Esame Elementi di fisica e didattica della fisica - Prof Mantovani - Appunti delle lezioni

Elementi di fisica e didattica della fisica

CAPITOLO 1: Le grandezze

È importante studiare la fisica per:

• capire la realtà nella quale viviamo nel secolo precedente al nostro, la qualità della vita e l'organizzazione della società erano peggiori; vennero poi fatti progressi decisivi grazie alle tecnologie, rese possibili grazie alle scoperte della scienza (es. onde elettromagnetiche televisione).
• Occorre adattarsi all'ambiente in cui si vive e capire la società industriale, con i suoi pregi e difetti: ci sono risorse da utilizzare (es. comunicazioni, energia) e pericoli da evitare (inquinamento, Aids, guerra nucleare).
• Oggi tutto ciò che si trova attorno a noi ha a che fare con la fisica (es. bollire l'acqua, spaccare una noce, giocare a biliardo o football, comunicare con telefono, fare il bucato con la lavatrice, automobile creata sulla base di principi della fisica).

Rispondere ad alcune domande fondamentali che

l'uomo da sempre si pone sull'universo e sulla vita grazie alla scienza, è stata abolita la visione del mondo come sistema geocentrico a favore del sistema eliocentrico; si sa inoltre che nell'universo ci sono molte galassie e che il sole è una stella mediatra i miliardi e miliardi di stelle, situata in un punto marginale della nostra galassia. La fisica studia i fenomeni naturali e quelli indotti dall'uomo; associa grandezze misurabili ai fenomeni osservati mediante strumenti scientifici (procede per approssimazioni successive attraverso diversi modelli che vanno da quelli più complicati a quelli più semplici); cerca di trovare delle leggi ovvero relazioni tra queste grandezze. La grandezza può essere: - misurabile: scienza quantitativa; la fisica è una scienza quantitativa; - non misurabile: scienza qualitativa. "Senza strumenti scientifici non vi è scienza" (G. Turner): lo strumento scientifico permettedi potenziale, campo magnetico, frequenza delle onde elettromagnetiche. La fisica è una scienza che si occupa di studiare la natura e i fenomeni che la caratterizzano. Per poter comprendere e spiegare questi fenomeni, la fisica utilizza il metodo scientifico, che prevede l'osservazione, la formulazione di ipotesi, l'elaborazione di teorie e la verifica sperimentale. Le teorie scientifiche sono fondamentali per la fisica, in quanto permettono di organizzare e spiegare i fenomeni osservati. Una teoria scientifica è un insieme di leggi, ovvero una serie di correlazioni tra grandezze fenomenologiche. Queste leggi vengono ricavate tramite l'utilizzo della geometria euclidea e della matematica. Per poter formulare leggi scientifiche, è necessario misurare le grandezze fenomenologiche. Queste grandezze vengono misurate tramite l'utilizzo di strumenti e devono essere correlate tra loro tramite la matematica e la geometria. In questo modo, si possono formare leggi che, a loro volta, formeranno le teorie scientifiche. Nel campo della fisica, esistono diverse parti che si occupano dello studio di specifici fenomeni: - La meccanica studia l'equilibrio e il movimento degli oggetti. Tra le grandezze studiate ci sono la velocità, l'accelerazione, la forza, la massa, l'energia cinetica e l'energia potenziale. - La termologia si occupa dello studio del calore. Tra le grandezze studiate ci sono la temperatura, l'energia interna e il calore specifico. - L'acustica si occupa dello studio dei suoni. Tra le grandezze studiate ci sono l'intensità del suono e la frequenza. - L'ottica si occupa dello studio della luce. Tra le grandezze studiate ci sono l'intensità luminosa e la frequenza. - L'elettromagnetismo si occupa dello studio delle correnti elettriche, del magnetismo e delle onde elettromagnetiche. Tra le grandezze studiate ci sono l'intensità della corrente, la differenza di potenziale, il campo magnetico e la frequenza delle onde elettromagnetiche.di potenziale, campo elettrico, campo magnetico. Poi ci sono altri due campi: fisica atomica e subatomica, che si occupa di molecole e atomi, e biofisica, con fenomeni al confine tra biologia e fisica. La misura delle grandezze Una grandezza è una quantità che può essere misurata con strumenti di misura. Il processo di misura non deve dipendere né dal luogo di misura né da processi soggettivi; esso deve essere costruito in forma intersoggettiva (che non dipende dalla persona ma da un procedimento unico) mediante l'introduzione di una definizione operativa che faccia uso di una unità di misura e di uno strumento scientifico opportuno. Misurare significa stabilire un'unità di misura e dire quante volte l'unità di misura è contenuta nella grandezza. L'unità di misura può essere ulteriormente suddivisa in multipli e sottomultipli (prefissi) per rendere il processo di misura più preciso.pratico o preciso (giga: 10 ; mega: 10 ; micro: 10 ; nano: 10 ); ciascuna misura è caratterizzata da un numero seguito dal simbolo dell'unità di misura adoperata. Dal 1960 è stato creato il Sistema Internazionale di Unità (SI), adottato dall'Unione Europea e in vigore in 55 stati. Esso individua sette grandezze fondamentali, con relativa unità di misura e strumento di misura. NOME DELLA GRANDEZZA UNITÀ DI MISURA STRUMENTO DI MISURA Lunghezza Metro (m) Metro Massa Kilogrammo (kg) Bilancia Intervallo di tempo Secondo (s) Cronometro Intensità di corrente Ampere (A) Amperometro Temperatura Kelvin (K) Termometro Intensità luminosa Candela (cd) Fotometro Quantità di sostanza Mole (mol) Da queste derivano ulteriori grandezze e ulteriori unità di misura dette derivate, definite a partire da quelle fondamentali (es. area, volume, densità, velocità...). Per far questo è importante determinare ladimensione fisica della grandezza, che indica in quale modo essa è ottenuta a partire dalle grandezze fondamentali, segnata con il simbolo []. A partire dalla relazione che fornisce le dimensioni fisiche della grandezza derivata, si può ottenere l'unità di misura della grandezza derivata. Una grandezza unitaria è una grandezza definita mediante un rapporto tra due altre grandezze (es. velocità, che dice quanti chilometri sono percorsi nell'unità di tempo; concentrazione, che dice quanti kg di sostanza sono contenuti nell'unità di volume). L'intervallo di tempo. Per misurare la durata di un fenomeno (intervallo di tempo tra l'inizio e la fine) si conta quante volte la durata di un fenomeno periodico è contenuta nella durata da misurare; l'unità di misura dell'intervallo di tempo è il secondo (s), definito come l'intervallo di tempo impiegato da una particolare onda elettromagnetica.emessa daatomi di cesio, per compiere 9192631770 oscillazioni.

La lunghezzaL'unità di misura della lunghezza è il metro (m) definito come la distanza percorsa dalla luce, nel vuoto, in unintervallo di tempo pari a 1/299792458 di secondo. La definizione del metro si basa sul fatto che la velocità dellaluce nel vuoto è sempre la stessa, in qualunque luogo e in ogni condizione; quindi, un metro costruito con lastessa definizione in qualunque laboratorio del mondo ha sempre la stessa lunghezza.

Per fare un'equivalenza tra due multipli o sottomultipli di lunghezza consecutivi occorre moltiplicare o dividere per dieci.

Area e volume sono grandezze derivate, la cui unità di misura è costruita a partire dal metro.

Area: 2L'unità di misura dell'area è il metro quadrato (m²), che è l'area di un quadrato il cui lato è lungo 1m (1m x 1m).

L'area si può misurare in modo diretto, contando

Quante volte l'unità di misura è contenuta nell'area, o in modo indiretto, misurando le lunghezze e applicando le formule della geometria. Per fare un'equivalenza tra due unità di area consecutive bisogna moltiplicare o dividere per 100.

Volume 3L. L'unità di misura del volume è il metro cubo (m³), che è il volume di un cubo il cui lato è lungo 1m (1m x 1m x 1m). Per fare un'equivalenza tra due unità di area consecutive bisogna moltiplicare o dividere per 1000.

Per esprimere il volume di liquidi o gas si usa il litro (L); 1L = 1dm³.

La massa. La massa esprime la quantità di materia e si misura con la bilancia a bracci uguali (asta rigida ai cui estremi sono agganciati due piattelli, che può oscillare attorno al suo punto di mezzo, ovvero fulcro). Per misurare si mette in un piatto della bilancia l'oggetto e nell'altro si aggiungono diverse unità di misura della massa fino ad arrivare all'equilibrio.

La massa di un corpo è uguale al numero di unità di misura della massa che tengono in equilibrio la bilancia. L'unità di misura della massa è il chilogrammo (kg), definito come la massa di un cilindro di platino-iridio che si trova a Sèvres e ha l'altezza e il diametro di 3,900 cm. La bilancia di un chimico misura masse nell'ordine di grandezza di qualche mg; quella da cucina di hg o kg.

Ogni grandezza fisica deve essere descritta in modo operativo; la definizione operativa di una grandezza fisica consiste in due parti:

1. descrizione degli strumenti necessari per misurare la grandezza;
2. determinazione di una procedura non ambigua (protocollo) con cui utilizzare gli strumenti di misura.

Definizione operativa della durata:

Strumento di misura: cronometro; protocollo: avvio del cronometro simultaneo all'inizio dell'intervallo di tempo da misurare e arresto simultaneo alla fine dell'intervallo di tempo da misurare.

misurare.

Definizione operativa della lunghezza

Strumento di misura: metro; protocollo: si fa coincidere con la prima tacca del metro l'inizio dellalunghezza da misurare e si legge il valore che corrisponde alla seconda estremità di tale lunghezza.

Definizione operativa della massa

Strumento di misura: bilancia a bracci uguali; procedimento: porre un corpo in un piatto della bilancia enell'altro tante unità di misura della massa fino ad eguagliare e raggiungere l'equilibrio.

La densità

La densità di un corpo (d) è uguale al rapporto tra la sua massa m e il suo volume V; è direttamente proporzionale alla massa m e inversamente proporzionale al volume V. Unità di misura: kg/m

CAPITOLO 2: La misura

Gli strumenti di misura possono essere:

• analogici: il valore di misura si legge su scala graduata;
• digitali: il valore di misura appare come una sequenza di cifre.

Uno strumento è considerato preciso se, misurando

più volte la stessa grandezza, fornisce valori molto vicini fra loro e sostanzialmente uguali a quelli che sarebbero forniti da uno strumento di riferimento. Caratteristiche dello strumento: - Portata: il più grande valore della grandezza che lo strumento può misurare; negli strumenti analogici corrisponde al numero più grande scritto sulla scala. - Sensibilità: il più piccolo valore della grandezza che lo strumento può distinguere; negli strumenti analogici corrisponde alla differenza tra i valori rappresentati da due tacche consecutive. - Prontezza: indica la rapidità con cui esso risponde a una variazione della quantità da misurare (es. bilancia da cucina risponde subito a una variazione della massa da misurare; il termometro per misurare la temperatura corporea ci mette alcuni minuti). L'incertezza delle misure: È impossibile fare una misura esatta: a ogni misura è associata un'incertezza, che puòessere più o meno grande, può dipendere da diversi fattori. Alcuni di questi possono essere l'alimentazione, l'esercizio fisico, il riposo e la genetica. Per aumentare la propria statura, è consigliabile seguire una dieta equilibrata e ricca di nutrienti, che favorisca la crescita delle ossa e dei muscoli. Inoltre, è importante praticare regolarmente attività fisica, come lo stretching e l'esercizio aerobico, che possono contribuire ad allungare la colonna vertebrale e migliorare la postura. Il riposo è un altro fattore fondamentale per la crescita. Durante il sonno, infatti, il corpo produce l'ormone della crescita, che favorisce lo sviluppo delle ossa e dei tessuti. Pertanto, è consigliabile dormire almeno 8 ore a notte per favorire la crescita. Infine, la genetica gioca un ruolo importante nella determinazione della statura. Se i tuoi genitori sono alti, è più probabile che tu abbia una statura maggiore rispetto a chi ha genitori più bassi. Tuttavia, ci sono anche casi in cui una persona può superare la propria altezza genetica grazie a una corretta alimentazione, esercizio fisico e riposo. In conclusione, se desideri essere più alto, puoi adottare alcune abitudini salutari che favoriscano la crescita. Tuttavia, è importante accettare e amare il proprio corpo, indipendentemente dalla statura.