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

alessio.filippetti@dsf.unica.itgiuliano.malloci@dsf.unica.it

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

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

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

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)

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:

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

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 !!

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

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

Unità di misura derivateGrandezze derivate e relative unità di misura

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

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

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

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

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

Grandezze estensive e intensive

Le grandezze intensive,

come densità, peso

specifico, temperatura,

non dipendono dalle

dimensioni del campione.

17

Grandezze intensive

densità

peso specifico

temperatura

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

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= =

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