Fisica I Ingegneria Informatica (corso B) e dellAutomazione Giorgio Maggi.

Fisica I

Ingegneria Informatica (corso B)

e dell’Automazione

Giorgio Maggi

G.M. - Informatica B-Automazione 2002/03

Alcune informazioni

• Per qualunque informazione consultare il sito (attualmente in allestimento):– http://www.ba.infn.it/~maggi/index.php3

oppure direttamente:

– http://www.ba.infn.it/~maggi/informatica/index.php3

• Ulteriori informazioni possono essere richieste via mail (con moderazione):

– [email protected] (firmate la vostra posta)

• Ricevimento: Dipartimento di Fisica -stanza R22

– Giovedì dalle 9:00 alle 13:00


Ulteriori informazioni

• Libro di testo:– Sul sito citato trovate (in formato pdf) le “Lezioni di Fisica

Generale” per Edile (anno accademico 2001/2002).

Trovate anche le tracce degli appelli e/o esoneri degli anni precedenti (Edile).

– Le “Lezioni” vanno usate in connessione con un libro di testo (sulle dispense ci sono poche figure, mancano le tabelle, ci sono pochi esercizi svolti, mancano le tracce di esercizi, etc). Si consiglia:

D. Halliday R. Resnick J. Walker- Fondamenti di Fisica - Volume 1


Struttura ed obiettivi del corso

• La suddivisione dei crediti:4 crediti di lezione, 1.5 crediti di esercitazioni numeriche, 0.5 crediti di laboratorio

• Gli argomenti che affronteremo:I principi base della meccanica e della termodinamica.

Applicazione degli stessi a situazioni concrete attraverso la soluzione di semplici esercizi.

Verifica in laboratorio dei modelli teorici per familiarizzare con le metodologie di misura e di trattamento dei dati.


Esami ed Esoneri

• L’esame consisterà in una prova scritta ed una orale. Entrambe devono essere svolte nello stesso appello.

• Durante il corso saranno effettuate due prove di esonero (il primo durante la pausa a fine ottobre e il secondo a fine del corso).

• L’esonero dallo scritto si acquisisce se il voto medio nelle due prove è maggiore o uguale a 18/30. Sarà data la possibilità di recuperare eventuali prove non superate con una terza prova a ridosso delle vacanze di Natale.

• L’esonero è utilizzabile per sostenere una sola volta la prova orale nell’anno accademico corrente.

• Consiglio: puntare a concludere l’esame alla fine del quadrimestre,

importante seguire con continuità le lezioni.


Corso di azzeramento

• La prima settimana del corso è dedicata all’azzeramento – Devono essere presenti coloro che hanno debito formativo.

– Sarà acquisita la presenza che darà diritto poi a partecipare all’esame finale

– Chi non ha debiti formativi può comunque partecipare, se

interessato, a queste lezioni introduttive.

• Orario– Martedì (aula G) 10:00-11:40

– Mercoledì (aula L) 15:00-16:40

– Giovedì (aula B) 11:00-13:00 e dalle 15:00-16:40 (aula E)

– Sabato (aula G) 10:00-11:40


Gli argomenti del corso di azzeramento

• Il metodo scientifico • Le grandezze fisiche e la loro misura • Cenni sulla struttura atomica e nucleare• Cenni sulle interazioni fondamentali• Sistemi aggregati di atomi• Sistemi complessi (sistema solare)• Grafici e funzioni


Obiettivo della Fisica

• Descrivere una vasta classe di fenomeni naturali per mezzo di leggi espresse in forma matematica.

• Come funziona:

RealtàOsservazione del fenomeno

ModelloLa descrizione

Analogia Teoria

FormalizzazioneCostruzionerazionale

Generalizzazione(per includere altri fenomeni)

Falsificabile particolarizzabile

estendibile


Il metodo sperimentale secondo le prescrizioni di Galilei • L’osservazione in cui si colgono gli aspetti salienti del fenomeno e si arriva ad una sua

schematizzazione (molto intuito, esperienza e sensibilità dello sperimentatore)

• La descrizione che consiste nella formulazione di una legge matematica che descriva le osservazioni (processo induttivo, da una serie di casi particolari si arriva ad una affermazione generale)

• La formulazione di una ipotesi: ricavare il maggior numero di conseguenze, di previsioni, a partire dalle ipotesi. Si tratta di un processo deduttivo, in cui ci si avvale della matematica, accompagnato da un processo di “sistemazione” della teoria.

• L’esperimento: le previsioni ricavate dall’ipotesi vanno sottoposte a verifica sperimentale (falsificabilità della teoria). In questa fase si presuppone che un esperimento, ripetuto nelle stesse condizioni, fornirà sempre gli stessi risultati risultati.

• La tesi: la legge fisica che esprime i risultati ottenuti.


Esempio di applicazione del metodo sperimentale

• L’osservazione: supponiamo di voler studiare il moto di caduta dei corpi.

• La descrizione: dopo una serie di osservazioni deduco che la durata del moto a parità di percorso dipende dalla massa del corpo.

• La formulazione di una ipotesi:

più piccola è la massa più grande è il tempo impiegato.– Deduzione: corpi aventi la stessa massa impiegano sempre lo stesso tempo

• L’esperimento: posso sottoporre a verifica questa deduzione.

• La tesi: la teoria è stata falsificata, non è buona,va buttata, non se ne parla più.

Δt∝1M


Universalità e precarietà delle leggi della fisica

• Le leggi della fisica, una volta determinate, si suppone siano valide – in tutto l’universo

– per sempre, dall’origine dei tempi, oggi e lo saranno anche nel futuro

• Precarietà delle leggi della fisica– Si può sempre incontrare un fenomeno che non venga

spiegato dalla teoria

– Occorre in tal rigettare la teoria e costruirne una nuova più completa.


Esempi di leggi fisiche

• La fisica descrive fenomeni naturali stabilendo delle relazioni (matematiche) tra le grandezze fisiche

• Per confrontare i due membri delle relazioni occorre misurare le grandezze fisiche

η=1−T2

T1

F=ma

V =RI

II legge di Newton

Legge di Ohm

Rendimento massimo di una macchina termica operante tra le temperatureT1 e T2 (T1 > T2)


I fenomeni fisici nell’automobile

• Il moto (dell’automobile, rotazione delle ruote, moto alternativo di pistoni)

• Motore: trasforma l’energia interna contenuta nella benzina in movimento

• Fenomeni elettromagnetici: motore di avviamento, alternatore, batteria, fari, etc.


Esempi di grandezze fisiche nell’automobile

• Velocità

• Accelerazione

• Distanza percorsa

• Spostamento

• Volume

• Pressione

• Cilindrata

• Temperatura

• Potenza

• Coppia

• Tensione elettrica della pila

• Corrente elettrica

• Resistenza elettrica

• Capacità

• Frequenza


Misura di una grandezza fisica

• Una grandezza ha significato in fisica se, e solo se, è possibile misurarla.– Per misurarla occorre

• Definire un campione

• Definire una procedura per confrontare la grandezza con il campione

– Risultato della misura:• Un numero e un’unità di misura LAB=3,6 campioni

A B

Campione C

Sottomultipli del campione

numero Unità di misuraVa specificato il campione per ogni

grandezza fisica??


Errori di misuracifre significative

• Ogni misura è affetta da errori– Errori casuali

– Errori sistematici

• L = 3,6 + 0,1 m

• Oppure L = 3,6 m

.1

.2

Distribuzione delle frequenze, media = 12.5

5 6.5 8 9.5 11 12.5 14 15.5 17 18.5 20

valore errore scrittoesplicitamente 2 cifre

significative

L’errore (implicito) è sull’ultima cifra (0,1 m)


Sistemi di unità di misura

• Le distanze si possono misurare in: – Metri, centimetri, kilometri

– Piedi, pollici, miglia

– Anniluce, parsec,unità astronomiche

• Il tempo si può misurare in:– Giorni, settimane, mesi, anni, secoli, millenni ...

– Ore, minuti, secondi ...


Sistema Internazionale (SI)

• 7 grandezze fondamentali– Lunghezza [L], si misura in metri (m)

– Massa [M], si misura in kilogrammi (kg)

– Tempo [T], si misura in secondi (s)

– Corrente elettrica, si misura in ampere (A)

– Temperatura, si misura in kelvin (K)

– Intensità luminosa, si misura in candele (cd)

– Quantità di materia, si misura in moli (mol)

• Più due supplementari– Angolo (è un numero ma si parla di radianti (rad))

– Angolo solido (è un numero ma si parla di steradianti (sr))


Sistema Internazionale (SI)multipli e sottomultipli

• deca 10 da

• hetto 100 h

• kilo 103 k

• Mega 106 M

• Giga 109 G

• Tera 1012 T

• Peta 1015 P

• Esa 1018 E

• deci 10-1 d

• centi 10-2 c

• milli 10-3 m

• micro 10-6 m

• nano 10-9 n

• pico 10-12 p

• femto 10-15 f

• atto 10-18 a

Il SI è un sistema metrico decimale: i multipli e i sottomultiplisi ottengono moltiplicando o dividendo per potenze di 10.


Scelta del campione

• la precisione delle misure dipende dalla definizione del campione.– La definizione può cambiare nel tempo man mano che si dispone

di nuova tecnologia e di nuove conoscenze per migliorare la precisione delle misure

• un campione deve essere:– accessibile e riproducibile

– invariabile


Il campione della lunghezza:il metro

• Il metro ha cambiato diverse volta definizione nel corso della sua (breve) esistenza

• Rivoluzione francese (nascita)– 1 m = 1/40’000’000 parte del meridiano terrestre passante per Parigi

– 1 m = distanza tra due tacche di una sbarra di platino

• 1889– 1 m = distanza tra due tacche di una sbarra di platino-iridio (2 10-7)

• 1960– 1 m =1’650’763.73 lunghezze d’onda della luce emessa dal 86Kr

• 1983– 1 m = distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a

1/(299’792’458) secondi


La misura del tempo

• Il tempo deve svolgere una doppia funzione:– Scandire gli eventi, dare origine ad una cronologia (tempo civile =

calendario)

– Misurare degli intervalli di tempo (il tempo trascorso tra due eventi)

• Come si fa la misura del tempo (degli intervalli di tempo)??– Si usa un fenomeno periodico, un fenomeno che si ripete identico a se

stesso dopo un intervallo di tempo.

– Si contano il numero dei cicli e delle frazioni di ciclo del fenomeno periodico contenute nell’intervallo di tempo che si vuole misurare.


N

H

H

H

N

Il campione del tempo

• Anche il campione del tempo ha subito cambiamenti nel corso degli anni

– 1s = 1/86400 del giorno solare medio

• 1900– 1s = 1/31’556’925.97474 dell’anno tropicale 1900

(1 anno ~ 107 secondi)

• 1967 (orologio atomico)– 1s =9’192’631’770 oscillazioni del 133Cs

(precisione 1 parte su 1011)


Il campione della massa

• Finora non è stato ancora possibile definire il campione di massa (il kilogrammo) sulla base delle proprietà atomiche– 1kg = massa contenuta in un cilindro di platino iridio

conservato al museo di Sevres

– Il confronto di massa si ottiene con la bilancia (1/107)

• A livello atomico è definita l’unità di massa atomica (non SI)– 1 unità di massa atomica = 1/12 della

massa del 12C.

– relazione tra le due unità• 1 unità di massa atomica =1.6605402 10-27 Kg


Precisioni

1 2 3 4 5 6 70

3

6

9

12

15

massa(kilogrammokg)

tempo(secondos)

correnteelettrica(ampereA)

temperaturatermodi-namica(kelvin,K)

lunghezza(metro,m)

intensitàluminosa(candelacd)

quantitàdisostanza(mole,mol)

incertezze relative del campione delle unità fondamentaliprecisioni richieste dalle applicazioniindustrialiL'incertezza relativa è espressa come 1/10n . Nel grafico è rappresentato l'esponente n.

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