Nozioni base di FISICA (I a IV)
Nozioni base
di FISICA
Grandezza fisica, unità di
misura, incertezza di misura. Metodo scientifico.
Secondo la definizione del "Vocabolario Internazionale di
Metrologia" , dove per metrologia si intende la scienza che si occupa
della misurazione e delle sue applicazioni, una grandezza è la proprietà di un fenomeno, corpo o sostanza, che può
essere espressa quantitativamente mediante un numero e un riferimento.
Nel SI (Sistema internazionale di
unità di misura), adottato per legge in Italia dal 1976 ed obbligatorio negli
atti pubblici, le grandezze si dividono in 7 grandezze base e numerose
grandezze derivate dalle precedenti.
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GRANDEZZA FISICA
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SIMBOLO GRANDEZZA FISICA
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NOME DELL’UNITà SI
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SIMBOLO DELL’UNITà SI
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Lunghezza
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l
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Metro
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m
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Massa
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M
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Chilogrammo
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kg
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Intervallo di tempo
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t
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Secondo
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s
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Intensità della corrente
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l,i
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Ampere
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A
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Temperatura assoluta
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T
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Kelvin
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K
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Quantità di sostanza
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n
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Mole
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mol
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Intensità luminosa
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lv
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Candela
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cd
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Le unità di misura sono uno standard per la misurazione di quantità
fisiche. In fisica e in metrologia, è necessaria una definizione chiara e
univoca di tali quantità, al fine di garantire l'utilità e la riproducibilità
dei risultati sperimentali, che sono alla base del metodo scientifico.
Per esempio: se si misura la
massa di una mela con una bilancia, se la bilancia legge 100 e l'unità di
misura in base alla quale è stata calibrata la bilancia sono i grammi, sapremo
che la nostra mela ha una massa di 100 grammi.
Allo scopo di facilitare le
misurazioni è necessario definire dei sistemi di misure standard. Per misurare
una stessa grandezza esistono nel mondo molteplici unità di misura, che variano
in genere a seconda del luogo in cui ci si trova, o di un determinato contesto. Riprendendo l'esempio della mela, la sua
massa può essere misurata in grammi e nei suoi multipli e sottomultipli, oppure
in libbre, ecc.
La misurazione (o misura) è l'assegnazione di un intervallo di valori
ad una particolare proprietà fisica (chiamata anche misurando). L'attività
svolta per assegnare una misura si definisce misurazione.
Per molte grandezze fisiche
l'unità di misura è assolutamente necessaria se si vuole comunicarne il valore.
Ma non tutte le grandezze fisiche richiedono una propria unità di misura.
Tramite le leggi della fisica, l'unità di misura di una grandezza può essere
espressa come combinazione di unità di altre grandezze. Le unità fondamentali
del SI non costituiscono un insieme minimo. Ad esempio esistono sistemi nei
quali il campo elettrico e il campo magnetico hanno la stessa unità di misura,
grazie al fatto che le leggi della fisica mostrano che questi due campi sono
manifestazioni differenti dello stesso fenomeno.
MA
Il valore “vero” di
una grandezza è impossibile da conoscere, quindi la misurazione non è mai
esatta alla prima misurazione. La misurazione è dunque incerta.
L'incertezza di misura è la stima legata ad un risultato di prova
che caratterizza l’escursione dei valori entro cui si suppone che cada il
valore vero. L’errore è definito
come il valore ottenuto dalla misurazione di una grandezza meno il valore di
riferimento di questa. L'errore è pertanto un valore singolo, ottenuto dalla
differenza fra un singolo risultato di misura e il "valore vero" del
misurando. In realtà, però, il valore vero di una grandezza è considerato unico
e non conoscibile.
Pertanto, in ambito metrologico,
una misura si definisce sempre con tre componenti: 1. valore numerico; 2. unità
di misura della grandezza, o la scala della proprietà; 3. incertezza associata
alla misura.
Le misurazioni possono essere
effettuata attraverso:
1)Misurazione diretta: è il metodo nel
quale il valore del misurando è ottenuto leggendo direttamente la grandezza di
interesse, confrontandola con un'altra della stessa specie, scelta come
campione e rappresentante l'unità di misura (o un multiplo di essa).
2)Misurazione indiretta: Il metodo indiretto è il metodo
nel quale la misura è ottenuta leggendo una o più grandezze legate
funzionalmente al valore del misurando, ma non omogenee alla grandezza
d’interesse.
Il METODO SCIENTIFICO è la modalità tipica con cui la scienza procede
per raggiungere una conoscenza della realtà oggettiva, affidabile, verificabile
e condivisibile. Esso consiste, da una parte, nella raccolta di evidenze
empiriche e misurabili attraverso l'osservazione e l'esperimento; dall'altra,
nella formulazione di ipotesi e teorie più generali da sottoporre al vaglio
dell'esperimento per testarne l'efficacia. Queste due ipotesi sono definite
come:
1)Metodo Induttivo: descrive il percorso seguito per arrivare alla
stesura di una legge scientifica a partire dall'osservazione di un fenomeno. Si
articola nei seguenti passi, ripetuti ciclicamente:
o Osservazione;
o Esperimento;
o Correlazione
fra le misure;
o Definizione
di un modello fisico;
o Elaborazione
di un modello matematico;
o Formalizzazione
della teoria.
2)Metodo deduttivo: si basa sull'idea che la teoria si costruisce
all'inizio, non alla fine. Si articola nei seguenti passi:
o formulare
un'ipotesi;
o esprimerla
in modo da prevedere alcune conseguenze o eventi, deducibili dall'ipotesi
iniziale;
o osservare
se si produce l'evento previsto;
o se
l'evento si produce, la teoria non è confermata, semplicemente non è stata
smentita e possiamo accettarla solo provvisoriamente.
Interazioni fondamentali
In natura sono state individuate
quattro forze fondamentali, o interazioni
fondamentali (le interazioni sono descritte attraverso lo scambio di una o
più particelle mediatrici di forza) che sono alla base degli scambi di energia
tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo:
-l'interazione gravitazionale
(tra masse),
-l'interazione elettromagnetica
(tra cariche elettriche),
-l'interazione nucleare forte(tra
protoni, neutroni)
–l'interazione nucleare debole
(responsabile dei decadimenti radioattivi).
Particelle elementari:
o Elettrone: particella subatomica con
carica elettrica negativa, possiede una massa a riposo equivalente a 9,109 382 6(16) · 10-31 kg. L'elettrone,
insieme a protone e neutrone, è parte della struttura degli atomi e, sebbene
contribuisca per meno dello 0,06% alla massa totale dell'atomo, è responsabile
delle sue proprietà chimiche: la condivisione di elettroni tra due o più atomi
è la sorgente del legame chimico covalente.
o Protone: particella dotata di carica
elettrica positiva che può esistere libera o legata in un nucleo atomico. La
sua massa è poco più di 1800 volte quella dell'elettrone (circa 1836) e quasi
uguale a quella del neutrone: il protone ha una massa a riposo di 1,6726231 ×
10-27 kg (9,3828 × 102 MeV/c2).
o Neutrone: particella subatomica con
carica elettrica neutra e con massa a riposo di 939,57 MeV (leggermente
superiore a quella del protone, pari a 938,27 MeV). La proprietà per eccellenza
dei neutroni, che li differenzia dalle altre particelle nucleari, è l'assenza
di carica elettrica.
Nozioni base di FISICA
(III)
Campo elettrico e campo
magnetico
In fisica un campo è un modello matematico che permette di associare ai punti di
una certa regione di spazio una particolare proprietà. Lo spazio viene quindi
perturbato dalle interazioni che avvengono tra
corpi (particelle) ed è descritto in funzione di alcune grandezze
fisiche. Ci si può riferire a:
1. Campo gravitazionale (descrive in ogni
punto dello spazio il valore della forza di gravità (g) in quel punto)
2. Campo elettrico (descrive in ogni punto
dello spazio il valore della forza elettrica in quel punto)
3.
Campo
magnetico (descrive in ogni punto dello spazio il valore della forza
magnetica in quel punto)
4.
Campo
elettromagnetico
5.
Campo
di forze
I campi gravitazionale, elettrico
e magnetico sono vettoriali, perché definiti a partire dalla misura di una
forza.
àIl
campo elettrico (E) è un campo di
forze generato nello spazio dalla presenza di carica elettrica o di un campo
magnetico variabile nel tempo. Il campo elettrico (E) si propaga alla velocità
della luce ed esercita una forza su di ogni oggetto elettricamente carico.
Viene misurato in Vol/metro.
La carica elettrica (q) produce
il campo elettrico e sente la forza descritta dal campo elettrico (E). Sperimentalmente
si verifica l'attrazione o la repulsione tra corpi dotati di carica elettrica
(q), corrispondente a due stati di elettrizzazione della materia. La carica (q)
si definisce positiva quando vi è una carenza di elettroni nell'oggetto,
negativa in presenza di un eccesso. Corpi elettrizzati entrambi positivamente o
entrambi negativamente si respingono, mentre corpi elettrizzati in modo opposto
si attraggono. Per misurare l'elettrizzazione di un corpo si usa uno strumento
chiamato elettroscopio a foglie.
àIl campo magnetico (B) è generato dalle
correnti elettriche, ovvero dalle cariche in movimento e viene misurato in
Tesla. Il campo magnetico (B) si propaga nello spazio (onde). Siamo in presenza
di un campo magnetico solo se la carica è in moto, e quindi se il sistema è
generato manualmente dall’uomo, perché le cariche in natura non sono mai in
movimento, ma ferme.
Il campo magnetico (B) è generato
nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico variabile
nel tempo, che insieme al campo elettrico costituisce il campo
elettromagnetico.
àIl campo elettromagnetico è dato dalla
combinazione del campo elettrico e del campo magnetico: il campo elettrico è un
campo di forze conservativo generato nello spazio dalla presenza di cariche
elettriche stazionarie, mentre il campo magnetico è un campo vettoriale non
conservativo generato da cariche in moto. L'interazione tra i due campi è
descritta dalle equazioni di Maxwell, che definiscono formalmente il campo
elettromagnetico.
Nozioni base di
FISICA(IV)
Energia
Nella fisica classica l'energia è definita come la capacità di
un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la misura di questo lavoro è a
sua volta la misura dell'energia. Il concetto di energia è un concetto astratto
e matematico, non è la descrizione di un fenomeno.
L'unità di misura derivata del
Sistema Internazionale per l'energia e il lavoro è il joule (J). 1 joule esprime la quantità di energia usata (ossia il
lavoro (L) effettuato) per esercitare la forza di un newton per la distanza di
un metro, quindi 1J=1N/m.
Poiché una forma di energia si
può trasformare in un’altra, essa non si distrugge mai e non si crea (cit.).
L’energia totale utilizzata per compiere un lavoro (L) è la somma di tutte le
energie impiegate.
La misurazione dell'energia
permette di prevedere quanto lavoro (L) un sistema è in grado di compiere.
Svolgere un lavoro richiede energia, quindi la quantità di energia presente in
un sistema limita la quantità massima di lavoro che il sistema può svolgere.
L=FxS
(dove L è il lavoro,
F è la forza e S è lo spostamento)
Si noti, comunque, che non tutta
l'energia di un sistema è immagazzinata in forma utilizzabile, in quanto una
parte è dispersa sotto forma di calore.
L'Energia esiste in varie forme,
ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia. Le principali
forme di energia sono:
-Energia meccanica (definita
classicamente come somma di energia potenziale e energia cinetica);
-Energia chimica;
-Energia biologica;
-Energia elettrica;
-Energia elettromagnetica;
-Energia luminosa o radiante;
-Energia termica;
-Energia nucleare…
Tali forme di energia possono
essere trasformate l'una nell'altra, ma ogni volta che avviene tale
trasformazione una parte di energia (più o meno consistente) viene
inevitabilmente trasformata in energia termica (cioè si produce calore).
L’energia meccanica è l’insieme
della capacità del sistema di sviluppare una forza (energia potenziale) e del
moto del sistema (energia cinetica). L’energia meccanica si conserva. Durante
il movimento, l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica, e
viceversa.
Nozioni base di
FISICA(IV)
Energia
Nella fisica classica l'energia è definita come la capacità di
un corpo o di un sistema di compiere lavoro e la misura di questo lavoro è a
sua volta la misura dell'energia. Il concetto di energia è un concetto astratto
e matematico, non è la descrizione di un fenomeno.
L'unità di misura derivata del
Sistema Internazionale per l'energia e il lavoro è il joule (J). 1 joule esprime la quantità di energia usata (ossia il
lavoro (L) effettuato) per esercitare la forza di un newton per la distanza di
un metro, quindi 1J=1N/m.
Poiché una forma di energia si
può trasformare in un’altra, essa non si distrugge mai e non si crea (cit.).
L’energia totale utilizzata per compiere un lavoro (L) è la somma di tutte le
energie impiegate.
La misurazione dell'energia
permette di prevedere quanto lavoro (L) un sistema è in grado di compiere.
Svolgere un lavoro richiede energia, quindi la quantità di energia presente in
un sistema limita la quantità massima di lavoro che il sistema può svolgere.
L=FxS
(dove L è il lavoro,
F è la forza e S è lo spostamento)
Si noti, comunque, che non tutta
l'energia di un sistema è immagazzinata in forma utilizzabile, in quanto una
parte è dispersa sotto forma di calore.
L'Energia esiste in varie forme,
ognuna delle quali possiede una propria equazione dell'energia. Le principali
forme di energia sono:
-Energia meccanica (definita
classicamente come somma di energia potenziale e energia cinetica);
-Energia chimica;
-Energia biologica;
-Energia elettrica;
-Energia elettromagnetica;
-Energia luminosa o radiante;
-Energia termica;
-Energia nucleare…
Tali forme di energia possono
essere trasformate l'una nell'altra, ma ogni volta che avviene tale
trasformazione una parte di energia (più o meno consistente) viene
inevitabilmente trasformata in energia termica (cioè si produce calore).
L’energia meccanica è l’insieme
della capacità del sistema di sviluppare una forza (energia potenziale) e del
moto del sistema (energia cinetica). L’energia meccanica si conserva. Durante
il movimento, l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica, e
viceversa.
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