Pracownia wstępna

Głównym celem Pracowni Wstępnej jest zapoznanie studentów z podstawowymi metodami analizy danych pomiarowych. Zakładana jest znajomość matematyki na poziomie szkoły średniej oraz umiejętność różniczkowania funkcji wielu zmiennych. Zaliczenie przedmiotu jest warunkiem koniecznym dopuszczenia do zajęć w Pracowni Technik Pomiarowych.

w sali

Celem zajęć jest przygotowanie studentów do samodzielnej pracy doświadczalnej i opracowania danych pomiarowych. W ramach pracowni student wykonuje pięć ćwiczeń laboratoryjnych. Efektem wykonania ćwiczenia jest opis, który jest oceniany przez asystenta. Tematy zadań doświadczalnych dobierane są tak, aby studenci poznali podstawowe przyrządy i techniki pomiarowe, a zebrane podczas pomiarów dane były dobrym materiałem ilustracyjnym do najczęściej używanych metod analizy danych.

Celem zajęć jest przygotowanie studentów do samodzielnej pracy doświadczalnej i opracowania danych pomiarowych. W ramach pracowni student wykonuje pięć ćwiczeń laboratoryjnych. Tematy zadań doświadczalnych dobierane są tak, aby studenci poznali podstawowe przyrządy i techniki pomiarowe, a zebrane podczas pomiarów dane były dobrym materiałem ilustracyjnym do najczęściej używanych metod analizy danych. Zajęcia odbywają się w blokach dwutygodniowych, po 3 godziny/tydzień. W pierwszym tygodniu bloku studenci wykonują pomiary, a w następnym odbywają się ćwiczenia rachunkowe przygotowujące do analizy danych pomiarowych zebranych w tygodniu wcześniejszym.

Przygotowanie do ćwiczenia (znajomość teorii i procedur pomiarowych) sprawdza i ocenia asystent prowadzący ćwiczenie przed częścią pomiarową.

Efektem wykonania ćwiczenia jest opis, który jest oceniany przez asystenta. Udział w zajęciach jest obowiązkowy. Na części pomiarowej dopuszcza się maksymalnie dwie usprawiedliwione nieobecności.

Lista zadań doświadczalnych
1. Gęstość ciał stałych: wyznaczanie gęstości z pomiarów masy i objętości.
2. Wahadło matematyczne: badanie drgań i zależności okresu od długości.
3. Prawa Ohma i Kirchhoffa: pomiary i weryfikacja zależności prądowo–napięciowych.
4. Ruch jednostajnie przyspieszony: wyznaczanie momentu bezwładności walca na podstawie jego ruchu po równi.
5. Termometr: budowa, kalibracja oraz wyznaczenie dokładności przyrządu.

Treści merytoryczne
• Analiza błędów: rodzaje i źródła błędów pomiarowych, niepewność pomiaru, propagacja małych błędów.
• Statystyka danych: średnia, odchylenie standardowe, rozkłady prawdopodobieństwa, charakterystyka zbiorów.
• Dokładność i kalibracja: parametry metrologiczne przyrządów, procedury kalibracyjne i ocena niepewności.
• Prezentacja graficzna: wykresy, dopasowanie krzywych, wizualna analiza trendów i reszt.
• Metoda najmniejszych kwadratów: liniowa i nieliniowa regresja, przykłady zastosowań.
• Zależności parametrów: korelacje, przedziały ufności, macierz kowariancji.
• Testowanie hipotez: dobór testów, poziom istotności, wnioskowanie na podstawie danych pomiarowych.
• Praktyczne zastosowania: realizacja pięciu ćwiczeń laboratoryjnych.

Formy zajęć
• Ćwiczenia laboratoryjne: samodzielne wykonywanie pomiarów.
• Ćwiczenia rachunkowe: rozwiązywanie zadań przygotowujących do samodzielnej analizy danych.
• Dyskusje grupowe: omawianie w grupie metod wykonania pomiarów i analizy danych.
• Praca zespołowa: wspólne wykonywanie dwóch z pięciu ćwiczeń i ich opisów, podział ról i odpowiedzialności w grupie.
• Samodzielna analiza danych: opracowanie wyników trzech z pięciu ćwiczeń w formie opisów.
• Konsultacje indywidualne: krótkie rozmowy z prowadzącym.

Stosowane metody dydaktyczne
• Metoda eksperymentalna: samodzielna realizacja doświadczeń.
• Metoda problemowa: rozwiązywanie zadań badawczych.
• Metoda projektowa: przygotowanie sprawozdań i opisów doświadczeń.
• Metoda dyskusji: wspólne omawianie wyników.
• Metoda praktyczna: praca z przyrządami pomiarowymi.
• Metody statystyczne: zastosowanie narzędzi matematycznych i graficznych.
• Metoda zespołowa: współpraca w grupach, wymiana doświadczeń i wspólne rozwiązywanie problemów.

1. J. R. Taylor, Wstęp do analizy błędu pomiarowego, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1995.

2. G. L. Squires, Praktyczna fizyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992.

3. H. Abramowicz, Jak analizować wyniki pomiarów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992.

4. A. Zięba, Analiza danych w naukach ścisłych i technicznych, Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa, 2013.

Literatura uzupełniająca:

1. S. Brandt, Analiza danych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1998.

2. J. J. Jakubowski i R. Sztencel, Wstęp do teorii prawdopodobieństwa, SCRIPT, Warszawa, 2001.

3. W. Feller, Wstęp do rachunku prawdopodobieństwa, PWN, Warszawa, 1977.

4. R. Nowak, Statystyka dla fizyków, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2002.

5. W. T. Eadie, D. Drijard, F. E. James, M. Roos i B. Sadoulet, Metody statystyczne w fizyce doświadczalnej, PWN, Warszawa, 1989

Student zna i rozumie podstawowe techniki doświadczalne niezbędne do zaplanowania i wykonania prostych eksperymentów fizycznych z zakresu fizyki klasycznej i posiada wiedzę teoretyczną niezbędną do opisu i interpretacji ich wyników; zna i rozumie teoretyczne zasady działania podstawowych układów pomiarowych i aparatury badawczej używanej w eksperymentach, ma świadomość ograniczeń technologicznych, aparaturowych i metodologicznych w badaniach naukowych, zna elementy teorii niepewności pomiarowych w zastosowaniu do eksperymentów fizycznych; zna i rozumie podstawowe zasady bezpieczeństwa i higieny pracy, w szczególności w stopniu pozwalającym na bezpieczny udział w zajęciach dydaktycznych na pracowni fizycznej; potrafi samodzielnie odtworzyć twierdzenia i równania opisujące podstawowe zjawiska i prawa przyrody; potrafi zaplanować, przeprowadzić i zinterpretować eksperymenty fizyczne o średnim stopniu złożoności, działając samodzielnie lub w zespole; potrafi przygotować opracowanie dotyczące badań własnych eksperymentalnych i przedstawić je w formie pisemnej; jest gotów do współdziałania i pracy w grupie, w różnych rolach; jest gotów do odpowiedniego określenia priorytetów służących realizacji określonego przez siebie lub innych zadania; jest gotów do stosowania i propagowania zasad uczciwości intelektualnej w działaniach własnych i innych osób, do rozstrzygania problemów etycznych w kontekście rzetelności badawczej, do propagowania rozstrzygającej roli eksperymentu w weryfikacji teorii fizycznych, do stosowania metody naukowej w gromadzeniu wiedzy; jest gotów do zapoznawania się z literaturą naukową i popularnonaukową w celu pogłębiania i poszerzania wiedzy, z uwzględnieniem zagrożeń przy pozyskiwaniu informacji z niezweryfikowanych źródeł, w tym z Internetu.

W ramach pracowni student wykonuje pięć ćwiczeń laboratoryjnych. Dwa pierwsze ćwiczenia mogą być wykonywane w parach, pozostałe są wykonywane samodzielnie.

Opis z wykonywanego ćwiczenia należy przygotować według zasad umieszczonych na stronie przedmiotu i zaleceń osoby prowadzącej oraz oddać go w ciągu pięciu dni roboczych po zakończeniu zajęć rachunkowych.

Opis z ćwiczenia wykonywanego w parach można przygotować wspólnie, przy czym należy wyraźnie określić wkład pracy każdego z autorów.

W przypadku korzystania w trakcie pisania opisu z narzędzi wykorzystujących AI, wymagane jest stosowne oznaczenie w ten sposób napisanych fragmentów. Niedozwolone jest wykorzystanie AI do analizy danych.

Opisy z dwóch pierwszych ćwiczeń są oceniane na zaliczenie, a z pozostałych trzech na ocenę. W przypadku opisów z dwóch pierwszych ćwiczeń wykonywanych na zaliczenie istnieje możliwość poprawy opisu dwukrotnie, a w przypadku opisów wykonywanych na ocenę opis może zostać poprawiony jednokrotnie. Poprawiony opis należy oddać w ciągu pięciu dni roboczych od daty jego zwrócenia.

Ocena z każdego ćwiczenia jest składową ocen z następujących części:

• Przygotowanie do zajęć: 10 punktów
Przygotowanie do zajęć jest oceniane na podstawie testu/sprawdzianu przed częścią pomiarową.
• Wykonanie ćwiczenia: 10 punktów
Jest to liczba punktów, za pomocą której oceniana jest jakość pracy eksperymentalnej podczas wykonywania ćwiczenia. Punktacja ta obejmuje, m. in. poprawność montażu układu pomiarowego, dbałość o precyzję pomiarów, staranność przeprowadzenia ćwiczenia, kompletność wykonanych pomiarów (zgodnie z instrukcją i poleceniem osoby prowadzącej ćwiczenie).
• Wykonanie opisu: 80 punktów, w tym:
• strona redakcyjna opisu: 20 punktów
Jest to liczba punktów, za pomocą której oceniana jest zgodność opisu z zasadami umieszczonymi w zakładce Materiały.
• strona merytoryczna ropisu: 60 punktów
Jest to liczba punktów, za pomocą której oceniana jest kompletność analizy danych pomiarowych w stosunku do wymagań zawartych Instrukcji oraz zaleceń osoby prowadzącej.
W przypadku uzyskania w sumie co najmniej 90 punktów i wykonania istotnie wyróżniającego się opisu: 10 punktów.

Ostateczna ocena za opis zależy od liczby uzyskanych punktów w sposób następujący:

• Uzyskana liczba punktów: [0, 50) - Ocena: 2/nzal
• Uzyskana liczba punktów: [50-60) - Ocena: 3/zal
• Uzyskana liczba punktów: [60-70) - Ocena: 3,5/zal
• Uzyskana liczba punktów: [70-80) - Ocena: 4/zal
• Uzyskana liczba punktów: [80-90) - Ocena: 4,5/zal
• Uzyskana liczba punktów: [90-100) - Ocena: 5/zal
• Uzyskana liczba punktów: [100-110] - Ocena: 5! /zal

Zaliczenie Pracowni jest możliwe w przypadku uzyskania ze wszystkich ćwiczeń zaliczenia lub oceny pozytywnej. Ocena końcowa jest średnią z ocen cząstkowych (bez zaliczeń), przy czym ocena 5! jest liczona do średniej jako 5,5.