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Capitolo 0 La Fisica
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Capitolo 0
La Fisica
Che cosa è la fisica
Che cosa studiaEtimologia
L'obbiettivo principale della fisica è quello di studiare i fenomeni naturali, cioè tutto ciò che possiamo descrivere e quantificare attraverso delle grandezze opportune, per poi stabilire principi e leggi che determinano i rapporti tra le grandezze stesse e mostrano le loro reciproche variazioni. Il metodo scientifico viene applicato per raggiungere il suddetto obbiettivo, insieme alla fornitura di schemi e modelli. L'insieme di principi e leggi relative ad uno stesso ambito di indagine, a un gruppo di grandezze correlate e ai fenomeni che le coinvolgono, definisce una teoria fisica deduttiva, basata in gran parte sui dati sperimentali.
Principi e leggi
La legge fisica (o legge della Natura) è la generalizzazione, su base sperimentale, e la formalizzazione, in linguaggio matematico, di un certo fenomeno fisico, espressione dunque di una regolarità riscontrata nei fenomeni naturali.In generale il termine principio indica le basi e i presupposti iniziali su cui si basa o poggia una teoria.
Quantificare
Misurare una grandezza, cioè quantificare, significa dire quante volte l’unità di misura è contenuta nella grandezza.
Grandezza
Una grandezza è una quantità che può essere misurata con strumenti di misura appositi
La fisica è la scienza della natura nel senso più ampio. Il termine "fisica" deriva dal neutro plurale latino physica, a sua volta derivante dal greco "tà physiká", ovvero "le cose naturali" e da "physis", "natura".
I fisici nella storia
AristoteleStratone di LampsacoArchimede TolomeoEroneNiccolò CopernicoGalileo GalileiIsaac NewtonMarie e Pierre CurieFabiola Gianotti
E' considerato una delle menti filosofiche più innovative, prolifiche e influenti del mondo antico occidentale per la vastità dei suoi campi di conoscenza; fu stimato per secoli come l'emblema dell'uomo sapiente e come precursore di scoperte.
384 a.C./322 a.C.
Stratone fu allievo di Aristotele, succedete e Teofrasto alla guida della scuola. Si occupò principalmente di fisica. Dissentì dal maestro per quanto riguardava l’esistenza del vuoto, che Aristotele aveva negato. Importante fu anche il suo studio sull’accelerazione dei gravi in caduta, che dedusse guardando un filo d’acqua cadere, infatti poiché il flusso è costante in tutte le sezioni orizzontali del filo, al restringersi del filo (facilmente osservabile) deve necessariamente corrispondere una velocità maggiore.
Stratone era completamente d’accordo con Aristotele sul fatto che la natura agisce senza bisogno dell’intervento di alcun dio, ma sviluppando le sue potenzialità.
335 a.c /269 a.c
Principio di Archimede
Archimede di Siracusa, (Siracusa, circa 287 a.C. – Siracusa, 212 a.C.) è stato un matematico, ingegnere, fisico e inventore siceliota (abitante della città siciliane dell’antichità).Archimede è considerato uno dei più grandi scienziati e matematici, nonché fisici della storia. I contributi di Archimedee alla scienza sono moltissimi, essi vanno dalla geometria all’idrostatica, dall’ottica alla meccanica. Fu il primo a calcolare il volume e la superficie di una sfera e espresse una vasta e elaborata teoria sul principio di galleggiamento dei corpi. Per quanto riguarda l’ingegneria, Archimede riuscì a scoprire e sfruttare il sistema delle leve. In seguito gli scienziati daranno il suo nome a macchine e dispositivi, questo per dimostrare le sue svariate capacità di inventiva. Secondo la storia costruì anche alcune macchine per difendere la sua città, Siracusa, tuttora però queste macchine restano pressoché sconosciute. Via via nei secoli l’immagine di Archimede è andata sempre più a rappresentare il classico genio, ancora oggi è conosciuta l’ espressione Héureka!(“ho trovato” in greco) che pronunciò quando, entrando in una vasca colma d’acqua, scoprì il principio a lui omonimo. Si hanno pochi dati certi sulla sua vita. Tutte le fonti concordano intanto sul fatto che fosse siracusano e che sia stato ucciso durante il sacco di Siracusa del 212 a.C. Certi si è sul fatto che viaggiò molto, soprattutto verso Alessandria d’Egitto;qui conobbe altri scienziati come lui, tra i quali Erastotene e Conone di Samo. Dalle opere conservate e dalle testimonianze si sa che si occupò di tutte le branche delle scienze a lui contemporanee (aritmetica, geometria piana e solida, meccanica, ottica, idrostatica, astronomia ecc.) e di varie applicazioni tecnologiche. Archimede godeva di grande stima sia nel suo paese, infatti era un riferimento per re Gerone, sia ad Alessandria d'Egitto, dove intratteneva una corrispondenza con i più illustri matematici del suo tempo, sia tra i Romani, tant'è che secondo la leggenda era stato ordinato di catturarlo vivo (invece fu ucciso). Il comandante romano fece costruire una tomba in suo onore.
Considerato uno dei padri della geografia, fu autore di importanti opere scientifiche, elaborò la teoria geocentrica che prese il nome di teoria tolemaica
100 / 175
Al suo ingegno si devono l'invenzione della dioptra, dell'odometro, del paranco a fune e della gru a bandiera. Formulò le leggi della riflessione e la formula che esprime l'area di un triangolo (A) in funzione dei suoi lati (a, b e c) e del semiperimetro p.
I sec. d.C.
Fu un astronomo polacco famoso per aver portato all'affermazione la teoria eliocentrica. Essa vedeva cioè il sole, e non la terra a stare fermo, con i pianeti a girarli attorno
1473 / 1543
Principio di inerzia
« La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l'universo), ma non si può
intendere se prima non s'impara a intender la lingua,
e conoscer i caratteri, ne' quali è scritto. Egli è scritto
in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure
geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a
intenderne umanamente parola; senza questi è un
aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto. »
Galileo Galilei, Il Saggiatore, Cap. VI
Galileo Galilei (Pisa, 15 febbraio 1564 – Arcetri, 8 gennaio 1642) è stato un fisico, filosofo, astronomo e matematico italiano, considerato il padre della scienza moderna. Come per Archimede il suo nome è associato e a contributi sulla meccanica e sull’astronomia. Fu l’ideatore del metodo scientifico, detto anche metodo sperimentale o metodo galileiano; molto importanti i suoi contributi all’astronomia che portarono molto più tardi all’affermazione della teoria copernicana. Proprio per questo venne definito un eretico, infatti la Chiesa credeva che la terra fosse al centro dell’universo, perché Dio le aveva dato la vita. Così venne condannato dal Santo Uffizio, a rinnegare le sue credenze astronomiche e al confino nella sua villa nei pressi di Firenze, ad Arcetri. Solo nel 1992 la Chiesa ha riconosciuto i propri errori, Grazie a uno studio apposito organizzato da papa Giovanni Paolo II. Il metodo scientifico, detto anche sperimentale è il metodo che galileo, insieme ad altri scienziati ideò, esso consiste nel provare un fenomeno anche migliaia di volte, se si ha sempre lo stesso risultato, in tutti i casi, allora si può elaborare una legge scientifica, per poi arrivare ad una teoria. Anche galileo si dedicò a tutti i campi della scienza, si dedicò molto all’astronomia ed inventò per esempio il cannocchiale, naturalmente le sue invenzioni sono diversificate quanto i campi a cui si è dedicato. Assieme a Galileo collaborò un altro fisico, Torricelli.
Isaac Newton nacque nel 1642 e morì nel 1727 a Londra. È considerato uno dei maggiori matematici, fisici, astronomi e filosofi. Dopo aver contribuito alla sistemazione delle precedenti teorie riguardanti l’Universo, propose la sua teoria della “Forza di Gravità” che fu in grado di spiegare il motivo per cui qualsiasi oggetto o persona rimane “attaccata” al suolo. Molto curioso è il modo in cui lo scienziato ha scoperto questo: mentre stava seduto sotto un albero una mela cadde vicino a lui, facendolo immediatamente pensare a qualcosa di ancora ignoto.
2 principio della dinamica3 principio della dinamica
1642 / 1727
Fisici francesi marito e moglie; scoprirono gli elementi chimici radio e polonio. Glistudi dei Curie sugli elementi radioattivi contribuirono alla comprensione degli atomi sui quali è basata la moderna fisica nucleare. Marie Curie (il cui nome originario era Marja Sklodowska) nacque a Varsavia il 7 Novembre del 1867. Suo padre era professore di fisica. Nel 1891 andò a parigi e si iscrisse alla Sorbonne dove incontrò Pierre Curie nel 1894. Si sposarono nel 1895.
Pierre Curie nacque a Parigi il 15 Maggio 1859 e studiò scienze alla Sorbonne, dove incontrò Marie. Entrambi si interessarono alle recenti scoperte sulla radioattività: Roentigen aveva appena scoperto i raggiX (1895) e Becquerel aveva scoperto che l’elemento uranio emetteva delle radiazioni invisibili (1896). I Curie allora cominciarono a studiare le radiazioni emesse dall’uranio, e poterono isolare due nuovi elementi che, come l’uranio, emettevano radiazioni che furono chiamati polonio (in onore della Polonia, patria di Marie) e radio. Marie Curie chiamò radioattivi gli elementi chimici che, come il radio, emettono radiazioni. “Radioattività” fu denominato il capitolo della fisica che si occupa delle proprietà degli elemnti radioattivi. I coniugi Curie ottenero nel 1903 il nobel per la fisica. Pierre Curie morì nel 1906 cadendo da una carrozza in corsa. Sua moglie invece morì di cancro, causato dalla eccessiva esposizione alle radiazioni, il 4 giugno 1934.
Fabiola Gianotti nata a Roma il 29 ottobre 1962 è una fisica italiana.Figlia di un geologo piemontese e di una letterata siciliana, durante il liceo classico, dopo la lettura della biografia di Marie Curie e della spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico, ha cominciato ad interessarsi alle materie scientifiche, ed in particolare alla fisica. Si è laureata in fisica sub-nucleare presso l'Università degli Studi di Milano, dove ha conseguito poi il dottorato di ricerca nel 1989. La sua tesi riguardava l'analisi dei dati dell'esperimento UA2.E' entrata a far parte del CERN nel 1987 lavorando su vari esperimenti, tra cui UA2 sul Super Proton Synchrotron (SPS) e ALEPH sul LEP, il precursore di LHC. Fin dal 1992 ha partecipato all'esperimento ATLAS, che si avvale della collaborazione di oltre 3000 studiosi, in gran parte fisici provenienti da 38 paesi di tutto il mondo, ed è considerato il più grande esperimento scientifico mai realizzato. Dopo esserne stata coordinatrice dal 1999 al 2003, eletta dai propri colleghi ha ripreso tale carica dal 2009 al 2013. Proprio in qualità di portavoce di ATLAS, il 4 luglio 2012 ha annunciato presso il CERN, unitamente all'esperimento CMS, la prima osservazione di una particella compatibile con il bosone di Higgs.
In primis il concetto di fisica era molto legato al concetto di filosofia, a parte alcune interpretazione del tutto casuali da parte della scuola di Alessandria. Assunse poi un diverso significato a partire dal Rinascimento con l'introduzione del metodo scientifico che segnò il passaggio tra la fisica antica e quella classica. con la sviluppo di questa nuova fisica nacquero i primi settori che ancora oggi la caratterizzano: meccanica, termologia, acustica, elettrologia, ottica, magnetismo. Infine la quantistica e la relatività segneranno l'inizio della fisica moderna.
Quali furono i primi passi della fisica ?
Torricelli’s experiment
Newton’s apple
Rotaia a cuscino d' ariaDurante una lezione di Fisica nel laboratorio abbiamo fatto una ricerca sul 1° principio della dinamica. Così la professoressa ci ha chiesto: “Il 1° principio della dinamica dice che se in assenza di forze di attrito viene data una forza ad un corpo esso si muoverà a velocità costante seguendo un moto rettilineo ed uniforme. Così abbiamo fatto l esperimento della rotaia. La rotaia è costituita da un tubo a sezione triangolare, dentro al quale si invia aria compressa. Abbiamo appoggiato un corpo sulle rotaia, la quale era quasi priva di attrito, grazie alla presenza di piccoli fori disposti regolarmente sulla parte superiore della rotaia. Diciamo “quasi priva di attrito”, poiché lo strumento non è molto moderna e ovviamente i fori presenti su di essa, potrebbero presentare alcuni residui causati dalla polvere depositatasi e dal tempo; benché qualcuno abbia provato a pulire foro per foro, non è riuscito ad eliminare in modo perfetto tutte le impurità.Abbiamo in seguito posizionato 4 traguardi lungo la rotaia a distanze differenti: il primo a 30 cm dalla partenza, il secondo a 40 cm dal primo, il terzo a 50 cm dal secondo e il quarto a 50 cm dal terzo. Ogni traguardo era collegato ad un cronometro, per poter misurare gli intervalli di tempo che impiega il carrello a raggiungere i vari traguardi. Abbiamo quindi proceduto l'esperimento. Abbiamo azionato il compressore con il quale l'aria sarebbe potuta fuoriuscire dai fori.
DATI RACCOLTI IN 3 ESPERIMENTI CON
ROTAIA ORIZZONTALE
∆S ∆S ∆S ∆S
30 cm 40 cm 50 cm 50 cm
T1 ∆T 2.37 3.27 4.33 4.63
V 12.7 12.2 11.5 10.8
T2 ∆T 0.26 0.35 0.44 0.45
V 115.4 114.3 113.6 111.1
T3 ∆T 0.44 0.59 0.74 0.76
V 68.2 67.8 67.6 65.8
Un ragazzo ha dato in principio una leggera spinta al carrello che era stato posizionato al punto di partenza della rotaia. Il carrello ha così iniziato a scorrere lungo la rotaia, fino a raggiungere l'estremità. Durante questo tragitto, il carrello incontra via via ogni traguardo, il quale al passaggio del carrello blocca il cronometro, in modo che il sensore coinvolto nel misurare i vari intervalli di tempo, riesca ad ottenere il tempo che il carrello ha impiegato per raggiungere una determinata distanza(cioè ogni distanza).Abbiamo ottenuto i seguenti dati:•al primo traguardo abbiamo registrato un intervallo di tempo di 2,37 s ad una velocità media di 12,7 cm/s;•al secondo traguardo 3,27 s ad una velocità media di 12,2 cm/s;•al terzo traguardo 4,33 s ad una velocità media di 11,5 cm/s;•al quarto ed ultimo 4,63 s ad una velocità media di 10,8 cm/s.
Confronto fra l'esperimento con la rotaia e l'esperimento del PSSCEntrambi gli esperimenti avevano lo scopo di verificare il primo principio della dinamica, ma hanno vari elementi che li differenziano l'uno dall'altro:•Il metodo utilizzato per eliminare l'attrito, infatti mentre nell'esperimento con la rotaia l'attrito veniva eliminato grazie all'aria che fuoriusciva dai forellini, nell'esperimento del PSSC l'attrito viene eliminato per mezzo dell'utilizzo del ghiaccio secco;•Il metodo utilizzato per rilevare la velocità; mentre nell'esperimento con la rotaia si misurava il tempo che il carrello impiegava per percorrere un determinato spazio, viceversa nell'esperimento del PSSC veniva misurato lo spazio percorso dal disco in un determinato lasso di tempo (1 secondo);•Mentre nell'esperimento con la rotaia si verifica la velocità costante del carrello attraverso dei calcoli (cioè spazio/tempo), nell'esperimento del PSSC si verifica visivamente, misurando la distanza che il disco percorre ogni secondo attraverso una foto.
