Curso de Extensão 📚

Bem vindo ao curso de extensão oferecido pelo Departamento de Física (DFI) da Universidade Estadual de Maringá (UEM).

Esse curso será dedicado ao aprendizado de ferramentas básicas da linguagem de programação Python. Essas serão utilizadas para analisar e interpretar dados provenientes de experimentos de física básica. O curso é de caráter introdutório, portanto, se aplicando em casos simples como o movimento retilíneo uniforme (MRU) e o movimento retilíneo uniformemente variável (MRUV). Esses são os primeiros experimentos estudados e executados na disciplina de Laboratório de Física Geral I/Física Experimental I, oferecida pelo DFI, baseada no Manual de laboratório de Física Experimental I

Conteúdo do Curso

Durante o curso, abordaremos conceitos de física básica e analisaremos alguns experimentos. Nosso objetivo é detalhar as observações feitas e criar modelos que expliquem os fenômenos observados. As análises dos dados serão feitas na linguagem de programação Python 🐍. Iremos apresentar o básico de como:

estruturar os dados com a biblioteca pandas 🐼 e numpy;
o uso dessas bibliotecas nos permite uma visualização melhor dos dados;
elas permitem uma facilidade na implementação de funções necessárias para nossas análises, como calcular média e desvio padrão;
confeccionar gráficos usando o pacote matplotlib 📈;
a partir de gráficos podemos ver tendências nos dados e então sugerir modelos;
inspecionar visualmente a concordância entre os dados e o modelo proposto;
fazer ajustes lineares 📐;
ajustar a equação da reta, obtendo os coeficientes linear e angular;
fazer ajustes não lineares;
trabalharemos também com modelos não lineares, como polinômios;
os ajustes serão feitos usando as função polyfit() do numpy e optimize.curve_fit() do scipy;
veremos também, brevemente, como fazer uma regressão linear usando pacote de machine learning 🤖 sklearn;
analisar quantitativamente a qualidade do modelo;
calcularemos o desvio percentual de quantidades físicas envolvidas;
calcularemos o coeficiente de determinação.

Mas e a Física? 🤔

Como dito antes, iremos abordar o tema de cinemática, o que consiste a primeira parte das disciplinas de Física Geral I de qualquer curso. Ela serve de base para entendermos a dinâmica dos movimentos mais simples, sendo esses:

movimento retilíneo uniforme (MRU)
o objeto se desloca, em uma única dimensão, com velocidade constante e aceleração nula;
movimento retilíneo uniformemente variável (MRUV)
o objeto se desloca, em uma única dimensão, com velocidade variável e aceleração constante diferente de zero;

O estudo desses dois movimentos consiste basicamente no estudo de poucas equações:

a função horária da posição: $S(t) = S_0 + vt + \frac{1}{2}at^2$ ;
a função horária da velocidade: $v(t) = v_0 + at$ ;
a função horária da aceleração: $a(t) = a = \text{constante}$ ;

Iremos entender o significado de cada uma dessas quantidades e como elas influenciam o movimento do sistema conforme o tempo passa. Para isso, iremos contar com a ajuda de gráficos que descrevem essas quantidades. Veja abaixo um gráfico dessas três quantidades. Você pode mudar os valores da posição inicial, da velocidade e da aceleração e já ir entendendo o que ocorre em cada tipo de movimento! 😃

Vá criando uma intuição do que é ajustar um modelo aos dados. Começo com o exemplo simples de uma reta:

$S(t) = a + bt.$

Tente mudar os parâmetros $a$ e $b$ para que o ajuste (linha tracejada vermelha) se aproxime o máximo dos dados (linha sólida azul)!

Caso esteja usando o celular, coloque-o na horizontal para melhor visualização.
Passando o mouse ou usando o touch do celular, você pode verificar o valor de cada ponto nos gráficos.

Ao final das aulas, exercícios são fornecidos para que você possa treinar o que foi abordado. Não é necessário a entrega desses exercícios. A única finalidade é ter algo para treinar seus novos conhecimentos. Estarei disponível para sanar (ou pelo menos tentar) suas dúvidas e discutir sobre o assunto.

Ficou interessado? 😃

Veja abaixo como fazer o download desse repositório e como usar a plataforma onde executaremos os códigos de nossas aulas e atividades propostas.

Obtendo o Repositório 📩

Para obter os arquivos do curso, basta clicar aqui: Baixar repositório. Você irá obter um arquivo chamado Curso-de-extensao-master.zip. Se o link não funcionar, entre no repositório do GitHub e clique em Clone or download, e em seguida clique em Download ZIP.

Instruções para baixar o repositório. — **Fig. 1:** Fazendo o download dos arquivos.

Salve o arquivo em um local que for mais apropriado e descompacte-o.

Pasta Aulas 📂

Nessa pasta você encontrará arquivos com a extensão .ipynb. Esses arquivos são os Notebooks que trabalharemos. Eles contêm textos com o básico da linguagem de programação Python (Aulas 1 e 2). Posteriormente, os conceitos abordados nas primeiras aulas são conciliados com o texto baseado no Manual de Laboratório de Física Experimental I (Aulas 3 e 4). Esses arquivos contém instruções de como os dados experimentais podem ser analisados usando a linguagem de programação Python. Para que o aluno possa treinar o que foi abordado durante o curso, um Notebook com exercícios é disponibilizado.

Usando os Notebooks 📔

O uso dos Notebooks (arquivos com extensão .ipynb) será feito exclusivamente online, não precisando instalar nenhuma dependência em seu computador.

Google Colab Notebook

Para fazer o uso dessa plataforma, basta clicar no link Google Colab. Você só precisa estar "logado" com seu gmail para que possa adicionar os arquivos das aulas. Uma vez que estiver "logado" em sua conta, basta você clicar em Upload.

**Fig. 2:** Adicionando arquivo ao Google Colab.

Quando a janela de diálogo abrir, selecione o arquivo da aula e clique em abrir. Após o arquivo ser carregado, você será redirecionado para o Notebook, onde poderá acompanhar o conteúdo da aula e executar seus códigos. 👏

CoCalc

Para fazer o uso dessa plataforma, basta clicar no link CoCalc. Não é necessário fazer o uso de login (Sign in) e nem instalar nenhuma dependência em seu computador. Quando você entrar, basta clicar no botão em Run CoCalc now.

Após isso, você será redirecionado para uma outra página, mostrada na figura abaixo. Na seção Suggested Kernels, clique em File no canto superior esquerdo e então em Upload.

**Fig. 4:** Selecionando o kernel no CoCalc.

Na próxima página, clique mais uma vez no botão de upload, no canto superior direito da tela.

**Fig. 5:** Upload do Notebook no CoCalc.

Quando a janela de dialogo abrir, selecione o arquivo da aula e clique em abrir. Após o arquivo ser carregado, você verá que ele está disponível para ser aberto.

**Fig. 6:** Abrindo o arquivo adicionado no CoCalc.

Pronto! A partir daí começaremos nossas aulas. Espero que seja bastante útil e façam bom proveito do curso. Qualquer dúvida estou à disposição! 👋

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