Introduzione alla Fisica

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Introduzione alla Fisica

• Prof. Valerio CURCIO

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Cosè la Fisica?

• Studio dei fenomeni naturali e artificiali
• Uso della matematica ma totalmente diversa da
  essa
• La madre di tutte le scienze

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Cosa significa misurare?

• Confrontare ciò che si vuole misurare con una
  quantità nota, detta Unità di Misura
• Rapportare la grandezza in esame con la
  corrispondente Unità di Misura
• Nella forma più generale, Misurare significa
  Contare.

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Unità di Misura

• Ad ogni grandezza è associata una specifica unità
  di misura. Per esempio, una superficie si misura
  in metri quadri (m2), un volume si misura in
  metri cubi (m3) oppure in litri (l), una
  lunghezza in metri (m).
• Spesso è utile utilizzare i multipli o i
  sottomultipli di tali unità di misura, espressi
  come potenze del 10.

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Multipli e sottomultipli

• Multipli
• Deca (da) 101
• Etto (h) 102
• Kilo (k) 103
• Mega (M) 106
• Giga (G) 109
• Tera (T) 1012
• Peta (P) 1015
• Exa (E) 1018
• Zetta (Z) 1021
• Yotta (Y) 1024

• Sottomultipli
• Deci (d) 10-1
• Centi (c) 10-2
• Milli (m) 10-3
• Micro (m) 10-6
• Nano (n) 10-9
• Pico (p) 10-12
• Femto (f) 10-15
• Atto (a) 10-18
• Zepto (z) 10-21
• Yocto (y) 10-24

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Equivalenze unidimensionali

• Le equivalenze tra unità omogenee unidimensionali
  si effettuano moltiplicando (se si passa a unità
  più piccola) o dividendo (se si passa a unità più
  grande) la misura tante volte per 10 quanti sono
  i posti tra le due unità, considerando la
  tabella precedente.
• Esempio
• 32Gb a quanti Mb corrispondono?
• 32Gb 32 x 1000Mb 32000Mb
• Perché 1Gb 1000Mb (infatti tra M e G ci sono 3
  posti).

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Equivalenze bidimensionali

• Le equivalenze tra unità omogenee bidimensionali
  si effettuano moltiplicando (se si passa a unità
  più piccola) o dividendo (se si passa a unità più
  grande) la misura tante volte per 102 (100)
  quanti sono i posti tra le due unità,
  considerando la tabella precedente.
• Esempio
• 125 m2 a quanti cm2 corrispondono?
• 125 m2 125 x 102 x 102 cm2 1250000 cm2
• Perché 1 m2 10000 cm2 (infatti tra m e cm ci
  sono 2 posti).

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Equivalenze tridimensionali

• Le equivalenze tra unità omogenee tridimensionali
  si effettuano moltiplicando (se si passa a unità
  più piccola) o dividendo (se si passa a unità più
  grande) la misura tante volte per 103 (1000)
  quanti sono i posti tra le due unità,
  considerando la tabella precedente.
• Esempio
• 5400 dm3 a quanti m3 corrispondono?
• 5400 dm3 5400 x 10-3 m3 5.4 m3
• Perché 1 dm3 10-3 m3 (infatti tra dm e m cè un
  solo posto).

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Volumi espressi in litri

• Spesso risulta utile esprimere i volumi in
  multipli o sottomultipli del litro, piuttosto che
  in multipli o sottomultipli del metro cubo. Si
  pensi, ad esempio, ai volumi di cilindrata dei
  motori, espressi in litri.
• Lequivalenza di base è la seguente
• 1 litro 1 dm3
• Quindi
• 1 m3 103 dm3 103 litri 1000 litri

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Problemi con le misure

• Misure diverse della stessa grandezza devono
  essere compatibili e convertibili
• Ognuno, in ogni parte del mondo, deve poter usare
  il più possibile le stesse unità di misura
• Problema di gestione di dati provenienti da
  misurazioni effettuate con unità diverse e poco
  convertibili
• Necessità di un unico sistema di unità di misure

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Sistema Internazionale (SI)

• Lunghezza metro (m)
• Tempo secondo (s)
• Massa kilogrammo (kg)
• Temperatura grado Kelvin (K)
• Intensità di corrente elettrica Ampere (A)
• Intensità luminosa candela (cd)
• Quantità di materia mole (mol)

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I sistemi MKS e cgs

• Esiste un sottosistema del SI chiamato MKS. Esso
  è rappresentato dalle prime tre grandezze del SI
  lunghezza (m), massa (kg) e tempo (s).
• Esiste anche il sistema cgs formato anchesso
  dalle prime tre grandezze del SI lunghezza (cm),
  massa (g), tempo (s).

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Il Metro

• Scelto come unità di misura alla fine del 1700,
  definito come la quarantamilionesima parte del
  meridiano terrestre. Il campione del metro è
  stato costruito tracciando due incisioni su una
  barra di platino e iridio, conservata al Museo
  dei Pesi e delle Misure di Sévres (Parigi). Dal
  1983 il metro è stato ridefinito come la distanza
  percorsa dalla luce nel vuoto in
  1/299792458-esimo di secondo circa, quasi un
  trecentomilionesimo di secondo.

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Il Kilogrammo

• Si chiama kilogrammo la massa di un cilindro
  costituito da una lega di platino e iridio che
  misura 39 mm in altezza e 39 mm in diametro.
  Anchesso, come nel caso del metro, si trova al
  Museo dei Pesi e delle Misure di Sévres, a
  Parigi. Esiste la copia n 62 del kilogrammo
  campione anche in Italia, presso lIstituto di
  Metrologia Gustavo Colonnetti, a Torino.

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Il Secondo

• Il secondo è una frazione del giorno solare
  medio. In particolare esso è l86400-esima parte
  del giorno solare medio.
• Data la variabilità del giorno solare medio, oggi
  il campione di tempo corrisponde al tempo di
  9192631770 oscillazioni delle onde emesse dal
  Cesio 133 in una particolare transizione atomica.

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Il grado Kelvin

• E la centesima parte della distanza termica
  tra il punto triplo dellacqua distillata
  (ghiaccio fondente) e il punto di ebollizione
  della stessa. Esso possiede la stessa ampiezza
  del grado Celsius (o centigrado). La scala Kelvin
  presenta lo zero assoluto, temperatura minima
  limite e non raggiungibile in natura.

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LAmpere

• LAmpere è lintensità di corrente elettrica che
  circola in un conduttore quando, per una sezione
  di esso, passa la carica di 1 Coulomb ogni
  secondo.

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La Mole

• La mole viene definita come la quantità di
  sostanza di un sistema che contiene un numero di
  entità elementari (atomi, molecole, ioni,
  radicali, elettroni, fotoni, ecc) pari al numero
  di atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12.
  Tale numero è noto come Numero di Avogadro, ed è
  pari a 6.0221022.

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La Candela

• Una candela è pari allintensità luminosa, in una
  data direzione, di una sorgente emettente una
  radiazione monocromatica di frequenza pari a
  5401012 hertz (Hz) e di intensità radiante in
  quella direzione di 1/683-esimo di watt per
  steradiante.

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Grandezze Fondamentali e derivate

• Le sette grandezze appartenenti al SI si chiamano
  Grandezze Fondamentali. Da esse è possibile
  ricavare nuove grandezze, dette grandezze
  derivate, attraverso le classiche quattro
  operazioni matematiche, ma solo sotto opportune
  condizioni.

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Operazioni tra grandezze

• Due o più grandezze, sia fondamentali che
  derivate, si possono sommare e/o sottrarre solo
  se sono omogenee, ossia uguali in tutto e per
  tutto (lo stesso vale per gli operatori di
  confronto gt, lt, , ecc).
• Due o più grandezze, sia fondamentali che
  derivate, si possono moltiplicare e/o dividere
  anche se non sono omogenee.

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Esempi di operazioni

• 5 m 27 m 32 m
• 10 s 5 m non ha senso!
• 42 m 13 s 3.23 m/s
• 12 m/s 6 s 2 m/s2
• 15 m/s2 45 m/s non ha senso!
• 0.5 m 0.2 m 0.1 m2

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Alcune grandezze derivate

• Velocità (m/s)
• Accelerazione (m/s2)
• Densità (kg/m3)
• Forza (N kgm/s2) N sta per Newton
• Energia (J Nm) J sta per Joule
• Potenza (W J/s) W sta per Watt
• Carica elettrica (C As) C sta per Coulomb

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Strumenti di misura

• Gli strumenti di misura sono oggetti che ci
  permettono, più o meno facilmente, di confrontare
  la misura di una certa grandezza con lunità di
  misura di riferimento. Essi devono avere quattro
  caratteristiche fondamentali
• Portata
• Sensibilità
• Precisione
• Prontezza

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La Portata

• La portata di uno strumento di misura indica la
  misura massima che lo strumento è in grado di
  effettuare. Per esempio, una bilancia dalla
  portata di 5 kg non è in grado di misurare la
  massa di un essere umano adulto, evidentemente
  maggiore di 5 kg.

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La Sensibilità

• La sensibilità di uno strumento di misura indica
  la misura più piccola che lo strumento riesce a
  rivelare. Per esempio, una bilancia la cui
  sensibilità è di 0.1 kg non è adatta a
  misurazioni di precisione, per esempio di
  piccolissime quantità di metalli preziosi.

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La Precisione

• La precisione di uno strumento di misura indica
  il grado di accuratezza della misura effettuata.
  La precisione è un parametro che indica il
  discostamento della misura rivelata rispetto a
  quella reale. Uno strumento di misura sofisticato
  è spesso più preciso di uno rudimentale.

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La Prontezza

• La prontezza di uno strumento di misura indica il
  tempo impiegato dallo strumento a rivelare la
  misurazione. Strumenti come cronometri ad
  altissima precisione hanno bisogno ovviamente di
  una prontezza molto elevata. La prontezza non è
  importante quando si eseguono misurazioni
  grossolane con margini di errore elevati.

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Altre proprietà degli strumenti di misura

• Strumenti analogici
• Sono quelli in cui la misura rivelata la si legge
  attraverso una apposita scala graduata (es. il
  metro del falegname oppure gli strumenti ad ago
  come gli amperometri analogici).

• Strumenti digitali
• Sono quelli in cui la misura rivelata la si legge
  sotto forma di cifre (es. strumenti con schermi a
  cristalli liquidi, ecc). La parola digitale
  deriva dallinglese digit, che significa
  cifra.

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Alcuni strumenti analogici
Metro a nastro
Voltmetro ad ago
Orologio a lancette
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Alcuni strumenti digitali
Voltmetro elettronico
Orologio al quarzo
Metro a ultrasuono
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Misure dirette e indirette

• Misure dirette
• Sono quelle misure che vengono rivelate
  direttamente da uno strumento di misura. Sono
  misure dirette quelle di lunghezze, tempi, masse,
  ecc

• Misure indirette
• Sono quelle misure che risultano dopo opportuni
  calcoli matematici. Sono misure indirette quelle
  di superfici, di volumi, di accelerazioni, ecc