Modulo di Fisica, Corso Integrato Competenze di...
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Modulo di Fisica, Corso Integrato Competenze di Base
Docente Dr. A+lio Vi/orio Vargiu
e-‐mail: [email protected], tel: 0706754911
Materiale Dida+co h/p://people.unica.it/a+liovargiu/dida+ca/materiale_dida+co/
fis_infermierisIca_2015-‐16/
Orari ricevimento studenI Martedì e Giovedì, previo appuntamento da concordare via
e-‐mail, presso lo studio 2B21 (2° piano al DiparImento di Fisica)
E. Ragozzino “Elementi di fisica”,
Edises, Napoli
Libri consigliati
D. Scannicchio, E. Giroletti
“Fisica Biomedica”, Edises, Napoli
Programma • Introduzione alla fisica e richiami di matemaIca
• CinemaIca e dinamica del punto
• Leggi della dinamica: le forze
• Lavoro, energia, e conservazione energia meccanica. La potenza.
• StaIca dei corpi rigidi
• I fluidi ideali e i fluidi reali.
• Termologia e termodinamica.
• Fenomeni ele/rici.
Obiettivi
• Spiegare che cos’é la fisica e qual è il suo campo di
applicazione
• Stimolare la curiosità e il desiderio di capire
• Fornire un metodo analitico alla soluzione di semplici problemi pratici
Fisica
φύσις (physis = natura) • Scienza che studia in maniera razionale e
quantitativa leggi e principi che regolano la natura • È l’evoluzione della “filosofia naturale” praticata
da pensatori come Aristotele (IV sec. a.C.) • Diventa una scienza vera e propria solo nel XVII
secolo grazie allo scienziato pisano Galileo Galilei
Procedura di studio dei fenomeni naturali:
1. riconoscere il problema
2. formulare un’ipotesi sulla sua soluzione
3. prevedere le conseguenze dell’ipotesi
4. compiere esperienze per verificare le previsioni
5. elaborare una regola o modello generale più semplice in grado di organizzare in maniera coerente ipotesi, previsione, esperimento
Il metodo scientifico
Galileo Galilei (1564-1642) Il libro della Natura è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche.
Ogni fenomeno fisico è descrivibile attraverso un certo numero di grandezze fisiche quantificabili.
Misurare una grandezza fisica significa confrontarla con
una grandezza omogenea di riferimento, detta unità di misura.
Unità di misura: ben definita, riproducibile, pratica
Misura diretta = quantità / unità di misura
Grandezze fisiche e misura
Nella misurazione “dire%a” di una grandezza fisica è possibile individuare una grandezza omogenea (dello stesso Ipo) definita
campione e confrontarla con la grandezza da misurare.
Misure dirette e indirette
Esempi: • Misura dimensioni di una casa • Misura tempo di percorrenza
• Misura peso corporeo
• Le grandezze per le quali è possibile effe/uare misure dire/e sono espresse in unità di misura fondamentali
• Le unità di misura fondamentali nel Sistema Internazionale sono 7
Sistema Internazionale di unità di misura
Grandezza fisica fondamentale
Unità di misura Simbolo Definizione
Lunghezza Metro m Lunghezza percorsa dalla luce in 1/299792458 di secondo
Massa Kilogrammo kg Massa del campione platino-iridio, conservato nel Museo
Internazionale di Pesi e Misure di Sèvres (Parigi) – Molte proposte di ridefinizione.
Tempo Secondo s Durata di 9192631770 periodi della radiazione corrispondente alla
transizione tra i livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133
Temperatura assoluta Kelvin K Valore corrispondente a 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua
Intensità di corrente Ampère A
Quantità di corrente che scorre all'interno di due fili paralleli e rettilinei, di lunghezza infinita e sezione trascurabile, immersi nel
vuoto ad una distanza di un metro, induce in loro una forza di attrazione o repulsione di 2*10 -7 N per ogni metro di lunghezza
Quantità di sostanza Mole mol Quantità di materia di una sostanza tale da contenere tante
particelle elementari quante ne contengono 0,012 kg di carbonio-12. Tale valore corrisponde al numero di Avogadro
Intensità luminosa Candela cd Intensità luminosa di una sorgente che emette una radiazione
monocromatica con frequenza 540*10 12 Hz e intensità energetica di 1/683 W/sr
Unità fondamentali e derivate • Per la misura di alcune grandezze fisiche la definizione operativa indicata,
mediante il confronto diretto con la quantità campione, è impossibile.
• Volendo misurare il diametro della Luna non potremo mai
usare direttamente il regolo graduato. Allo stesso
modo la misura della temperatura superficiale del Sole non
potrà essere condotta con l’ausilio di un semplice termometro.
• In questi casi si dovrà ricorrere ad una “misura indiretta”. Si considera qualche legge fisica che lega la grandezza da misurare ad altre grandezze
direttamente accessibili.
Le unità di misura corrispondenti a grandezze non direttamente misurabili
vengono chiamate derivate: • Velocità: m/s
• Frequenza: Hz=1/s • Forza: N=kg/(ms2)
• Pressione: Pa = N/m2
• …
Grandezze adimensionali Non hanno associata un’unità di misura poiché sono
definite come rapporto fra grandezze omogenee.
Es: misura in radianti di un angolo, pari al rapporto fra la
lunghezza dell'arco s e la misura del raggio R:
θ = s/R
Un angolo di 1 radiante è quell'angolo che sottende un arco lungo quanto il raggio.
θ(radianti): θ(gradi) = π : 180
Grandezze scalari e vettoriali Per informare un medico della nostra temperatura
basta fornire un numero indicato dalla colonnina di mercurio. Lo stesso vale per il nostro peso o l’altezza. Temperatura, Massa, Lunghezza sono grandezze
fisiche scalari.
Se volessimo informare qualcuno di un nostro spostamento da un luogo scelto come punto d’incontro non basterebbe dirgli di quanti metri ci siamo spostati! Dobbiamo indicare anche la direzione e il verso lungo la quale ci siamo mossi se vogliamo essere rintracciati.
Lo spostamento è una grandezza fisica vettoriale.
Elementi di calcolo vettoriale
Per definire un vettore occorre specificare:
- Punto d’applicazione - Modulo o lunghezza
- Direzione - Verso
Si definisce versore un vettore di modulo unitario.
Scomposizione di un vettore Ogni vettore può essere scomposto in
componenti usando un sistema di riferimento.
Scomposizione del vettore v lungo i due assi arbitrari r e s:
Regola del parallelogramma.
Scomposizione del vettore v lungo gli assi cartesiani x e y (individuati, rispettivamente, dai versori i e j): ad ogni punto del
piano xy corrisponde una coppia di numeri detta coordinate.
vx =v cosθ
vy =v sinθ
v = vxi + vy
j
v = vx2+ vy
2
Somma di vettori
• Si fanno coincidere i punti di applicazione
• Si tracciano i segmenti paralleli a partire dalle
punte • Si traccia il vettore
somma dal punto comune di applicazione al punto di intersezione
fra i segmenti
Regola del parallelogramma
Prodotto di un numero per un vettore
Si moltiplicano tutte le componenti per quel numero
F = (5, 7)n = 3nF = (nFx,nFy ) = (15, 21)
Prodotto scalare
Il risultato è uno scalare (un numero) dato dal prodotto dei moduli per il coseno dell’angolo compreso.
u⋅ v = u v cosθ
Prodotto vettoriale
Il risultato è un vettore, perpendicolare al piano individuato dai primi due
• modulo pari al prodotto dei moduli per il seno dell’angolo compreso.
• verso dato dalla regola delle tre dita della mano destra.
u^ v
Multipli e sottomultipli
deca -‐ da -‐ 101 yocto-‐ y-‐ 10-‐24
e/o-‐ h-‐ 102 zepto-‐ z-‐ 10-‐21
kilo-‐ k-‐ 103 a/o-‐ a-‐ 10-‐18 mega-‐ M-‐ 106 femto-‐ f-‐ 10-‐15
giga-‐ G-‐ 109 pico-‐ p-‐ 10-‐12
tera-‐ T-‐ 1012 nano-‐ n-‐ 10-‐9
peta-‐ P-‐ 1015 micro-‐ μ-‐ 10-‐6
exa-‐ E-‐ 1018 milli-‐ m-‐ 10-‐3
ze/a-‐ Z-‐ 1021 cenI-‐ c-‐ 10-‐2
yo/a-‐ Y-‐ 1024 deci-‐ d-‐ 10-‐1
Errori sistematici Le misure delle grandezze fisiche sono inevitabilmente
affette da errore
Il valore di una grandezza misurata non potrà perciò mai essere noto con precisione arbitrariamente grande.
Alcune sorgenti di errore possono dar luogo ad una discrepanza sistematica tra valore misurato e valore vero che si riproduce inalterata in una serie di misure ripetute.
Si parla di errori sistematici, gli errori più insidiosi, poiché non immediatamente identificabili.
In genere un errore sistematico può essere eliminato modificando lo strumento o la procedura, oppure
apportando una correzione alla misura.
Errori casuali Se si ripete la misura della stessa grandezza col medesimo strumento, nelle stesse condizioni e
seguendo la stessa procedura, si riscontrano differenze casuali tra il valore misurato e il valore vero. I risultati di queste misure ripetute fluttuano in maniera casuale
in un certo intervallo, la cui ampiezza definisce la precisione delle misure stesse.
Si può ridurre l’effetto degli errori casuali di misura ricorrendo alla teoria degli errori, che fornisce delle
procedure per ottenere la migliore stima (valor medio) della grandezza fisica in studio e dell’incertezza ad essa
associata (deviazione standard).
Gli errori casuali o accidentali si valutano calcolando il valor medio di una serie di N misure indipendenI
Valor medio
Valor medio m: valore più a/endibile di una misura, è dato dalla media aritmeIca. È sempre compreso tra il valore massimo e il minimo della serie di misure. Deviazione standard σ: indica la dispersione delle misure a/orno al valor medio.
m = mii=1
N
∑ N
mmin ≤m ≤mmax
σ = mi −m( )2i=1
N
∑ N
Valor medio
La probabilità che il valor vero sia compreso tra il valor medio e la deviazione standard σ è del 68 % (per una distribuzione normale o
gaussiana)
Esercizi -‐ SImare la superficie di un foglio A4 (210 x 297 mm) in m2
-‐ Esprimere la propria altezza in μm e in km -‐ Esprimere il proprio peso in mg e in Gg
-‐ A quanI cm3 corrisponde una quanItà di 3 ml di un farmaco in soluzione? -‐ Il diametro di un globulo rosso umano è di circa 7 μm. Determinarne il
volume. -‐ Rterra = 6378 km => … ? m (1 km = 103m)
-‐ 1 litro = ? dm3 (1 m3 = 1000 litri)
-‐ θ = 60° sinθ = ?, cosθ = ?, tanθ = ? -‐ 1 cellula ha volume di 1 µm3 Quante cellule in 1 cm3?
-‐ 100 km/h = ? m/s (1 m/s = ? km/h) -‐ 30° = ? RadianI ; π/3 = ? Gradi -‐ vx= 2 m/s vy= 3 m/s |v|=?
-‐ v=10 m/s α=30o, 60o, 90o vx=? vy=?