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Fondamenti di Fisica Calendario orientativo
✓ Teoria: 60 ore (10 settimane) in cui vengono descritti i fondamenti concettuali e le leggi più importanti della Fisica; l’esame è in forma orale
✓ Laboratorio: 10 ore (5 esercitazioni) tenute dal Dott. Giuliano Malloci, orientate a progettare e costruire piccoli esperimenti di Laboratorio adeguati agli alunni della scuola primaria
✓ Il laboratorio non dà voto ma un’idoneità per la quale è richiesta la presenza obbligatoria ad almeno 4 esperienze su 5; il superamento dell’esame richiede l’idoneità di Lab, oltre all’esame orale
✓ Giorni e orari del Lab sono da definire (probabilmente a gennaio, in un’aula di Ingegneria)
✓ Primo esame parziale: 11-15 novembre✓ Secondo esame parziale: ???
EP
[email protected]@dsf.unica.it
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Corso di Fondamenti di Fisica
✓ I processi di misura e le unità di misura✓ I vettori; cinematica del punto materiale, moto uniforme, circolare
e parabolico ✓ La meccanica classica: sistemi di riferimento, leggi della dinamica✓ Forza gravitazionale, forza peso, variazione della forza peso con la
quota✓ Lavoro, potenza, energia cinetica e potenziale, conservazione
dell’energia✓ La struttura della materia: elettrone e protone, l'atomo, la
molecola, i cristalli✓ Gli stati di aggregazione: solidi, fluidi e gas✓ Fluidodinamica; principio di Archimede✓ La termodinamica: concetti fondamentali e leggi della
termodinamica classica✓ L’elettricità: carica e forze elettriche, isolanti e conduttori, ✓ La corrente elettrica, resistenza e circuiti elettrici✓ Onde elettromagnetiche, la luce, i colori, le leggi dell'ottica
geometrica
Programma
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Corso di Fondamenti di Fisica
✓ Appunti delle lezioni del docente, scaricabili in formato pdf dal sito
docente di unica: http://people.unica.it/alessiofilippetti/ (le lezioni aggiornate vengono caricate alla fine di ogni settimana di corso)
✓ Fisica di Amaldi, Ed. Zanichelli
Testi di riferimento
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Corso di Fondamenti di Fisica
✓ Aritmetica (le 4 operazioni, le potenze)
✓ Geometria (figure piane e solide, semplici nozioni di trigonometria, i vettori)
✓ Algebra (Poche e semplici equazioni)
Prerequisiti formativi
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Il principio di autorità: ‘ipse dixit’
❑ Pitagora (Samo, 580 A.C.) filosofo, matematico,
astronomo, politico; fondatore a Crotone della Scuola Pitagorica, una delle più importanti scuole di pensiero dell'umanità; per primo capì l’importanza della matematica nella descrizione dei fenomeni naturali
❑ Aristotele (Stagira, 384 A.C.) filosofo, scienziato e logico. Fu allievo di Platone (Atene 428 A.C.), a sua volta allievo di Socrate (Atene, 470 A.C.); è il padre del pensiero filosofico occidentale, ed una delle menti più innovative, prolifiche e influenti del mondo; per tutto il Medioevo, è stato assunto come principale ed indiscussa autorità scientifica dell’umanità
«Ipse dixit»: così i pitagorici erano soliti riferirsi alla loro somma autorità, Pitagora: se l’ha detto lui non può che essere esatto ! (dal De natura deorum, di Marco Tullio Cicerone)
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Da ‘ipse dixit’ al metodo scientifico di Galileo
✓ Osservazione di un fenomeno fisico: raccolta di dati empirici
✓ Analisi: Elaborazione di concetti, idee, ipotesi che spieghino le osservazioni e stabiliscano una relazione tra cause ed effetto → formulazione di una legge o un modello teorico
✓ Verifica sperimentale o Misura della legge fisica mediante esperimenti di Laboratorio
(Pisa 1564 –Arcetri 1642)
Il metodo scientifico o metodo sperimentale, è la modalità con cui la scienza procede per raggiungere una conoscenza della realtà oggettiva, ovvero affidabile, verificabile e condivisibileIl metodo prevede 3 fasi:
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Esempio: caduta dei corpi
g è una costante universale, che non dipende dall’oggetto che sto considerando, detta accelerazione di gravità terrestre
✓ Osservazione: un corpo lasciato libero in aria precipita sulla
superficie terrestre
✓ Analisi: deve esistere una forza (FORZA PESO F) che attira gli oggetti verso il suolo → formulo una legge: ipotizzo che la forza che agisce sull’oggetto è proporzionale alla quantità di materia (MASSA M) di cui è costituito l’oggetto
F M g=
Fg
M=
g è il rapporto tra forza sull’oggetto e massa dell’oggetto: se la legge è vera, questo rapporto deve essere costante, ovvero uguale per qualsiasi corpo che precipita verso il suolo
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Esempio: caduta dei corpi
KgM 11 =KgM 22 =
KgM 44 =
KgM 33 =
2 1 3 1 4 12 3 4F F F F F F= = =
❑ Verifica sperimentale: considero una serie di biglie di massa M differente, e misuro per ciascuna biglia la forza peso con un dinamometro (o bilancia):
L’allungamento della molla misura la forza sulla scala graduata
raddoppiando la massa della biglia, la forza raddoppia; triplicando la massa, la forza triplica, e così via:
EUREKA! La forza peso è proporzionale alla massa della biglia, e il rapporto g tra forza e massa è sempre uguale: la legge è verificata !!
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Misura delle grandezze fisiche
❑ LUNGHEZZA: Per misurare una lunghezza la
confrontiamo con un’analoga grandezza che chiamiamo metro (m), o regolo graduato❑ TEMPO: misuriamo il tempo tramite un orologio. Si sceglie come grandezza campione una frazione dell’anno solare, detta secondo (s).❑ MASSA: utilizziamo il dinamometro (bilancia): appendiamo la massa alla molla, e leggiamo sulla scala graduata la forza peso esercitata dall’attrazione terrestre. L’unità di misura della massa è il chilogrammo (Kg)
✓ Si dice grandezza fisica una qualsiasi quantità oggettivamente
misurabile✓ Una grandezza fisica è caratterizzata dalla quantità (il numero), dalla dimensione fisica, dall’unità di misura (unità campione) ✓ Nella misurazione diretta si confronta la grandezza da misurare con una omogenea (dello stesso tipo) definita campione
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Il Sistema Internazionale di Unità di misura
Secondo il Sistema Internazionale (SI)ci sono sette grandezze fondamentali
Tutte le altre grandezze, con le rispettive unità, possono essere derivate da queste
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Unità di misura derivateGrandezze derivate e relative unità di misura
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Multipli e sottomultipli
Lunghezze (m) Tempi (s) Masse (Kg)
1 Km = 103 m 1 anno = 31,536,000 s 1 Ton = 103 Kg
1 mm = 10-3 m 1 giorno = 86,400 s 1 g = 10-3 Kg
1 mm = 10-6 m 1 ms = 10-3 s 1 mg = 10-3 g
1 nm = 10-9 m 1 ms = 10-6 s 1 mg = 10-6 g
1 Å = 10-10 m 1 ns = 10-9 s 1 ng = 10-9 g
1 pm = 10-12 m 1 ps = 10-12 s
1 fm = 10-15 m 1 fs = 10-15 s
n: nano p: pico f: femto Å : Angstrom
Spesso è molto più conveniente utilizzare multipli e sottomultipli dell’unità di misura fondamentale:
d nmIl tempo che intercorre tra due urti consecutivi dell’elettrone col reticolo atomico in un metallo è di circa un fs
La massa di una nave da crociera può superare le 200 000 Ton
La distanza tra atomi contigui nei cristalli è circa un nm
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Unità di misura in UK
Nei paesi anglosassoni (Regno Unito, USA, ecc.) si usano unità molto diverse …
Lunghezze Masse
1 inch (pollice) = 2.54 cm 1 oz (oncia) = 28,3495 g
1 ft (piede) = 12 inches = 30.48 cm 1 pound (libbra) = 16 oz = 0,453592 Kg
1 yard = 3 ft = 91.44 cm
1 mile (miglio) = 5280 ft = 1609.344 m
180 cm = 5.905 ft80 Kg = 176.37 pd
120 Km/h = 74.56 miglia/h
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Unità di misura derivate
AREA
A=1 m2 = 102 dm2 = 104 cm2 = 106 mm2 = 1012 mm2 = 10-6 km2
1 m
1 m
VOLUME
1 m
1 m
1 m
V=1 m3 = 103 dm3 = 106 cm3 = 109 mm3 = 1018
mm3 = 10-9 km3
Dalle grandezze fondamentali si ricavano le grandezze
derivate. L’unità di misura di una grandezza derivata si ricava
da una o più unità di misura fondamentali
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Volume e capacità
L’unità di misura del volume nel SI è il metro cubo (m3), con i suoi sottomultipli.
Se il volume esprime una misura di capacità, l’unità di misura utilizzata è il litro (L) con i suoi sottomultipli, decilitro (dL), centilitro (cL), millilitro (mL).
15
Per convertire L in m3 è necessario ricordare che:1 L = 1 dm3 = 10-3 m3 = 1000 cm3
1 mL (millilitro) = 1L /1000 = 1 cm3
1 cL (centilitro) = 1L /100 = 10 cm3
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Grandezze estensive e intensive
Le grandezze
estensive, come
lunghezza, volume e
massa, dipendono dalle
dimensioni del campione.
Grandezze estensive
massa
l’unità di misura è il kilogrammo (kg)
volume
l’unità di misura è il litro (L)
lunghezza
l’unità di misura è il metro (m)
Le grandezze fisiche corrispondenti alle proprietà di un
corpo si distinguono in estensive ed intensive
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Grandezze estensive e intensive
Le grandezze intensive,
come densità, peso
specifico, temperatura,
non dipendono dalle
dimensioni del campione.
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Grandezze intensive
densità
peso specifico
temperatura
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Errori di misura
Una misura non è mai infinitamente esatta, è sempre accompagnata da errori che dobbiamo valutare per stabilire il grado di precisione della misura. Esistono di due tipi di errori:
✓ sistematici: dovuti alla risoluzione degli strumenti di misura; uno strumento è tanto più potente quanto maggiore è la sua risoluzione
✓ accidentali: a causa di cambiamenti delle condizioni ambientali e strumentali durante la misurazione; si riducono ripetendo la misura molte volte e poi considerando la media dei valori
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Algebra elementare
1
CAB C A
B
ABAB C
C
AB CAB C
D D
= =
= =
= =
Data un’equazione, dividendo ambo i membri dell’equazione per
uno stesso numero l’equazione rimane valida
Data un’equazione, moltiplicando ambo i membri per uno stesso
numero l’equazione rimane valida
AB C AB D C D= =
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Algebra elementare
2 2( )
( )n n
AB C AB C
AB C AB C
= =
= =
Data un’equazione, elevando alla stessa potenza ambo i membri
dell’equazione l’equazione rimane valida
Elevazione a potenza:
...nA A A A A A A= 1 1 1 1 1 1...nA
A A A A A A
− =
( )n n nAB A B= ( ) n n nAB A B− − −=
n volten volte