 r = 0.9993
b = 0.3366870 ΩEb =0.00770058 Ω
a = -0.05442597 mV
Ea = 0.17030002 mV
b = R = 0.337 ± 0.008 Ω
a = -0.05 ± 0.17 mV
22 1
2b
b rE
r N
2 2
a b xE E x
Ejemplo:
V=a+bI
( )x nx
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2929/45/45
Trazado de la recta
Paso 4: Trazado de la recta de mejor ajuste sobre la gráfica Se realiza a partir de dos puntos Estos puntos NO SE REPRESENTAN Debe observarse si, efectivamente, es la
recta de mejor ajuste
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Trazado de la recta
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Rectas exponenciales: cálculo En muchas situaciones prácticas
aparecen funciones de la forma
Se transforman en rectas tomando logaritmos
a y b se hallan de la forma usual El factor K se halla
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3131/45/45
ebxz K
ln lny z K bx a bx
eaK K a a
KE E KE
a
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Rectas exponenciales: representación
Puede hacerse la gráfica de y=ln(z) frente a x.
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3232/45/45
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Rectas exponenciales: representación
Empleando papel semi-logarítmico pueden ponerse directamente las magnitudes
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3333/45/45
¡Ojo! Se emplean logaritmos decimales
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Rectas potenciales: cálculo En ocasiones se tiene una ley
potencial de exponente desconocido
Se transforman en rectas tomando logaritmos
a y b se hallan de la forma usual El factor K se halla:
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3434/45/45
nz Kt
ln ln lny z K n t a bx
n: exponente
eaK K a a
KE E KE
a
ln lna K b n x t
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Rectas potenciales: representación
Puede hacerse la gráfica de y=ln(z) frente a x=ln(t).
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3535/45/45
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Rectas potenciales: representación
Empleando papel log-log pueden ponerse directamente las magnitudes
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3636/45/45
¡Ojo! Se emplean logaritmos decimales
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3737/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
¡Recta mal calculada
o mal trazada!
La ordenada en el origen es incorrecta
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3838/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
¡Punto erróneo!: debe eliminarse
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
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3939/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
¡Faltan etiquetas en los ejes!
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4040/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
¡Recta mal calculada
o mal trazada!
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
La pendiente de la recta es incorrecta
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4141/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
¡Faltan puntos experimentales y unidades!
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I
V
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4242/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
Para gráficas por ordenador: incluir tramas
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
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4343/45/45
Rectas de mejor ajuste: ejemplos
Para varias curvas: distintos símbolos y colores
V frente a I
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40
I(mA)
V(m
V)
Datos caso 1
Recta caso 1
Datos caso 2
Recta caso 2
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Rectas de mejor ajuste
Resumen de pasos a seguir:
Representar los datos experimentales
Obtener el coeficiente de correlación
Calcular de la pendiente y la ordenada en el origen con su error
Obtener información física
Representar la recta de mejor ajuste
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4545/45/45
Cosas que nunca hay que olvidar
Poner todas las unidades Poner todos los errores Redondear correctamente El error absoluto tiene unidades a y b tienen unidades Poner los puntos en las gráficas Poner las unidades en las gráficas